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Wirtschaftsingenieurwesen Automobilindustrie ‚flache orgrüfung
Wintersemester 2016/17
Hochschule München
Fakultät 03
Zugelassene Hilfsmittel:
eigene Formelsammlung,
Taschenrechner
Prof. Dr.-Ing.
Tilman Küpper
Aufga benteil Elektronik
Man.—Nr.:
Name, Vorname:
Hörsaal:
Unterschrift:
A
Vie/Erfolg!!
1
2
P AO A6
Aufgabe 1: Operationsverstärker (ca. 10 Punkte)
3
4
!
A6\36
N
«a
Eine Leuchtdiode wird durch kurzes Schließen eines Schalters Eingeschaltet. Nach dem Loslassen
(Öffnen) des Schalters leuchtet sie zunächst weiter, bevor sie nach einer bestimmten Zeit automatisch
wieder ausgeht. Die Verzögerungsschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
ul;
i
zum
1,5v
u2
Di
i
:
$
Alle
;
v
|_
--
\?
J.
Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von 15 V.
geschlossenem Schalter wird C1 in sehr kurzer Zeit auf eine Spannung von ul = 5 V aufgeladen.
wird der Schalter zum Zeitpunkt t„ = 05 geöffnet, entlädt sich der Kondensator C1 über den Widerstand
R2, die Spannung
ul sinkt exponentiell ab. (Zum Zeitpunkt t; = 4,8s beträgt ul nur noch W.)
Bei
1.1.
Geben Sie die prinzipielle Funktion der beiden Operationsverstärkerstufen OP1 und OP2 an.
Beschreiben die Zusammenhänge zwischen den Ein» und Ausgangsspannungen der beiden
Stufen jeweils durch eine Formel oder eine passende Skizze.
OM
:
kowramlor (‚im
Siem
uÄ>‚(6‘V f‘9(A
(M<45V
0913
»«>
_\L4verjräcrmolzr
(A2
:—g\/
H +9\/
2
Vw“vl<ex
uZ=—%uz=qpul
9_
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Winggbaftsinggnieurwgsen Automobilindustrie Bachelorgrüfung
1.2.
Nehmen Sie an, dass die Spannung u3 am Ausgang des rechten Operaiionsverstärkers 2,5 Volt
beträgt. Berechnen Sie den Strom, der in diesem Fall durch die Leuchtdiode D1 fließt.
(Daten der Leuchtdiode: Us 1,5V und r; = 500).
5011
'l.SV
1.3.
l
&
:
\
;
LED: (msi/(SN: [90+€o) .(i.
3501).
LED
F9ILE°
45v
=
AV
__ :
AOO.IL
ÄOAMA
=
Zeichnen Sie den Verlauf der Spannungen u2 und u3 in das vorbereitete Diagramm:
'
@ Schalter gedrückt9
m
t
4‚$\/a"h
Wirtschaftsingenieurwesen Automobilindustrie Bachekarmüiung
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lnms(sl>1“
Aufgabe 2:
cha.
10 Punkte)
nebenstehende Abbildung zeigt die Schaltung
einer einfachen Sensortaste: Wenn die Kontakte
AB mit dem Finger überbrückt werden, ändert sich
Die
die Ausgangsspannung Ua.
Das Ausgangskennlinienfeld des Transistors ist unten auf dieser Seite abgebildet. Die Eingangskenn—
linie des Transistors ist nicht abgebildet, gehen Sie
stattdessen vereinfachend von Use = 0,6 V aus.
Q]
2.1.
2.2.
( )lu„=1zv
R1=15kn
\/
Zeichnen Sie die Arbeitsgerade des Lastwi—
o.e
derstands RL in das Ausgangskennlinienfeld
ein.
Herr K. überbrückt die Kontakte A8 mit seiner Fingerspitze (Widerstand: R;q„„„ = 100 kn). Wie
groß ist der Strom IB? Wie groß ist die Spannung UA? Markieren Sie diesen ersten Arbeitspunkt
im Ausgangskennlinienfeld.
13 .(A'2v—oßv): Qimkfl+ls*kitl
=
33.13 gli
100
U
20
V
c5[]
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Wirtschaftsin enieurwesen Automobilindustrie Bachelor rüfun
2.3.
Frau
B.
und
UA
überbrückt die Kontakte AB mit ihrem Ring (Widerstand RW = 0,1 ()). Wie groß sind
nun? Markieren Sie auch diesen zweiten Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld.
1%: @N—QW)rÜM£JÄYWÜ=EQLÄ
‚.,
“CE = AA
\/
[age(0xi%)
rÜUA:WF=AÄV
2.4.
Wie groß ist die Leistung, die in Unterpunkt 2.3 am Transistor in Wärme umgesetzt wird?
