TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN. Repetitionen. Kapitel 17 ELEKTRONIK DIGITALTECHNIK PROGRAMMIEREN. Bearbeitet durch:

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1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Repetitionen Bearbeitet durch: Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut Nidfurn Telefon P Telefax P hn@ibn.ch Web Kapitel 17 ELEKTRONIK DIGITALTECHNIK PROGRAMMIEREN 4. Auflage 12. Juli John Bardeen 1 US-amerikanischer Physiker * Madison, Wis Boston 1 Nobelpreisträger für Physik: 1956 zusammen mit W. Shockley2 und 2 H. Brattain3 für Arbeiten über Transistoren; Bild zusammen mit L. N. Cooper und J. R. Schrieffer für eine Theorie der Supraleitung. L. N. Cooper J.R. Schrieffer Wissen Media Verlag * 28. Februar 1930 New York *31. Mai 1931 Oak Park, Illinois Version 4

2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 1 Transistor in Emitterschaltung Am Arbeitswiderstand R = 2, 2kΩ eines Transistors liegt eine Spannung von U R = 9, 6V. 4,36mA Berechnen Sie den Emitterstrom des Transistors. Version 4

3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 2 Transistor als Schalter mit Lichtsensor Das Relais K1 soll bei einem Lichteinfall von ca. 500 lux aktiviert werden. Fr Alle Widerstände sind zu dimensionieren, dass das Relais K1 im richtigen Moment anzieht ( R1 0, 2, U = 5V ). = kω Foto- Widerstand Fr R [k Ω] ,1 0, E [Lux] Relais K1 5V, 125Ω, 40mA Kontakt 250VAC 10A Fr [ µ A] I B Eingangskennlinie für U CE=5V Transistor T1 BC548B I 100 U [mv] 900 U BE I C=40mA bei I B=150µA bei

4 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 101 Aus welchen zwei Teilen besteht eine Halbleiterdiode? 102 Wie bezeichnet man die ladungsfreie Zone, die in einem pn-übergang entsteht? 103 Wie bezeichnet man den Spannungsunterschied, welche zwischen der n-schicht und p- Schicht vorhanden ist? 104 Welches sind die Ladungsträger in a) der p-schicht? b) der n-schicht?

5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 105 Warum entsteht im Halbleitermaterial a) eine p-schicht? b) eine n-schicht? 106 Wie muss eine Halbleiterdiode gepolt sein, damit sie den Strom sperrt? 107 Nennen Sie zwei Halbleiterwerkstoffe, die für die Dioden verwendet werden? 108 Wie erreicht man einen n-leitenden Germanium-Kristall?

6 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 109 Bei der Herstellung von Dioden entsteht eine Grenzschicht zwischen p- und n-leitendem Material. Welche der Behauptungen a) bis d) sind richtig? a) Die Bildung der Grenzschicht geschieht durch Abwanderung von Ladungsträgern in andere Bereiche. b) Je weniger Ladungsträger abwandern, um so dünner wird die Grenzschicht. c) In der Grenzschicht entsteht eine Spannung durch Raumladung. d) Die Diffusionsspannung beträgt bei Germanium-Dioden ca. 0,7 Volt 110 Das Verhalten einer Diode ist von der Polarität der aussen angelegten Spannung abhängig. Welche der Aussagen von a) bis d) sind falsch zugeordnet? a) Plus-Potential an p = Durchlassrichtung. b) Minus-Potential an n = Sperr-Richtung. c) Äussere Spannung gegen die Diffusionsspannung U D gerichtet = Rückwätsrichtung. d) Äussere Spannung kleiner als 0,7 Volt = hoher Widerstand der Siliziumdiode in beiden Richtungen. 111 Gleichrichter-Dioden werden immer so verwendet, dass die Ventilwirkung der Dioden ausgenutzt wird. Welche der Aussagen von a) bis d) sind richtig? a) Bei der Einpuls-Mittelpunkt-Schaltung wird nur eine Halbwelle der Wechselspannung am Verbraucher wirksam. b) Bei der Zweipuls-Mittelpunkt-Schaltung wird ein kleinerer Transformator als bei der Einpuls-Schaltung benötigt. c) Die Welligkeit der pulsierenden Gleichspannung ist bei der Einpulsschaltung geringer als bei der Zweipuls-Schaltung. d) Der Mittelwert der Gleichspannung ist bei der Einpuls-Schaltung um mehr als 50% kleiner als der Effektivwert der Wechselspannung. 112 Die effektivste Form der Gleichrichtung mit Dioden ist die Brücken-Gleichrichter-Schaltung. Welche Aussagen sind richtig? a) Der Transformator benötigt nur eine Sekundärwicklung. b) Zur Gleichrichtung werden vier Dioden benötigt. c) Alle vier Dioden sind gleichzeitig leitend. d) Es sind jeweils zwei Dioden in Sperr- Richtung und zwei Dioden in Durchlass- Richtung geschaltet.

