EK1_P3_2009_04_21

Elektronik 1
Prüfung 3: 21.4.09
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
1. Schottkydiode beschleunigt Ausschalten des BJT
Gegeben ist der untenstehende Inverter.
a)
Berechnen Sie den Collectorstrom, den Basisstrom und den Strom durch die SchottkyDiode für Uein = 4V und Stromverstärkung  = 100.
b)
Erklären Sie in Worten, weshalb die Schottkydiode die Verzögerungszeit beim
Ausschalten des Transistors verkürzt.
c)
Berechnen Sie die beiden (low und high) Schaltschwellen von Uein, die in jedem Fall
garantiert werden können unter der Annahme der typischen Stromverstärkung  = 100.
Bitte wenden, weitere Aufgaben auf der Rückseite.
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
2. Transistor-Schalter für Wechselspannung
Der Strom durch eine induktive Last kann nicht abrupt ändern. Wenn der Transistor ausschaltet,
muss der Strom weiter fliessen können, bis die magnetische Energie aufgebraucht ist.
In der linken Schaltung für Gleichspannungsmotor wurde dazu die Freilaufdiode vorgesehen.
Ohne Freilaufdiode würde der Transistor beim Ausschalten durch Überspannung zerstört.
Die Schaltung soll, wie rechts skizziert, für den Betrieb mit Wechselspannungsmotor modifiziert
werden. Dank dem Brückengleichrichter arbeitet der Transistor immer mit Gleichspannung.
a)
Da der Motor mit Wechselspannung betrieben wird, kann keine Freilaufdiode eingesetzt
werden. Sie würde die negative Halbwelle „kurzschliessen“. Trotzdem muss der
Transistor beim Abschalten vor Überspannung geschützt werden. Machen Sie
mindestens einen Lösungsvorschlag (Schaltungsskizze und Beschreibung der
Funktionsweise).
b)
Der Source-Anschluss des FET ist nicht mehr auf Ground (Schaltungsnullpunkt),
sondern ändert sein Potential mit dem Verlauf der Wechselspannung und dem
Schaltzustand. Der FET kann darum nicht mehr direkt mit einem auf GND bezogenen
TTL-Signal angesteuert werden. Machen Sie einen Schaltungsvorschlag mit einem
Optokoppler, welcher dieses Problem löst.
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Musterlösung
1. Schottkydiode beschleunigt Ausschalten des BJT
Gegeben ist der untenstehende Inverter.
a)
Berechnen Sie den Collectorstrom, den Basisstrom und den Strom durch die
Schottkydiode für Uein = 4V und Stromverstärkung  = 100.
Mit dieser Eingangsspannung leitet der Transistor voll => UCE = 0.3V
IC = IRC = (Vcc-UCE)/RC = (5V-0.3V)/100 = 47mA
IB = IC/ = 4.7mA/100 = 0.47mA
Der Strom IRB teilt sich auf in den Basisstrom und den Strom durch die Schottkydiode.
Die Basis bezieht soviel Strom, wie für den Collectorstrom benötigt wird; der Rest wird
durch die Schottkydiode abgeleitet.
IRB = URB = (Uein-UBE)/RB = (4V-0.6V)/560 = 3.4V/560 = 6.07mA
ID = IRB-IB = 6.07mA-0.47mA = 5.60mA
b)
Erklären Sie in Worten, weshalb die Schottkydiode die Verzögerungszeit beim
Ausschalten des Transistors verkürzt.
Ohne Schottkydiode fliesst ein unnötig grosser Strom in die Basis und überschwemmt
die BE-Diode mit Ladungsträgern. Auch wenn beim Ausschalten keine neuen
Ladungsträger mehr in die Basis fliessen, leitet der Transistor solange bis alle
Ladungsträger aufgebraucht oder abgeflossen sind.
Die Schottkydiode leitet die überflüssigen Ladungsträger um den Transistor herum ab.
Beim Ausschalten wird die Basis augenblicklich frei von Ladungsträgern und der
Transistor sperrt schnell.
c)
Berechnen Sie die beiden (low und high) Schaltschwellen von Uein, die in jedem Fall
garantiert werden können unter der Annahme der typischen Stromverstärkung  = 100.
low: für Uein < 0.6V kann kein substanzieller Basisstrom fliessen und der Transistor
sperrt.
high: Damit der Collectorstrom sicher geschaltet wird muss mit min =
typisch/Sättigungsfaktor = 100/5 = 20 gerechnet werden. IB = IC/min = Vcc/RC/min =
5V/100/20 = 2.5mA. Daraus ergibt sich Uein > UBE+RBIB = 0.6V+5602.5mA = 2V
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2. Transistor-Schalter für Wechselspannung
Der Strom durch eine induktive Last kann nicht abrupt ändern. Wenn der Transistor ausschaltet,
muss der Strom weiter fliessen können, bis die magnetische Energie aufgebraucht ist.
In der linken Schaltung für Gleichspannungsmotor wurde dazu die Freilaufdiode vorgesehen.
Ohne Freilaufdiode würde der Transistor beim Ausschalten durch Überspannung zerstört.
Die Schaltung soll, wie rechts skizziert, für den Betrieb mit Wechselspannungsmotor modifiziert
werden. Dank dem Brückengleichrichter arbeitet der Transistor immer mit Gleichspannung.
a)
Da der Motor mit Wechselspannung betrieben wird, kann keine Freilaufdiode eingesetzt
werden. Sie würde die negative Halbwelle „kurzschliessen“. Trotzdem muss der
Transistor beim Abschalten vor Überspannung geschützt werden. Machen Sie
mindestens einen Lösungsvorschlag (Schaltungsskizze und Beschreibung der
Funktionsweise).
Die linke Schaltung begrenzt die Spannung am Transistor auf die Zener-Spannung.
In der mittleren Schaltung lädt die magnetische Energie via Diode den Kondensator auf,
welcher beim nächsten Einschalten des Transistors via R wieder langsam entladen wird.
In der rechten Schaltung wird die Flanke des Schaltvorganges flacher gemacht. Das
geringere di/dt reduziert die Abschaltspannung auf verkraftbare Werte.
b)
Der Source-Anschluss des FET ist nicht mehr auf Ground (Schaltungsnullpunkt),
sondern ändert sein Potential mit dem Verlauf der Wechselspannung und dem
Schaltzustand. Der FET kann darum nicht mehr direkt mit einem auf GND bezogenen
TTL-Signal angesteuert werden. Machen Sie einen Schaltungsvorschlag mit einem
Optokoppler, welcher dieses Problem löst.
Die Zenerdiode begrenzt die Spannung UGS auf einen zulässigen Wert.
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