Name: Elektrotechnik Mechatronik Abschlussprüfung E/ME-BAC/DIPL Elektronische Bauelemente SS2012 Prüfungstermin: Prüfer: Hilfsmittel: 18.7.2012 (90 Minuten) Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr. Frey Taschenrechner Schriftliche Unterlagen Generelle Hinweise: Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie neu ansetzen. 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! Lösungen ohne erkennbaren Lösungsweg werden nicht gewertet. Viel Erfolg!
1. Kondensator Aus dem Datenblatt eines 2200 µf-kondensators ist bekannt: rated voltage rated ripple current selfinductance thermal resistance V R 40 V I AC,R 3,6 A ESL 38 nh R th 40 K/W a) (*) Wie groß ist die Resonanzfrequenz? b) (*) Bei Betrieb mit 200 Hz: Welche Güte hat der Kondensator bei -40 C und bei +60 C? c) (*) Am Kondensator liegt eine Wechselspannung an (70 Hz, Amplitude 1 V). Welche Verlustleistung ergibt sich? (ϑ = 60 C) d) Welche Temperaturerhöhung entsteht dabei? e) (*) Welche Lebensdauer (s. rechts) ergibt sich bei Betrieb mit Wechselstrom I AC = 5,4 A (Umgebung 70 C)? f) (*) Der Kondensator wird auf 40 V Gleichspannung geladen und dann kurzgeschlossen. Nach welcher Zeit ist die Spannung auf 5% abgesunken (Annahme: ESR = 5 Ω)? Seite 2/7
2. Spule und Trafo Mit einem Ferritkern (A L = 3500 nh ± 25%, Querschnitt 350 mm², Luftspalt 0,5 mm) soll eine Spule mit L = 5 mh aufgebaut werden. a) (*) Welchen magnetischen Widerstand hat der Luftspalt (in 1/H)? b) Wie viele Windungen müssen auf den Kern gewickelt werden? c) Wie groß kann dann die Induktivität durch die A L -Toleranz maximal sein? Für den Trafo im Bild rechts gilt: L 1 = 10 mh, L 2 = 16 mh, keine Verluste/Streuungen. = 30 cos 2 1 d) (*) Wie groß ist die Gegeninduktivität? U 100 Ω ~ 0 L 1 L 2 e) (*) Zeichnen Sie das T-Ersatzschaltbild dieses Trafos mit Werten in Ω (lassen Sie vernachlässigbare Elemente weg). f) Welcher Strom fließt durch die Quelle (nur Effektivwert)? Hinweis: Strom und Spannung sind nicht in Phase. Seite 3/7
3. Netzwerke Das Bild zeigt einen passiven Bandpass aus zwei RC-Stufen: Stufe 1 Stufe 2 C R a) (*) Wie lauten die Kettenmatrizen der Stufen 1 und 2? U e C 100 R U a Von der Kettenmatrix der gesamten Schaltung ist gegeben: b) Berechnen Sie a 12 und a 22. 1 1,02+ + = 100 + 2 100! "# & % %! ## $ c) (*) Wie groß ist der Eingangswiderstand der gesamten Schaltung? (In beliebiger Form) d) (*) Geben Sie Näherungen von a 11 an für die beiden Fälle: > " () sowie < " "(). e) (*) Wie lautet die Übertragungsfunktion = +, /+. abhängig von ω, R und C? f) Skizzieren Sie den Verlauf von H in das doppeltlogarithmische Diagramm. 1 0,1 H 1 1 100RC RC ω Seite 4/7
4. Zener-Diode Die Spannung U A wird mit einer Zener-Diode stabilisiert (siehe Schaltung unten, Kennlinie rechts). 10 V R V UA 200 I/mA 180 160 140 120 100 80 60 40 20 U/V 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 a) (*) Bestimmen Sie den ungefähren Wert des Bahnwiderstands der Diode aus der Kennlinie. b) (*) Der maximale Gleichstrom durch die Zener-Diode ist 100 ma. Welche maximale Leistung kann die Diode umsetzen? c) (*) Wie groß muss R V sein, damit durch die Diode 100 ma fließen? R V ist ab jetzt 82 Ω. Der differentielle Widerstand der Diode beträgt im Arbeitspunkt 2,7 Ω. d) (*) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade ins Kennliniendiagramm. Welcher Strom fließt ungefähr? e) (*) Die Quellenspannung schwankt langsam um ±1V. Wie groß ist die Änderung von U A? f) (*) Für sehr schnelle Schwankungen der Quellenspannung ist die Änderung von U A kleiner als in e) berechnet. Warum? [kurze Begründung 1 Stichwort reicht] g) (*) Parallel zur Diode wird ein Widerstand 41 Ω geschaltet. Wie groß ist U A nun? Seite 5/7
5. BJT-Schaltung Von einem NPN-Transistor sind die folgenden Daten bekannt: absolute maximum values: power dissipation collector current collector-emitter voltage 15 W 800 ma 45 V a) (*) Bestimmen Sie für den Arbeitspunkt U CE = 20 V und I C = 300 ma die ungefähren Werte von Stromverstärkung B, Eingangswiderstand r BE und Ausgangswiderstand r CE. (T 300 K) b) (*) Zeichnen Sie grob das Safe Operating Area (SOAR) ins Diagramm ein. Mit dem Transistor wird die Emitterschaltung rechts aufgebaut. Für die Übertragungsfunktion / = + 0 /+ 1 wird der Verlauf unten gefordert. R 1 R C u A + 40 V C 1 C 2 5,6 H u E - 0,56 0,1 1 10 f/hz R 2 10 Ω R L c) (*) Berechnen Sie den Wert von C 1. Es gilt R 1 R 2 = 114 Ω. d) (*) Berechnen Sie aus der gewünschten Verstärkung den Wert von R C. Seite 6/7
e) (*) Bestimmen Sie R 1 und R 2 so, dass sich der Arbeitspunkt aus a) ergibt. Durch R 2 soll der 10- fache Basisstrom fließen. Nehmen Sie U BE AP 0,8 V und B = 100 an. f) (*) Zeichnen Sie das Wechselstrom-Ersatzschaltbild der Schaltung, das für 1 10 Hz und R L gilt. Lassen Sie nicht benötigte Kapazitäten weg. g) Zeichnen Sie die Wechselstrom-Arbeitsgerade für R L = R C ins Kennlinien-Diagramm. Annahme: C 2 h) Wie ändert sich in diesem Fall u A im Vergleich zu R L? Seite 7/7