EK1_P4_2014_06_27
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Elektronik 1 Name: Schluss-Prüfung: 27.6.2014 Klasse: Dozent: Hanspeter Hochreutener Punkte: Note: Dauer: 90 Minuten Hilfsmittel: Schriftliche Unterlagen (auf Papier) und Taschenrechner sind erlaubt. Punkte: Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte. Bedingungen: Die Aufgaben müssen auf den Aufgabenblättern gelöst werden. Die Heftklammern dürfen nicht entfernt werden. Bleistift, rote Stifte und TippEx sind nicht gestattet. Resultate ohne Lösungsweg und/oder Begründung geben keine Punkte. Tipp: Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen. Hinweis: Die Teilaufgaben sind unabhängig lösbar (Ausnahmen sind angegeben). 1. Wechselsignal-Vorverstärker an 5V-Speisung a. Zeichnen sie das Schema eines Verstärkers für ein Wechselspannungssignal (z.B. von einem Mikrofon), der mit einer single-supply-Speisung betrieben werden kann. Bauteilwerte müssen nicht berechnet werden. 747099471 Seite 1 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 2. Getakteter Abwärtswandler a. Der Transistor ist während 40% der Zeit eingeschaltet. Die PWM-Frequenz ist 100kHz. Skizzieren sie den Verlauf der Spannungen an der Diode SD_Freilauf, an Widerstand RLast und an der Induktivität Lspeicher, sowie den Strom durch die Induktivität Lspeicher. Die Skizze soll zwei PWM-Perioden abdecken im stationären Zustand (stationär = Gerät ist schon lange eingeschaltet). Verlangt wird eine qualitativ richtige Skizze, ohne Zahlenwerte. b. Dimensionieren sie die Spule Lspeicher und den Kondensator Cfilter für Vs = 10V, ULast = 4V, ILast = 2A, ∆ULastpp = 0.1V und Schaltfrequenz = 100kHz 747099471 Seite 2 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 747099471 Seite 3 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Fortsetzung: Getakteter Abwärtswandler c. Welche Steuerspannung wird benötigt, um den Transistor sicher auszuschalten? Und welche Steuerspannung wird benötigt, um den Transistor sicher einzuschalten? Datenblatt-Auszug: d. Die Verlustleistung im Transistor sei 2W. Er sei auf einen Kühlkörper mit einem thermischen Widerstand von 6°C/W montiert. Wie warm wird der Siliziumkristall des Transistors, wenn die Umgebungstemperatur 30°C beträgt? Weitere Angaben im Datenblatt-Auszug: 747099471 Seite 4 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 747099471 Seite 5 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 3. Signal-Verstärker Der Operations-Verstärker kann als ideal angenommen werden. Die Speisung ist symmetrisch (dual-supply). a. Berechnen sie die Spannungsverstärkung dieser Schaltung vU = Uaus/Uein. b. Wozu dient der Widerstand R3? Und wie gross müsste sein Wert idealerweise sein? c. Was passiert, wenn beim Versuchsaufbau invertierender und nicht-invertierender Eingang vertauscht angeschlossen werden? 747099471 Seite 6 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 747099471 Seite 7 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 4. Schalt-Netzteil Für eine Elektromobil-Ladestation wird eine Gleichspannung von 48V benötigt. Sie soll einen Strom von 40A liefern können. Das Netzteil wird an einer 230Vac-Steckdose betrieben. a. Geben sie zu jeder der drei unten vorgeschlagenen Schaltungen an, warum sie für diese Aufgabe geeignet, resp. nicht geeignet ist. Für jede Schaltung wird ein Vollwellen-Gleichrichter direkt am 230V-Netz angeschlossen. Es steht also am Schaltungseingang eine vom Netz nicht isolierte Gleichspannung von 325Vdc zur Verfügung. Abwärtswandler Sperrwandler Halbbrücken-Gegentaktwandler 747099471 Seite 8 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 747099471 Seite 9 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 5. 5V-Spannungsregler mit hohem Wirkungsgrad Im LM2674-5.0 ist ein Leistungs-FET (zwischen den Anschlüssen VIN und VSW) und die PWM-Erzeugung integriert. Ebenfalls integriert ist ein Regler für das PWM-Verhältnis, damit die Ausgangsspannung (am Anschluss FB gemessen) konstant 5V beträgt. Die PWMFrequenz ist fix auf 260kHz eingestellt. a. Für diese Teilaufgabe soll VIN = 24V angenommen werden. Welches PWM-Verhältnis stellt sich ein? Wie gross ist der Stromripple ∆IL1pp an der Spule? Wie gross ist der Ripple der Ausgangsspannung ∆VOUTpp? b. Es stehen folgende Dioden zur Verfügung. Geben sie zu jeder Diode an, ob sie eingesetzt werden kann oder nicht (Antworten begründen). Bezeichnung Diodentyp Sperrspannung Sperrstrom Durchlassstrom Durchlassspannung Reverse Rec. Time 1N4001 PIN 50V 5uA @ 50V 1A 1.1V @ 1A 2us SS15 Schottky 50V 1mA @ 50V 1A 0.7V @ 1A Keine Ang. UF1A PN 50V 5uA @ 50V 1.0V @ 1A 50ns 747099471 Seite 10 / 12 1A H. Hochreutener, SoE@ZHAW 747099471 Seite 11 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW 6. Signal-Gleichrichter mit Single-Supply-Operationsverstärker Untenstehende Schaltung benötigt keine Dioden, dafür 2 rail-to-rail-Operationsverstärker. Vorteil: Maximale Amplitude der Eingangsspannung = Versorgungsspannung. a. Berechnen sie sämtliche Knotenspannungen für Eingangsspannung Uein = +1V Schreiben sie die Werte direkt an die betreffenden Stellen ins Schema b. Berechnen sie sämtliche Knotenspannungen für Eingangsspannung Uein = -1V Schreiben sie die Werte direkt an die betreffenden Stellen ins Schema 747099471 Seite 12 / 12 H. Hochreutener, SoE@ZHAW
