EK1_P3_2011_06_30_Lo..

Elektronik 1
Prüfung 3: 30.6.11
Musterlösung
Zeit: 90 Minuten
Schriftliche Unterlagen 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,
wenn nichts anderes angegeben ist.
1. Aufwärtswandler für LEDs an 3V-Batterie
Gegeben ist diese Schaltung mit diesen Vorgaben:
Ubat = 3V
PWM-Frequenz = 100kHz, Tastverhältnis = 1:1 (= FET ein während 50% der Zeit)
Rlast = 20Ω
∆Ulastpp = 0.5V (= Ripple auf der Ausgangsspannung Ulast)
a)
Skizzieren sie qualitativ richtig den Verlauf von Ulast, Ufet und Ibat im stationären
Zustand.
b)
Berechnen sie die Ausgangsgrössen Ulast und Ilast, sowie die Bauteilwerte Lspeicher
und Csieb.
Formel aus dem Skript
tein = (1-Ubat/Ulast)/f
umstellen ergibt:
tein∙f = 1-Ubat/Ulast
Ubat/Ulast = 1-50%
Ulast = Ubat/50% = 6V
Ilast = Ulast/Rlast = 300mA
Weiteres Vorgehen gemäss Skript:
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H. Hochreutener, SoE@ZHAW
IL = Ulast∙Ilast/Ubat = 600mA
∆ILpp = 0.15∙IL = 90mA
Lspeicher = Ubat∙tein/∆ILpp = 3V∙0.5/100kHz/90mA = 167µH
Csieb = tein∙Ilast/∆Ulastpp = 0.5/100kHz/0.5V = 10µF
c)
Braucht es zum Schutz des FETs eine Freilauf-Diode zwischen Drain und Source des
FETs (Antwort begründen)?
Nein, da die Energie wegen der Diode SD nur von links nach rechts fliessen kann.
Das Vorzeichen des Spulenstromes Ibat ist also immer positiv. Wenn der FET
ausschaltet, kann der Spulenstrom durch die Diode SD weiterfliessen.
d)
Die maximale Verlustleistung im FET wurde zu 0.3W bestimmt. Um wie viel erwärmt
sich der FET, wenn er ohne Kühlkörper betrieben wird. Benutzen sie die Zahlenwerte
aus dem Datenblatt-Auszug:
Massgebend beim Betrieb ohne Kühlkörper ist die Angabe RthJA = 62°C/W.
∆T = RthJA∙Pv = 62°C/W∙0.3W = 18.6°C
e)
Anstelle des Widerstandes Rlast werden 3 LEDs (in Serie geschaltet) verwendet, welche
total 10V benötigen. Was alles muss verändert werden, damit die Spannung Ulast (resp.
der Strom Ilast) den gewünschten Wert erreicht? Antwort muss begründet werden.
Das PWM-Verhältnis muss angepasst werden: tein∙f = 1-Ubat/Ulast = 0.7. Der FET
muss 70% der Zeit eingeschaltet werden.
FET, SD und Lspeicher auf höhere Spannung und Strom dimensionieren.
2. Signal-Gleichrichter
a)
Berechnen sie alle Knotenspannungen und die Ströme durch die Widerstände (R = 1kΩ)
für die Eingangsspannung u1 = -1V. Zahlenwerte direkt oben ins Schema schreiben.
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b)
Ein Standard-Operationsverstärker kann am Ausgang einen Strom von maximal 20mA
liefern. Machen sie einen Schaltungsvorschlag, damit an u2 ein Strom von bis zu 100mA
zur Verfügung steht, wobei die Funktionalität der Schaltung erhalten bleiben soll.
Verlangt wird ein Schema, Bauteile müssen nicht berechnet werden.
Ein npn-Transistor am Ausgang des Operationsverstärkers kann den benötigten
Strom liefern. Wichtig ist, dass die Gegenkopplung am Emitter angeschlossen wird, da
sonst der Basis-Emitter-Spannungsabfall von ca. 0.7V nicht kompensiert würde.
Da der Strom am Ausgang eines Gleichrichters immer positiv ist, wird keine GegentaktEndstufe benötigt: ein Transistor reicht aus.
Es könnte auch ein n-Kanal-FET verwendet werden.
Oder man könnte auch einen anderen Operationsverstärker-Typ wählen, welcher den
geforderten Strom liefern kann.
3. Exemplar-Streuung und Temperatur-Einfluss
a)
Auf welche Grössen hat die Exemplarstreuung einen dominanten Einfluss beim BJT?
Auf welche Grössen hat die Temperatur einen dominanten Einfluss beim BJT?
Auf welche Grössen hat die Exemplarstreuung einen dominanten Einfluss beim FET?
Auf welche Grössen hat die Temperatur einen dominanten Einfluss beim FET?
Exemplar-Streuung beim BJT: Stromverstärkung β
Temperatur-Einfluss beim BJT: Basis-Emitter-Spannung UBE
Exemplar-Streuung beim FET: Pinch-Off-Spannung UGSoff
Temperatur-Einfluss beim FET: Temperatur hat nur geringen Einfluss
b)
Was muss in diesem Zusammenhang alles beachtet werden, wenn ein BJT als Schalter
verwendet wird? Was, wenn ein FET als Schalter verwendet wird?
Die Ansteuerung muss so erfolgen, dass der Transistor auch im schlimmsten Fall
(worst case) ganz eingeschaltet, resp. ganz ausgeschaltet werden kann.
BJT: aus => UBE < 0.4V
ein => IB > ICmax/βmin
FET: aus => UGS < UGSoffmin
ein => UGS > UGSoffmax+IDmax/Steilheitmin
4. Subtrahier-Verstärker
a)
Geben sie alle Bedingungen für die Widerstandswerte an, damit gilt: UO = 5∙(U1-U2)
Randbedingungen: |IR1| < 100µA und |IR2| < 100µA für |U1| < 1V und |U2| < 1V
5-fache Verstärkung
R3 = 5∙R1
R4 = 5∙R2
IR1max = U1max/(R1+R3)
R1+R3 > 1V/100µA = 10kΩ
IR2max = (U2-U0)max/(R2+R4)
(U2-U0)max bei U1 = -1V und U2 = +1V
(U2-U0)max = (1V-5∙(-1V-(+1V))) = 11V
IR2max = (U2-U0)max/(R2+R4)
R2+R4 > 11V/100µA = 110kΩ
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b)
Anstelle eines Subtrahier- wird manchmal ein Instrumenten-Verstärker verwendet:
(Quelle der Grafik: http://de.wikipedia.org/wiki/Instrumentenverstärker )
Nennen sie je zwei Vorteile und Nachteile dieses Instrumenten-Verstärkers.
Vorteile:
- Hochohmige Eingänge belasten das Signal nicht.
- Verstärkung kann mit einem einzigen Widerstand verändert werden.
- Verstärkung auf zwei Stufen aufgeteilt => höhere oder genauere Verstärkung möglich.
Nachteile:
- Braucht mehr Bauteile => höhere Kosten, grössere Fläche
- Höherer Stromverbrauch
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