Elektronische Bauelemente Beispielaufgaben

Elektronische Bauelemente
Beispielaufgaben zur Vorbereitung auf das Praktikum und die Abschlußklausur
1. Widerstände
1.1. Vergleichen Sie Kohleschicht- und Metallschichtwiderstände hinsichtlich der aufgezählten Eigenschaften
(größer - kleiner, gut – schlecht, etc.):
Kohleschicht
Metallschicht
Stromrauschen
Temperaturkoeffizient
Preis
Langzeitstabilität
1.2. Was ist ein VDR-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt?
Geben Sie das Schaltzeichen an!
Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines VDR-Widerstands dar!
1.3. Was ist ein NTC-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt?
Geben Sie das Schaltzeichen an!
Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines NTC-Widerstands dar!
1.4. Was ist ein PTC-Widerstand, worauf beruht seine Funktion und wofür wird er eingesetzt?
Geben Sie das Schaltzeichen an!
Stellen Sie die I/U-Kennlinie eines PTC-Widerstands dar!
1.5. Stellen Sie die wesentlichen Eigenschaften von Kohle- und Metallschichtwiderständen gegenüber!
1.6. Wie kann man bei gewickelten Drahtwiderständen die Induktivität vermindern?
1.7. Wo werden Drahtwiderstände eingesetzt?
1.8. Welche der dargestellten Widerstandsbauformen ist für HF-Anwendungen am besten geeignet?
Begründen Sie Ihre Entscheidung!
a)
b)
c)
d)
a) Schichtwiderstand kappenlos
b) Schichtwiderstand mit Metallkappen
c) Schichtwiderstand mit Wendelschliff
d) Drahtwiderstand, einfach gewickelt
1.9. Für einen Widerstand werden folgende Angaben zur Verlustleistung gemacht:
Nennverlustleistung PN bei Nenntemperatur TN = 70°C: 1W
Maimal zulässige Betriebstemperatur Tmax :
130°C
a) Bis zu welcher Leistung kann der Widerstand belastet werden, wenn die Umgebungstemperatur bis zu
110°C betragen kann?
b) Bis zu welcher maximalen Umgebungstemperatur darf der Widerstand betrieben werden, wenn die in ihm
umgesetzte Verlustleistung 0,5 W beträgt.
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Prof. Kahnt
24.01.2011
2. Kondensatoren
2.1. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Ladung Q, Spannung U und Kapazität C an einem
Kondensator?
2.2. Was versteht man unter den Verlusten eines Kondensators?
2.3. Welche Bedeutung hat die Güte eines Kondensators für seinen Einsatz in elektronischen Schaltungen?
2.4. Ordnen Sie den aufgezählten Kondensatortypen je zwei der folgenden Eigenschaften zu!
a) großes Verhältnis C/V
c) Selbstheilung bei Durchschlag
e) hohe Verluste
g) ausgeprägte Alterung
i) polarer Kondensator
b) hohe Konstanz von C
d) starke Temperaturabhängigkeit von C
f) geringe Verluste
h) Spannungsabhängigkeit von C
j) hohe Spitzenspannung
Metallisierte Kunststofffolie:
Elektrolytkondensator:
2.5. Wie ist ein Elektrolytkondensator aufgebaut und welche Aufgabe hat der Elektrolyt?
2.6. Erklären Sie den prinzipiellen Aufbau eines Elektrolytkondensators!
Welche Aufgabe hat der Elektrolyt?
Welchen Vorteil und welche Nachteile haben Elkos gegenüber anderen Bauformen von Kondensatoren?
Worauf muß beim Einsatz von Elkos besonders geachtet werden?
2.7. Welche Art der Zusammenschaltung von Elektrolytkondensatoren ist unzulässig und welche Schaltung
wirkt wie ein unipolarer Kondensator (a...e)?
a)
b)
c)
unzulässig:
d)
e)
unpolar:
2.8. Skizzieren Sie in einem Zeigerdiagramm Strom und Spannung an einem verlustfreien Kondensator im
Wechselstromkreis! Wie weicht ein realer, verlustbehafteter Kondensator hiervon ab?
