Musterloesung. 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B 27. Mai Name:... Vorname:... Matr.-Nr.:... Bearbeitungszeit: 90 Minuten
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- Lucas Diefenbach
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1 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Name:... Vorname:... Matr.-Nr.:... Bearbeitungszeit: 90 Minuten Trennen Sie den Aufgabensatz nicht auf. Benutzen Sie für die Lösung der Aufgaben nur das mit diesem Deckblatt ausgeteilte Papier. Lösungen, die auf anderem Papier geschrieben werden, können nicht gewertet werden. Schreiben Sie Ihre Lösung auch auf die Rückseiten der Blätter! Weiteres Papier kann bei den Tutoren angefordert werden. Schreiben Sie deutlich! Doppelte, unleserliche oder mehrdeutige Lösungen können nicht gewertet werden. Schreiben Sie nicht mit Bleistift! Schreiben Sie nur in blau oder schwarz! 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 1 von 10
2 1. Aufgabe (5 Punkte): Zener-Diode 1.1. Vorwiderstand (2 Punkte) Gegeben ist folgendes Schaltbild: A1 R V R 2 I 1 I 2 A U 0 I Z U Z U e R 2 = 200Ω, U Z =6; 8V, U 0 =20V, P Zmax =1W (Hinweis: r Z! 0) Wie groß ist der maximal zulässige Zenerdiodenstrom I Zmax? Bestimmen Sie den Vorwiderstand R V der Schaltung so, dass die maximale Diodenverlustleistung weder im Leerlauf noch im Falle eines Kurzschlusses an den Klemmen A und B überschritten wird! B I Zmax = P V max U Z = 1W 6; 8V = 147mA (1) (0; 5 Punkte) für die Berechnung von I Zmax R U 0 U Z V = (2) I 1 Leerlauf: I 1 L = I Z max (3) Kurzschluß: I 1 K = I Z max + I 2 (4) I 1 L <I 1K ) R 20V 6; 8V V = 147mA =89; 79Ω ß 90Ω (5) 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 2 von 10
3 A Ersatzschaltbild (2 Punkte) An einer Diode wurden folgende Meßwerte ermittelt, die sich in den 3 linearisierten Kennlinienteilen der Diode befinden: A I U K U [V] -3-2,8-1 0,65 0,76 I [ma] Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild der Diode (r S!1)! Ermitteln Sie rechnerisch die Ersatzschaltungselemente r D, r Z, U D und U Z. (Beachten Sie die Vorzeichen!!) r D U D A K U Z r Z U für I>0: U = U D + I r D (6) 0; 65V = U D +12mA r D (7) 0; 76V = U D +40mA r D (8) U D =0; 65V 12mA r D (9) 0; 76V =0; 65V 12mA r D +40mA r D (10) 0; 11V =28mA r D (11) r D =3; 92Ω (12) U D =0; 65V 12mA 3; 92Ω = 0; 602V (13) für I<0: U = U Z + I r Z (14) 3V = U Z 40mA r Z (15) 2; 8V = U Z 20mA r Z (16) U Z = 3V +40mA r Z (17) 2; 8V = 3V +40mA r Z 20mA r Z (18) 0; 2V =20mA r Z (19) r Z = 10Ω (20) U Z =3V 40mA 10Ω = 2; 6V (21) 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 3 von 10
4 A Kennlinie (1 Punkt) Zeichnen Sie in das gegebene Diagramm die Kennlinie der Diode entsprechend der obigen Meßwerte. I[mA] 40 1 U[V] 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 4 von 10
5 2. Aufgabe (5 Punkte): Arbeitspunkteinstellung am Transistor A2 Gegeben ist folgende Transistorschaltung und die Kennlinien des Transistors auf den folgenden Blättern. U B BC 239 R C u () e t u () a t R 1 R E R 2 Der Arbeitspunkt der Schaltung und zusätzliche Informationen sind gegeben mit: U CE =9V, U RE =1V, I C =48mA, I R2 =9 I B, U B =16V, P BC239max =0; 5W und die Schaltung arbeitet bei Raumtemperatur. Ausgangskennlinienfeld des BC239 Eingangskennlinien des BC239 X X 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 5 von 10
