Übungsaufgaben Halbleitertechnologie

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FH Stralsund / Labor Analoge Schaltungen
Namen:
Versuch AST 3
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Gruppe:
Bewertung:
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Datum:
Versuch AST 3
Leistungsverstärker
und Stromversorgung
1.
Zielstellung des Versuches
Im Versuch AST 3 beschäftigen Sie sich zunächst mit Leistungsverstärkern und bestimmen wichtige Kennwerte unter Nutzung
geeigneter Lastszenarien. Diese Lastanordnungen nutzen Sie auch zur Bestimmung der Kenndaten
von Netzteilen vom einfachen klassischen Analogregler bis zu modernen DC-DC-Wandlern und
Schaltnetzteilen.
Bauelemente und Meßtechnik:
Oszilloskop, 3 Multimeter, 1 HF-Röhrenvoltmeter
Verbindungsleitungen: 4 lila, 4 gelb lang, 10 blau mittellang, 10 braun kurz, 20 Stecker weiss
Vorbereitungs- und Versuchsaufgaben:
V
Lastschaltungen R-Last / elektronische Last
ELV-Datenblatt
V
Low cost NF-Verstärker, Klirrfaktormessungen
ELV-Datenblatt
V
Class-T-Verstärker
ELV-Datenblatt
V
DC-DC-Wandler
2x ELV-Datenblatt + Anhang
D
Schaltnetzteile – Grundlagen in DCDC_LaborGraz und Tektronix
Analognetzteile (Konstantspannungsregler) vgl. AST 4 u.a.
Hinweis:
Ggf. arbeiten Sie mit anderen DC-DC-Wandlern als in der Versuchsanleitung angegeben !
Beachten Sie dabei die Grenzwerte der Ihnen vorliegenden Unterlagen !
V - Voraussetzung für die Versuchsdurchführung ist die Lösung der Vorbereitungsaufgaben !
Nebenrechnungen bitte beifügen !
D – Durchlesen in Vorbereitung des Versuches
Hinweise / Sicherheitshinweise




Bei statischen Messungen messen Sie die Ein- und Ausgangsspannung jeweils mit den
Multimetern im DC-Betrieb, bei dynamischen Messungen bilden Sie den Zeitvorgang mit dem
Oszilloskop ab.
Nutzen Sie zur Messung höherfrequenter Spannungen das Röhrenvoltmeter !
Sie arbeiten ausschließlich mit Kleinspannungen und nie mit Netzspannung !
Im Notfall schalten Sie mit dem Sicherheitstaster am Arbeitsplatz das gesamte Labor
stromlos!
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V1
V1.1
Versuch AST 3
Lastschaltungen für Verstärker und Netzteile
Vorbereitungsaufgaben
Widerstandslasten können sehr einfach durch Parallel- und Reihenschaltung von
Widerständen realisiert werden. Geben Sie die mit 4 Widerständen von 8 Ohm / 20 W
möglichen Schaltungsvarianten inkl. der max. zulässigen Spannung und Leistung an ! Im
Versuch nutzen Sie eine derartige Schaltung, ergänzt um eine temperaturabhängige
Lüftersteuerung.
Skizze
Rges
Pmax
Umax
V1.2
Arbeiten Sie die Unterlage zur einfachen elektronischen ELV-Last durch.
Erläutern Sie den R-Betrieb (Widerstandsbetrieb) und zeichnen Sie die dazu benutzte OPVSchaltung einschließlich FET T1 aus dem Schaltplan heraus !
Relevante Schaltung bei R-Betrieb:
Funktionsprinzip:
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Versuch AST 3
Elektronische Lasten werden für das automatisierte Testen, das Abfahren von Lastprofilen und für
die Untersuchung des Zeitverhaltens bei Lastsprüngen benötigt.
Wichtig ist dazu die Steuerbarkeit, d.h. Stellbarkeit des Widerstandswertes. Dies kann natürlich
einfach mit (elektronischen) Relais und ohmschen Widerständen realisiert werden, das Prellen
mechanischer Relais ist aber meist störend...
