EK1_P2_2008_04_09_Loesung

Elektronik 1
Prüfung 2: 9.4.08
Name: Musterlösung
Zeit 30 Minuten
Eigene Zusammenfassung von 4 Seiten 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. Speisung für Mikro-Controller-Board
Die angeschlossene Last benötigt bei Iplus konstant +1A und bei Iminus konstant -0.1A. Die
Minimal-Spannungen bei Uplus und Uminus betragen je mindestens 8V. Der Trafo liefert an
N2 und N3 je 9Vac Effektivwert (entspricht 12.7V Spitzenwert). Der Innenwiderstand des Trafos
sei vernachlässigbar klein. Die Dioden haben in Durchlassrichtung 0.7V Spannungsabfall. Die
Netzfrequenz beträgt 50Hz.
a)
Dimensionieren Sie die Kondensatoren Cplus und Cminus.
Uplusmax = 12.7V-0.7V = 12.0V
Uplusmin = 8V
Uplus = 12.0V-8V = 4.0V
Cplus = Iplust/Uplus = Iplus1/(3f)/Uplus = 1A1/(350Hz)/4.0V = 1.7mF
Cminus = 0.17mF (alle gleich, ausser Strom ist nur 1/10)
b)
Die negative Speisung wird im Vergleich zur positiven Speisung nur mit einem
Zehntel des Stromes belastet. Darf der Gleichrichter trotzdem aus 4 gleichen Dioden
bestehen? Werden die Wicklungen N2 und N3 unterschiedlich belastet? Begründen
Sie Ihre Antworten.
4 gleiche Dioden sind ok. Sie müssen auf den mittleren Strom von 550mA
ausgelegt werden.
Die Wicklungen werden gleich belastet. In der positiven Halbwelle liefert N2 1A und
N3 0.1A, in der negativen Halbwelle ist es umgekehrt.
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
2. Eingangs-Beschaltung eines Steuergeräts
Das ist die Eingangs-Beschaltung eines Steuergeräts. Bei Uein wird über ein längeres Kabel
ein Sensor angeschlossen.
a)
Wozu dient die Teilschaltung bestehend aus R (1k) und Z (12V-Zener-Diode)?
Es ist eine Schutzschaltung, sie wird oft für den ESD-Schutz (electro static
discharge) eingesetzt.
Bei negativen Eingangsspannungen beginnt die Z-Diode bei -0.7V zu leiten, bei
positiven Eingangsspannungen bei +12V. Die Eingangsspannung am Op-Amp ist in
jedem Fall in diesem Bereich.
Eingangsspannungen zwischen 0 und 10V werden 1:1 zum Op-Amp geführt.
3. Ladeschaltung für Alkali-Mangan-Batterien
Zitat aus Wikipedia ( http://de.wikipedia.org/wiki/Alkali-Mangan-Batterie ):
In nebenstehender Abbildung ist eine einfache
Ladeschaltung für Alkali-Mangan-Batterien dargestellt.
Über die obere Diode und R1 wird die Batterie mit der
positiven Halbwelle des Wechselstroms geladen, und über
die untere Diode und R2 mit der negativen Halbwelle
wieder entladen. Dadurch wird kristallinen Ablagerungen an
den Elektroden der Batterie entgegengewirkt, wie auch
Gasbildungen, die zum Explodieren der Batterie führen
könnten.
R1 wird so eingestellt, dass etwa 80 mA über die obere Diode fließen, und R2 so, dass etwa 20
mA über die untere Diode fließen. Im Normalfall ist die Ladung abgeschlossen, wenn die
Spannung an der Batterie etwa 1,7 V erreicht hat.
Vollständig entladene Batterien oder auslaufende Batterien sollten nicht wieder aufgeladen
werden. Das Aufladen von normalen Alkali-Mangan-Batterien ist mit dieser Methode angeblich
ungefährlich.
a)
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Skizzieren Sie den Verlauf des Batterie-Stromes über eine Periode der
Wechselspannung.
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b)
Berechnen Sie die Widerstände R1 und R2 für eine Wechselspannung von 6V.
Die Batterie hat ca. 1.5V (abhängig vom Ladezustand)
R1 = (6V-0.7V-1.5V)/80mA = 48.
R2 = (6V-0.7V+1.5V)/20mA = 340.
c)
Die obige Schaltung hat den Nachteil, dass auch noch Strom in die Batterie fliesst,
wenn sie bereits voll geladen ist. Gasbildung ist die Folge; die Batterie könnte
explodieren. Machen Sie einen Schaltungsvorschlag, wie obige Schaltung mit roten
LEDs (UF ≈ 1.7V, Imittel = 20mA) ergänzt werden kann, um Überladen zu vermeiden.
Wenn LEDs parallel zur Batterie geschaltet werden, begrenzen Sie die Spannung
auf die geforderten 1.7V.
Wenn die Batterie voll geladen ist, nimmt sie nur noch wenig Strom auf. Die LEDs
müssen also den Strom durch R1 übernehmen. Der Mittelwert beträgt knapp 40mA;
Es müssen also 2 LEDs parallel zur Batterie geschaltet werden.
4. Dioden-Kennline und Parameter
10
m = U/UT1/ln(I/Is) = 700mV/25mV1/ln(12mA/0.3nA) = 1.6
1
100m
10m
Diode Current (A)
1m
100u
10u
R = U/I = 0.1V/1.5A = 0.07
Is = 0.3nA
1u
100n
10n
1n
100p
10p
1p
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Diode voltage (V)
a)
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Bestimmen Sie aus der Kennlinie die Dioden-Parameter Is, m und R (UT = 25mV).
Siehe Formeln und Werte in der Zeichung.
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