Elektronik1
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Elektronik 1 Prüfung 2: 4.5.10 Musterlösung Zeit: 45 Minuten 8 Seiten eigene Zusammenfassung und 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. Die Teilaufgaben lassen sich unabhängig voneinander lösen. 1. Gleichrichterschaltung Uq = 12V Effektivwert, sinusförmig mit Frequenz f = 50Hz IL = 500mA, konstanter Strom a) Skizzieren sie qualitativ richtig den Verlauf der Spannung UC und des Stromes IC über einen Zeitraum von 30ms. 20 15 UC (V) 10 IC (A) 5 0 0 5m 10m 15m 20m 25m 30m Time (s) b) Wie gross muss der Kondensator C gewählt werden, damit die Spannungsschwankung Uc (= ripple) 4V beträgt? Aus der Kondensator-Gleichung Q = CU = It folgt für die Zeit, in der der Kondensator den Strom zur Last liefern muss (und nicht aufgeladen wird): C = It/U = 500mA(2/31/50Hz1/2)/4V = 833F c) Geben sie für jede der folgenden Dioden an, ob sie für diese Schaltung geeignet ist oder nicht. Begründen sie ihre Antworten. Typ Durchlassstrom Durchlassspannung Reverse recovery time Stückpreis 1N4148 100V 200mA 1.0V 4ns 0.02 1N5818 30V 1A 0.5V - 0.33 1N4002 100V 1A 1.1V 2s 0.07 481357427 Sperrspannung Seite 1 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Sperrspannung = 12V1.4 = 17V Durchlassstrom = 500mA (Mittelwert während jeder zweiten Halbperiode) Reverse recovery time unkritisch, da viel kleiner als 10ms (= Halbperiode) 1N4148: nicht geeignet, da Durchlassstrom zu klein. 1N5818: geeignet, wenig Spannungsabfall, hoher Wirkungsgrad, hoher Preis 1N4002: geeignet, tiefer Preis, aber 4% Wirkungsgradverlust verglichen mit 1N5818 2. Valley fill circuit a) Skizzieren sie qualitativ richtig den Verlauf der Spannungen an C1, C2 und RL über einen Zeitraum von 30ms. 20 Output 15 URL 10 5 UC1 = UC2 0 0 5m 10m 15m 20m 25m 30m Time (s) b) Nennen sie (insgesamt 3) wichtige Vor- und Nachteile der Valley-fill-Schaltung, verglichen mit der Gleichrichterschaltung von Aufgabe 1? + Strom von der Quelle fliesst über längere Zeit => weniger grosse Spitze + weniger Oberwellen im Strom und besserer Leistungsfaktor - benötigt mehr Bauteile - Ausgangsspannung schwankt viel stärker 3. Virtual Ground mit Operations-Verstärker gepuffert Bei batteriebetriebenen Geräten steht in der Regel nur eine Speisespannung zur Verfügung (single supply). Anstelle der symmetrischen Speisung wird nun mit einem Spannungsteiler ein künstlicher Mittelpunkt (= virtual ground) geschaffen. Damit die Spannung stabil bleibt, wird sie oft mit einem als Spannungsfolger geschalteten Operations-Verstärker gepuffert. Studenten im 4. Semester haben dafür folgende Schaltung aufgebaut: 481357427 Seite 2 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW Leider funktioniert sie nicht: am Ausgang erscheint immer +5V (= Spannung der Speisung) statt +2.5V (= Spannung am Spannungsteiler). a) Finden und erklären sie den Fehler unter der Annahme, dass alle Bauteile und die Speisespannung i.O. sind. Der invertierende und der nicht-invertierende Eingang wurden vertauscht. Der Operations-Verstärker arbeitet als Schmitt-Trigger statt als Spannungsfolger. Beim Einschalten ist die Spannung am invertierenden Eingang = 0 und am Ausgang irgendwo in der Mitte. Damit schaltet der Schmitt-Trigger-Ausgang voll auf die positive Speisespannung. 4. Verstärker-Schaltung Gegeben: Ub = 24V, RC = 1k, vU = -20, minimum = 40, typisch = 120, rBE = 1k, RLast = 1k (an Uaus angeschlossen), Rqein ist vernachlässigbar klein. a) Berechnen sie alle Widerstandswerte. Lösung gemäss Rezept in https://sites.zhaw.ch/~hhrt/EK1/AnalogOderDigitalModus.pdf . Gewählt URE = 2V, weil Ub relativ hoch ist. RE = 200, RB2 = 3.6k, RB1 = 21k, REac = 17, REdc = 183 b) Die Schaltung soll Signale mit der Frequenz 40kHz nicht dämpfen. Die Grenzfrequenzen der Tief- oder Hochpässe wurden auf 10kHz resp. 100kHz festgelegt. Berechnen sie alle Kondensatoren. Lösung gemäss Rezept in https://sites.zhaw.ch/~hhrt/EK1/AnalogOderDigitalModus.pdf . Cein = 26nF, 1.9F, Caus = 32nF d) Welcher der folgenden Transistoren ist am besten für diese Schaltung geeignet? Begründen sie ihre Antworten. Typ Spannung Strom 2N2219A 40V 481357427 Leistung minimum Transitfrequenz Stückpreis 800mA 0.4W 50 Seite 3 / 4 300MHz 1.05 H. Hochreutener, SoE@ZHAW BD237 80V 2A 25W BC237 45V 200mA 0.5W 40 3MHz 0.32 120 100MHz 0.05 Spannung = 24V, Strom = 24V/RC = 24mA Leistung maximal bei UCE = Ub/2 => Leisung = (24V/2)2/RC = 144mW minimum = 30 wird von allen erreicht, Transistfrequenzen sind sehr viel höher als 40kHz Fazit: die Schaltung würde mit allen Transistoren wie vorgesehen funktionieren. Neben dem tiefen Preis weist der BC237 aber folgenden Vorteil auf: weniger Stromverbrauch, weil dank minimum = 120 könnten die Basis-Spannungsteiler-Widerstände grösser und die Kondensatoren kleiner dimensioniert werden. 481357427 Seite 4 / 4 H. Hochreutener, SoE@ZHAW
