Übungsaufgaben zum 5. Versuch 13. Mai 2012

Transkript

1 Übungsaufgaben zum 5. Versuch 13. Mai In der folgenden Schaltung wird ein Transistor als Schalter betrieben (Kennlinien s.o.). R b I b U b = 15V R c U e U be Damit der Transistor möglichst schnell durch steuert, wird die Basis-Emitterstrecke mit Ladungsträgern überschwemmt. Im durchgeschalteten Zustand ist der Transistor deshalb in Sättigung. Es soll ein Kollektorstrom von = 20mA fließen. Wie groß muss der Kollektorwiderstand R c sein? Lösung: R c = (15 0.1)V 20mA Wie groß ist der benötigte Basisstrom, damit der Transistor voll durchgesteuert ist? Lösung: I b = 2mA Wie groß ist die zugehörige Basisemitterspannung? Lösung: U be = 0.84V Die Eingangsspannung soll einen Wert von U e = 5V haben. Dimensionieren Sie den Widerstand R b. Lösung:...

2 Bestimmen Sie für diesen Fall die Verlustleistung, die im Transistor umgesetzt wird? Lösung: P v = U be I b + = 3.7mW Ab welcher Basisemitterspannung beginnt der Transistor zu leiten? Lösung: U be = 0.77V 2. Die obige Schaltung wird modifiziert. Parallel zur Basisemitterstrecke wird der Widerstand R be geschaltet, damit die Störanfälligkeit reduziert wird. Es gelten die selben Bedingungen, wie in der vorhergehenden Aufgabe. U b = 15V R c R b I b U e U be R be Dimensionieren Sie den Widerstand R be. Durch den Widerstand soll der zehnfache Strom I b fließen, wenn der Transistor durch gesteuert ist. Lösung: R be = 42Ω Wie groß ist der Widerstand R b für U e jetzt zu wählen. Lösung: R b = 189Ω 3. Gegeben ist die folgende Schaltung und das nebenstehende Ausgangskennlinienfeld des verwendeten Transistors. 2

3 R c = 220Ω R L = 220Ω R c I b U b = 20V U e R L Nehmen Sie an, der Transistor sei unbelastet (R L ). Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld. Lösung: Zeichnen...K-Strom: 90.91mA; L-Spannung: 20V Ermitteln Sie die Differenzen der Kollektoremitterspannung Uce für alle Änderungen von I b = 50µA und tragen Sie die Ergebnisse in der Tabelle ein. Lösung: Ablesen Nehmen Sie an, der Transistor sei belastet (R L = 220Ω). Zeichnen Sie erneut die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld (Hinweis: Ersatzspannungsquelle). Lösung: Zeichnen...K-Strom: 90.91mA; L-Spannung: 10V Ermitteln Sie erneut die Differenzen der Kollektoremitterspannung Uce für alle Änderungen von I b = 50µA und tragen Sie die Ergebnisse in der Tabelle ein. Lösung: Ablesen 3

4 ohne Last mit Last I b /ma /V /V /V /V Welche Konsequenz ergibt sich für die Wechselspannungsverstärkung? Welcher Kleinsignalparameter eines Transistors wurde noch nicht berücksichtigt? Lösung: Nachdenken wird für gleiches I b kleiner, die Verstärkung des Eingangssignals sinkt also...; r ce wurde noch nicht berücksichtigt 4. Der Arbeitspunkt der folgenden Emitterschaltung soll eingestellt werden. U b = 20V R 1 R C I b R 2 Die Kollektoremitterspannung a im Arbeitspunkt soll bei einem Kollektorstrom von 38 ma ca. 10 V betragen. Verwenden Sie das Ausgangskennlinienfeld aus der vorhergehenden Aufgabe. Dimensionieren Sie den Basisemitterspannungsteiler. Durch R 2 soll das zehnfache des zur Arbeitspunkteinstellung nötigen Stroms I ba fließen. 4

5 Lösung: I ba = 0.15mA; U bea = 0.65V R 2 = 433.3Ω und R 1 = ( )V 11 I b =... Wie groß muss der Widerstand R 1 sein? Wie groß muss der Widerstand R c sein? Lösung: R c = U b Gegeben ist folgendes Transistorausgangskennlinienfeld: 0.15A I b = 149uA 0.10A Arbeitsgerade I b = 113uA I b = 85uA 0.05A P tot I b = 64uA I b = 49uA I b = 37uA I b = 5uA 0.00A 0.0V 0.5V 1.0V 1.5V 2.0V 2.5V 3.0V 3.5V 4.0V Mit dem Transistor soll eine Lampe ein- und ausgeschaltet werden, die einen Innenwiderstand von R i = 32Ω haben soll. Die Lampe soll an einer 4 V-Gleichspannungsquelle betrieben werden. Zeichnen sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld. Lösung: Kurzschlußstrom: I k = 4V 32Ω und Leerlaufspannung U 0 = 4V Welche Leistung wird in der Lampe umgesetzt, wenn die Lampe leuchtet? Lösung: I on 0.12A (Kennlinienschnittpunkt) P lampe = R i I 2 on = 460mW Welche Leistung wird in diesem Fall im Transistor umgesetzt? Lösung: I on = = 0.12A, = 0.1V P T = 12mW Im Transistor darf maximal eine Verlustleistung von P tot = 50mW umgesetzt werden. Zeichnen Sie die Verlustleistungshyperbel U c ( ) = P tot 5

6 ein. Lösung: Wertepaare und e bestimmen und in das Ausgangskennlinienfeld eintragen Verlustleistungshyperbel Wenn die Lampe ausgeschaltet wird, durchfährt der Transistor Punkte auf der Kennlinie, in denen die Verlustleistung größer ist als P tot. Unter welchen Vorraussetzungen darf der Transistor verwendet werden? Lösung: Die Punkte werden schnell durchfahren. 6. Gegeben ist folgende Schaltung. Die Spannung u 2 (t) am Widerstand R 2 setzt sich aus zwei Teilspannungen zusammen, die jeweils von der Spannungsquelle U b und der Wechselspannung u e (t) verursacht werden. C u e (t) u 2 (t) R 1 R 2 U b Wie berechnet sich der Wechselspannungsanteil u 2, (t) von u 2 (t)? (Hinweis: Superposition) Lösung für die Teilspannung u 2, (t) U b wird geschlossen (Superposition), d.h. R 1 ist parallel zu R 2, Analog zum Bodediagramm : U 2 = j (R 1 R 2 C) U e 1+j (R 1 R 2 C) damit u 2, (t) = Ûe 1+ g ( g ) 2 sin(t+ϕ) mit ϕ = atan ( g ) Wie berechnet sich der Gleichspannungsanteil U 2,= von u 2 (t)? (Hinweis: Superposition, Spannungsteiler) Lösung: für die Teilspannung U 2,= u e (t) wird kurzgeschlossen, d.h. C liegt parallel zu R 2. Da U b eine Gleichspannung ist, wird die Kapazität aufgeladen, und spielt bei der Berechnung der Spannung U 2,= keine Rolle mehr. Gesamtspannung über u 2 (t): U 2,= = R 2 R 1 +R 2 U b 6

7 u 2 (t) = Ûe 1+ g ( g ) 2 sin(t+ϕ)+ R 2 R 1 +R 2 U b In welchen Schaltungen des 5. Versuchs wird dieses Prinzip verwendet? Lösung: Mit den Schaltungen aus den Versuchsunterlagen vergleichen. 7