WS 2009/2010
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Diplomvorprüfung Elektronik Hochschule München FK 03 Fahrzeugtechnik Zugelassene Hilfsmittel: Taschenrechner, zwei Blatt DIN A4 eigene Aufzeichnungen Diplomvorprüfung WS 2009/10 Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten Matr.-Nr.: Name, Vorname: Hörsaal: Unterschrift: Seite 1 von 8 Prof. Dr.-Ing. Buch Prof. Dr.-Ing. Klein Prof. Dr.-Ing. Küpper Aufgabe 1 (ca. 15 Punkte) Das abgebildete Plättchen aus Silizium der Länge d = 0,1 cm und der Fläche A = 1 cm2 hat bei Raumtemperatur (T = 300 K) folgende Eigenschaften: ni = 1·1010 cm-3, µn = 1350 cm2/Vs, µp = 480 cm2/Vs, e = 1,602·10-19 As 1.1 Das Halbleiterplättchen ist mit einem Donator dotiert. Bei Raumtemperatur fließt der Strom I = 10 mA durch das Plättchen. Es wird die Spannung U = 46,3 mV gemessen. - 1.2 Wie groß ist der ohmsche Widerstand R des Plättchens? Wie groß ist der spezifische Widerstand ρ des Plättchens? 14 -3 Welchen Wert hat die Donatordichte ND? (Ersatzwert: ND = 2·10 cm ) (Hinweis: Der Einfluss der Löcher darf bei der Berechnung vernachlässigt werden.) Zeichnen Sie die Bewegungsrichtung der Elektronen in die Skizze ein. - Handelt es sich bei dem Stromfluss I = 10 mA um Driftstrom oder Diffusionsstrom? Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich die freien Elektronen? Diplomvorprüfung Elektronik 1.3 Das Plättchen wird erwärmt, die Eigenleitungsdichte steigt auf ni = 1·1014 cm-3. - 1.4 Seite 2 von 8 Welchen spezifischen Widerstand ρ besitzt das erwärmte Plättchen? Wie groß ist der ohmsche Widerstand R des erwärmten Plättchens? Die obige Abbildung zeigt das Bänderdiagramm eines n-Halbleiters. - - Markieren Sie im Diagramm den Bandabstand Eg des Halbleiters. Durch die Dotierung werden zusätzliche Elektronen in den Halbleiter eingebracht, die für die Atombindungen im Kristall nicht benötigt werden. Markieren Sie im Diagramm die Energie ΔW, die notwendig ist, um diese „zusätzlichen“ Elektronen ins Leitungsband anzuheben. Welche elektrischen Eigenschaften hat ein Material mit dem Bandabstand 8,9 eV? (Hinweis: Der Bandabstand von Silizium beträgt 1,11 eV) Diplomvorprüfung Elektronik Seite 3 von 8 Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte) Ein Verbraucher (RL = 2 kΩ) wird von einem Gleichspannungsnetzteil (Uq) mit Strom versorgt. Die zulässige Betriebsspannung des Verbrauchers liegt im Bereich 4,5 V < UL < 5,5 V. Eine Zenerdiode (UZ0, rZ) mit Vorwiderstand (RV = 100 Ω) schützt den Verbraucher vor einer Beschädigung durch Überspannung. 2.1. Ermitteln Sie aus der Kennlinie die Parameter UZ0 und rZ der eingesetzten Zenerdiode. (Ersatzwerte: UZ0 = 5 V, rZ = 2 Ω) 2.2 Zunächst hat die Versorgungsspannung den Wert Uq = 5 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zenerdiode? Durchlassbereich 2.3 Durchbruchbereich Die Diode sperrt Wie groß sind für Uq = 5 V die Spannung am Verbraucher (UL), der Diodenstrom (IZ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (PZ)? Diplomvorprüfung Elektronik 2.4 Seite 4 von 8 Aufgrund einer Fehlfunktion des Gleichspannungsnetzteils verdoppelt sich die Spannung Uq auf den Wert Uq = 10 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zenerdiode nun? Durchlassbereich Durchbruchbereich Die Diode sperrt 2.5 Wie groß sind für Uq = 10 V die Spannung am Verbraucher (UL), der Diodenstrom (IZ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (P Z)? 