2.9. Geben Sie das Ersatzschaltbild für einen realen Kondensator an und erläutern Sie die Komponenten!
2.10. Wie läßt sich die Kapazität eines Kondensators mit Hilfe eines Wechselspannungsgenerators und zweier
Multimeter (Effektivwerte von Wechselstrom und Wechselspannung) bestimmen?
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3. Spulen
3.1. Was sagt der AL-Wert eines Spulenkerns aus?
3.2. Nennen Sie die wesentlichen Anwendungsgebiete für folgende Spulenkerne.
Blechkerne:
Masseeisenkerne:
Ferritkerne:
3.3. Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung an der Spule im Schaltbild, wenn die Generatorspannung U1 die
dargestellte Zeitabhängigkeit besitzt!
R
U1
L
U2
U1
t
U2
t
3.4. Welche Erscheinungen tragen zum Verlustfaktor einer Spule bei?
3.5. Mit welchen konstruktiven Maßnahmen können die Verluste einer Spule bei hohen Frequenzen verringert
werden?
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4. Halbleiterdioden
4.1. Erklären Sie den inneren Aufbau und die Wirkungsweise einer Halbleiterdiode!
4.2. Skizzieren Sie die vollständige I/U-Kennlinie einer Si-Diode und bezeichnen Sie alle wichtigen
Kenngrößen!
4.3. Skizzieren Sie die I-U-Kennlinie einer Halbleiterdiode und zeigen Sie an, wie sich diese mit steigender
Temperatur ändert!
4.4. Wie groß ist die typische Schwellspannung für Gleichrichterdioden aus:
Ge:
Si:
Se:
4.5. Bei der dargestellten Stabilisatorschaltung mit Z-Diode ändert sich die Eingangsspannung U1 von 10 V auf
13 V. Erklären Sie mit Hilfe der Arbeitsgeraden von R, wie sich die Ausgangsspannung U2 ändert!
4.6. Worauf beruht der Durchbruch einer Diode in Sperrrichtung?
4.7. Skizzieren Sie die Abhängigkeit der Sperrschichtkapazität von der Sperrspannung UR!
4.8. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung am Widerstand R und definieren Sie daran die
Schaltzeiten einer Diode!
U1
t
U1
UR
UR
t
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U1
U1
t
R
UR
UR
t
4.9. Nennen Sie die wichtigsten Typen von Dioden und deren Anwendung!
4.10. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf des Stroms durch die Diode entsprechend der Schaltung a). Die
Frequenz der Eingangsspannung beträgt f=50 Hz. Wie ändert sich der Strom durch die Diode, wenn
entsprechend Schaltung b) parallel zu R = 1kΩ ein Kondensator von C=50F geschaltet wird? Skizzieren Sie
qualitativ den Stromverlauf auch für diesen Fall. Welche Sperrspannung muss die Diode mindestens
aufweisen, welche Nennspannung ist für den Kondensator vorzusehen und welche Bauform ist zu verwenden?
b)
a)
100 Veff
R
100 Veff
R
C
ID/mA
200
100
10
20
30
40
50
60
70
80
t/ms
-100
-200
Usperr >
Bauform von C:
Nennspannung von C:
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4.11. Für welche Sperrspannung muß die Diode in der abgebildeten Gleichrichterschaltung mindestens
ausgelegt sein?
4.12. Skizzieren Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung am Lastwiderstand R entsprechend der Schaltung
a). Die Frequenz der Eingangsspannung beträgt 50 Hz. Wie ändert sich die Spannung, wenn entsprechend
Schaltung b) parallel zu R = 1kΩ ein Kondensator von C=50F geschaltet wird? Skizzieren Sie qualitativ den
Spannungsverlauf auch für diesen Fall. Welche Sperrspannung muss die Diode mindestens aufweisen,
welche Nennspannung ist für den Kondensator vorzusehen und welche Bauform ist zu verwenden?
b)
a)
100 Veff
R
100 Veff
R
C
UR/V
200
100
10
20
30
40
50
60
70
80
t/ms
-100
-200
Usperr >
Bauform von C:
Nennspannung von C:
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5. Bipolare Transistoren
5.1. Erläutern Sie Aufbau und Funktionsweise eines bipolaren Transistors!
5.2. Geben Sie das Schaltzeichen für einen pnp-Transistor an und bezeichnen Sie Ströme und Spannungen.
Welche Beziehungen gelten zwischen den Strömen?