Eleganter sind hier elektronische Lasten, d.h. der Widerstandswert ist mit einer Steuerspannung
einstellbar. Man verwendet Sie in Test- und Prüfständen für elektronische Produkte wie Sensoren,
Verstärker, Akkumulatoren, Brennstoffzellen usf.
Folgende Lastprofile und Betriebsarten sind sinnvoll:
- Widerstandslast (unipolar bei Netzteilen, bipolar bei AC-Verstärkern)
- Konstantstromlast (Stromsenke bei Spannungsquellen, meist Einquadrantenbetrieb;
Vierquadrantenbetrieb beinhaltet die Rückspeisung in die Quelle)
- Konstantspannungsbetrieb (bei Stromquellen)
- Schalterbetrieb, dadurch minimierte Leistung in der Last
- ggf. Betrieb mit Leistungsrückspeisung ins Versorgungsnetz anstelle thermischer
Leistungsabgabe der Last
Notieren Sie die wesentlichen Leistungsmerkmale der obigen elektronischen Last:
A1 Elektronische Last
A1.1
Versuchsaufgaben und Auswertung
Überprüfen Sie die korrekte Funktion der Widerstandslast im R- und I- Betrieb und geben Sie
die Grenzwerte für diese elektronische Last an, die nicht überschritten werden dürfen.
o
IK = 200 mA bei UE = 5 V einstellen und Konstanz bei Veränderung von UE prüfen
o
R = 10 Ohm UE = 5 V einstellen und Ue verändern, Grenzen von Ue angeben und
begründen
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2
Low-Cost Verstärker mit TDA 2006
V2
Low-Cost-Verstärker
V2.1
A2
Versuch AST 3
Schaltung
Vorbereitungsaufgaben
Analysieren Sie die Schaltung!
Erläutern Sie die Betriebsspannungsversorgung der beiden OPV aus der unipolaren
Betriebsspannung von max. 30 V !
Erfassen Sie die signalseitige Verschaltung der beiden Leistungs-OPV und die Anschaltung
des Lastwiderstandes am Ausgang !
Wie groß sind die maximale Sinusausgangs- und Musikausgangsleistung (unten bei
theoretisch notieren) ? Welche Spannungsverstärkung realisiert der Verstärker?
Welche Funktion haben die Dioden D1 bis D4 ?
Low-Cost-Verstärker
A2.1
Versuchsaufgaben und Auswertung
Ermitteln Sie bei einer Versorgungsspannung von 30 V die technischen Daten des
Verstärkers bei max. unverzerrter Sinusaussteuerung und bei Rechteckspeisung
(Musikleistung) und vergleichen Sie diese mit den Datenblattwerten (sind eingetragen) !
Bestimmen Sie die Grenzfrequenz des Verstärkers !
RL =
Psinmax Pgessinmax sinmax
kbei 80% Pmusmax Pgesmusmax musmax fgo
Psinmax
Datenblatt 20 W
31,5 W
64%
0,22
theoretisch ______
_______
gemessen
16 Ohm
Datenblatt 30,7 W
theoretisch ______
58,2 W
53%
0,25
_______
gemessen
8 Ohm
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Versuch AST 3
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3
Class-T-Verstärker
Schaltung
V3
Class-T-Verstärker
Vorbereitungsaufgaben
V3.1
A3
A3.1
Arbeiten Sie die Beschreibung durch und
notieren Sie die Vorteile dieses
Verstärkertyps !
Bestimmen Sie die Grenzfrequenz der
Ausgangsfilter bei gegenphasiger
Aussteuerung der Ausgänge !
Ermitteln Sie für eine
Versorgungsspannung von 12 V und RL
= 8 bzw. (4) Ohm die theoretisch für
einen Brücken-Gegentaktverstärker
erreichbaren Leistungsdaten (Schaltung
wie in VA2) !