6 2.1. Arbeitsgerade (0,5 Punkte) Tragen Sie die Arbeitsgerade in das geeignete Kennlinienfeld ein. A2 siehe Ausgangskennlinienfeld 2.2. Widerstände im AP (3 Punkte) Berechnen Sie die Werte der Widerstände R 1, R 2, R C und R E. (Hinweis I B darf nicht vernachlässigt werden.) R C = U B (U RE + U CE I C = 16V 9V 1V 48mA = 125Ω (22) R E = U R E I C + I B (23) I B =75μA abgelesen aus dem Ausgangskennlinienfeld (24) 1V R E = =20; 80Ω (25) 48mA +75μA U BE =0; 66V abgelesen aus der Eingangskennlinie (26) U R2 = U BE + U RE =1; 66V (27) R 2 = U R 2 I R2 = U R 2 9 I B =2; 46kΩ (28) R 1 = U B U R2 10 I B = 14; 34 =19; 12kΩ (29) 750μA 2.3. Transistorschaltungen (1,5 Punkte) Um welche Transistorgrundschaltung handelt es sich? Darf die Schaltung im vorgegebenen Arbeitspunkt betrieben werden? Wozu dient der Kondensator, der parallel zu R 2 liegt? (Hinweis: Begründung für jede Teilaufgabe erforderlich!) Grundschaltung es ist eine Basisschaltung, die Basis liegt sowohl vom Eingang als auch vom Ausgang aus betrachtet auf dem gleichen Potential Arbeitspunkt: ja, die Schaltung kann in dem Arbeitspunkt betrieben werden, da P BC239max > I C U CE =0; 432W ist. Kondensator: der Kondensator dient Kleinsignalentkopplung nach Masse, sonst ensteht ein unerwünschter Spannungsabfall des Signals an R 2 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 6 von 10
7 3. Aufgabe (5 Punkte): Transistor als Schalter A3 Gegeben ist die folgende Schaltung mit den Kennlinien auf folgenden den Blättern für einen Transistor im Schalterbetrieb UB RC D R2 BC 237 ue R1 ua U B =10V, R c =250Ω, Diode : U D =0; 7V, r D =0Ω, T =25 ffi 3.1. Arbeitsgerade (1,5 Punkte) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein. Bestimmen Sie graphisch aus dem Kennlinienfeld den Basisstrom I Bsat, der mindestens notwendig ist, um die Kollektor-Emitterspannung so klein wie möglich zu machen. Ausgangskennlinienfeld des BC239 Eingangskennlinien des BC239 X X 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 7 von 10
8 I k = U B R c =40mA (30) I B =75μA (31) A Widerstandsdimensionierung (2 Punkte) Bestimmen Sie R 1 und R 2 so, dass bei U e = U B gilt : I R1 Aufgabenteil 3.1. =8 I Bsat. Verwenden Sie I Bsat aus dem Eingangskennlinie : U BE =0; 66V (32) U BE = R 1 I R1 = R 1 8 I Bsat ) R 1 =1; 1kΩ (33) Maschengleichung : U e = U D + R 2 (I B + I R1 )+U BE (34) R 2 = 10V 0; 66V 0; 7V 9 I B =12; 8kΩ (35) 3.3. Eingangsspannung (1,5 Punkte) Nun seien R 1 =2; 5kΩ und R 2 =10kΩ. Wie groß ist U e, wenn U BE =0; 7V ist? U BE = R 1 I R1 ) I R1 = 0; 7V =0; 28mA (36) 2; 5kΩ Eingangskennlinie : U BE =0; 7V ) I B =0; 2mA (37) Maschengleichung : U e = U D + R 2 (I B + I R1 )+U BE =0; 7V +10kΩ 0; 48mA +0; 7V =6; 2V (38) 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 8 von 10
9 4. Aufgabe (5 Punkte): Wechselstromersatzschaltbild Gegeben ist die folgende Emitterschaltung mit Stromgegenkopplung: A4 UB R1 RC CK CK ua ue R2 RE CE 4.1. Ersatzschaltbild (2 Punkte) Zeichnen Sie das vollständige Wechselstromersatzschaltbild unter der Annahme C K = C E 6= 1! CK ib h11 CK ue R1 R2 vu2 ßib 1 h22 RC ua RE CE 4.2. Vereinfachung des Ersatzschaltbildes (1 Punkt) Vereinfachen Sie das Wechselstromersatzschaltbild mit der Annahme, dass h 12 = h 22 =0und C K = 1. Der Kondensator C E besitzt einen endlichen Wert. 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 9 von 10
10 ib rbe ßib ue R1 R2 RE CE RC ua 4.3. Wechselspannungsverstärkung (1,5 Punkte) Geben Sie den Ausdruck für die komplexe Wechselspannungsverstärkung v. Hinweis: Z c = 1. Der j!c Lösungsweg muss erkennbar sein! v = u a u e = fii b R c (fi +1)i b (R E k C E )+i b r be (39) mit : R E k C E = R E 1+j!C E R E (40) fir c = (41) R r be +(fi +1) E 1+j!C E R E 4.4. Wechselspannungsverstärkung (0,5 Punkte) Wie lautet die Spannungsverstärkung für den Fall C E = 1? fir c v == r be +(fi +1)R E 1 j!c E R E 1 j!c E R E + fir c = rbe +(fi +1)R E r be +(fi +1)R E r be r (42) be fir E +r be = fir c r be (43) 1. Klausur Grundlagen der Elektrotechnik I-B Seite 10 von 10
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