EK1_P2_2012_04_30_Lo.. - baumberger hochfrequenzelektronik
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Elektronik 1 MUSTERLÖSUNG zum Kurztest 2 vom 30. April 2012 1. Halbleiterphysik a) Was ist ein intrinsischer Halbleiter und welche spezifischen Eigenschaften hat er gegenüber einem n- oder p-dotierten Halbleiter? Lösung: Ein intrinischer Halbleiter ist ein reiner Halbleiter ohne jede Verunreinigung (z. B. reines Si), in der Regel in der Form eines Einkristalls (regelmässige Anordnung der Atome im Gitter ohne Fehlstellen). Er weist eine vergleichsweise geringe elektrische Leitfähigkeit auf, die auf spontaner Generation von Löchern und Elektronen basiert, die erstens selten und zweitens temperaturabhängig ist. Im intrinsischen Halbleiter sind Elektronen und Löcher als Ladungsträger gleich häufig (resp. gleich selten). In einem dotierten Halbleiter wird kontrolliert Verunreinigung eingebracht, so dass pro Verunreinigungsatom ein bewegliches Loch oder ein Elektron erzeugt wird; die Leitfähigkeit im dotierten Halbleiter ist vergleichsweise hoch und kaum temperaturabhängig. 2. Grundlagen Dioden a) Erklären Sie die Bedeutung der Parameter IS, UT und m in der bekannten Gleichung für den Diodenstrom in Funktion der Diodenspannung. Lösung: - IS ist der Sättigungssperrstrom der Diode, also derjenige Strom, der bei grosser negativer Diodenspannung fliesst. - UT ist die Thermospannung; dies ist eine technologieunabhängige, aber temperaturproportionale Spannung. Sie beträgt bei Zimmertemperatur 26 mV. UT = kT/e (k = Boltzmann-Konstante, e = Elementarladung) - m (manchmal n) ist der Idealitätsfaktor. Er ist normalerweise nah bei 1. b) Nennen Sie zwei wichtige Eigenschaften von Dioden, welche mit dieser Formel nicht modelliert sind. Mögliche Antworten (zwei nötig für max. Punktzahl): - Der Lawinendurchbruch (plötzliches Ansteigen des Sperrstromes bei hoher Sperrspannung) - Der ohmsche Zuleitungswiderstand; dieser führt bei hohen Strömen zu markanten Abweichungen von der idealen Diodenkennlinie (höhere Flussspannung). - Die (spannungsabhängige) Kapazität der Sperrschicht der in Sperrrichtung gepolten Diode - Die Sperrverzögerung bei pn und pin-Dioden c) Die Flussspannung UF einer BAV199 bei 0.1 mA Diodenstrom ist im Datenblatt mit typisch 0.70 V bei 25C spezifiziert. Wie gross dürfte UF bei -50C sein? Begründen Sie Ihre Antwort. Lösung: Der Temperaturkoeffizient der Flussspannung von Dioden ist rund -2 mV/K. Man erwartet deshalb bei -50C eine rund 150 mV höhere Flussspannung, also 0.85 V. d) Beschreiben Sie in einigen kurzen Sätzen das Phänomen der Sperrverzögerung bei pnund pin-Dioden. 481348265 Seite 1 W. Baumberger Lösung: Im Vorwärtsbetrieb fliessen Löcher von der p-dotierten Seite ins n-Material und umgekehrt. Beide Seiten enthalten also Minoritätsträger. Wird die Spannung abrupt umgepolt, müssen die auf beiden Seiten der Sperrschicht vorhandenen Minoritätsträger zuerst abfliessen, was während einiger Zeit (der Sperrverzögerung rr) zu einem hohen Sperrstrom führt. rr liegt im ns- (schnelle pn-Dioden) bis s-Bereich (pin-Dioden für hohe Sperrspannungen). 3. Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden a) Berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand RV, und zwar so, dass der Diodenstrom ID,min 5 mA nie unterschreitet. Den differenziellen Widerstand der Z-Diode können Sie vernachlässigen. Lösung: Der minimale Diodenstrom fliesst bei minimaler Eingangsspannung (10 V) und maximalem Laststrom (20 mA). Durch den Vorwiderstand fliesst die Summe von Dioden- (5 mA) und Laststrom (20 mA), also 25 mA. Somit gilt für dessen Wert (UZ = Z-Diodenspannung): RV b) U ein,min U Z I D ,min I L ,max 6.7V 268 25mA Der Hersteller der Diode spezifiziert eine max. Verlustleistung von 250 mW. Überprüfen Sie, ob Ihre Dimensionierung von Aufgabe a) unter allen Umständen diesen Grenzwert einhält. Lösung: Der maximale Diodenstrom fliesst bei maximaler Eingangsspannung (20 V) und minimalem Laststrom (0 mA): I D ,max U ein,max U Z RV 20V 3.3V 62 mA 268 Die in der Z-Diode umgesetzte Verlustleistung ist demnach: PD ,max I D ,max U Z 206 mW Die Herstellerspezifikation wird also gerade noch eingehalten. 