Aufgaben Elektronik II U A uA = U E uE 2. Ein komplexer Widerstand ist in der Form Z =∣Z∣e j gegeben. Wie ist das Verhältnis Imaginärteil zu Realteil? Was hat die Phase mit der physikalischen Größe „Zeit“ zu tun? 1. Zeigen Sie, dass bei der Berechnung der Übertragungsfunktion gilt: Fachbereich Elektrotechnik mit Informatik Elektroniklabor 3. Eine Wechselspannung mit der Frequenz f =1 GHz wird mit Hilfe der komplexen Amplitude U = j⋅1V (in diesem Fall also eine rein imaginäre Amplitude) beschrieben. Zu welchen Zeitpunkten wären bei einer tatsächlichen Messung dieser Spannnung die Nulldurchgänge und zu welchen Zeitpunkten t i wäre sie genau u t i =1 V ? 4. Eine Übertragungsfunktion wird in der folgenden Form gegeben: T =a jb . Bestimmen Sie den Betrag und den Phasenwinkel allgemein und für a=b . Wie lautet also T in der Form T =∣T ∣e j ? 5. Für die folgende Schaltung gilt: R1 =5 k , R2 =10 k , C=10 nF . Berechnen Sie allgemein die UA Übertragungsfunktion T = . Welchen Wert hat die UE Übertragungsfunktion bei sehr niedrigen Frequenzen? Wie lautet allgemein der Eingangswiderstand Z E der Schaltung und welchen Wert hat Z E bei sehr hohen Frequenzen? 6. Bestimmen Sie Betrag und Phase der Übertragungsfunktion der nebenstehenden Schaltung mit R=6,28 k und C=1 F . Wie groß ist der Strom, der bei einer Frequenz von f =1 GHz durch den Widerstand fließt? 7. Die nebenstehende Schaltung hat R1 =5 k , R2 =10 k und C=10 nF . Berechnen Sie allgemein die UA Übertragungsfunktion T = . Welchen Wert hat die UE Übetragungsfunktion bei sehr hohen Frequenzen? Wie lautet allgemein der Eingangswiderstand Z E der Schaltung und welchen Wert hat Z E bei sehr tiefen Frequenzen? 8. Wie lautet die Übertragungsfunktion der nebenstehenden Schaltung? Bestimmen Sie die Grenzfrequenz für R1 =10 k , R2 =2 k und L=10 nH . Welche Minimal- und Maximalwerte kann ∣T∣ annehmen? Wie ändern sich diese Extremwerte, wenn die Induktivität der Spule verdoppelt wird? Was für eine Art von Filter erkennen Sie hier? 9. Für die Schaltung rechts bestimmen Sie bitte die Übertragungsfunktion, deren Betrag, deren Phase und die Grenzfrequenz. Es sind R1 =390 , R2 =160 und C=140 nF . 1 Prof. Dr. Martin Poppe Stand: November 2010 10. Für die nebenstehende Schaltung gilt: R =10 k und C=5 nF . Was für eine Art von Filter ist dies? Hat die Übertragungsfunktion ein Maximum, und wenn ja: wo und mit welchem Wert für ∣T∣ ? Bitte bestimmen Sie die Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz. Fachbereich Elektrotechnik 11. Um was für eine Art von Pass handelt es sich bei der rechts gezeigten Schaltung? Bitte bestimmen Sie die Übertragungsfunktion und die Eingangsimpedanz Z E . (Hinweis: kein Rückpass, kein Bypass!) 