Class-T-Verstärker
Versuchsaufgaben und Auswertung
Ermitteln Sie bei einer Versorgungsspannung von 12 V und einem Lastwiderstand von
RL = 8 Ohm die technischen Daten des Verstärkers bei max. unverzerrter
Sinusaussteuerung und bei Rechteckspeisung (Musikleistung) und vergleichen Sie diese mit
den Datenblattwerten !
Vermeiden Sie unbedingt eine Masseschleife zwischen Ein- und Ausgang !! – d.h.
Massefreiheit des Eingangs bzw. des Ausgangs sicherstellen !
RL=
8 Ohm
Psinmax Pgessinmax sinmax
kbei 80% Pmusmax Pgesmusmax musmax fgo
Psinmax
Datenblatt:
theoretisch:
gemessen:
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Versuch AST 3
4
DC-DC-Step-up-Wandler für kleine Leistungen
V4
DC-DC-Wandler für kleine Leistungen
V4.1
Vorbereitungsaufgaben
Arbeiten Sie die Beschreibung durch und berechnen Sie folgende Teilaspekte:
- Frequenz des mit IC1/A+B gebildeten Oszillators,
- Hysterese und Schaltpunkt des mit IC1/C+D gebildeten Komparators,
- Verstärkungsfaktor und obere Grenzfrequenz von IC 2
Vgl. Ausarbeitung von stud.-ing. Tietz im Anhang
A4
A4.1
Ue =
3.0
DC-DC-Wandler für kleine Leistungen
Versuchsaufgaben und Auswertung
Nehmen Sie für einen Ihnen zugeteilten DC/DC-Wandler die Ein- und Ausgangsleistung bei
unterschiedlichen Eingangsspannungen und Lastströmen auf, bestimmen Sie dabei neben
dem Wirkungsgrad auch die Welligkeit der Ausgangsspannung und ggf. die Werte an den
inneren Meßpunkten !
Grafische Darstellung Ie, Ua, n = f(Pa) !
Ua =
Ie =
Ia =
Pe =
Pa =
n=
UaAC =
Step – up und Step – down – Wandler im Einsatz eines
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Versuch AST 3
Laborversuches für Studenten
3.1
Step – up –Wandler (Conrad)
Dieser Abschnitt beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung eines Step – up – Wandlers. Die
Grundschaltung eines sekundärgetakteten Aufwärtswandlers ist in Abbildung 3.1 dargestellt. Auf die
grundlegende Funktionsweise wurde in Kapitel 1 eingegangen.
Abbildung 3.1: Grundschaltung Aufwärtswandler
Der Wandler der Firma Conrad soll zu Demonstrationszwecken in einem Laborversuch im Bereich
analoge Schaltungstechnik eingesetzt werden. Das Schaltbild des Step – up – Wandlers ist in
Abbildung 3.2 dargestellt. Die eingefügten Ziffern im Schaltbild stehen für die einzelnen Messabgriffe in
der Schaltung.
Schaltbild (Abbildung 3.2)
Technische Daten Step – up – Wandler:
Eingangsspannung:
Ausgangsspannung:
Restwelligkeit:
Ausgangstrom:
Schaltrequenz:
5 – 10V
10 – 20V
<100mV bei 1A
max. 1A
ca. 25kHz
Für die folgenden Messungen wurde eine Eingangsspannung von 5V bei einer Eingangsstromstärke
von 0,8A gewählt.
Abbildung 3.3: Eingansspannung
Der Oszillator in dieser Schaltung ist mit den Gattern IC 1 A, B, den Widerständen
R 1, R 2 und
dem Kondensator C 5 aufgebaut. Mit diesen Elementen wird die Taktfrequenz des Wandlers
festgelegt, die hier bei ungefähr 25 kHz liegt. Abbildung 3.4 zeigt den Spannungsverlauf am Eingang
1 des IC 1 A.
