Elektronik 1, Prüfung
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Elektronik 1 Prüfung 5: 10.6.08 Musterlösung Zeit 90 Minuten Schriftliche Unterlagen 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. Kurzfragen a) Vergleichen Sie FET, BJT und IGBT untereinander und schreiben Sie in jede Zelle den passenden Transistor-Typ: FET, BJT oder IGBT. Eigenschaft \ Performance niedriger mittel höher Maximal zulässige Spannung FET BJT IGBT Maximal zulässiger Strom FET IGBT BJT Maximal zulässige Schaltfrequenz BJT IGBT FET b) Erläutern Sie die Begriffe „dead-time“ und „shoot-through“ und „level-shifter“, die im Zusammenhang mit einer Klasse-D-Endstufe verwendet werden. „dead-time“ = Zeit in der Beide Transistoren einer Halbbrücke gleichzeitig den Ausschaltbefehl erhalten. „shoot-trough“ = weil Transistoren in der Regel schneller ein- als ausschalten, kann in einer Halbbrücke die Speisung über die beiden gleichzeitig leitenden Transistoren kurzgeschlossen werden, wenn die „dead-time“ zu kurz ist. „level-shifter“ = erzeugt aus einem Standard-TTL-Signal die Ansteuerspannungen für die Transistoren, welche in der Regel nicht direkt gegenüber GND angesteuert werden können (Source resp. Emitter nicht an GND sondern z.B. auf einem hohen Spannungs-Niveau = high-side). c) Berechnen Sie die Zener-Spannung bei einem Strom von 30mA für die Z-Diode 1N4728. Datenblatt-Auszug für die Z-Diode: Lineares Ersatzschaltbild für die Z-Diode = lineare Spannungsquelle = Gerade durch den Punkt UZ@IZT. Ri ~ ZZT@IZT = 10 Uq ~ UZ@IZT - IZTRi = 3.3V - 76mA10 = 2.54V UZ@30mA = Uq + IRi = 2.54V + 30mA10mA = 2.84V Zu beachten ist, dass die angegebene Spannung UZ@IZT eine Toleranz von 5% aufweist und für ZZT@IZT der Maximal-Wert angegeben ist. d) Ein Transformator liefert eine sinusförmige Spannung von 9V auf einen VollwegGleichrichter mit anschliessender Siebung der Spannung durch einen sehr grossen Kondensator (Brumm kann vernachlässigt werden). Um wie viel Prozent verschlechtert sich der Wirkungsgrad der Schaltung durch die (konstant) 1.4VSpannungsabfall am Vollweggleichrichter? 747102234 Seite 1 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Der Spitzenwert der Spannung am Kondensator reduziert sich durch den Spannungsabfall am Gleichrichter von 29V = 12.7V auf 12.7V-1.4V = 11.3V Das Wirkungsgrads-Verhältnis berechnet sich zu 11.3VI / 12.7VI = 89% Der Wirkungsgrad verschlechtert sich um 11%. 2. Class-D-Audio-Endstufe mit Fehler-Detektion Die linke Hälfte im Schema ist der Leistungsteil. Die Ansteuerung wird durch einen (einen hier nicht gezeichneten) IC übernommen. Die rechte Hälfte im Schema enthält Überwachungsfunktionen. Wenn das Fehler-Signal „low“ wird, schaltet eine (hier nicht gezeichnete) Schaltung die Ansteuerung der EndstufenTransistoren T1 und T2 aus, damit der Ausgang abgeschaltet wird. a) Die Endstufen-Transistoren T1 und T2 sind gegen induktive AbschaltÜberspannungen nicht geschützt. Ergänzen Sie das obige Schema so, dass dieser Schutz gewährleistet ist. Bezeichnen Sie die Komponenten, die T1 schützen mit dem Index 1 und jene die T2 schützen mit dem Index 2. (Punkteabzug für falsche und überflüssige Komponenten) 747102234 Seite 2 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW SD1 schützt den Transistor T1 vor induktiver Überspannung. SD1a ist für den Schutz nicht notwendig, verhindert aber den Stromfluss durch die langsame BodyDiode von T2 vollständig, was höhere Schaltfrequenzen ermöglicht. Dito für T1 mit SD1 und SD1a. b) Ergänzen Sie die obige Schaltung um den Gate-Schutz. (Punkteabzug für falsche und überflüssige Komponenten) Die Zener-Dioden Z1 und Z1a begrenzen UGS von T1 auf ca. 15V (siehe Schema oben). Wird nur Z1 verwendet ist UGS begrenzt auf -0.7V..