EK1_P4_2009_05_12

Elektronik 1
Prüfung 4: 12.5.09
Name:
Zeit: 20 Minuten
Eigene Zusammenfassung von 6 Seiten erlaubt
Taschenrechner erlaubt, PC und Handy 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
Gegeben ist folgende Hochsetzsteller-Schaltung (= Aufwärtswandler = boost converter)
für alle Aufgaben.
1. Funktionsweise des Hochsetzstellers
a)
Erklären Sie die Funktionsweise der Schaltung, indem Sie beschreiben was passiert,
wenn der Transistor leitet und was passiert wenn er sperrt.
Nehmen Sie an, dass Cfilter und Csieb so gross sind, dass Eingangs- und
Ausgangsspannung praktisch konstant sind.
2. Freilaufdiode für den Transistor
a)
Benötigt der FET zum Schutz eine Freilaufdiode? Antwort begründen.
Bitte wenden: weitere Aufgaben auf der Rückseite.
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
3. Entlastungsnetzwerk für Hochsetzsteller (boost converter)
Gegeben ist dieser Kurvenverlauf (und ein vergrösserter Ausschnitt).
Die Eingangsspannung Us beträgt 1.5V, die Frequenz ist 4MHz und das Tastverhältnis 80%.
a)
Geben Sie die durchschnittliche Verlustleistung des Transistors auf 50% genau an.
b)
Wie gross sollen die Strom- und Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeiten sinnvollerweise
gewählt werden für die Dimensionierung der Ausschalt-Entlastung (turn-off-snubber)?
c)
Zeichnen Sie das Schema einer Einschalt-Entlastung (turn-on-snubber) und
dimensionieren Sie alle Bauteile, wenn der Ausschaltvorgang insgesamt 20ns dauern
soll und das PWM-Verhältnis zwischen 20% und 80% liegt.
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Musterlösung
1. Funktionsweise des Hochsetzstellers
a)
Transistor leitet: Die Spannung an Lspeicher ist positiv und der Strom steigt
langsam an, gemäss der Induktivitätsgleichung. Die Diode sperrt.
Transistor sperrt: Der Strom durch die Induktivität muss weiter fliessen. Am
sperrenden Transistor steigt die Spannung an, bis der Strom durch die Diode fliessen
kann. Der Kondensator wird aufgeladen.
2. Freilaufdiode für den Transistor
a)
Der FET benötigt keine Freilaufdiode, da die Spannung am Transistor zu keinem
Zeitpunkt negativ werden kann.
3. Entlastungsnetzwerk für Hochsetzsteller (boost converter)
a)
Geben Sie die durchschnittliche Verlustleistung des Transistors auf 50% genau an.
Ausschaltverlust: Über einen Zeitraum von ca. 5ns sinkt der Strom von 1.8A auf 0 und
die Spannung steigt von 0.7V auf 4V. Die umgesetzte Energie pro Ausschaltvorgang
berechnet sich zu ca. Wa ~ 1.8A/22V/25ns = 9nJ
Einschaltverlust: Während 5ns steigt der Strom von 0 auf 2.4A bei konstanter
Spannung von 4.2V. Während 10ns sinkt die Spannung von 4.2V auf 0.7V bei relativ
konstantem Strom von 2A. Die Verlustenergie pro Einschaltvorgang berechnet sich zu
ca. We ~ 2.4A/24.2V5ns+2A(4.2V+0.7V)/210ns = 74nJ
Durchlassverlust: Wd ~ 1.8A0.7V180ns = 227nJ
Durchschnittliche Verlustleistung Pv ~ 4MHz(9nJ+74nJ+227nJ) = 1.2W
b)
Beim Ausschalten des Transistors, soll die Spannung erst steigen, wenn der Strom
durch den Transistor auf kleine Werte abgesunken ist. Massgebend ist also die
Spannungs-Anstiegsgeschwindigkeit; eine Strom-Anstiegsgeschwindigkeit gibt
es beim Ausschalten nicht. Die Ausschalt-Entlastung soll etwas langsamer sein, als
das Verhalten des Transistors, welches 3V/4ns beträgt => Wahl 1V/ns
c)
LE = u/(di/dt) = 4V/(2A/20ns) = 40nH
 = 20%/4MHz = 50ns
RE = LE/ = 40nH/50ns = 0.8
PE = fLEI2/2 = 4MHz40nH2A2/2 = 320mW
DE: 2Ap, 4Vp
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