Uebung zu Versuch 5 mit Loesung

Übungsaufgaben zum 5. Versuch
13. Mai 2012
1. In der folgenden Schaltung wird ein Transistor als Schalter betrieben (Kennlinien
s.o.).
Ub = 15 V
Ic
Rc
Rb
Ue
Ib
Uce
Ube
Damit der Transistor möglichst schnell durch steuert, wird die Basis-Emitterstrecke
mit Ladungsträgern überschwemmt. Im durchgeschalteten Zustand ist der Transistor deshalb in Sättigung.
⊲ Es soll ein Kollektorstrom von Ic = 20 mA fließen. Wie groß muss der Kollektorwiderstand Rc sein ?
Lösung: Rc =
(15 − 0.1) V
20 mA
⊲ Wie groß ist der benötigte Basisstrom, damit der Transistor voll durchgesteuert
ist?
Lösung: Ib = 2 mA
⊲ Wie groß ist die zugehörige Basisemitterspannung ?
Lösung: Ube = 0.84 V
⊲ Die Eingangsspannung soll einen Wert von Ue = 5 V haben. Dimensionieren Sie
den Widerstand Rb .
Lösung: . . .
⊲ Bestimmen Sie für diesen Fall die Verlustleistung, die im Transistor umgesetzt
wird ?
Lösung: Pv = Ube · Ib + Uce · Ic = 3.7 mW
⊲ Ab welcher Basisemitterspannung beginnt der Transistor zu leiten ?
Lösung: Ube = 0.77 V
2. Die obige Schaltung wird modifiziert. Parallel zur Basisemitterstrecke wird der
Widerstand Rbe geschaltet, damit die Störanfälligkeit reduziert wird. Es gelten die
selben Bedingungen, wie in der vorhergehenden Aufgabe.
Ub = 15 V
Ic
Rc
Ib
Rb
Ue
Rbe
Uce
Ube
⊲ Dimensionieren Sie den Widerstand Rbe . Durch den Widerstand soll der zehnfache Strom Ib fließen, wenn der Transistor durch gesteuert ist.
Lösung: Rbe = 42 Ω
⊲ Wie groß ist der Widerstand Rb für Ue jetzt zu wählen.
Lösung: Rb = 189 Ω
3. Gegeben ist die folgende Schaltung und das nebenstehende Ausgangskennlinienfeld
des verwendeten Transistors.
2
Rc = 220 Ω
RL = 220 Ω
Ub = 20 V
Ic
Rc
Ib
Ue
RL
Uce
⊲ Nehmen Sie an, der Transistor sei unbelastet (RL → ∞). Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld.
Lösung: Zeichnen . . . K-Strom: 90.91 mA; L-Spannung: 20 V
⊲ Ermitteln Sie die Differenzen der Kollektoremitterspannung ∆Uce für alle Änderungen von ∆Ib = 50 µA und tragen Sie die Ergebnisse in der Tabelle ein.
Lösung: Ablesen
⊲ Nehmen Sie an, der Transistor sei belastet (RL = 220 Ω). Zeichnen Sie erneut die
Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld (Hinweis: Ersatzspannungsquelle).
Lösung: Zeichnen . . . K-Strom: 90.91 mA; L-Spannung: 10 V
⊲ Ermitteln Sie erneut die Differenzen der Kollektoremitterspannung ∆Uce für
alle Änderungen von ∆Ib = 50 µA und tragen Sie die Ergebnisse in der Tabelle
ein.
Lösung: Ablesen
3
Ib /mA
ohne Last
Uce /V
∆Uce /V
Uce /V
mit Last
∆Uce /V
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
⊲ Welche Konsequenz ergibt sich für die Wechselspannungsverstärkung? Welcher
Kleinsignalparameter eines Transistors wurde noch nicht berücksichtigt?
Lösung: Nachdenken ⇒ ∆Uce wird für gleiches ∆Ib kleiner, die Verstärkung des Eingangssignals sinkt also . . . ; rce wurde noch nicht berücksichtigt
4. Der Arbeitspunkt der folgenden Emitterschaltung soll eingestellt werden.
Ub = 20 V
Ic
R1
RC
Ib
Uce
R2
Die Kollektoremitterspannung Ucea im Arbeitspunkt soll bei einem Kollektorstrom
von 38 mA ca. 10 V betragen. Verwenden Sie das Ausgangskennlinienfeld aus der
vorhergehenden Aufgabe.
