Abschlussprüfung Schaltungstechnik 2

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1 Name: Platz: Abschlussprüfung Schaltungstechnik 2 Studiengang: Mechatronik SS2009 Prüfungstermin: Prüfer: Hilfsmittel: (90 Minuten) Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing. Eder Nicht programmierbarer Taschenrechner Schriftliche Unterlagen Generelle Hinweise: Überprüfen Sie als Erstes die Vollständigkeit der Prüfungsangabe anhand der Seitennummerierung. Beschriften Sie die Prüfungsangabe und alle losen Blätter, die Sie abgeben, mit Ihrem Namen. Mobiltelefone ausschalten und wegpacken! Benutzen Sie zur Bearbeitung keinen Rotstift! Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, lassen sich unabhängig von anderen Teilaufgaben lösen. Lösungen ohne erkennbaren Lösungsweg werden nicht gewertet. Viel Erfolg!

2 1. Diode Mit der Diode soll eine Wechselspannung u e ein- und ausgeschaltet werden, 1. C k stellt für alle Wechselsignale einen Kurzschluss dar. Umgebungstemperatur ist 25 C. Zunächst gilt U 0 = +4,75V und Strom im Arbeitspunkt I 0 = 20 ma. R C K ~ u e I0 +i D u a C U 0 = I D [ma] C 15 Bild U D [V] a) (*) Ermitteln Sie den nötigen Widerstand R bei ϑ = 25 C. (Lösung: R 200 Ω) b) (*) Wie groß ist die konstante Verlustleistung P = der Diode im Arbeitspunkt? c) (*) Schätzen Sie den differentiellen Wechselstromwiderstand im Arbeitspunkt für eine ideale Diode ab. d) (*) Der tatsächliche Wechselstromwiderstand ist größer und beträgt 3,0 Ω. Woran kann das liegen (2 Gründe in Stichworten)? Seite 2/10

3 e) (*) Wie groß ist das Verhältnis von u a /u e in db? Hinweis: Spannungsteiler f) (*) Zeigen Sie, dass die Wechselleistung P ~ der Diode wesentlich kleiner als P = ist. g) Auf welche Temperatur erwärmt sich die Diode (R th = 340 K/W)? h) Wie groß ist nun etwa die Spannung im Arbeitspunkt? Nun wird U 0 umgeschaltet auf -5 V. Der differentielle Widerstand der Diode beträgt jetzt 2 MΩ. i) (*) Wie groß ist jetzt ungefähr das Verhältnis u a /u e? j) (*) Bei der Frequenz 100 MHz ist dieses Verhältnis um 3 db abgesunken. Bestimmen Sie daraus die Sperrschichtkapazität c S der Diode. Seite 3/10

4 Schaltungstechnik 2 SS09 Gr 2. Bipolartransistor Bild 2 zeigt eine Verstärkerschaltung mit Bipolartransistor. C 1 R B R C C 2 + U 0 Die Versorgungsspannung beträgt U 0 = 12 V. Der Arbeitspunkt ist durch U AP CE = 6 V und I AP C = 10 ma gegeben; R E = 50 Ω; T = 300 K. u E ~ R E u A R L - a) (*) Um welche Transistor-Grundschaltung handelt es sich? (1 Stichwort) Bild 2 b) (*) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade ins Ausgangskennlinienfeld ein: I B 30mA I C I B = 200 µa 20mA I B = 150 µa 10mA I B = 100 µa I B = 50 µa U BE 0A I B = 0 U CE 0V 2V 4V 6V 8V 10V 12V AP c) (*) Welcher Basisstrom I B, welche Stromverstärkung B N und welche Basis-Emitter- Spannung U AP BE ergeben sich? d) (*) Wie groß ist R C? Seite 4/10

5 e) (*) Wie groß ist R B? f) (*) Zeichnen Sie das Wechselstrom-Ersatzschaltbild der Schaltung (ohne Kondensatoren). Ab hier gilt: R C R L = 500 Ω. g) (*) Welche Verstärkung ergibt sich ungefähr? (Formel ohne Herleitung) Nun wird parallel zu R E ein Kondensator geschaltet, der alle Wechselsignale kurzschließt. Es ergibt sich das Ersatzschaltbild aus Bild 3. u E ~ y 11 y 22 u A h) (*) Berechnen Sie y 11, y 21 und y 22 aus den Arbeitspunktdaten als Zahlenwerte. Darf y 22 vernachlässigt werden? R B i T = y u 21 BE R C R L Bild 3 Seite 5/10