7 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 113 Bei einfachen diskreten Schaltungen im Kraftfahrzeugbau können normale Halbleiter-Dioden verschiedene Aufgaben erfüllen. Welche Aussagen sind richtig? a) Sie werden zur Strombegrenzung in Gleichstrom-Kreisen verwendet. b) Sie werden zur Gleichspannungserzeugung verwendet. c) Sie können helfen, das Auftreten von Spannungsspitzen einzugrenzen. d) Sie können Schaltvorgänge in Gleichstromkreisen steuern. 114 Beschreiben Sie den Aufbau des Transistors! 115 Schalten Sie den npn-transistor funktionsrichtig! N P N 116 Zeichnen Sie den Aufbau eines Thyristors (mit Grenzbereichen)!

8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 117 Nennen Sie die zwei Arten von pipolaren Transistoren bezüglich ihres Schichtaufbaus und zeichnen Sie deren Symbole! 118 Welche Halbleiterwerkstoffe werden für Transistoren verwendet? 119 Nennen Sie zwei typische Anwendungen für Transistoren! 120 Nennen Sie zwei typische Anwendungen für Thyristoren!

9 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 121 Wie heissen die drei Anschlüsse am gezeichneten Transistor? 122 Ein Relais ist über einen Schalttransistor angeschlossen. a) An welchen Pol wird die Basis angeschlossen, um das Relais zu schalten? b) Welche Aufgabe besitzt die gezeichnete Diode? 123 Zwischen welchen Anschlüssen wird der Transistor gesteuert? 124 Was versteht man unter der Stromverstärkung eines leitenden Transistors?

10 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 125 Wie sind die Betriebsspannungen bei leitenden a) PNP-Transistoren gepolt? b) NPN-Transistoren gepolt? 126 Was versteht man unter einem Thyristor im Vergleich zu einer Gleichrichter-Diode? 127 Wie werden die Anschlüsse eines Thyristors bezeichnet? Zeichnen Sie die Symbole mit den Kurzzeichen! 128 Wie verhält sich ein Thyristor, der an Spannung liegt und dessen Steuerelektrode spannungslos ist?

11 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 129 Womit wird der Thyristor gesteuert? 130 Wie kann ein leitender Thyristor wieder in den Sperrzustand gebracht werden? 131 Warum muss der Thyristor bei Wechselstrombetrieb nach jeder Halbwelle neu gezündet werden? 132 Wie verhält sich ein gezündeter Thyristor in einem Gleichstromkreis?

12 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 133 Was ist ein Triac? 134 Welches Symbol stellt ein Diac dar? 135 In welchen Grenzen ändert sich die Ausgangsspannung U Q, wenn die Eingangsspannung von U 1 =- 12V auf U 1 =+12V geht? Die Durchlassspannung der Dioden wird mit U F =0,7V angenommen. 136 Welchen Wert hat das Potential gegen 0V a) im Punkt A, wenn der Schalter S auf Stellung 1 steht? b) im Punkt A, wenn der Schalter S auf Stellung 2 steht? c) im Punkt B, wenn der Schalter S auf Stellung 2 steht? d) Wie gross ist der Spannungsabfall am Widerstand R bei der Schalterstellung 2? Alle Dioden (Silizium) mit U F=0,7V Durchlassspannung angenommen.

13 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 137 Welchen Wert haben die Spannungen U Q an der Last, der Laststrom I L und die Ströme I 1 und I 2 in den beiden Spannungsquellen bei R L =100Ω a) bei geschlossenem Schalter S? b) bei offenem Schalter S? (der Innenwiderstand der Batterie ist vernachlässigbar) V 1 und V 2 sind Silizium- Gleichrichterdioden, deren Durchlassspannung mit U F=0,8V angenommen wird. 138 Welche Leiter- bzw- Widerstandsarten unterscheidet man? 139 Zählen Sie die drei bekanntesten Halbleiterwerkstoffe auf. 140 Wie hängt die Leitfähigkeit reiner Halbleiter von der Temperatur ab?

