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 = CU = It folgt für die Zeit, in der der
Kondensator den Strom zur Last liefern muss (und nicht aufgeladen wird):
C = It/U = 500mA(2/31/50Hz1/2)/4V = 833F
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
2s
0.07
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Sperrspannung
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H. Hochreutener, [email protected]
Sperrspannung = 12V1.4 = 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:
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H. Hochreutener, [email protected]
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, 1.9F, Caus = 32nF
d)
Welcher der folgenden Transistoren ist am besten für diese Schaltung geeignet?
Begründen sie ihre Antworten.
Typ
Spannung Strom
2N2219A 40V
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Leistung minimum Transitfrequenz Stückpreis
800mA 0.4W
50
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300MHz
1.05
H. Hochreutener, [email protected]
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.
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H. Hochreutener, [email protected]
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