2.6 Welchen Wert Uqmax darf die Versorgungsspannung maximal annehmen, damit der Verbraucher gerade noch nicht beschädigt wird (ULmax = 5,5 V)? Diplomvorprüfung Elektronik Seite 5 von 8 Aufgabe 3 (ca. 17 Punkte) Gegeben ist die nachstehende Schaltung mit zwei Verstärkerstufen. Die Betriebsspannung beträgt UB = 10 V. RC1 RB UB IC 2 I C1 R2 RC 2 A IB2 I B1 E U CE 2 U CE1 R1 U BE 1 U BE 2 Die beiden Transistoren sind identisch und werden durch folgende Kennlinien beschrieben: IC /A 1,0 IB /mA 7 8 0,8 6 0,6 4 0,4 6 5 IB /mA 4 3 2 2 0,2 3.1 1 0,2 0,4 0,6 0,8 UBE / V 2 4 Um welchen Typ von Transistor handelt es sich? (Begründung!) 6 8 10 UCE / V Diplomvorprüfung Elektronik 3.2 Seite 6 von 8 Die Verstärkerstufe 1 hat eine Spannungsverstärkung v1 = -216. Der Kleinsignalverstärkungsfaktor im Arbeitspunkt des ersten Transistors ist 1 = 110, der differentielle Widerstand der Basis-Emitterdiode beträgt rBE1 = 6,5 Ω. a) Wie groß ist der Kollektorwiderstand RC1 ? (Ersatzwert: RC1= 16,67 Ω) b) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade der ersten Stufe ins Ausgangskennlinienfeld. c) 3.3 Wie groß muss IB1 sein, damit sich am 1. Transistor eine Kollektor-Emitterspannung UCE1 = 5 V einstellt? Dimensionieren Sie für diesen Fall den Widerstand RB. Die Verstärkerstufe 2 wird in ihrem Arbeitspunkt mit einem Basisstrom IB2 = 5 mA betrieben. RC2 beträgt 10 Ω, für die Widerstände R1 und R2 gilt: R2 = 12 R1 a) Ermitteln Sie aus der Eingangskennlinie die Spannung UBE2 im Arbeitspunkt. b) Wie groß sind R1 und R2? (Verwenden Sie für die Berechnung keine Näherungen!) c) Wie groß ist die Spannung UCE2 im Arbeitspunkt? Welche Verlustleistung P2 wird dabei vom zweiten Transistor als Wärme abgegeben? Diplomvorprüfung Elektronik Seite 7 von 8 Aufgabe 4 (ca. 13 Punkte) Eine Leuchtdiode wird durch kurzes Schließen eines (Tast-)Schalters eingeschaltet. Nach dem Loslassen (Öffnen) des Schalters leuchtet sie für eine gewisse Zeit weiter, bevor sie wieder ausgeht. Die Abbildung zeigt die dazu verwendete Verzögerungsschaltung: Alle Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von ±5 V. Beim Schließen des Schalters wird der Kondensator auf eine Spannung von u1 ≈ 5 V aufgeladen. Wird der Schalter zum Zeitpunkt t0 wieder geöffnet, entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R2. Während dieses Entladevorgangs verändert sich die Spannung u1: u1 (t) 5V e 4.1 t t 0 τ mit τ 100µF 10kΩ Geben Sie die genaue Funktion der Teilschaltungen I, II und III an. - Welcher Zusammenhang besteht jeweils zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bei jeder der drei Teilschaltungen? (Formel oder Skizze angeben!) Diplomvorprüfung Elektronik Seite 8 von 8 4.2 Der Kondensator ist voll aufgeladen. Zum Zeitpunkt t0 = 0 s wird der Schalter geöffnet. Zu welchem Zeitpunkt t1 ist u1 auf 1 Volt gesunken? 4.3 Zeichnen Sie die Verläufe von u2, u3 und u4 in das folgende Diagramm. ----- Viel Erfolg!!! -----