14 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 141 Wie heissen die Elektronen, die für das elektrische und chemische Verhalten verantwortlich sind und wo befinden sie sich? 142 Wie erklärt man sich, dass reine Halbleiter bei ganz tiefen Temperaturen nicht leiten? 143 Wie erklärt man sich, dass reine Halbleiter bei Temperaturzunahme leitend werden? 144 Wie ist das Kristallgitter von reinem Silizium aufgebaut?

15 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 145 Wie setzt sich die Leitfähigkeit von Halbleitern zusammen? 146 Welche Ladungsträger kennt man bei Halbleitern? In welcher Richtung bewegen sie sich? 147 Was versteht man unter DOTIEREN? 148 Man unterscheidet zwei Dotierungsarten. Nenne und erkläre Sie.

16 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 149 Erkläre eine Diode anhand der Schichten a) beim Strom sperren. b) beim Strom durchlassen. 150 Warum muss zu jeder Diode eine Strombegrenzung in Serie geschalten sein? 151 Was versteht man unter den Begriffen: a) Schleusenspannung? b) Durchbruchspannung? c) Schwellwert? 152 a) Zeichne die Schaltung eines Einweggleichrichters und das Liniendiagramm des dazugehörenden Laststromes. b) Um welche Stromart handelt es sich beim Laststrom? c) Welchen Nachteil hat der Einweggleichrichter? I U

17 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 153 a) Skizziere die Schaltung eines Doppelweggleichrichters. Geben Sie die Strompfade für beide Halbwellen mit unterschiedlichen Farben an. Bild: U I b) Wie nennt man diese Gleichrichterschaltung auch noch? c) Zeichne das Liniendiagramm des Laststromes U Wie kann pulsierender Gleichstrom geglättet werden? 155 Wozu werden Z-Dioden verwendet? (2 aufzählen, 1 davon erklären) 156 Zeichnen Sie das Symbol der Leuchtdiode.

18 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 157 Welche Elektrode leuchtet bei einer an Gleichspannung angeschlossenen Glimmlampe? 158 a) Zeichne das Symbol eines Diacs. b) Wo wird er angewendet? 159 Bezeichnen Sie die nachfolgenden Transistoren! a) b) c) 160 Erklären Sie die Funktion des NPN-Transistors anhand der Schichten. U EB U BC + _ I E I C + _ p I B B p E G1 G2 C n

19 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 161 Unter welchen Bedingungen leitet ein PNP- Transistor (Zeichnen Sie das Symbol und die Polaritäten ein)? 162 Skizzieren Sie eine einfache Verstärkerschaltung (Emitterschaltung). 163 Wodurch unterscheidet sich ein Thyristor von einem Transistor? 164 Welche Thyristoren unterscheidet man? Zeichne die Symbole für Thyristoren und benennen Sie die Anschlüsse.

20 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 165 Unter welchen Bedingungen leitet der Thyristor? 166 Aus welchen Elementen ist ein Triac zusammengesetzt? Zeichne das Symbol des Triacs. 167 Aus welchen Elementen ist ein Ditriac zusammengesetzt? Zeichne das Symbol. 168 Wo werden Triac's und Ditriac's angewendet?

21 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 169 Erlären Sie den Dämmerungsschalter bei vorgegebener Schaltung. C1 RV RF 170 Erklären Sie den Lichtregler bei vorgegebener Schaltung. S1 RV L RPOTI CS Mit dem Drehknopf werden das Potentiometer R POTI eingestellt und der Schalter Sch3 betätigt. C1 F Die Drossel L und der Kondensator C S sind Störschutzelemente. R V schützt den Ditriac vom Steueranschluss her, wenn R POTI überbrückt ist. Die Feinsicherung F schützt den Lichtregler vor Überlast. 171 Zeichnen Sie das Symbol der Photodiode. 172 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente.

22 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 173 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente. 174 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente. 175 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente. 176 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente.