12. Wie lautet die Übertragungsfunktion der folgenden Schaltung mit R1 =6 k , C1 =5 nF und C2 =20 nF . Bitte geben Sie auch den Betrag und die Phase als Funktion der Frequenz an. Wie groß ist der Eingangswiderstand? Kann man durch Hinzufügen eines Widerstandes parallel zu C2 die Übertragungsfunktion frequenzunabhängig machen, und wenn ja: wie groß muß der Widerstand sein? 13. Bei der folgenden Schaltung sind R=20 k und C=50 nF . Bitte berechnen Sie allgemein die Übertragungsfunktion und die Phasenverschiebung. Welchen Wert hat die Übertragungsfunktion bei sehr niedrigen Frequenzen? Wo liegt die Grenzfrequenz? Bitte geben Sie ein Näherungsformel für ∣T∣ bei hohen Frequenzen an! Um wie viele dB fällt also die Übertragungsfunktion pro Dekade bei hohen Fequenzen ab? 14. Wie lauten die Übertragungsfunktion, deren Betrag und Phasenverschiebung der nebenstehenden Schaltung? Bestimmen Sie die Grenzfrequenz für R1 =40 k , R2 =10 k und C=1nF . Welche Minimal- und Maximalwerte kann ∣T∣ annehmen? Bei welcher Frequenz ist die Phasenverschiebung maximal? 15. Welcher Zusammenhang besteht zwischen den Elementen der KettenparameterMatrix A und der Spannungsübertragungsfunktion T ? 16. Eine für niedrige Frequenzen für Z 0 =50 angepasste -Schaltung (siehe rechts) soll zur Dämpfung hoher Frequenzen eingesetzt werden. Die Spannungsübertragung habe im lastfreien Fall einen Pol bei einer Frequenz von f POL=100 kHz . Bestimmen Sie L und C! Wie groß ist der Betrag der Spannungsübertragung u 2 / u 1 bei f POL=100 kHz , wenn die Schaltung ausgangsseitig mit RL =50 belastet wird? Um welchen Winkel ist die Ausgangsspannung hier relativ zur Eingangsspannung verschoben? 17. Die rechts abgebildete T-Schaltung sei an ein RL =50 Koaxialkabel angepasst und bestehe aus drei gleichen Widerständen. Bitte dimensionieren Sie die Widerstände und bestimmen Sie die Dämpfung der Schaltung 2 Und Informatik Elektroniklabor Prof. Dr. Martin Poppe sowohl bei Anpassung als auch im lastfreien Fall. Wie groß ist die Phasendrehung bei f =2.7 GHz ? 18. Ein Vierpol mit unbekanntem Innenleben wird mit folgenden Resultaten ausgemessen: Bei offenem Ausgang ist U 1=10 V , U 2 =1 Volt , I1=200 mA , bei kurzgeschlossenem Ausgang dagegen U 1=4.95 V , I1=100 mA, I2 =10 mA . Es werden keine Phasenverschiebungen beobachtet. Bitte bestimmen Sie die Elemente der Kettenparameter Matrix und den Wellenwiderstand! Ist diese Schaltung symmetrisch? Konstruieren Sie bitte aus Ohmschen Widerständen eine T-Schaltung mit diesen Eigenschaften. 19. Bitte konstruieren Sie die Kettenparameter Matix des einfachen RC Tiefpasses. Dimensionieren Sie den Widerstand so, dass bei einer Last von RL =8 bei kleinen Frequenzen das Verhälnis u 2 / u 1 =0.8 wird. Um wie viele % erhöht sich die Grenzfrequenz relativ zu der des Leerlaufs, wenn die Last vom Leerlauf auf RL =8 erhöht wird? 20. Der rechts gezeigte Bandpass kann als Hintereinanderschaltung von Hoch- und Tiefpass berechnet werden. Bitte bestimmen Sie die Kettenparametermatrix des Bandpasses und berechnen Sie die Spannungsübertragung im lastfreien Fall. Unter Verwendung der Lösung von Aufgabe 19 und einer kleinen guten Idee ist dies überhaupt kein Problem. 