⊲ Dimensionieren Sie den Basisemitterspannungsteiler. Durch R2 soll das zehnfache des zur Arbeitspunkteinstellung nötigen Stroms Iba fließen.
4
Lösung: Iba = 0.15 mA; Ubea = 0.65 V ⇒ R2 = 433.3 Ω und R1 =
(20 − 0.65) V
= ...
11 · Ib
⊲ Wie groß muss der Widerstand R1 sein ?
⊲ Wie groß muss der Widerstand Rc sein ?
Lösung: Rc =
Ub 1
·
2 Ic
5. Gegeben ist folgendes Transistorausgangskennlinienfeld:
0.15 A
Ib = 149uA
Ic
0.10 A
Arbeitsgerade
Ib = 113uA
Ib = 85uA
Ib = 64uA
0.05 A
Ib = 49uA
Ib = 37uA
Ptot
Ib = 5uA
0.00 A
0.0 V 0.5 V 1.0 V 1.5 V 2.0 V 2.5 V 3.0 V 3.5 V 4.0 V
Uc
Mit dem Transistor soll eine Lampe ein- und ausgeschaltet werden, die einen Innenwiderstand von Ri = 32 Ω haben soll.
⊲ Die Lampe soll an einer 4 V-Gleichspannungsquelle betrieben werden. Zeichnen
sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld.
Lösung: Kurzschlußstrom: Ik =
4V
und Leerlaufspannung U0 = 4 V
32 Ω
⊲ Welche Leistung wird in der Lampe umgesetzt, wenn die Lampe leuchtet?
Lösung: Ion ≈ 0.12 A (Kennlinienschnittpunkt) Plampe = Ri · I2on = 460 mW
⊲ Welche Leistung wird in diesem Fall im Transistor umgesetzt?
Lösung: Ion = Ic = 0.12 A, Uce = 0.1 V ⇒ PT = 12 mW
⊲ Im Transistor darf maximal eine Verlustleistung von Ptot = 50 mW umgesetzt
werden. Zeichnen Sie die Verlustleistungshyperbel
Ic (Uce ) =
5
Ptot
Uce
ein.
Lösung: Wertepaare Uce und Ice bestimmen und in das Ausgangskennlinienfeld eintragen
⇒ Verlustleistungshyperbel
⊲ Wenn die Lampe ausgeschaltet wird, durchfährt der Transistor Punkte auf der
Kennlinie, in denen die Verlustleistung größer ist als Ptot . Unter welchen Vorraussetzungen darf der Transistor verwendet werden?
Lösung: Die Punkte werden schnell durchfahren.
6. Gegeben ist folgende Schaltung. Die Spannung u2 (t) am Widerstand R2 setzt sich
aus zwei Teilspannungen zusammen, die jeweils von der Spannungsquelle Ub und
der Wechselspannung ue (t) verursacht werden.
R1
C
ue (t)
Ub
R2
u2 (t)
⊲ Wie berechnet sich der Wechselspannungsanteil u2,≈ (t) von u2 (t)?
(Hinweis: Superposition)
Lösung für die Teilspannung u2,≈ (t)
Ub wird geschlossen (Superposition), d.h. R1 ist parallel zu R2 , Analog zum Bodedia”
gramm“:
jω · (R1 ||R2 · C)
U2
=
Ue
1 + jω · (R1 ||R2 · C)
damit
u2,≈ (t) = Ûe · r
ω
ωg
1+
mit
ϕ = atan
ω
ωg
2 · sin(ωt + ϕ)
ω g
ω
⊲ Wie berechnet sich der Gleichspannungsanteil U2,= von u2 (t)?
(Hinweis: Superposition, Spannungsteiler)
Lösung: für die Teilspannung U2,=
ue (t) wird kurzgeschlossen, d.h. C liegt parallel zu R2 . Da Ub eine Gleichspannung ist,
wird die Kapazität aufgeladen, und spielt bei der Berechnung der Spannung U2,= keine
Rolle mehr.
U2,= =
Gesamtspannung über u2 (t):
6
R2
· Ub
R1 + R2
u2 (t) = Ûe · r
ω
ωg
1+
ω
ωg
R2
2 · sin(ωt + ϕ) + R1 + R2 · Ub
⊲ In welchen Schaltungen des 5. Versuchs wird dieses Prinzip verwendet?
Lösung: Mit den Schaltungen aus den Versuchsunterlagen vergleichen.
7