23 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 177 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente. 178 Beschreiben Sie die dargestellten Elemente. 179 Beschreiben Sie das dargestellte Element. 180 Beschreiben Sie das dargestellte Element.

24 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 181 Beschreiben Sie das dargestellte Element. Bild Beschreiben Sie die dargestellte Relaisschaltung. 183 Beschreiben Sie die dargestellte Relaisschaltung. 184 Beschreiben Sie die dargestellte Relaisschaltung.

25 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 185 Für die folgende Schaltung ist die Ausgangsspannung Ua bei einer Eingangsspannung von Ue=+5V anzugeben. 186 Für die folgende Schaltung ist die Ausgangsspannung Ua bei einer Eingangsspannung von Ue=+5V anzugeben. 187 Für die folgende Schaltung ist die Ausgangsspannung Ua bei einer Eingangsspannung von Ue=+5V anzugeben. 188 In der Schaltung mit Z-Diode sind folgende Werte zu bestimmen: a) Die Verlustleistung der Z-Diode. b) Die Verlustleistung des Vorwiderstandes Rv.

26 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 189 Berechnen Sie den höchstzulässigen Effektivwert der Transformatorenspannung (sekundär), mit dem die Gleichrichterschaltung betrieben werden darf. 190 In welcher Diodenschaltung kann Strom fliessen? 191 Leuchtdiodenschaltung: Wie gross muss der Vorwiderstand Rv mindestens sein? 192 Wo befindet sich der Katodenanschluss beim Diodenanschluss?

27 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 193 Es handelt sich bei L1 und L2 um gleiche Lämpchnn. Was kann betreffend Helligkeit der Lämpchen festgestellt werden? 194 Welcher Wert hat die Ausgangsspannung Ua a) bei offenem Schalter S b) bei geschlossenem Schalter S Die Durchlassspannung Uf der Diode beträgt 0,7V. 195 Bestimmen Sie mit Hilfe der Kennlinie a) die Durchlassspannung. b) die Sperrspannung. 196 Warum muss ein Thyristor im Wechselspannungbetrieb während jeder Periode neu gezündet werden?

28 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 197 Wozu dient die Diode in der gegebenen Schaltung? Was würde geschehen, wenn die Diode gemäss Schema falsch angeschlossen wird? 198 Was passiert, wenn a) S1 b) S2 c) S3 einzeln eingeschaltet wird? 199 Was wird bei der Leuchtdiode LED festgestellt, wenn die Taster T1 und T2 nacheinander abwechslungsweise betätigt werden? 200 Welche Schaltung wird angewendet, wenn ein Gleichstromschütz an Wechselspannung angeschlossen werden soll?

29 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 201 Relaisschaltung: a) Handelt es sich um Anzugs- oder Abfallverzögerung? b) Erkläre die Funktion! c) Was ändert sich bei der Relaisschaltung, wenn die Diode ausgebaut wird? 202 Was wird bei der Leuchtdiode LED festgestellt a) wenn S1 b) wenn S2 c) wenn S3 einzeln geschaltet werden? 203 Was wird bei der Leuchtdiode LED festgestellt a) wenn S1 b) wenn S2 c) wenn S3 einzeln geschaltet werden? 204 Relaisschaltung: a) Handelt es sich um Anzugs- oder Abfallverzögerung? b) Erkläre die Funktion! c) Was ändert sich bei der Relaisschaltung, wenn die Diode ausgebaut wird?

30 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 205 Erkläre die Funktion der Schaltung. 206 a) Handelt es sich bei der Gleichrichterschaltung um eine Einweggleichrichter oder um einen Zweiweggleichrichter? b) Zeigen Sie den Strompfad für die positive und negative Halbwelle. c) Wozu dient der Kondensator C1? 207 a) Wie wird das Bauteil 1 bezeichnet? (Vergrösserte Darstellung des Schamas siehe Beilage 2) b) Welche Aufgabe hat das Bauteil 1? c) Zeichnen Sie die Diodenschaltung für dieses Bauteil 1 auf. 208 Ergänzen Sie das Schema, damit der Transistor den Lampenstrom einschaltet. Bild

31 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 209 a) Was wird erreicht, wenn der Widerstandswert R2 des Potentiometers verändert wird? b) Auf welcher Stellung brennt die Lampe H1 am hellsten? 210 Die Bauteile und Ströme im Schema Beilage 1 sind näher zu beschreiben! 211 a) Um welche elektronischen Bauteile handelt es sich bei V1 und V2? b) Wozu dient diese Schaltung? c) Was wird mit dem Widerstand R2 eingestellt? d) Welche Aufgabe haben L und C1? 212 Um welche elektronischen Bauteile handelt es sich bei V2, V6, V1, V5?