SS_}MA
Ic ';
Uw=ÄJV
("(%rb/mu)
»mfmvwm=mWw
25.
Wozu dient der Widerstand R)?
ßenw
% ““A“
Otu«i
_A15mnl-m
dM/YMÜSJW$
[(;
.
+
“AB
Wu70&
(Än
Wr‘l’0!.
MJ4IQSS
(fine/mim
lmmfil«s %Dl'ouA’ mn1m
.?
hi—
KM w(‚gaiaoküdaw
—
oh»?
dÄq
Erw?
la
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Aufgabe 3: Halbleiterphysik, Diode (ca. 10 Punkte)
3.1.
Skizzieren Sie den inneren Aufbau einer Gleichrichterdiode. Hinweis: Die Diode ist nicht an eine
Spannungsquelle angeschlossen, alle Anschlüsse der Diode sind offen. Die unterschiedlichen
Halbleiterbereiche inkl. Raumladungszone und die Namen der Anschlüsse sollen erkennbar sein.
Haibl<ulor
n-ll«lbhii«r
r%
Kalh0dß
rF—/\-s
-
.
Rmh_
—
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+ Schreiben
mm
hmm
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\Akkphfr—ll-5rsk,Qß„
+
‘Domhw
(o—rl4Ml
_
“01%”-
(„man
3,2.
Sie an alle Halbleiterbereiche aus Unterpunkt 3,1.‚ welche Arten von Ladungsträgern
(freie Elektronen oder Löcher, ortsfeste positiv oder negativ geladene Störstellen?) sich dort
befinden. Tipp: Ortsfeste geladene Störstellen befinden sich in allen Bereichen der Diode.
3.3.
Eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Widerstand
wird an eine sinusförmige Wechselspannung mit einer
2]
A
4_
f"°33%? Akkrlq
4;
%;
3 %
\/
Frequenz von 50 Hz angeschlossen. \) =J'i. ’lZV 43
=
Zeichnen Sie in schwarzer Farbe den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung (Um = 12 V) in das vorbereitete Diagramm.
Als Diode wird zunächst eine „ideale“ Gleichrichterdiode eingesetzt (U; = 0 v und rf = 0 n). Zeichnen Sie in roter Farbe den
zeitlichen Verlauf der Spannung
0
V,
r,:
U(t) [V]
12V
1
U“
5“
H1
Un.
nun eine „ideale“ Zenerdiode mit folgenden Daten eingesetzt: UZ = 10 V, (1 = 0 n,
0 n‚ Zeichnen Sie in blauer Farbe den neuen zeitlichen Verlauf der Spannung U„.
Als Diode wird
Us =
u„5
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Aufgabe 4: Halbleiter (ca. 15 Punkte)
Hinwei
nter unkt 4.5 kann unabhän
Der
:
vom Rest dieser Auf abe elöst werden!
i
Halbleiterplättchen aus Silizium mit einer Fläche A: 0,1 cm1 und einer Dicke d = 1 mm soll bei einer
Stromstärke = 50 A höchstens eine Verlustleistung P = 2 W aufweisen.
Ein
!
Eigenschaften von Silizium bei Zimmertemperatur (T: 300 K): Bandabstand Es = 1,1 ev; Eigenleitungsdichte n| 1,5-1010cm'3; Beweglichkeit der freien Elektronen u„ 2 1350 cm1/Vs; Löcherbeweglichkeit
:
u,; = 480 cmz/Vs; Durchbruchfeldstärke Em = 105 V/cm; Elementarladung e = 1,602-10’15 As; Boltzmannkonstante k = 1,38-10'23 J/K
4.1.
Welchen Widerstand
R
darf das Plättchen höchstens haben? (Ersatzwert: 1 mn)
'P=2W=I-=R»i2
4.2.
Welche elektrische Leitfähigkeit
_5|__
R‘3'A‘
443.
105“L
—)
muss es mindestens aufweisen? (Ersatzwert:
'
|<
L ||
31
W=g_sz_L_|_1
14
T
al
ll—||
own 0Ä-(QOWP
Ü : OJXDÜL'
Milo;—
Mit welcher Akzeptordichte NA muss es datiert werden, damit die geforderte elektrische
Leitfähigkeit bei Zimmertemperatur (T = 300 K) erreicht wird?
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%,
v
|||„|„ l’„„„
|||ne
«S)|3W.
„)
Veru
3‘ (}‘PF°7°‘“**MP
_„
4.4
a)
b)
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4.75
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|'nm.|.eoz.|o““l\tum(o(o|wnz
.