21. Ein Z 0 =75 Antennenkabel habe einen vernachlässigbar kleinen Ohmschen Widerstand und werde von einem angepassten LNB mit einer Leistung von P=10 nW gespeist. Wie viele % der vom LNB erzeugten Signalspannung und welcher Anteil der abgegebenen Leistung kommen beim Satellitenempfänger an, wenn dieser einen Eingangswiderstand von RE =75 hat ? Welche Spannungsamplitude und welche Leistung würde man für RE =750 erhalten? (Bitte nicht ärgern! Die Aufgabe ist wirklich schwierig) 22. Ein Reihenschwingkreis aus L=200 H und C=500 pF nimmt einen Resonanzstrom I R=1 A auf. Bei C - Änderung um C=±10 pF geht der Strom auf I =0.7071 A zurück. Berechnen Sie die Resonanzfrequenz f 0 , die Bandbreite B , die Güte Q , den Serienwiderstand R S und die Spannung U L,0 an der Induktivität bei Resonanz. (Siehe Kommentar 21) 23. Berechnen Sie einen Parallelschwingkreis für eine Resonanzfrequenz f 0 =478 kHz mit folgenden Eigenschaften: f 0 soll sich um höchstens f 0 =200 Hz verschieben, wenn sich die Kapazität durch Änderung des Aufbaus um C =0.2 pF ändert. Die Güte der Spule beträgt Q L =300 , der Kondensator sei verlustlos. Wie groß sind die Bauelemente L , C & R zu dimensionieren und wie groß ist die Bandbreite B ? 24. Eine Induktivität L=0.1 mH liegt in Reihe mit dem Widerstand RS =2 . Ergänzen Sie die Schaltung zu einem Parallelschwingkreis für eine Resonanzfrequenz f 0 =500 kHz . Bestimmen Sie B & Q . Wie groß ist die Spannung U 1 am Schwingkreis bei der Frequenz 3 Fachbereich Elektrotechnik Und Informatik Elektroniklabor Prof. Dr. Martin Poppe f 1 =450 kHz wenn die Spannung bei der Resonanzfrequenz U 0 f 0 =100V beträgt? Wie groß muss die Güte Q ' des Schwingkreises sein, wenn bei der Frequenz f 1 die Spannung U 1 ' =10 V betragen soll? 25. Unter Verwendung einer Spule mit L=2 mH und R=14 soll ein Parallelschwingkreis mit der Resonanzfrequenz f 0 =150 kHz aufgebaut werden. Die Spannung am Schwingkreis bei der Frequenz f 1 =140 kHz soll gegenüber der Resonanzspannung um den Faktor 3 geringer sein. Wie groß muss die Güte des Schwingkreises sein? Wie groß muss ein Zusatzwiderstand RS in Reihe mit der Spule zur Einstellung der gerade berechneten Güte sein? Wie groß ist die Kapazität C des Kreises zu wählen? (Tipp: rechnen Sie zunächst mit einem reinen Parallelkreis und schießen aus der Güte auf den Parallelwiderstand. Der hierzu gehörige Reihen-Ersatzwiderstand ist größer als der der Spule. Was fehlt ist RS .) 26. Der Schwingkreis in der folgenden Schaltung ist mit R=10 , L=0.1 mH und C =25.6 nF aufgebaut und wir als Filter verwandt. Berechnen Sie bitte f 0 , Q & B . Wie groß ist die Phasenverschiebung bei sehr kleinen Frequenzen und bei der Resonanzfrequenz? 