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Versuch AST 3
Abbildung 3.4: Spannungsverlauf am IC 1 A Pin1
Dieser Verlauf zeigt den Lade- und Entladevorgang des Kondensators C 5 im Zusammenhang mit
dem Widerstand R 1. Am Ausgang des Oszillators, am Pin 4 des IC 1 B, liegt dann ein Rechtecksignal
mit einer Amplitude von 4,68V und einer Frequenz von 29 kHz an (Abbildung 3.5).
Abbildung 3.5: Rechtecksignal am Ausgang des Oszillators IC 1
Durch den Tiefpass, der durch R3 und C6 realisiert ist, wird das Rechtecksignal in ein Sägezahnsignal
umgewandelt (Abbildung 3.6).
Abbildung 3.6: Sägezahnsignal am Tiefpass R3, C6
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Versuch AST 3
Der Kondensator C7 hat die Aufgabe der Gleichspannungsentkopplung des Sägezahnsignals vom DC
– Pegel des Oszillators vorzunehmen.
Der IC 1 C,D in Verbindung mit R5 und R6 bilden einen Komparator dessen Schaltschwelle bei
ungefähr UBetr/2 liegt. Das Sägezahnsignal zwischen R5 und C7 wird mit einer über R4 kommenden
variablen Gleichspannung überlagert.
Abbildung 3.7: Überlagerung Sägezahn mit var. Gleichspannung
Somit verschiebt sich die Schaltschwelle des Komparators bezogen auf das Sägezahnsignal. Am
Ausgang des Komparators (Pin11) liegt nun ein Rechtecksignal mit einem variablen Impuls – Pausen
– Verhältnis an, das durch R4 einstellbar ist.
Abbildung 3.8: PWM – Signal am Ausgang des Komparators
Dieser Komparator arbeitet also als Pulsweiten – Modulator. Mit diesem Modulator in Verbindung mit
R7, R8 und C12 wird der Leistungstransistor (Darlingtontransistor) T1 direkt angesteuert.
Abbildung 3.9: Steuersignal des Leistungstransistors T1
Die Diode D1, die Ringkerndrossel L2 und der Ladeelko C8 entsprechen den in Abbildung 3.1
dargestellten Grundelementen des Step – up – Wandlers. Der Kondensator C9 hat lediglich die
Aufgabe hochfrequente Störanteile herauszufiltern. An den Klemmen ST3 und ST4 steht nun die DC –
Ausgangsspannung zur Verfügung.
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Versuch AST 3
Abbildung 3.10: Stabilisierte Ausgangsspannung Ua = 14,6V (bei Ue = 5V)
Der Widerstandsteiler R12/R13 hat die Aufgabe, die Ist – Größe der Ausgangsspannung dem U Regler IC2 A zuzuführen. Die Sollspannung wird mit Hilfe der Leuchtdiode D2 und dem Widerstand R9
erzeugt, wobei die spannungsstabilisierenden Eigenschaften der Leuchtdiode genutzt werden. Die
Einstellung der Soll – Spannung, somit auch der Ausgangsspannung, erfolgt mit dem Trimmer R10 in
Verbindung mit R14. Die Sollspannung gelangt über den Festwiderstand R11 zum nicht invertierenden
Eingang des Reglers. Die Ist- Spannung liegt am invertierenden Eingang an. Entsprechend der
Differenz zwischen Soll – und Ist – Spannung steuert der Operationsverstärker IC2 A über den
Widerstandsteiler R16/R17 den Eingang des Pulsweitenmodulators IC1 C,D an. Die Bauelemente R15
und C11 im Gegenkopplungszweig in Verbindung mit dem „Ist – Spannungsteiler“ erfolgt die
Stabilisierung des Regelkreises. Die Spannungsversorgung der Schaltkreise IC1 und IC2 erfolgt aus
der unstabilisierten Eingangsspanung, wobei durch die Drossel L1 in Verbindung mit den
Kondensatoren C1 und C2 vorhandene Störsignale unterdrückt werden.
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