Elektronik II 2. Groÿe Übung

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1 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Elektronik II 2. Groÿe Übung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai 2015

2 1. Brückengleichrichter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Brückengleichrichter

3 1. Brückengleichrichter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe 2.6: Brückengleichrichter Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion des nachfolgenden Brückengleichrichters 1 mit vier Schottky-Dioden vom Typ BAT43 1 und 2 mit vier Siliziumdioden vom Typ 1N4148. im Bereich 3 V U e 3 V. U e D1 D2 D3 D4 R L 200 Ω U a 1 Besorgen Sie sich das Modell der Schottky-Dioden Typ BAT43 aus dem Internet.

4 1. Brückengleichrichter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Modell für die BAT43 ndet man z.b. hier: Electronics/spice/SoftOnMosfet/DIODE_ST_10.lib In einer Datei im selben Verzeichnis wie die Schaltung speichern. Schaltung eingeben. Dierenzspannung über dem Widerstand anzeigen.

5 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 1. Brückengleichrichter Statt der anderen Diode bietet es sich an, mit der Step-Funktion die Schaltung mit beiden Dioden nacheinander zu simulieren. Welchen oensichtlichen Vorteil hat eine Schottky-Diode in einem Brückengleichrichter?

6 2. Spannungsstabilisierung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Spannungsstabilisierung

7 2. Spannungsstabilisierung Aufgabe 2.7: Spannungsstabilisierung Gegeben sei der nachfolgenden Längsregler zur Stabilisierung der Spannung U a. U e R 1 R L U a Z-Diode: BZX84C6V2L Transistor: BC 547B 1 Bestimmen Sie die Ausgangsspannung U a in Abhängigkeit der Eingangsspannung U e im Bereich von 5 V U e 10 V mit R 1 = 1kΩ und R L = 100 Ω. 2 Legen Sie R 1 so fest, dass bei einer Eingangsspannung von 8 V und einem von 1 kω bis 10 Ω absinkenden Lastwiderstand R L die Ausgangsspannung in guter Näherung konstant bleibt und bei weiterer Verringerung des Lastwiderstands R L der Laststrom I L nicht weiter absinkt (Lösen durch Probieren.). Hinweis: Die Berechnung einer ähnlichen Schaltung nden Sie in Elektronik I, F3, Abschn. 1.6 (Spannungsstabilisierung).. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31

8 2. Spannungsstabilisierung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Wiederholung aus Elektronik I I L I k U Q U V Prinzip: Bipolartransistor mit konstantem Basispotenzial, z.b. erzeugt mit einer Z-Diode im Durch- bruchbereich. Ersatzschaltung mit Z-Diode im Durchbruchbereich β I B I L Zweipolverhalten aus der Schaltungssicht U Q I k U BEF I B R B M U V R B 1+β I L U BR U BR U BEF U V

9 G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 2. Spannungsstabilisierung Strombegrenzungsmodus Der gesamte Strom I k ieÿt in die Basis β I k I L Zweipolverhalten aus der Schaltungssicht U BEF (1 + β) I k U Q I k R B U V U V Laut Ersatzschaltung ideale Stromquelle. Begrenzungsstrom streut, da proportional zu β. Stabilisierte Spannung übernimmt die Streuungen von U BEF des Transistors und von U BR der Z-Diode.

10 2. Spannungsstabilisierung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 1 Bestimmen der Ausgangsspannung U a in Abhängigkeit der Eingangsspannung U e im Bereich von 5 V U e 10 V mit R 1 = 1kΩ und R L = R 2 = 100 Ω.

11 Bei U a 5 V und R L = R 2 = 10 Ω ieÿt etwa ein Strom von 0,5 A. Nächste Folie Zusatzkontrolle, dass die Ausgangsspannung bis zu einem Laststrom von 0,5 A etwa konstant bleibt und dann steil abfällt.. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 2. Spannungsstabilisierung 2 Legen Sie R 1 so fest, dass bei einer Eingangsspannung von 8 V und einem von 1 kω bis 10 Ω absinkenden Lastwiderstand R L = R 2 die Ausgangsspannung in guter Näherung konstant bleibt

12 2. Spannungsstabilisierung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Hat die beiden vorhergesagten Arbeitsbereiche. Wie groÿ sind die Anstiege (Widerstände) in den beiden Arbeitsbereichen?

13 2. Spannungsstabilisierung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Stromwerte auf zwei pro Arbeitsbereich reduzieren. Im Waveform Viewer File => Export => V(a). R Ers1 = il V(a) e e e e e e e e+000 5,52 V 5,21 V 450 ma 50 ma = 0,77 Ω; R Ers2 = 4,89 V 2,29 V 750 ma 750 ma = 13 Ω

14 3. Transistorinverter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Transistorinverter

15 3. Transistorinverter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe 2.8: Transistorinverter Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion U a = f (U e ) für den nachfolgenden Transistorinverter im Bereich 0 U e 5 V. R 1 10 k D2 D3 U e D1 R 2 10 k Q1 R C 1 k U a 5 V D1 bis D3: 1N4148 Q1: BC547B Hinweis: Die Arbeitsbereiche, lineare Ersatzschaltungen und Berechnung siehe Elektronik I, F3, Elektronik I, Abschn. 1.5 (DT-Gatter).