"'
—3
—Ä£__31l_0__034
_
Zimmertemperatur (T = 300 K) kann davon ausgegangen werden, dass alle AkzeptorStörstellen ionisiert sind. Wie verändert sich der Widerstand des Halbleiterplättchens qualitativ,
wenn die Temperatur darüber hinaus (a) etwas bzw, (b) stark erhöht wird? (Kurze Begründung!)
Bei
)}er &am\|J1zw
|||;
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knuv waiuixtu veruad|lo}'x||jjr
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so(Age/[lerOla»
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da||||äMM
Mou‘4
aß.
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4.5,
Die
nebenstehende Abbildung zeigt die
Mi-
noritätstr'a‘gerdichten einer in Flussrichtung
gepolten Siliziumdiode. Die aktive Fläche der
Diode sei A = 25 um'.
Wie groß sind die Diffusibnsströme |„‚mrr und
l„‚g.« bei
Zimmertemperatur (T = 300 K) auf-
Minoritätsträgerdichte
in cm‘3
KATHODE
ANODE
34015
Freie
Löcher
Elektronen
grund der Veränderung der Minoritätsträgerkonzentration in den jeweiligen Gebieten?
Wie groß ist
Ort )(
der Gesamtdiffusionsstrom Im
1
-0,75 um
der Minoritätsträger?
um
li.-‘%Ho”4weizf“°F-‘lli
Loui= +AtTllw°‘"'lklr‘yxl
:.]igfiL@/lk
meson)
Cf(
_—{
0.45l
(Muß!)
»‘T
W
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"r
1,tl—iällvwl
“?”" “L"3°°K°°W)Tl
%
+3‘1?r‘i&@"°
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i<
W
-Tdßfl =Ivilulrj' +Ig>.chj
=
Aufgabe 5: Digitaltechnik, Mikrocontroller (ca. 15 Punkte)
Hinweis: Die
unter unkte 5.1.-5.3. und SA.—5,5. können_u@
i
:
@‘ZG/MAO
voneinander bearbeitet werden!
die Ausgänge B4, BS, BS und B7 des Mikrocontrollers ATmega$515 sind vier Leuchtdioden mit pas»
senden Vorwiderständen angeschlofisen. Die Leuchtdioden leuchten, falls am jeweiligen Ausgang eine
„logische Eins” ausgegeben wird, Auf dem Mikrocontroller wird das folgende Programm ausgeführt:
An
#defi ne
F_CFU 1843200Ul.
223332 2332523233232?”
333332 3159333»
(Aufgabe 5‘“
int main(void)
DDRB
°2_q.d}-
=
while(l
==
1)
sb1' (PORTB,
c_QL(PORTB
3eturn
}
5.1,
,
O;
7);
7):
./
„delay_ms(1000);
_de'lay_ms (1000);
rn ....... . mi
4 4 4 4 o
o 00
%
4-6Q+4-429=_2_4_0_
Welcher Wert muss in das Register DDR8 geschrieben werden, damit die Anschlüsse B4, BS, BS
und B7 des Mikrocontrollers als Ausgänge verwendet werden können? Schreiben Sie den korrekten Wert an die vorbereitete Stelle im Quelltext!
*
Seite 8 von B
5.2.
Wie verhalten sich die Leuchtdioden, wenn das
|LED um
‘A\\C
5.3.
%} b[m\c[
‚\= ÜYHi—( =Äs
am
\_‚/
Äs
(„|/„....
[MLM/| wmo\mcj[ml[c[—
\£Ds
MMA
Mit welchen Befehlen können alle vier Leuchtdioden gleichzeitig eingeschaltet werden?
sb| (?otzrig
||),
sl;£[90RTE.;G)
5.4.
AMA'[
CProgramm ausgeführt wird?
s|;|(|>orzre.
s);
slä(|>oßrß.f|);
abgebildete Schaltung aus positiv flankengetriggerten JK-Master/Slave-Flipflopsbesitzt zwei
Eingänge DAT und CLK sowie vier Ausgänge Q1...Q4. Die Leuchtdioden leuchten, falls am jeweiligen Ausgang eine „logische Eins" ausgegeben wird. Zeichnen Sie den Verlauf der Signale Qi,
GZ, 03, 04 in das vorbereitete Diagramm!
Die
CLK'F__"—_____
DAT
|"I
[’]
}
„2.
i
Q1
‚
oz
Z
'
E
(131
(14%
5.5.
2
.
=
A;‚
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Nennen Sie _zyvei Beispiele, wozu Schieberegister in der Praxis verwendet werden können.
)AC v|c[e D‘Ö\‘HGM 03133
Äh9ch[ü«m ewws
.;ML
lucw'
1A“SC»[&
SQ\AO.XHQ en
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($lf,\h€ ';‚us.
Loch;
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