EK1_P3_2007_06_27_Loesung
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Elektronik 1 Prüfung 3: 27. 6. 2007 Zeit 45 Minuten Tipps Musterlösung Eigene Zusammenfassung von 10 Seiten erlaubt Taschenrechner erlaubt, PC und Handy nicht erlaubt Jede vollständig richtig gelöste Teilaufgabe gibt 3 Punkte Zuerst alle Aufgaben durchlesen und mit der einfachsten beginnen Jede Teilaufgabe lässt sich unabhängig von den anderen lösen 1. Transistor-Schalter + 5V RC Uein Uaus R2 T1 R3 a. Am Ausgang wird ein Widerstand von 470 gegen GND angeschlossen. Dimensionieren Sie den Widerstand RC so, dass die Spannung am Ausgang folgende Bedingung erfüllt. T1 leitet: Uaus < 0.4V T1 sperrt: Uaus > 2.4V Wenn T1 sperrt, bilden RC und der 470-Widerstand einen Spannungsteiler. Uaus = 5V·470/(RC+470) > 2.4V => RC < 509 Wahl: RC = 470 Die Bedingung T1 leitet wird für das Berechnen von RC nicht benötigt. b. Dimensionieren Sie die Widerstände R2 und R3 so, dass folgende Bedingungen erfüllt sind. T1 leitet, wenn Uein > 2.0V T1 sperrt, wenn Uein < 0.8V (Falls Sie die vorherige Teilaufgabe nicht lösen konnten, nehmen Sie RC = 1k an.) Wenn T1 leitet, fliesst ein Strom IC = (5V-0.4V)/RC = 9.8mA Da keine spezifischen Angaben zum Transistor vorliegen, wird Stromverstärkung = 100 und Sättigungsfaktor m = 5 angenommen. Der Transistor wechselt vom leitenden in den sperrenden Zustand bei UBE = 0.6V. T1 sperrt: UBE = Uein·R3/(R2+R3) => UBE/R3 > (0.8V-UBE)/R2 => R2 > R3·(0.8V-0.6V)/0.6V = R3/3 => R3 < 3·R2 T1 leitet: IB = IC//m = 0.49mA UBE/R3+IB < (Uein-UBE)/R2 => 0.6V/(3·R2)+0.49mA < (2.0V-0.6V)/R2 => 0.6V/3+0.49mA·R2 < 1.4V => R2 < (1.4V-0.6V/3)/0.49mA => R2 < 2.4k Wahl: R2 = 2.2k => R3 < 3·R2 = 6.6k Wahl: R3 = 5.6k c. Wie wirkt sich ein Kondensator zwischen Ausgang und GND auf die Ein- und die Ausschaltzeiten aus? Die Einschaltzeit sinkt nur wenig, da der Transistor mit dem Sättigungsfaktor m Reserve hat und den Kondensator somit schnell entladen kann. ZHW/Dep. T / 747102661 Seite 1 / 6 H. Hochreutener / 08.06.2017 Die Ausschaltzeit steigt stark an, da der Kondensator nur mit dem Strom durch RC geladen werden kann. 2. Dreieck-Rechteck-Generator für PWM-Erzeugung Dreieck R1 22k C1 113n + OP1 LM324 OP2 LM324 + + R2 22k R3 22k f= R3 1 R2 4R1C1 + +Vcc + + Rechteck + +Vcc Voltage (V) Hinweis: Der LM324 ist ein Single-Supply-Operations-Verstärker. D.h. er kann so wie in obiger Schaltung an einer einzigen Versorgungsspannung (Vcc = +5V und GND) betrieben werden. a. Die Eingänge der Op-Amps, die im obigen Schema noch nicht angeschlossen sind, würden bei einem Dual-Supply-OpAmp an GND angeschlossen. Was muss damit bei der Single-Supply-Variante gemacht werden? Erwartet wird eine begründete Antwort mit einem konkreten Schaltungsvorschlag inkl. Bauteil-Werte. Die Spannung an den Eingängen muss etwa die Hälfte der Versorgungsspannung betragen. Am einfachsten macht man einen 1:1-Spannungsteiler zwischen GND und Vcc und erzeugt so eine virtuelle Masse. Diese sollte zum Vermeiden von Störungen mit Blockkondensatoren versehen werden. b. Die Ausgangs-Spannung dieser Op-Amps 3.25 kann bis ca. 0.6V an die untere und bis ca. 1.2V an die obere Speisespannung folgen. 3.00 Damit wird die Amplitude des Rechteck- und 2.75 des Dreieck-Signals unsymmetrisch bezogen auf die Speisespannung und variiert mit der 2.50 Speisespannung. Wie kann die Schaltung 2.25 modifiziert werden, damit das Rechteck- und 2.00 das Dreieck-Signal eine symmetrische Amplitude von 0.6Vp (= 1.2Vpp) erhalten 1.75 und gegenüber der Mitte der Speisespannung 10m 15m 20m 25m 30m (Vcc/2 = 2.5V) symmetrisch wird (wie im Time (s) nebenstehenden Diagramm)? Erwartet wird ein Schaltungsvorschlag inkl. Bauteil-Werte. 0.6Vp entspricht der Flussspannung von antiparallelen Dioden, welche die ZHW/Dep. T / 747102661 Seite 2 / 6 H. Hochreutener / 08.06.2017 Spannung gegenüber der virtuellen Masse begrenzen. Schaltung: Dreieck C1 113n + OP1 LM324 OP2 LM324 - + R3 22k f= R3 1 R2 4R1C1 + +Vcc + + R6 1k Rechteck + +Vcc D2 1N4448 + R5 1k R4 1k C5 1m C4 1m + +Vcc R2 22k D1 1N4448 R1 22k 3. Geschalteter Abwärtswandler + Speisung T PWM L SD Ausgang C Last Speisung: 15V Ausgangspannung (Sollwert): 5.0V Strom durch die Last: 0.5A PWM-Taktfrequenz: 50kHz PWM-Tastverhältnis: 1/3 (T leitet 1/3 der Zeit) ZHW/Dep. T / 747102661 Seite 3 / 6 H. Hochreutener / 08.06.2017 a. Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung und des Stromes an der Induktivität. 5 4 Ausgang 3 2 1 0 600m 500m IL 400m 300m 200m 100m 0 15 10 UL 5 0 -5 0 100u 200u 300u 400u 500u Time (s) b. Berechnen Sie die Induktivität so, dass die Stromschwankung (Iripple) an der Induktivität 100mA beträgt, wenn die Ausgangsspannung konstant 5.0V ist. An einer Induktivität gilt: u = L·di/dt => L = u·dt/di = 667H => Wahl: L = 680H c. Berechnen Sie die Kapazität so, dass die Spannungsschwankung (Uripple) am Kondensator 200mV beträgt, wenn die Stromschwankung (Iripple) an der Induktivität 100mA beträgt. An einer Kapazität gilt: i = C·du/dt => C = 1/u·∫i·dt => Integrations-Grenzen t = 0 .. 1/3·1/50kHz = 0 .. 6.67s => i ist dreieckförmig => Geradengleichung i(t) = 100mA·t/6.67s 2 => C = 1/200mV·100mA· t /2/6.67s = 1.7F => Wahl: C = 1.8F d. Nennen Sie je zwei Vor- und Nachteile auf, die entstehen, wenn die Schaltfrequenz verdoppelt wird. Vorteile: C und L werden kleiner, i und u werden kleiner Nachteile: Höhere Schaltverluste in den Transistoren, mehr elektromagnetische Störungen. 4. Ansteuerung eines Leistungstransistors a. Der Gate-Anschluss eines FET ist sehr hochohmig (mehrere G). Trotzdem wird empfohlen in der Gate-Leitung einen Widerstand von rund 10 einzubauen. Weshalb? Damit die Verluste beim Umschalten klein sind, muss schnell geschaltet werden. Der Gate-Kondensator muss also schnell umgeladen werden, was einen möglichst kleinen ZHW/Dep. T / 747102661 Seite 4 / 6 H. Hochreutener / 08.06.2017 Gate-Widerstand verlangt. Ist der Gate-Widerstand zu klein, können hochfrequente Schwingungen auftreten als Folge der FET-internen Induktivitäten. Ein höherer Widerstand dämpft diese Schwingungen. 10 ist ein guter Kompromiss; der beste Wert hängt aber vom eingesetzten Transistor ab. b. Beim BJT muss Sättigung vermieden werden, wenn man Wert legt auf schnelles Ausschalten. Wie sieht die Situation aus beim IGBT und beim FET (Antworten begründen)? IGBTs sättigen kaum, da bei durchgeschaltetem Eingangs-FET die Spannung UCE nicht unter 0.7V fallen kann. FETs kennen kein Sättigungsphänomen, da sie nur mit Majoritäts-Ladungsträgern funktionieren. 5. Relais ansteuern mit einem digitalen Ausgangs eines Mikro-Controllers Relais-Spule: 12V/60mA Mikro-Controller-Ausgang: 0V oder 5V, max. 1mA a. Skizzieren Sie eine Schaltung, die mit Hilfe des Signals vom Micro-Controller das Relais ein- resp. ausschalten kann. Der Mikro-Controller liefert zu wenig Strom und Spannung um das Relais direkt anzusteuern. Als einfachste Möglichkeit bietet sich ein enhancement-FET an. Gate über einen Widerstand von ca. 100 am Controller-Ausgang Source an GND Drain an der Relais-Spule Relais-Spule an 12V Freilauf-Diode über der Relais-Spule um induktive Abschalt-Überspannungen zu vermeiden. 6. Schutzschaltungen für einen Leistungstransistor Speisung + Anschluss1 Last (ohmsch-induktiv) SD Anschluss2 Z T Anschluss3 C R In der Skizze sind drei mögliche Schutzschaltungen skizziert. Füllen Sie diese Tabelle aus (pro richtiges Tabellenfeld gibt es 1 Punkt): Variante Schottky-Diode Zener-Diode RC-Glied Beschreiben Der Strom durch die Es entsteht eine Die magnetische Sie die Induktivität fliesst induktive AbschaltEnergie lädt den Funktionsweise durch die Diode Spannung, welche auf Kondensator auf und bzw. die weiter, bis die den Wert der wird im Widerstand Schutzwirkung. magnetische Energie Zenerdiode begrenzt verheizt. abgebaut ist. wird. ZHW/Dep. T / 747102661 Seite 5 / 6 H. Hochreutener / 08.06.2017 Ist die BauteilDimensionierung Last-abhängig? (begründen) Nein, ausser dass die Diode den Maximalstrom (kurzzeitig) aushalten muss. Nennen Sie den Sehr einfach. Hauptvorteil Billig. dieser Schaltung. (begründen) ZHW/Dep. T / 747102661 Die Zenerspannung muss über der Versorgungsspannung und unter der Durchbruchspannung des Transistors liegen. Die maximale Verlustleistung ist ein weiteres wichtiges Kriterium. Maximal-Spannung wird kontrolliert. Seite 6 / 6 R und C bilden zusammen mit der Induktivität einen Schwingkreis. Die Elemente müssen sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. R nimmt die Verlustleistung auf. Änderungsraten von Spannung und Strom können optimiert werden. H. Hochreutener / 08.06.2017