6 i) (*) Welche maximale Aussteuerung û CE steht für Wechselsignale zur Verfügung? j) (*) Welchen Eingangswiderstand R QE (in Ω) sieht die Quelle u e? k) (*) Welche Verstärkung ergibt sich nun ungefähr? (Formel ohne Herleitung) l) (*) Bestimmen Sie die Gleichleistung P =, die maximale Wechselleistung P ~ und die Gesamtleistung P ges im Transistor. Seite 6/10

7 3. MOSFET-Schalter Ein selbstsperrender n-kanal-mosfet soll eine Wechselspannung u e ein- und ausschalten (Bild 4). Die Steuerspannung U st kann 0 oder 6 V annehmen, die Versorgungsspannung VCC beträgt 3,3 V. R L = 1 kω; C K sind Wechselstrom-Kurzschlüsse und L K eine Wechselstrom-Unterbrechung. Der Kanalwiderstand r DS des MOSFET ist als Funktion der Gatespannung U GS dem Diagramm zu entnehmen und beträgt 20 MΩ bei UGS = 0. Weitere Daten des MOSFET: P max = 2 W, I Dmax = 5 A, R th = 100 K/W VCC(3,3 V) L K r DS [Ω] C K R D C K u E ~ 0.4 U St R L Bild U GS [V] a) (*) Zeichnen Sie die Polaritäten der beiden Elektrolytkondensatoren C K in Bild 4 ein. b) (*) Wozu dient die Spule L K? (nur Stichworte!) c) (*) Warum kann man VCC (mit L K ) nicht direkt an den Drain-Anschluss legen? Hinweis: Grenzdaten. Seite 7/10

8 d) (*) Zeichnen Sie ein Wechselstrom-Ersatzschaltbild, das (außer u e ) nur Widerstände enthält. e) (*) Wie groß muss R D sein, damit bei U St = 6 V die Spannung an R L 100mal geringer ist als u e? f) Geben Sie für R D den nächsten Wert aus der Reihe E12 an. g) Wie groß ist dann bei U St = 0 V das Verhältnis u RL /u e? h) (*) Sind für Signale 10 Hz 10 MHz Elektrolytkondensatoren alleine für C K geeignet? Welche Maßnahme schlagen Sie vor? Seite 8/10

9 4. Kurzfragen Alle Kurzfragen sind unabhängig voneinander (*). a) Geben Sie die folgenden Größen an: Bandabstand von Silizium bei 300 K:.... Eigenleitungsdichte von Silizium bei 300 K:.. Temperaturspannung bei 400 K:.. b) Ein Elektron fliegt mit der maximalen Geschwindigkeit 10 7 cm/s durch eine Raumladungszone (Länge 1 µm). Welchen Strom stellt es dar? c) Kann man einen Bipolar-Transistor durch zwei gegeneinander geschaltete Dioden ersetzen (Bild 5)? Überlegen Sie sich dazu den Verlauf der Ladungsträgerdichte in der Basis und die Folge für den Diffusionsstrom. (Nur Stichworte!) Kollektor Basis Bild 5 Emitter d) Berechnen Sie den Bahnwiderstand der in Bild 6 gezeichneten Diode (ohmscher Widerstand der p- und n-gebiete). Vernachlässigen Sie die Länge der Raumladungszone. Physikalische Daten: µ p = 480 cm²/vs; µ n = 1250 cm²/vs; e = 1, As -3 2 A = 10 cm 17-3 N A = 10 cm 0,01 cm 18-3 N D = 10 cm 0,01 cm Bild 6 Seite 9/10

10 e) Geben Sie die thermische Rauschspannung U n an, die an der Parallelschaltung des Widerstands R = 1 MΩ und des Kondensators C = 10 pf gemessen werden kann. (k = 1, J/K, T = 300 K) U n Bild 5 f) Die Impedanz Z eines 1 µf-kondensators wurde über der Frequenz gemessen (Bild 6). Bestimmen Sie die ungefähre Induktivität des Ersatzschaltbildes. Bild 6 Seite 10/10