Diplomvorprüfung WS 2009/10 Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten

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1 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 1 von 8 Hochschule München FK 03 Fahrzeugtechnik Zugelassene Hilfsmittel: Taschenrechner, zwei Blatt DIN A4 eigene Aufzeichnungen Diplomvorprüfung WS 2009/10 Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten Matr.-Nr.: Hörsaal: Name, Vorname: nterschrift: Prof. Dr.-Ing. Buch Prof. Dr.-Ing. Klein Prof. Dr.-Ing. Küpper Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte) Das abgebildete Plättchen aus Silizium der Länge d = 0,1 cm und der Fläche A = 1 cm 2 hat bei aumtemperatur (T = 300 K) folgende Eigenschaften: n i = cm -3, µ n = 1350 cm 2 /Vs, µ p = 480 cm 2 /Vs, e = 1, As 1.1 Das Halbleiterplättchen ist mit einem Donator dotiert. Bei aumtemperatur fließt der Strom I = 10 ma durch das Plättchen. Es wird die Spannung = 46,3 mv gemessen. - Wie groß ist der ohmsche Widerstand des Plättchens? - Wie groß ist der spezifische Widerstand ρ des Plättchens? - Welchen Wert hat die Donatordichte N D? (Ersatzwert: N D = cm -3 ) (Hinweis: Der Einfluss der Löcher darf bei der Berechnung vernachlässigt werden.) 1.2 Zeichnen Sie die Bewegungsrichtung der Elektronen in die Skizze ein. - Handelt es sich bei dem Stromfluss I = 10 ma um Driftstrom oder Diffusionsstrom? - Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich die freien Elektronen?

2 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 2 von Das Plättchen wird erwärmt, die Eigenleitungsdichte steigt auf n i = cm Welchen spezifischen Widerstand ρ besitzt das erwärmte Plättchen? - Wie groß ist der ohmsche Widerstand des erwärmten Plättchens? 1.4 Die obige Abbildung zeigt das Bänderdiagramm eines n-halbleiters. - Markieren Sie im Diagramm den Bandabstand E g des Halbleiters. - Durch die Dotierung werden zusätzliche Elektronen in den Halbleiter eingebracht, die für die Atombindungen im Kristall nicht benötigt werden. Markieren Sie im Diagramm die Energie ΔW, die notwendig ist, um diese zusätzlichen Elektronen ins Leitungsband anzuheben. - Welche elektrischen Eigenschaften hat ein Material mit dem Bandabstand 8,9 ev? (Hinweis: Der Bandabstand von Silizium beträgt 1,11 ev)

3 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 3 von 8 Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte) Ein Verbraucher ( L = 2 kω) wird von einem Gleichspannungsnetzteil ( q ) mit Strom versorgt. Die zulässige Betriebsspannung des Verbrauchers liegt im Bereich 4,5 V < L < 5,5 V. Eine Zenerdiode ( Z0, r Z ) mit Vorwiderstand ( V = 100 Ω) schützt den Verbraucher vor einer Beschädigung durch Überspannung Ermitteln Sie aus der Kennlinie die Parameter Z0 und r Z der eingesetzten Zenerdiode. (Ersatzwerte: Z0 = 5 V, r Z = 2 Ω) 2.2 Zunächst hat die Versorgungsspannung den Wert q = 5 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zenerdiode? Durchlassbereich Durchbruchbereich Die Diode sperrt 2.3 Wie groß sind für q = 5 V die Spannung am Verbraucher ( L ), der Diodenstrom (I Z ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (P Z )?

4 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 4 von Aufgrund einer Fehlfunktion des Gleichspannungsnetzteils verdoppelt sich die Spannung q auf den Wert q = 10 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zenerdiode nun? Durchlassbereich Durchbruchbereich Die Diode sperrt 2.5 Wie groß sind für q = 10 V die Spannung am Verbraucher ( L ), der Diodenstrom (I Z ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (P Z )? 2.6 Welchen Wert qmax darf die Versorgungsspannung maximal annehmen, damit der Verbraucher gerade noch nicht beschädigt wird ( Lmax = 5,5 V)?

5 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 5 von 8 Aufgabe 3 (ca. 17 Punkte) Gegeben ist die nachstehende Schaltung mit zwei Verstärkerstufen. Die Betriebsspannung beträgt B = 10 V. E B I C1 C1 I B1 B2 CE2 CE1 BE1 2 1 I BE 2 I C 2 C 2 B A Die beiden Transistoren sind identisch und werden durch folgende Kennlinien beschrieben: I B /ma I C /A 1, , ,6 5 4 I B /ma 4 0, ,2 1 0,2 0,4 0,6 0,8 BE / V CE / V 3.1 m welchen Typ von Transistor handelt es sich? (Begründung!)

6 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 6 von Die Verstärkerstufe 1 hat eine Spannungsverstärkung v 1 = Der Kleinsignalverstärkungsfaktor im Arbeitspunkt des ersten Transistors ist 1 = 110, der differentielle Widerstand der Basis-Emitterdiode beträgt r BE1 = 6,5 Ω. a) Wie groß ist der Kollektorwiderstand C1? (Ersatzwert: C1 = 16,67 Ω) b) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade der ersten Stufe ins Ausgangskennlinienfeld. c) Wie groß muss I B1 sein, damit sich am 1. Transistor eine Kollektor-Emitterspannung CE1 = 5 V einstellt? Dimensionieren Sie für diesen Fall den Widerstand B. 3.3 Die Verstärkerstufe 2 wird in ihrem Arbeitspunkt mit einem Basisstrom I B2 = 5 ma betrieben. C2 beträgt 10 Ω, für die Widerstände 1 und 2 gilt: 2 = 12 1 a) Ermitteln Sie aus der Eingangskennlinie die Spannung BE2 im Arbeitspunkt. b) Wie groß sind 1 und 2? (Verwenden Sie für die Berechnung keine Näherungen!) c) Wie groß ist die Spannung CE2 im Arbeitspunkt? Welche Verlustleistung P 2 wird dabei vom zweiten Transistor als Wärme abgegeben?

7 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 7 von 8 Aufgabe 4 (ca. 13 Punkte) Eine Leuchtdiode wird durch kurzes Schließen eines (Tast-)Schalters eingeschaltet. Nach dem Loslassen (Öffnen) des Schalters leuchtet sie für eine gewisse Zeit weiter, bevor sie wieder ausgeht. Die Abbildung zeigt die dazu verwendete Verzögerungsschaltung: Alle Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von ±5 V. Beim Schließen des Schalters wird der Kondensator auf eine Spannung von u 1 5 V aufgeladen. Wird der Schalter zum Zeitpunkt t 0 wieder geöffnet, entlädt sich der Kondensator über den Widerstand 2. Während dieses Entladevorgangs verändert sich die Spannung u 1 : u (t) 5V e 1 t t τ 0 mit τ 100µF 10kΩ 4.1 Geben Sie die genaue Funktion der Teilschaltungen I, II und III an. - Welcher Zusammenhang besteht jeweils zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bei jeder der drei Teilschaltungen? (Formel oder Skizze angeben!)

8 Diplomvorprüfung Elektronik Seite 8 von Der Kondensator ist voll aufgeladen. Zum Zeitpunkt t 0 = 0 s wird der Schalter geöffnet. Zu welchem Zeitpunkt t 1 ist u 1 auf 1 Volt gesunken? 4.3 Zeichnen Sie die Verläufe von u 2, u 3 und u 4 in das folgende Diagramm Viel Erfolg!!! -----