4. MOS- und JFET's a) Wodurch unterscheidet sich ein n-Kanal-JFET von einem n-Kanal-Depletion-MOSFET in der Anwendung (nicht im Aufbau)? Lösung: Solange die FET's nicht mit einer Gate-Source-Spannung UGS deutlich über 0 V betrieben werden, unterscheiden Sie sich nicht. Ansonsten beginnt beim JFET ab ca. 0.6 .. 0.8 V (je nach Typ und Temperatur) ein Gate-Strom zu fliessen (bis hin zur Zerstörung), während beim n-Kanal-MOSFET ein weiteres Öffnen des Kanals mit UGS >> 0 möglich ist (bis zur vom Hersteller spezifizierten maximalen Gate-Source-Spannung, oftmals 10 V). b) Welche Bedeutung hat der bei fast allen MOSFET's intern mit dem Source-Anschluss verbundene Bulk-Anschluss für den Anwender? Lösung: Am Bulk-Anschluss hängt je eine Diode zum Source und zum Drain, die im Normalbetrieb beide sperrpolarisiert sind. Beim n-Kanal-MOSFET muss der B-Anschluss mit der negativsten Spannung verbunden sein, um ein Sperren dieser Dioden zu gewährleisten. Wird B mit S verbunden, muss S immer negativer sein als D (UDS 0 V). S und D können jetzt nicht mehr vertauscht werden, der MOSFET verliert also seine Symmetrie bezüglich S und D. 481348265 Seite 2 W. Baumberger 5. Dimensionierung eines Schalters mit Bipolartransistor a) Wie gross muss RD gewählt werden, damit sich im Mittel der verlangte LED-Strom einstellt? Lösung: Um RD bestimmen zu können, muss zunächst die typische Kollektor-Emitter-Spannung bei 350 mA im gesättigten Betrieb bekannt sein. Der in der Tabelle gegebene Wert von 0.5 V ist wenig hilfreich, da es sich um einen Maximalwert bei zudem höherem Kollektorstrom handelt. Man liest besser aus der Grafik rechts ab (Collector emitter saturation voltage): Bei Raumtemperatur beträgt UCE,sat bei 350 mA etwa 120 mV. Mit der bereits in der Aufgabe gegebenen Flussspannung der Diode von typ. UD = 3.4 V erhält man für die Spannung über dem Vorwiderstand RD (U+ = Betriebsspannung = 5 V): U RD U U D U CE ,sat 5 V - 3.4 V - 0.12 V = 1.48 V Dies ergibt für RD: RD b) U RD 1.48V 4.2 ID 0.35 A Wie gross muss RB gewählt werden, damit der LED-Strom unabhängig von Exemplarstreuungen des Bipolartransistors ist? Lösung: Um sicher zu gehen, dass der Transistor unter allen Umständen in Sättigung bleibt, muss man sich an die Vorgabe des Herstellers für die zur Lösung von Aufgabe a) verwendete Kurvenschar halten: hFE = 10; d. h. der Basisstrom muss mindestens 1/10 des Kollektorstroms sein, in unserem Fall also IB = 35 mA. Die minimale Stromverstärkung von 25, die in der Tabelle spezifiziert ist, reicht nicht aus, da diese bloss für eine viel höhere Kollektor-Emitter-Spannung ausserhalb der Sättigung (hier 2 V) garantiert wird. Zusammen mit der in der Grafik links gegeben Basis-Emitter-Spannung von 0.9 V bei 350 mA Kollektorstrom lässt sich RB nun berechnen: RB U ON U BE , sat IB 5V 0.9V 117 0.035 A Bemerkungen: Die hier gegebene Lösung ist die genauste, die man auf Grund der gegebenen Daten bekommen kann. Unbefriedigend daran ist, dass sie bloss auf typischen (durchschnittlichen) Bauteiledaten basiert und keine Aussage über den maximalen und minimalen LED-Strom gemacht werden kann (dies gilt insbesondere auch für die Flussspannung der LED). Eine genauere Stromregelung für Power-LED's erfordert aufwändigere Schaltungen, die wir später kennenlernen werden. Unbefriedigend an der hier behandelten Schaltung ist der erforderliche hohe Steuerstrom von 35 mA, welcher von Logikschaltkreisen (Micro-Controller usw.) in der Regel nicht zuverlässig bereitgestellt werden kann. Bessere Eigenschaften würde hier der Einsatz eines EnhancementPower-MOSFET bieten oder aber ein Emitterfolger als Vorverstärker. Beides wird im Unterricht noch zu behandeln sein. 481348265 Seite 3 W. Baumberger
