Abschlussprüfung Elektronische Bauelemente WS2010/11

Name:__________________________________________
Abschlussprüfung
Elektronische Bauelemente
WS2010/11
Mechatronik + Elektrotechnik Bachelor
Prüfungstermin:
25.1.2011 (90 Minuten)
Prüfer:
Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr. Frey
Hilfsmittel:
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!
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1. Widerstand
Ein Widerstand wird vom Gleichstrom
15 mA durchflossen. Von dem Widerstand
sind folgende Daten bekannt:
a) (*) Wie groß ist das thermische Rauschen
bei Raumtemperatur?
(Bandbreite 10 MHz)
b) (*) Wie groß ist das Stromrauschen
/
Nennwert
634
Ω
Nennleistung
500
mW
Nenntemperatur
50
°C
Maximaltemperatur
150
°C
Material
Kohle (Grafit)
Stromrauschen
8
µV/V
?
c) (*) Die gesamte Rauschleistung beträgt Pnoise = 10 pW. Wie groß ist das Signal-RauschVerhältnis (SNR)?
d) (*) Wie groß ist der thermische Widerstand?
e) Wie erhöht sich die Temperatur durch den Gleichstrom?
f) Wie ändert sich dadurch der Widerstand? Hinweis: siehe Material
g) (*) Die Toleranz darf 5% betragen. Durch welchen Normwert kann der Widerstand ersetzt
werden?
h) (*) Der Widerstand soll bei 300 °C eingesetzt werden können. Welches Material eignet sich
besser als Grafit?
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2. Trafo
Ein Ferritkern hat den AL-Wert 5000 nH. Darauf werden die Spulen L1 = 100 mH und L2 = 200 mH
gewickelt.
a) (*) Wie groß sind die Windungszahlen N1 und N2?
b) (*) Wie groß ist die Gegeninduktivität M? (Streuung vernachlässigen!)
c) (*) An L2 wird ein Kondensator C = 100 nF angeschlossen. An L1 liegt eine sinusförmige
Wechselspannung (U1 = 10 V, f = 10 kHz) an. Welcher Strom fließt näherungsweise durch L1
(Effektivwert und Phase)? Hinweise: verlustfreier Trafo und 1/ωC ≪ ωL1
Für den Trafo gilt σ1 = σ2 = 0,1% und R1 = R2 = 5 Ω. Lastwiderstand an L2 ist RL = 2,5 Ω.
Am Eingang liegt eine Wechselspannung (U0 = 10 V, f = 350 Hz).
d) (*) Wie groß sind die Elemente R2‘,RL‘, Xσ1, Xσ2‘ und X1h des Ersatzschaltbildes (Zahlenwerte)?
R1
U0
jXσ1
jXσ2
R2
RL
jX1h
e) Welche Elemente kann man vernachlässigen? (Geforderte Genauigkeit 10%.)
f) Wie groß ist dann ungefähr die Spannung U2 an RL?
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3. Netzwerk
Zweitor
a) (*) Wie groß ist das Spannungsverhältnis
vU = ua/ue für sehr langsame und für sehr
schnelle Schwingungen und bei der
Resonanzfrequenz = 1/√
(3 Werte ohne Rechnung)
?
ue
C
L
ua
C
L
b) (*) Wie lautet die Z-Matrix des Zweitors zusammen mit RL? Hinweis: T-Schaltung!
c)
(*) Welchen Eingangswiderstand sieht die Quelle ue (mit RL)? KEINE Normalform nötig!
d) (*) Wie groß ist die Spannungsverstärkung vU allgemein? KEINE Normalform nötig!
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RL
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4. Diode
200
Von der Diode BAS40 sind die Kennlinie und
folgende Daten bekannt:
150
Max. forward DC current
Max. power dissipation
Differential forward resistance
(IF = 1 mA)
Charge carrier life time
Breakdown voltage
120 mA
250 mW
40 Ω
I/mA
100
50
100 ps
40 V
0
0.2
U/V
0.6
0.4
a) (*) Aus welchem Material ist die Diode und für welchen Einsatz ist sie bestimmt?
b) (*) Wie groß ist ungefähr die Schwellenspannung? Um was für eine Diode handelt es sich
speziell?
c) (*) Bestimmen Sie aus der Kennlinie den Bahnwiderstand.
d) (*) Wie groß ist der Idealitätsfaktor der Diode?
e) (*) Wie groß ist in der gezeigten Schaltung die Spannung
an der Diode für u0 = +1 V sowie für u0 = -1 V?
i(t)
u0(t)
10 Ω
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1V
f) (*) Skizzieren Sie für den gezeigten Verlauf
von u0(t) den Strom i(t) ins Diagramm.
u0(t)
t
0,2 ns
-1V
i(t)
g) Wie groß sind ungefähr der maximale
Flussstrom, der maximale Sperrstrom und
die Reverse-Recovery-Zeit?
Nun soll mit mehreren BAS40 ein
Spitzenwert-Brückengleichrichter
aufgebaut werden (uA > 0).
Am Eingang liegt die Spannung
u1(t) = 7,5 V ⋅ sin(2π ⋅ 1 kHz) an.
t
uA
50 Ω
u1
~
h) (*) Ergänzen Sie die Zeichnung mit
Dioden und einem ElektrolytKondensator (mit Polung).
i) (*) Wie groß ist uA maximal? Zeichnen Sie dazu die Arbeitsgerade für u1 = 7,5 V ins
Kennlinien-Diagramm ein. Achtung: Strom fließt immer durch zwei Dioden!
j) (*) Welchen Wert muss der Elko haben, damit die Entlade-Zeitkonstante 20 ms beträgt?
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5. Transistorschaltung
12V
R1
Die Spannung uQ wird verstärkt an RL
ausgegeben.
Es soll der Arbeitspunkt UCE = 7V und
IC = 20 mA eingestellt werden.
(Kennlinien siehe nächste Seite!)
a) (*) Lesen Sie aus den Kennlinien die
Werte von IB, UBE und
Stromverstärkung B ab.
RC
CA
50 Ω
uQ ~
uA
RL=
450 Ω
22µF
R2
RE
470µF
b) (*) Es soll gelten RC = RE. Bestimmen Sie die Widerstände zahlenmäßig.
c) Bestimmen Sie R1 und R2 so, dass durch R2 der 10fache Basisstrom fließt.
d) (*) Wie groß muss der Kondensator CA sein, damit er für Frequenzen > 1 Hz einen Kurzschluss
darstellt? Hinweis: CA bildet einen Spannungsteiler mit RL.
e) (*) Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild mit allen Kapazitäten (auch
Transistorkapazitäten cBE und cBC), aber ohne CA (= Kurzschluss).
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Verwenden Sie nun die Ersatzwerte: IB = 75 µA, B = 270, RC = RE = 125 Ω, R1||R2 = 3 kΩ
f) (*) Bestimmen Sie die Werte für rBE, rCE und Übertragungssteilheit S.
g) (*) Es gilt cBE = 2 pF und cBC = 3 pF. Bestimmen Sie die obere Grenzfrequenz f4 der
Spannungsverstärkung vU = uA/uQ.
h) Bestimmen Sie auch die weiteren Grenzfrequenzen f1, f2 und f3 von vU sowie den Wert von vU
im Bereich f3…f4. Skizzieren Sie dann qualitativ den Verlauf von vU (doppelt-logarithmisch).
Hinweis: ⋅
≫ ||
IC/mA
IC/mA
UBE/V
UCE/V
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