SS 2005

Diplomprüfung
Elektronik
FH München
FB 03 Maschinenbau
Prof. Dr. Höcht
Prof. Dr. Kortstock
SS 2005 Montag, 18.7.2005
Zugelassene Hilfsmittel:
Alle eigenen
Name:
Vorname:
Sem.:
Dauer der Prüfung:
90 Minuten
Unterschrift:
Hörsaal:
Platz-Nr.:
1
Homogene Halbleiter
I
Ein Hall-Element aus Germanium, hat folgende
Abmessungen:
d
d = 0.5 mm, l = 10 mm, b = 4 mm.
l
b
Alle weiteren Angaben gelten für Betrieb des Plättchens
bei Raumtemperatur. Eventuell benötigte Daten können Sie der folgenden Tabelle entnehmen.
Germanium
Silizium
Gallium-Arsenid
13
3
10
3
Eigenleitungsträgerdichte
2.3 ⋅10 / cm
1.5 ⋅ 10 / cm
1.3 ⋅ 10 6 / cm 3
Elektronenbeweglichkeit
3900 cm 2 Vs
1350 cm 2 Vs
8500 cm 2 Vs
Löcherbeweglichkeit
1900 cm 2 Vs
480 cm 2 Vs
4000 cm 2 Vs
UH
1.6 ⋅ 10 −19 As
Das Hall-Plättchen ist folgendermaßen dotiert: NA = 5 ⋅ 1016 cm-3, ND = 1012 cm-3.
Um welchen Halbleitertyp handelt es sich und woran sehen Sie das?
Elementarladung
1.1
1.2
Berechnen Sie die Majoritätsträgerdichte.
(1P)
(1P)
1.3 Kennzeichnen Sie in der obigen Skizze den Plus- und den Minuspol von U H , wenn die magnetische
Flußdichte B das Plättchen von unten her durchsetzt.
(2P)
1.4 Berechnen Sie den Widerstand des Hallplättchens in Stromflußrichtung. (Zur Vereinfachung der
Rechnung können Sie eine geeignete Vernachlässigung machen, die Sie begründen müssen)
(2P)
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Stabilisierte Spannungsversorgung für größere Ströme
Achtung! Die Teilaufgaben 2.1, 2.2 und 2.3 sind völlig unabhängig voneinander zu bearbeiten
Im folgenden entwickeln Sie ein stabilisiertes Netzteil für den Router Ihres Heimnetzwerkes, das 2.0A
Strom bei ca. 5.0V Ausgangsspannung liefern soll. Es besteht aus dem Transformator mit geeignetem
Gleichrichter und Siebkondensator, einer Z-Diodenschaltung zur Erzeugung einer stabilisierten Spannung sowie einem Transistor zur Verstärkung des Stromes.
2.1 Erzeugung einer geglätteten Gleichspannung aus einer Wechselspannung
Ein Netztransformator liefert aus seiner Sekundärseite eine Wechselspannung mit dem Scheitelwert
U Tr = 10V .
2.1.1 Welche Art der
Gleichrichterschaltung müssen Sie
verwenden, um mit einem möglichst
kleinen Siebkondensator
auszukommen?
(1P)
2.1.2 Ergänzen Sie die nebenstehende
UTr
UNetz
Schaltung durch die geeigneten
Schaltelemente. Schließen Sie als
Verbraucher zunächst einen Widerstand R V an.
(3P)
2.1.3 Zeichnen Sie möglichst genau in das untenstehende Zeitdiagramm die Verläufe der
Ausgangsspannung U G Ihrer Gleichrichterschaltung,
- wenn nur die Gleichrichterschaltung alleine ohne Verbraucher und Siebkondensator angeschlossen ist,
(5P)
- wenn Gleichrichterschaltung, Siebkondensator und ein Verbraucher R V angeschlossen sind. Die
Ausgangsspannung U G Ihrer Gleichrichterschaltung darf zu keinem Zeitpunkt kleiner als 7V
werden. Die Schleusenspannung der eingesetzten Dioden beträgt 0.7V
(2P)
U/V
10
5
0
5
10
15
20
-5
uTr
-10
25
30 t/ms
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2.2 Spannungsstabilisierung mit einer Z-Diode
Gegeben sei die nebenstehende Stabilisierungsschaltung mit einer Z-Diode.
Durch die Diode soll ein Strom von maximal I Z max = 100 mA fließen,
wenn der Ausgangsstrom I B gleich Null ist. Zur Wahl stehen zwei ZDioden ZPD 5.6V ( PV = 500mW ) und ZPY 5.6V ( PV = 1.3W ) .
2.2.1 Begründen Sie, ob beide Dioden für die Stabilisierungsschaltung
geeignet sind.
