EK1_P5_2008_06_10

Elektronik 1
Prüfung 5: 10.6.08
Name:
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
Maximal zulässiger Strom
Maximal zulässige Schaltfrequenz
b)
Erläutern Sie die Begriffe „dead-time“ und „shoot-through“ und „level-shifter“, die im
Zusammenhang mit einer Klasse-D-Endstufe verwendet werden.
c)
Berechnen Sie die Zener-Spannung bei einem Strom von 30mA für die Z-Diode
1N4728. Datenblatt-Auszug für die Z-Diode:
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?
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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)
b)
Ergänzen Sie die obige Schaltung um den Gate-Schutz. (Punkteabzug für falsche
und überflüssige Komponenten)
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.
d)
Welche Schutzfunktion erfüllt die Schaltung bestehend aus U3, U4, R7 und C7? Und
beschreiben Sie die genaue Funktionsweise (keine Berechnungen verlangt).
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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 SchutzSchaltung 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.
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)
Begründen Sie weshalb die Bedingung „hochohmige Eingänge“ erfüllt ist.
b)
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.
c)
Geben Sie für die Widerstände R1 bis R4 konkrete Werte an für 100-fache
Verstärkung.
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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:
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.
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.
c)
Der Ausgang soll kurzschlussfest gemacht werden. Ergänzen Sie obige Schaltung
damit der Ausgangsstrom auf ca. 200mA begrenzt wird.
d)
Was wären die Vor- und Nachteile, wenn in obiger Schaltung ein FET anstelle des
BJTs eingesetzt würde?
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