5.3. Welche grundsätzlichen Betriebsarten eines Transistors kennen Sie. Erklären Sie die Unterschiede und
Anwendungsfälle!
5.4. Geben Sie eine Variante für die vollständige Beschaltung eines npn-Transistors an, um einen
Wechselspannungsverstärker in Emitterschaltung zu realisieren!
5.5. Vergleichen Sie die drei Grundschaltungen des bipolaren Transistors hinsichtlich des
Stromverstärkungsfaktors und des differentiellen Eingangswiderstands!
5.6. Was versteht man unter der Grenzfrequenz der Stromverstärkung eines bipolarenTransistors in
Basisschaltung f und in Emitterschaltung f  ? Welcher Zusammenhang besteht zwischen diesen beiden
Kenngrößen und der Transitfrequenz fT?
5.7. Berechnen Sie die Widerstände für die NF-Verstärkerstufe für den vorgegebenen Arbeitspunkt.
Wählen Sie die nächstliegenden Werte aus der Normreihe E24 aus und geben Sie die berechnete
Verlustleistung, den nächstliegenden Wert aus der Nennlastreihe und die Bauform (Draht, Metallschicht,
Kohleschicht) an.
Gegeben:
RC
Betriebsspannung:
Transistordaten:
UB= +15 V
B = 140
berechneter
Wert
Normwert
gegeben
1k
Verlustleistung
Arbeitspunkt: UCE= 7V, IC= 7mA
UBE = 0,7V bei IC=7mA
Nennbelastbarkeit
Bauform
RE
R1
R2
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5.8. Bei einigen Exemplaren der in Serie gefertigten Schaltstufen wird das Relais beim Anlegen der
Steuerspannung von 14V nicht angezogen. Welche Ursache lässt sich anhand der gegebenen
Bauelementedaten dafür finden? Nehmen Sie die notwendigen Veränderungen in der Schaltung vor, um ein
sicheres Anziehen des Relais zu garantieren!
5.9. Dimensionieren Sie den Basiswiderstand RB so, dass ein sicheres Anziehen des Relais garantiert werden
kann!
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5.10. Dimensionieren Sie den Koppelkondensator C1 in der folgenden Schaltung so, daß
bei einer Frequenz von f=200 Hz kein Verstärkungsabfall verursacht wird.
Legen Sie Bauform, Nennwert (E6) und Nennspannung fest und tragen Sie die Polarität in
der Schaltung ein!
RG= 10, R1 = 20k, R2 = 5k, RL = 100k, rbe = 500, UG = 1Vsin(t)
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6. Feldeffekttransistoren
6.1. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines selbstleitenden n-Kanal-MOSFETs, geben Sie das
Schaltzeichen an und skizzieren Sie Steuer- und Ausgangs- Kennlinienfelder!
6.2. Erläutern Sie Aufbau und Wirkungsweise eines selbstsperrenden n-Kanal-MOSFETs,
geben Sie das Schaltzeichen an und skizzieren Sie Steuer- und Ausgangs- Kennlinienfelder!
6.3. Erklären Sie die Begriffe Steilheit und Abschnürspannung an der Steuerkennlinie von Feldeffekttransistoren!
6.4. Erläutern Sie den Aufbau und die Wirkungsweise eines Sperrschicht-FETs!
6.5. Skizzieren Sie Ausgangs- und Steuerkennlinien eines n-Kanal Sperrschicht-FETs und definieren Sie den
differentiellen Ausgangswiderstand, die Abschnürspannung Up sowie die Steilheit!
6.6. Ordnen Sie den Schaltbildern die genaue Bezeichnung des Bauelementes zu.
a)
b)
c)
d)
a)
d)
b)
e)
c)
f)
e)
f)
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6.7. Zu welchem FET gehören die abgebildeten Kennlinien?
