Abschlussprüfung E/ME-BAC/DIPL Elektronische Bauelemente

Name:_____________________________________
Elektrotechnik
Mechatronik
Abschlussprüfung E/ME-BAC/DIPL
Elektronische Bauelemente
SS2012
Prüfungstermin:
18.7.2012 (90 Minuten)
Prüfer:
Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr. Frey
Hilfsmittel:
Taschenrechner
Schriftliche Unterlagen
Generelle Hinweise:
• Bei Aufgaben, die mit einem * gekennzeichnet sind, können Sie
neu ansetzen.
• Überprüfen Sie als Erstes die Vollständigkeit der Prüfungsangabe anhand der
Seitennummerierung. Beschriften Sie die Prüfungsangabe und alle losen Blätter, die
Sie abgeben, mit Ihrem Namen.
• Mobiltelefone ausschalten und wegpacken!
• Lösungen ohne erkennbaren Lösungsweg werden nicht gewertet.
Viel Erfolg!
ELBAU-BAC
SS12
Fr,Gr
1. Kondensator
Aus dem Datenblatt eines 2200 µF-Kondensators ist bekannt:
rated
voltage
VR
40 V
rated
ripple
current
IAC,R
3,6 A
selfinductance
ESL
38 nH
thermal
resistance
Rth
40 K/W
a) (*) Wie groß ist die Resonanzfrequenz?
b) (*) Bei Betrieb mit 200 Hz: Welche Güte hat der Kondensator bei -40 °C und bei +60 °C?
c) (*) Am Kondensator liegt eine Wechselspannung an (70 Hz, Amplitude 1 V). Welche
Verlustleistung ergibt sich? (ϑ = 60°C)
d) Welche Temperaturerhöhung entsteht dabei?
e) (*) Welche Lebensdauer (s. rechts) ergibt sich bei Betrieb
mit Wechselstrom IAC = 5,4 A (Umgebung 70 °C)?
f) (*) Der Kondensator wird auf 40 V Gleichspannung geladen
und dann kurzgeschlossen. Nach welcher Zeit ist die
Spannung auf 5% abgesunken (Annahme: ESR = 5 Ω)?
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ELBAU-BAC
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Fr,Gr
2. Spule und Trafo
Mit einem Ferritkern (AL = 3500 nH ± 25%, Querschnitt 350 mm², Luftspalt 0,5 mm) soll eine
Spule mit L = 5 mH aufgebaut werden.
a) (*) Welchen magnetischen Widerstand hat der Luftspalt (in 1/H)?
b) Wie viele Windungen müssen auf den Kern gewickelt werden?
c) Wie groß kann dann die Induktivität durch die AL-Toleranz maximal sein?
Für den Trafo im Bild rechts gilt: L1 = 10 mH, L2 = 16 mH, keine
Verluste/Streuungen.
= 30 ⋅ cos 2 ⋅ 1
⋅
~
100 Ω
U0
d) (*) Wie groß ist die Gegeninduktivität?
L1
L2
e) (*) Zeichnen Sie das T-Ersatzschaltbild dieses Trafos mit Werten in Ω (lassen Sie
vernachlässigbare Elemente weg).
f) Welcher Strom fließt durch die Quelle (nur Effektivwert)? Hinweis: Strom und Spannung sind
nicht in Phase.
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ELBAU-BAC
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Fr,Gr
Stufe 1
3. Netzwerke
Das Bild zeigt einen passiven Bandpass aus zwei RC-Stufen:
R
Ue
a) (*) Wie lauten die Kettenmatrizen der Stufen 1 und 2?
Von der Kettenmatrix der gesamten
Schaltung ist gegeben:
=
Stufe 2
C
1,02 +
⋅
+
2
100
100 R
C
+
1
⋅ 100
!"# &
%
%
!## $
b) Berechnen Sie a12 und a22.
c) (*) Wie groß ist der Eingangswiderstand der gesamten Schaltung? (In beliebiger Form)
"
> () sowie
d) (*) Geben Sie Näherungen von a11 an für die beiden Fälle:
e) (*) Wie lautet die Übertragungsfunktion
<"
"
()
.
= +, /+. abhängig von ω, R und C?
f) Skizzieren Sie den Verlauf von |H| in das doppeltlogarithmische Diagramm.
|H|
1
0,1
1
100RC
1
RC
ω
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Ua
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4. Zener-Diode
Die Spannung UA wird mit einer Zener-Diode
stabilisiert (siehe Schaltung unten, Kennlinie rechts).
10 V
RV
UA
Fr,Gr
200
I/mA
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0
1
U/V
2
3
4
5
6
7
8
9
a) (*) Bestimmen Sie den ungefähren Wert des Bahnwiderstands der Diode aus der Kennlinie.
b) (*) Der maximale Gleichstrom durch die Zener-Diode ist 100 mA. Welche maximale Leistung
kann die Diode umsetzen?
c) (*) Wie groß muss RV sein, damit durch die Diode 100 mA fließen?
RV ist ab jetzt 82 Ω. Der differentielle Widerstand der Diode beträgt im Arbeitspunkt 2,7 Ω.
d) (*) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade ins Kennliniendiagramm. Welcher Strom fließt ungefähr?
e) (*) Die Quellenspannung schwankt langsam um ±1V. Wie groß ist die Änderung von UA?
f) (*) Für sehr schnelle Schwankungen der Quellenspannung ist die Änderung von UA kleiner als
in e) berechnet. Warum? [kurze Begründung – 1 Stichwort reicht]
g) (*) Parallel zur Diode wird ein Widerstand 41 Ω geschaltet. Wie groß ist UA nun?
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Fr,Gr
5. BJT-Schaltung
Von einem NPN-Transistor sind die folgenden Daten bekannt:
absolute maximum values:
power dissipation
15 W
collector current
800 mA
collector-emitter voltage
45 V
a) (*) Bestimmen Sie für den Arbeitspunkt UCE = 20 V und IC = 300 mA die ungefähren Werte von
Stromverstärkung B, Eingangswiderstand rBE und Ausgangswiderstand rCE. (T ≈ 300 K)
b) (*) Zeichnen Sie grob das Safe Operating Area (SOAR) ins Diagramm ein.
Mit dem Transistor wird die Emitterschaltung
rechts aufgebaut. Für die Übertragungsfunktion / = +0 /+1 wird der Verlauf
unten gefordert.
5,6
|H|
f/Hz
1
RC
uA
C1
+
40 V
C2
uE
0,56
0,1
R1
-
R2
10 Ω
RL
10
c) (*) Berechnen Sie den Wert von C1. Es gilt R1 || R2 = 114 Ω.
d) (*) Berechnen Sie aus der gewünschten Verstärkung den Wert von RC.
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Fr,Gr
e) (*) Bestimmen Sie R1 und R2 so, dass sich der Arbeitspunkt aus a) ergibt. Durch R2 soll der 10fache Basisstrom fließen. Nehmen Sie UBEAP ≈ 0,8 V und B = 100 an.
f) (*) Zeichnen Sie das Wechselstrom-Ersatzschaltbild der Schaltung, das für 1 … 10 Hz und
RL → ∞ gilt. Lassen Sie nicht benötigte Kapazitäten weg.
g) Zeichnen Sie die Wechselstrom-Arbeitsgerade für RL = RC ins Kennlinien-Diagramm.
Annahme: C2 → ∞
h) Wie ändert sich in diesem Fall uA im Vergleich zu RL → ∞?
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