4 Fachbereich Elektrotechnik Und Informatik Elektroniklabor Prof. Dr. Martin Poppe Lösungen: j t uA UAe UA = = 1. Es gilt u E =U E⋅e und u A=U A⋅e . Daher auch u E UE e j t U E 2. Es gilt e j =cos j sin . Der Faktor ∣Z∣ ist bei Real- ind Imaginärteil gleich groß. Daher bleiben für das Verhältnis nur die Winkelfunktionen übrig: ℑ Z / ℜ Z=sin / cos=tan . Bedeutung für die Zeit: u= Z⋅i folgt =u − i . Betrachtet man den Fall u =0 , dann ist =−i . Strom und Spannung haben dann den folgenden komplexen Verlauf: ℑe i t = U sin t und i =I ℑe j t − =I sin t− . Der Strom hat u= U seinen ersten Nulldurchgang bei t 0 = . Die Zeit t 0 , um die der Strom später seinen Nulldurchgang hat als die Spannung, kann mit =2 /T als t 0 =T⋅ geschrieben werden. Der Winkel ist also ein Maß dafür, wie viel 2 verspätet der Strom fließt. Ein Phasenwinkel von 180 Grad bedeutet zum Beispiel, dass der Strom um eine halbe Periode hinter der Spannung hinterher hinkt. j t j t 3. Wegen j =e j / 2 schreiben wir den komplexen zeitabhängigen Strom als j t j /2 j 2 1 GHz⋅t . Was gemessen wird, ist der Imaginärteil u=U⋅e =1 V e ⋅e hiervon: u=1V sin2 1GHz t/ 2=1 V cos 2 ⋅1 GHz⋅t . Die Nulldurchgänge sind also bei 1/ 4 ns ,3 /4 ns ,5 /4 ns , ... . 1 Volt wird zu den Zeitpunkten 0 ns , 1 ns , 2ns ,... erreicht. 4. Betrag: ∣T ∣= a 2 b 2 Phasenwinkel =atan ℑT / ℜT =atanb / a . Für a=b wird =/4 . Also allgemein ∣T ∣= a 2 b 2 e j⋅atan b/a R2 fällt heraus. Gleicher Strom heißt: Spannungsverhältnis = UA ZA R2 = = Impedanzverhältnis, also T = , oder explizit UE Z E R1 Z C R2 R2 1 T= ⋅ . Der Betrag ist R 1R 2 1 { j R1 R2 C }−1 5. Der linke R2 1 . Beis sehr , die Phase =atan 2 −2 R R R R C 1 2 ⋅ C 1 2 niedrigen Frequenzen blockt der Kondensator und es bleibt T =0 . Der Eingangswiderstand ist Z E =R2∥R1 R2 Z C . Bei hohen Frequenzen fällt der Kondensator heraus un es bleiben 10k ∥15 k =150 / 25 k =6 k . ∣T ∣= 6. Klaro: T =1 und i =0 . R2 fällt heraus. Gleicher Strom heißt: Spannungsverhältnis = UA ZA R2 = = Impedanzverhältnis, also T = . Eingesetzt: UE Z E R 1∥Z C R2 R2 R1 R 2 j C T= Bei sehr hohen Frequenzen wirkt der Kondensator R2 R1 R 2 j C R1 wie ein Kuzschluss und es wird T =1 . Der Eingangswiderstand ist Z E =R2∥〚R1∥Z C R 2 〛 . Bei tiefen Frequenzen fällt der Kondensator heraus und es bleiben 10k ∥15 k =150 /25 k =6 k . 7. Der linke UA ZA R2 R2 = = = . Die U E Z E R 1R 2 Z L R1 R2 j L Minimal- und Maximalwerte werden für =0 und 1/ =0 erreicht: T 0 =R 2 /R1 R2 =2 /12≈0.16 & T ∞=0 . Beide Werte sind von der Induktivität unabhängig. Die Schaltung ist ein Tiefpass. Die Grenzfrequenz liegt wegen g =R 1R 2 /L bei f g ≈190 GHz (!) 8. Übertragungsfunktion: T= 5 Fachbereich Elektrotechnik Und Informatik Elektroniklabor Prof. Dr. Martin Poppe 9. Die linken beiden Bauelemente werden ignoriert. Der Rest ist Spannungsteiler R1∥Z C R1 R1 1 1 T= = = = ⋅ R1∥Z C R 2 R2 R1 R2 R1 R 2 j C R 1R 2 R 1 R2 1 1 j C R1∥Z C R1 R2 R1 R2 R 1R 2 g C g = Grenzfrequenz: 1= , f g =10 kHz R1 R2 R 1R 2 C Fachbereich Elektrotechnik Phase: wenn die Übertragungsfunktion mit dem konjugiert Komplexen des Und Informatik Nenners multipliziert wird, so entsteht ein Bruch mit einem realen Nenner. Dem Elektroniklabor Zähler kann dann das Verhältnis Imaginärteil zu Realteil angesehen werden: Prof. Dr. Martin Poppe R1 R1⋅R 1R 2 −R1 R2 j C T= = daher ist die Phase R1 R2 R1 R 2 j C realer Nenner −R1 R 2 C =atan =atan − C R 1∥R 2 . R1 R2 uA uA uX = ⋅ 10. Dies ist ein Bandpass! Zur Lösung