16 3. Transistorinverter G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31

17 4. Verstärker mit MOS-Transistor G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Verstärker mit MOS-Transistor

18 4. Verstärker mit MOS-Transistor G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe 2.10: Verstärker mit MOS-Transistor Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion U a = f (U e ) für den nachfolgenden Verstärker mit einem MOS-Transistor 2N7002 im Bereich 0 U e 5 V. M1 R D 1 k 5 V U e R S 100 Ω U a M1: 2N7002

19 4. Verstärker mit MOS-Transistor G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Bei Wahl des Arbeitspunkt U e = 2 V ergibt.tf V(a) V: Transfer_function: transfer ve#input_impedance: 1e+020 impedance output_impedance_at_v(a): 1000 impedance

20 5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Nichtinvertierender Verstärker mit OV

21 5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe 2.11: Nichtinvertierender Verstärker mit OV Entwerfen Sie mit einem Operationsverstärker vom Typ TLC07X, Versorgungsspannungen ±5 V, einen nichtinvertierenden Verstärker mit der Verstärkung: v u = U a U e = 5 1 Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion. 2 Lesen Sie aus der Übertragungsfunktion ab, für welchen Eingangsspannungsbereich die Schaltung als Verstärker nutzbar ist.

22 5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Wiederholung aus Elektronik I R 2 U = 0 U a U e R 1 U R1 = R1 R 1+R 2 U a U a = R 1 + R 2 U e R 1 Mögliche Widerstandswerte für v u = 5: R 1 = 25 kω R 2 = 100 kω

23 5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Datei TLC07x.mod von der Webseite zur Vorlesung in das Arbeitsverzeichnis laden. In LTspice [Opamps] > Opamp2 verwenden.

24 6. Verstärker aus 2 Transistoren G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Verstärker aus 2 Transistoren

25 6. Verstärker aus 2 Transistoren. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe Legen Sie für den nachfolgenden Transistorverstärker R 1 und R 2 so fest, dass die Spannungsverstärkung v u = d ua d u e = 20 und der Eingangswiderstand r e = d ue d i e mindesten 100 kω beträgt. U e BC457C T2 I e T1 BC547C I a R 1 R 2 Transistoren: β > 200 U BEF ±0,7 V U V = 5 V 1 Lineare Ersatzschaltung mit Transistoren im Nomalbereich. 2 Gleichungen für I e = f (U e ) und U a = f (U e ) abschätzen. 3 Daraus Gleichungen für v u und r e daraus ableiten. 4 Widerstandswerte festlegen. 5 Kontrolle durch Simulation: Kennlinie bestimmen, Arbeitspunkt festlegen, v u und r e im Arbeitspunkt bestimmen, nachbessern,... U a

26 6. Verstärker aus 2 Transistoren G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Lineare Ersatzschaltung -0,7 V I e I B2 5 V 200 I B2 a U e 0,7 V 200 I e R 2 R 1 U e = U BEF + I e (1 + β + β 2) R 2 Eingangswiderstand: r e β 2 R 2 Auswahl: R 2 = 22Ω U a U R2 R1+R 2 R 2 Auswahl: R 2 = 430Ω

27 6. Verstärker aus 2 Transistoren G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Übertragungsfunktion und Arbeitspunkt Der Arbeitspunkt soll bei U e = 0,6 V liegen. Mit.tf V(a) Ve ergibt sich im Arbeitspunkt ein Eingangswiderstand von 5 MΩ und eine Verstärkung von 16.

28 6. Verstärker aus 2 Transistoren G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Variation von R 2 zur Anpassung von v u Bei R 2 = 550Ω ist die Verstärkung genau 20. Achtung, die Simulation berücksichtigt keine Streuungen der Bauteilparameter.

29 7. CMOS-Inverter als Verstärker G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 CMOS-Inverter als Verstärker

30 7. CMOS-Inverter als Verstärker 1 Bestimmen Sie für den Arbeitspunkt U e = U V /2 die Verstärkung und den Ausgangswiderstand. 2 Änderungsvorschlag zur Einstellung der Verstärkung -20? G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Aufgabe 2.16: CMOS-Inverter als Verstärker Der nachfolgende mit zwei Widerständen beschaltete CMOS-Inverter ist ein Verstärker.

31 7. CMOS-Inverter als Verstärker G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal 4. Mai /31 Lösung zum Vergleich 1 Verstärkung und Ausgangswiderstand für U e = U V /2 Transfer_function: transfer ve#input_impedance: impedance output_impedance_at_v(a): impedance 2 Änderungsvorschlag zur Einstellung der Verstärkung -20? R 2 muss etwa bei kω = 232 kω 8, 629 liege. Kontrolle mit durchsteppen von R 2.

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