EK1_P3_2012_06_27

Elektronik 1
Prüfung 3: 27.6.12
Klasse:
Name:
Zeit: 90 Minuten
Schriftliche Unterlagen und Taschenrechner sind erlaubt.
PC und Handy sind nicht erlaubt.
Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte.
Tipps:
Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen.
Jede Teilaufgabe lässt sich unabhängig von den anderen lösen.
1. Schmitt-Trigger mit Single-Supply-Operations-Verstärker
Information aus dem Datenblatt: Mit 9 V Speisung kann der Ausgang des OperationsVerstärkers LM358 alle Werte zwischen 0 V und 7.5 V annnehmen.
a)
Berechnen sie die beiden Schaltschwellen Uein1,2 des Schmitt-Triggers.
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
2. Tiefsetzsteller
Uquelle
ULast
T1
Lspeicher
R2
= 18 V
= 12 V
= IRF540
= 47 µH
= 470 Ω
PWM-Frequenz f
ILast
SD1
Cfilter
Zener-Spannung Z2
= 100 kHz
<5A
= SR1060
= 10 µF
= 20 V
a)
Skizzieren sie qualitativ richtig den Verlauf von USD1, ISD1, ULspeicher, ILspeicher und ULast
während zwei Perioden der PWM-Frequenz. Zahlenwerte sind nicht verlangt.
b)
Berechnen sie die Zeit tein während welcher der FET T1 pro Periode eingeschaltet ist,
den Stromripple ∆ILspeicher,pp und den Spannungsripple ∆ULast,pp .
Hinweis: Der FET T1 und die Diode SD1 können als verlustlos angenommen werden.
c)
Welche Dioden sind geeignet? Begründen sie bei jeder Diode, warum sie geeignet oder
ungeeignet ist.
Typ
Sperrspannung
Spitzenstrom
Dauerstrom
Durchlass(surge current) (average current) spannung
Preis
SR104
40 V
40 A
1A
0.55 V
0.14
SR502
20 V
150 A
5A
0.55 V
0.53
SR506
60 V
150 A
5A
0.70 V
0.55
SR1204 40 V
320 A
12 A
0.55 V
1.35
d)
Für welche Leistung muss der Widerstand R2 ausgelegt werden?
e)
Die Verlustleistung im FET T1 beträgt maximal 2W. Dimensionieren sie den Kühlkörper
unter der Annahme, dass die Umgebungstemperatur nicht über 40 °C steigt.
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3. Operationsverstärker-Schaltung zum gewichteten Addieren von Signalen
a)
Berechnen sie die Ausgangs-Spannung als Funktion der Eingangs-Spannungen und der
Widerstandswerte. Der Operations-Verstärker kann als ideal angenommen werden.
b)
Kann die Schaltung auch als Schmitt-Trigger verwendet werden, wenn die
Widerstandswerte geeignet gewählt werden (Antwort korrekt begründen)?
4. Instrumenten-Verstärker mit 2 Operations-Verstärkern
Definition: Beim Instrumenten-Verstärker erscheint am Ausgang die verstärkte Differenz der
Eingangsspannungen und die Eingänge sind hochohmig.
Die Operations-Verstärker können als ideal angenommen werden.
a)
Welche Bedingungen müssen die Widerstandswerte erfüllen, damit gilt: „Beim
Instrumenten-Verstärker erscheint am Ausgang die verstärkte Differenz der
Eingangsspannungen“, also Uaus = k∙(U1-U2) ?
b)
Begründen sie, weshalb die Bedingung „die Eingänge sind hochohmig“ erfüllt ist.
c)
Standard-Operations-Verstärker liefern maximal 20 mA Ausgangsstrom. Ergänzen sie
obige Schaltung so mit einem Bipolar-Transistor, dass bei positiver Ausgangsspannung
auch grössere Ströme bis 1 A fliessen können.
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5. Leistungs-Endstufe mit Halbbrücke und Treiber-IC
Hinweis: Die Teilaufgaben behandeln einzelne Aspekte der Schaltung, nicht die Schaltung
als Ganzes.
a)
Der Treiber-IC IC1 schaltet die Transistoren T1 und T2 abwechslungsweise ein resp.
aus. Das Einschalten wird absichtlich verzögert (= dead time). Wozu braucht es diese
dead time und was würde ohne dead time passieren?
b)
Sind die Freilauf-Dioden D1 und D2 zwingend notwendig oder können sie weggelassen
werden? Die Antwort muss korrekt begründet werden.
c)
Wozu dienen die Diode D3 und der Kondensator C3?
d)
Der Transistor T2 schaltet innerhalb von 10 ns einen Strom von 5 A aus (Annahme di/dt
im Transistor ist konstant während des Ausschaltvorgangs). Der Verbindungsdraht
zwischen T2 und dem Blockkondensator C2 ist 10 cm lang und hat eine Induktivität von
0.1 H. Wie gross ist die so induzierte Spannungsspitze?
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