muss man den Ansatz , da die u E uX uE Ströme an Ein- und Ausgang verschieden sind. Hier ist u X das Potential zwischen dem linken Widerstand und dem rechten Kondensator. Dann ist uA uX R Z∥ZR = = und . Man erhält schließlich u X ZR u E RZ∥ZR uA 1 T= = uE Das Maximum ist beim Minimum des Nenners, 1 3 j R C − R C also wenn der Imaginärteil verschwindet, wenn also gilt 1 R max C − =0 . Dann folgt sofort: max =1 /RC R max C f max =3.18 kHz . Bei dieser Frequenz gilt T max =T max =1 /3 . Die Phase 1 3− j R C− R C 1 / 3 . ergibt sich aus T = zu =−atan RC− 2 RC 1 9 R C − R C 11. Allpass! T =1 Und Z E =R 2 . Z2 1 j R C 1 =...= 12. Übertragungsfunktion: T = , Phase: R∥Z 1 Z 2 1 jR C1 C2 RC 2 =−atan Eingangswiderstand: Z E =R∥Z 1 Z 2 2 2 1 R C1⋅[C 1C 2 ] R 1 oder explizit: Z E = . Ja! bei R1 C1 =R2 C2 klappt's. 1 j RC 1 j C 2 uA uA uX = ⋅ 13. Die Übertragungsfunktion muss in 2 Teilen berechnet werden: , u E uX uE wobei u X das Potenzial zwischen den Kondensatoren ist. Dann ist uA uX R∥Z R =R /Z R und = . Zur Berechnung des öletzten uX u E ZR∥ZR Ausdrucks wird zunächst durch dioe Parallelschaltung gekürzt und dann uA j RC = eingesetzt. Am Ende erhält man . u E 3 j RC j RC−1 3 R C Phasenverschiebung: =atan 2 2 2 . Grenzwerte: T =0 =0 und R C −1 T ∞1 . Grenzfrequenz: T * T =1/ 2 . Das gibt... 1 RC = 7 53~2,6721 Dimensionierung eingesetzt: G =2.67 KHz , 2 f G =425 Hz . Asymptote für kleine Frequenzen: T 0 RC 2 , also Anstieg mit 40 dB pro Dekade. 6 14. Übertragungsfunktion: =−atan T= 1 j R C2 , Phase: 1 jC R 1R 2 R 1C 2 2 1 C R2⋅[R1 R2 ] Extremwerte T ∞ R2 =1/5 und R1 R2 2 T 0 1 . Grenzfrequenz: ∣T g ∣ =1/2 → 2 1g R C 2 2 =1/ 2 , aufgelöst nach der Frequenz ergibt dies: 1C g [R 1R 2 ] g =1/ {C⋅ R 2 R1 R2 −R } . Maximale Phasenverschiebung: Suche d =0 . Das Extremum des atan ist an der Stelle, Extremum von , also d R 1 C d =0 Etwas an der dessen Argument extrem ist: 2 d 1 C 2 R 2⋅[R1 R2 ] 2 1 2 2 Herumrechner ergibt 15. Es gilt: extrem =1 / C⋅ R 2⋅R 1 R 2 , oder f extrem =7,12 kHz . T =1 /A11 . 1 . Im 1− LC j L /R L lastfreien Fall fällt der Term mit RL weg. Der Pol ist dann bei POL =1/ LC . Die Anpassungsbedingung (siehe Vorlesung) ist RL = L /2C . Aus den letzten beiden Gleichungen können L und C gewonnen werden: 1 C= =...=22,5 nF und L= 2 R/ POL =...=112.5 H . Bei 100 kHz 2 RL POL u2 1 und RL =Z 0 wird ∣ ∣= . Bei diesert Frequenz verschwindet der Realteil u1 2 der Übertragungsfunktion. Daher ist die Phasenverschiebung =−atan .../0 =−/2 . 16. Spannungsübertrag mit Lastwiderstand: u2 / u1= 2 17. Die Anpassungsformel für die T-Schaltung ergibt hier RL = R 2RR =R 3 Für den Spannungsübertrag ergibt sich mit der Last u2 u2 1 1 1 1 = =...= ~0.27 und ohne Last = =...