32 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 213 Was für Gleichrichterschaltungen gibt es? 214 Warum weist ein Gleichrichter fast immer einen Transformator auf? 215 Warum Phasenanschnitt 1) oder Phasenabschnitt? Phasenanschnitt 1) Vereinfacht 216 Für elektronische Trafos Phasenanschnitt 1) oder Phasenabschnitt? Elektronischer Trafo

33 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 217 Welche Ziffern werden durch die 7-Segment- Anzeige angezeigt, wenn die Taste S A bzw. S B gedrückt wird? S A S B A 5 3 B 6 3 C 2 6 D 3 6 f e g d a b c Siebensegment- Anzeige a b c d e f g 218 Welche Aussage zum arithmetischen Mittelwert der Gleichspannung U für beide Schaltungen ist richtig? U m ist bei: m 230V 18V R L =1kW A beiden Schaltungen gleichen gross B Schaltung U 1 grösser C Schaltung U 2 grösser 230V 9V 9V R L =1kW D Lastabhängigkeit bei U 2 grösser 219 Wie heiβt die abgebildete Gleichrichterschaltung (Richtige Nummern zuordnen)? U 1N L 1 N M 1 2 U 1M U 2M R 1 R 2 U L R L 1 Halbbrücke 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 5 Einweggleichrichter 6 Gegentaktschaltung 220 Wie heiβt die abgebildete Gleichrichterschaltung (Richtige Nummern zuordnen)? 1 Halbbrücke 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 5 Einweggleichrichter 6 Gegentaktschaltung 7 Dreiweggleichrichter 8 Zwölfpulsschaltung

34 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN 221 Ordnen Sie die richtige bezeichnung der Gleichrichterschaltung den zwei Schaltungen zu! 1 Gegentaktschaltung 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 230V 230V 18V 9V 9V R L =1kW R L =1kW 222 Wie heiβt die abgebildete Gleichrichterschaltung (Richtige Nummern zuordnen)? U 1 U 2 U 3 L 1 L 2 L 3 N R 1 R 2 R 3 A U AN L d I L U L R L 1 Halbbrücke 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 5 Einweggleichrichter 6 Gegentaktschaltung 7 Dreiweggleichrichter 8 Zwölfpulsschaltung 9 Drehstrom-Einweggleichrichter 223 Wie heiβt die abgebildete Gleichrichterschaltung (Richtige Nummern zuordnen)? 1 Halbbrücke 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 5 Einweggleichrichter 6 Gegentaktschaltung 7 Dreiweggleichrichter 8 Zwölfpulsschaltung 9 Drehstrom-Einweggleichrichter 224 Wie heiβt die abgebildete Gleichrichterschaltung (Richtige Nummern ankreuzen)? U L e R L 1 Halbbrücke 2 Zweiweggleichrichter 3 Einweggleichrichter 4 Grätzschaltung 5 Einweggleichrichter 6 Gegentaktschaltung 7 Dreiweggleichrichter 8 Zwölfpulsschaltung 9 Drehstrom-Einweggleichrichter

35 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Beilage Nachfolgende Bauteile und Ströme im Schema Beilage 1 sind näher zu beschreiben: a) Um welche Transistortypen handelt es sich bei V4, V5, V6, V7? b) Welche Aufgabe haben die vier Transistoren (V4, V5, V6, V7)? c) Welche der Transistoren V4, V5, V6 und V7 sind leitend, wenn bei a1 der Pluspol und bei b1 der Minuspol angeschlossen wird? d) Zeigen Sie den Pfad für den Speisegleichstrom zur Telefonstation (a1+/b1-) e) Zeigen Sie den Strompfad für den Ladestrom des Speisekondensators C5. f) Welche Aufgabe hat der Transistor V3? Version 4

36 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN Beilage Beantworten Sie nachfolgende n: a) Wie wird das Bauteil 1 bezeichnet? b) Welche Aufgabe hat das Bauteil 1? c) Zeichnen Sie die Diodenschaltung für das Bauteil 1 auf.