6.8. Erläutern Sie am Beispiel eines n-Kanal-Sperrschicht-FETs die für die Einstellung des Arbeitspunktes
notwendige Beschaltung, wenn nur eine Spannungsquelle zur Versorgung der Schaltung zur Verfügung steht
(Schaltskizze und kurze Erklärung)!
6.9. Wofür werden Feldeffekttransistoren eingesetzt?
6.10. Welche Vorteile besitzen Feldeffekttransistoren gegenüber bipolaren Transistoren?
6.11. Dimensionieren Sie die passiven Bauelemente Rd, Rs und C2 der Verstärkerschaltung mit SFET. Legen
Sie Bauformen und Nennwerte fest (E24-Reihe und Nennverlustleistung für Widerstände, E6-Reihe und
Nennspannung für Kondensatoren) .
Gegeben:
Schaltung:
UB = 20 V
Rgen = 10 K
RL = 1 M
Transistordaten:
Up= -1,78V
IDSS = 4mA ,
Kennliniengleichung:
ID = IDSS(1 – UGS/UP)2
Der Arbeitspunkt des FETs wird auf ID = 2mA und UD = UB/2 gelegt. Die Schaltung soll im Bereich
von 50 – 20 000 Hz eine konstante Verstärkung aufweisen.
berechneter
Wert
Normwert
E24
Verlustleistung /W
Nennbelastbarkeit /W
Nennspannung /V
RS
X
RD
X
C2
X
Bauform
X
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7. Thyristoren
7.1. Erklären Sie Aufbau und Wirkungsweise eines Thyristors!
7.2. Skizzieren Sie die vollständige I/U-Kennlinie eines Thyristors und bezeichnen Sie die wichtigsten
Kinogrössen und Kennlinienbereiche!
7.3. Welchen Einfluß haben die Höhe und die Dauer des Zündimpulses auf das Zündverhalten von
Thyristoren?
7.4. Wie verändert sich das Zündverhalten bei Temperaturerhöhung?
7.5. Was muß beim Schalten von induktiven Lasten mit Thyristoren beachtet werden?
7.6. Geben Sie Beispiele für die Anwendung von Thyristoren an!
7.7. Worin besteht der Unterschied zwischen Thyristor und Triac?
7.8. Welche unerwünschten Arten der Zündung können bei Thyristoren auftreten?
7.9. Sowohl ein Thyristor als auch ein Transistor kann als elektronischer Schalter eingesetzt werden. Welcher
wesentliche Unterschied besteht in der Ansteuerung der beiden Bauelemente?
8. Optoelektronische Bauelemente
8.1. Welches Halbleitermaterial wird für Fotowiderstände eingesetzt, deren spektrale Empfindlichkeit der des
menschlichen Auges nahekommt?
8.2. Erläutern Sie die wichtigsten Kenngrößen von Fotowiderständen!
8.3. Welche Vor- und Nachteile haben Fotowiderstände gegenüber anderen Lichtempfängern?
8.4. Nennen Sie wesentliche Anwendungsfälle für Fototransistoren, Fotodioden und Fotowiderstände. Worin
unterscheiden sich diese Bauelemente hinsichtlich ihres Einsatzes?
8.5. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise einer Fotodiode!
8.6. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Fotoelements!
8.7. Erklären Sie Aufbau und Funktionsweise eines Fotowiderstands!
9. Magnetoelektronische Bauelemente
9.1. Nennen Sie Anwendungsbeispiele für Hall-Bauelemente!
9.2. Erklären Sie den Hall- Effekt!
Werte der Widerstands - Normreihe E 24 :
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3 4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1
Nennbelastbarkeit für Widerstände :
0,05 W 0,1 W 0,25 W 0,5 W 1 W 2 W 3 W 6 W 10 W
FH Jena / Fachbereich ET/IT
Elektronische Bauelemente / Aufgaben zur Vorbereitung auf das Praktikum und die Abschlußklausur
Prof. Kahnt
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