= ~0.5 . u 1 A11 A12 /RL u A 2 2 3 1 11 Es gibt keine Phasendrehung. u2 i1 1 = A11=10 = A21 A21=0.2 S , und 18. Parameter aus dem Leerlauf: u 1 A11 u2 i1 u1 = A22 A22 =10 =A12 A12=495 . aus der Kurzschlussmessung: i2 i2 Wellenwiderstand: Z 0 = A12 / A21=49.75 Es gilt A11=A22 und det A=10⋅10−0.2∗495=1 . Daher symmetrisch! Konstruktion der TSchaltung: Wegen A21=1/ R3 ist R3 =5 , und dann noch A11=1 Z 1 /Z 3 ergibt R1 =9 R 3 , also R1 =45 . A11 A12 1R / Z R = mit Z =1 / j C . Die 1 /Z 1 A21 A22 Dämpfungsbedingung bei kleinen Frequenzen lässt sich wie folgt schreiben: u1 1 =1R/ Z R /R L = , wobei bei kleinen Frequenzen der Kondensatoru2 0.8 Term wegfällt. Man erhält R =2 (vergl. unbelasteter Spannungsteiler!). u2 1 = Grenzfrequenz: . Real und Imaginärteil sind gleich groß u 1 1R / RL j RC bei G =1R/ R L /RC . Jetzt kann das Verhältnis der Grenzfrequenzen für verschiedene Lasten ausgerechnet werden, indem verschiedene Lastwiderstände eingesetzt werden, z. B: G R L ∞=1/RC , oder für 19. Matrix: A= 7 Fachbereich Elektrotechnik Und Informatik Elektroniklabor Prof. Dr. Martin Poppe RL =8 . Dann wird G R L=8 =1R/ RL =...=1.25 . Die Grenzfrequenz G RL ∞ erhöht sich um 25%. 20. Zunächst die gute Idee: die Matrix für einen Hochpass erhält man aus der für den Tiefpass, indem man Widerstand und Impedanz vertauscht. Die Gesamtmatrix Fachbereich Elektrotechnik 1R /Z R 1Z /R Z ⋅ ist dann also das Produkt A= . Das erste Und Informatik 1 /Z 1 1/ R 1 Elektroniklabor A =1R / Z ⋅1Z /R R /R Element der Lösung ist 11 1 1 2 2 1 2 , oder R1 C1 Prof. Dr. Martin Poppe 1 1 A11= =1 ⋅ 1 j R 1 C1 − . T R2 C2 R2 C 2 21. Die Spannung bei Anpassung beträgt U = P R=...=0.866 mV . Die Matrix für cos / 0 j Z 0 sin/ 0 die verlustfreie Leitung ist A= . Die sin j / 0 / Z 0 cos/ 0 Spannungsamplitude am LNB als Funktion der Amplitude am Receiver ist dann U 1= cos / 0 Z 0 /R j sin/ 0 ⋅U 2 . Dann ist U1 Z0 2 2 = cos /0 sin / 0 Bei einem angepassten Empfänger ist die U2 R Amplitude am Gerät so groß wie die auf dem Dach. Bei Anpassung gilt: U 1 /I1 =Z 1=U 2 / I2 =R L Daher ist auch die Leistung gleich groß. Für den Fall der Nicht-Anpassung muss das Gesamtsystem berechnet werden. Dabei nennen wir U gen die primäre LNB-Generatorspannung, von der der Teil U gen −R S⋅I gen an das Antennenkabel abgegeben wird. Ein Teil davon geht an den Verbraucher RL . Die gesamte Matrix-Gleichung entspricht zwei Gleichungen mit zwei U gen −RS I gen cos / 0 j Z 0 sin / 0 UL = ⋅ Unbekannten: . I gen sin j / 0 /Z 0 cos /0 UL /R L Eliminiert man den generierten Strom, so verbleibt allgemein: RS j Z0 j RS U gen =U L⋅{cos/ 0 cos / 0 sin /0 sin / 0 } . Mit RL RL Z0 RS /Z 0 =1 und Z 0 / R L := wird daraus U gen =1e i / ⋅U L . Bei angepasstem Verbraucher ( =1 ) ist das Verhältnis 2 (die Hälfte der Generatorspannung wird an das Kabel abgegeben). Für einen RL =750 Verbraucher ( =0.1 ) wird die Spannung nicht verzehnfacht, sondern nur knapp verdoppelt: U =0.866 mV⋅2 /1.1=1.57 mV Die Leistung geht auf 2 P=U L /R L =0.3 nW zurück. RS =12.56 B=10 kHz Q=50 22. Es sind f 0 =503 kHz U L Resonanz =632.5 V RP =418 k L=464 H B=1,59 kHz 23. Ergebnisse: C =239 pF U =3.01V Q=157.1 24. Ursprüngliche Schaltung: C =1.013 nF 1 Q ' =47.37 25. Es sind, Q=20,5 , RS =75 und C =563 pF =0 =0 26. Es sind f 0 =100 kHz , Q=6.28 , B=15,9 kHz 0 =−90 ° . ∣ ∣ 0 8