+15V, womit sich der FET etwas langsamer ausschalten lässt. Dito für T1 mit Z1 und Z1a. c) Die Schaltung bestehend aus Optokoppler U1, R1, R5 und C5 detektiert Übertrom am Transistor T1 (Rlautspr. zu klein oder kurzgeschlossen). Das Fehlersignal geht auf „low“, wenn an der Optokoppler-LED mindestens 1V @ 1mA anliegen. Berechnen Sie bei welchem Strom durch T1 das Fehlersignal auf „low“ geht. Der Kondensator C5 filtert sehr kurze Störungen aus und kann für die Berechnung vernachlässigt werden. UR1 = UR5 + U1led = 2701mA + 1V = 1.27V (Grenze für Umschalten) IT1 = UR1/R1 = 1.27V/270m = 4.7A Bei einem Strom von mindestens 4.7A schaltet das Fehlersignal auf „low“. d) Welche Schutzfunktion erfüllt die Schaltung bestehend aus U3, U4, R7 und C7? Und beschreiben Sie die genaue Funktionsweise (keine Berechnungen verlangt). R7 und C7 bilden ein Tiefpass-Filter mit tiefer Grenzfrequenz (C7 ist sehr gross). Wenn die Spannung am Kondensator über 1V ansteigt, schaltet der Optokoppler U3 um. U4 schaltet bei Spannungen unter -1V. Bei Wechselspannungen entstehen an C7 nur kleine Spannungen, erst bei länger anhaltender Gleichspannung löst die Schaltung aus. Sie ist also ein Schutz gegen Gleichspannung am Ausgang (Lautsprecher ertragen keine signifikante Gleichspannung). 3. Strommessung mit Hilfe einer Op-Amp-Schaltung Um den Laststrom zu messen wird in Serie zur Last ein Shunt-Widerstand von 0.1 in Serie geschaltet. Der Spannungsabfall am Shunt ist proportional zum Strom. Gesucht ist eine OpAmp-Schaltung (= Block, beschriftet mit Z), welche den potentialbehafteten Spannungsabfall am Shunt in eine proportionale Spannung gegenüber GND umformt. (Ansteuer- und Schutz747102234 Seite 3 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Schaltung für den Transistor nicht gezeichnet, da für diese Aufgabe irrelevant.) a) Machen Sie einen Schaltungs-Vorschlag für die Op-Amp-Schaltung. Und dimensionieren Sie die Elemente so, dass 1V am Ausgang (Strommesswert) einem Strom durch Rshunt von 10A entspricht. Differenzverstärker mit Verstärkungsfaktor 1V/(10A0.1) = 1 Alle vier Widerstände sind gleich gross zu wählen im Bereich 1..100k (Faustregel). 4. Instrumentenverstärker mit zwei Operations-Verstärkern U1ein + Uaus - R1 R2 U2ein + - R3 R4 Der Instrumentenverstärker hat hochohmige Eingänge und am Ausgang erscheint die verstärkte Differenz der Eingangsspannungen. a) b) Begründen Sie weshalb die Bedingung „hochohmige Eingänge“ erfüllt ist. Die Eingangsimpedanz hängt in dieser Schaltung nur von den Eingangsströmen der Operationsverstärker ab. Diese sind sehr klein (~ nA … pA) und damit ist die Eingangsimpedanz hoch (~ MΩ … GΩ). Welche Bedingungen gelten für die Widerstände R1 bis R4, damit gilt: „am Ausgang erscheint die verstärkte Differenz der Eingangsspannungen“. Leiten Sie dazu die Formel Uaus = f(U1ein, U2ein) her. U2n = U2ein = U2aus∙R4/(R3+R4) -> U2aus = U2ein∙(R3+R4)/R4 U1n = U1ein = Uaus - (Uaus-U2aus)∙R1/(R1+R2) U1ein = Uaus(1-R1/(R1+R2)) + U2aus∙R1/(R1+R2) U1ein = Uaus∙R2/(R1+R2) + U2aus∙R1/(R1+R2) -> Uaus = U1ein∙(R1+R2)/R2 - U2aus∙R1/R2 -> U2aus einsetzen Uaus = U1ein∙(R1+R2)/R2 - U2ein∙(R3+R4)/R4∙R1/R2 747102234 Seite 4 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Damit U1ein und U2ein gleich vertärkt werden, muss gelten: (R1+R2)/R2 = (R3+R4)/R4∙R1/R2 (R1+R2) = (R3+R4)/R4∙R1 (R1+R2)/R1 = (R3+R4)/R4 1+R2/R1 = 1+R3/R4 R2/R1 = R3/R4 v = 1+R1/R2 = 1+R3/R4 c) Geben Sie für die Widerstände R1 bis R4 konkrete Werte an für 100-fache Verstärkung. Die Widerstandswerte sollten für Operationsverstärker-Schaltungen etwa im Bereich 1 … 100kΩ liegen: Wahl: R1 = R3 = 100kΩ, R2 = R4 = 1kΩ (für normale Widerst.) Nur falls Präzisionswiderstände verwendet werden: R1 = R3 = 99kΩ, R2 = R4 = 1kΩ 5. Spannungsfolger für grosse Ausgangsströme Der Operations-Verstärker liefert maximal ca. 20mA Ausgangsstrom. Wenn mehr Strom benötigt wird, kann folgende Schaltung verwendet werden. Auszug aus dem Operations-Verstärker-Datenblatt: 747102234 Seite 5 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Auszug aus dem Transistor-Datenblatt: a) Berechnen Sie Uaus = f(Uein, R1, R2, Rlast). Operations-Verstärker und Transistor können in dieser Teilaufgabe als ideal angenommen werden. Der Ausgang stellt sich bei gegengekoppeltem Op-Amp so ein, dass die Differenz der Eingangsspannungen = 0 wird. Uein = UausR2/(R1+R2) Uaus = Uein(R1+R2)/R2 = 12Uein b) Berechnen Sie die maximal mögliche Ausgangsspannung der Schaltung. Wie gross muss in diesem Fall die Speisespannung sein? Beachten Sie dabei die in den Datenblatt-Auszügen angegebenen Grenzwerte für die Halbleiter. Die maximal zulässige Spannung für den BD137 ist 100V und für den LM358 32V. Usupply darf 32V nicht überschreiten. Die Ausgangsspannung wird maximal, wenn der Op-Amp-Ausgang am positivsten ist, nämlich Vcc-1.5V = 30.5V. Die Basis-Emitter-Spannung ist maximal 1.3V. Uaus < 32V-1.5V-1.3V = 29.2V c) Der Ausgang soll kurzschlussfest gemacht werden. Ergänzen Sie obige Schaltung damit der Ausgangsstrom auf ca. 200mA begrenzt wird. Die Spannung zwischen Basis und Uaus wird durch die Dioden begrenzt auf ca. 1.4V. Die Basis-Emitter-Spannung ist ca. 0.7V. Mit dem Knotensatz ergibt sich dass die Spannung am Widerstand Rstrom maximal ca. 0.7V betragen kann. Rstrom ~ 0.7V/0.2A = 3.5 Der Widerstand RB begrenzt den Strom am Op-Amp-Ausgang. Nachteilig ist, dass er auch im normalen Betrieb einen Spannungsabfall verursacht und die maximal erreichbare Ausgangsspannung mit zunehmendem Strom erniedrigt wird. Wird RB 747102234 Seite 6 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW weggelassen, wird der Strom am Op-Amp-Ausgang auf ca. 20mA begrenzt durch den Kurzschlussschutz des Op-Amps. RB = 0 ist deshalb die bessere Lösung. d) Was wären die Vor- und Nachteile, wenn in obiger Schaltung ein FET anstelle des BJTs eingesetzt würde? Vorteil: Schaltung auch für grosse Ausgangs-Ströme geeignet, da hochohmig angesteuert; BJT: min = 25@1A, mit IB < 20mA folgt ICgarantiert < 2520mA = 0.5A. Nachteil: UGSmax ~ 6V ist wesentlich grösser als UBEmax ~ 1.3V; die maximal erreichbare Ausgangsspannung ist also ca. 5V tiefer. Nachteil 2: Strombegrenzung wäre nicht so einfach realisierbar, da UGS einer viel grösseren Exemplarstreuung unterliegt als UBE. 747102234 Seite 7 / 7 H. Hochreutener, SoE@ZHAW
