EK1_P4_2009_05_12
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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. 747096821 Seite 1 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. 747096821 Seite 2 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 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/22V/25ns = 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/24.2V5ns+2A(4.2V+0.7V)/210ns = 74nJ Durchlassverlust: Wd ~ 1.8A0.7V180ns = 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 = fLEI2/2 = 4MHz40nH2A2/2 = 320mW DE: 2Ap, 4Vp 747096821 Seite 3 H. Hochreutener, SoE@ZHAW