R
V
I
B
UG
UZ
(2P)
2.2.2 Im folgenden Diagramm sehen Sie den für die Stabilisierung wichtigen Teil der Diodenkennlinie.
IZ /mA
200
100
5
6
7
8
9
10
UZ /V
2.2.2.1 Zeichnen Sie das lineare Ersatzschaltbild der Diode und geben Sie die Werte der Schaltelemente an.
(3P)
2.2.2.2 Als Vorwiderstand wird R V = 31Ω gewählt. Die maximale von der Gleichrichterschaltung abgegebene Spannung U G max betrage 8.6V (Innenwiderstand der Gleichrichterschaltung sei Null). Ermitteln Sie zwei Punkte der Arbeitsgeraden und tragen Sie diese sowie die Arbeitsgerade in das
obige Diagramm ein.
(3P)
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2.2.2.3 Die Gleichrichterspannung U G kann zwischen 7.0V und 8.6V schwanken. Wie groß ist die daraus
resultierende Spannungsschwankung ∆U Z an der Z-Diode? (Graphische oder rechnerische Ermittlung)
(4P)
2.3 Erweiterung der Strombelastbarkeit der Stabilisierungsschaltung durch einen Transistor
Die Z-Diode steuert einen Transistor (StromverstärIC
kung B = 100) an, der den Lastwiderstand mit der
stabilisierten Spannung versorgt. Die Spannung U Z
RV
an der Z-Diode betrage 5.60V. Der Lastwiderstand
IB
UCE
R L kann verschiedene Werte annehmen, die einen
UG
Strom von 0.2A bis 2.0A verursachen.
U
BE
Wie groß ist die Spannung U L am Lastwiderstand
für die beiden Ströme?
(4P)
UL
UZ
RL
IB /mA
20
15
10
5
0
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
UBE /V
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Ansteuerung eines Thyristors mit Hilfe von Operationsverstärkerschaltungen
Achtung! Die Teilaufgaben 3.1 und 3.2 können völlig unabhängig voneinander bearbeitet werden!
3.1 Operationsverstärkerschaltung zur Erfassung der Nulldurchgänge einer Wechselspannung
Gegeben sei die nebenstehende Schaltung mit
zwei Operationsverstärkern.
Berechnen Sie die Spannungen U R1 , U R 2 ,
U R 3 und ermitteln Sie daraus die Schwellen
U S1 und U S2 der beiden Komparatoren. Tragen Sie die Schwellen in das untenstehende
Zeitdiagramm ein.
(3P)
3.1.1
U R1 =
R1
9.0k
+10V
UR1
+10V
UD1
US1
R2
2.0k
Ua1
Ue
UR2
0V
US2
10.0k
-10V
+10V
UaM
10.0k
UD2
Ua2
R3
9.0k
-10V
UR3
-10V
UR 2 =
UR3 =
U
/ V
5
0
5
1 0
1 5
2 0
t / m
s
- 5
- 1 0
3.1.2
U
Tragen Sie nun die Ausgangssignale u a1 und u a 2 der beiden Operationsverstärker für das gegebene
Eingangssignal u e in das obige Zeitdiagramm ein.
(6P)
/ V
5
0
- 5
- 1 0
5
1 0
1 5
2 0
t / m
s
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+10V
3.1.3 An die Ausgänge der beiden Operationsverstärker werden
zwei Widerstände geschaltet. Welche Größen kann
U aM annehmen? Ergänzen Sie die folgende Tabelle! (2P)
U a1 / V
+10
+10
-10
-10
Ua2 / V
+10
-10
-10
+10
U aM / V
Ua1
10.0k
-10V
+10V
UaM
10.0k
Tragen Sie die aus dem Verlauf von u a1 und u a 2 entstehende Spannung u aM in das untere Diagramm auf der
vorherigen Seite ein.
(2P)
Ua2
-10V
3.2 Ansteuerung einer Thyristorschaltung
Aus der Schaltung nach 3.1 werden periodische Rechteckimpulse u RE abgeleitet, die mit der
Ansteuerelektronik gegenüber den Nulldurchgängen der Wechselspannungen u Netz verschoben
werden können. Über Zündtransformatoren gelangen die
Zündimpulse an die Thyristoren. In der nebenstehenden
Schaltung ist lediglich einer der beiden Thyristoren beA1
K2
UNetz
schaltet.
G1
Ansteuerelektronik
Zeichnen Sie für diese erst teilweise fertige Schaltung in
die folgende zwei Zeitdiagramme
- die Spannung u GK zwischen Gate und Kathode des
beschalteten Thyristors (oberes Diagramm), (2P)
- die Spannung u Thy am Thyristor und die Spannung
URE
K1
A2
UGK
UV
u V am Verbraucher (unteres Diagramm). (3P)
U/V
u Netz
u RE
10
0
5
10
15
20
t/ms
10
15
20
t/ms
-10
-20
U/V
u Netz
10
0
-10
-20
5
G2
UThy
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Digitaltechnik
Gegeben sei die untenstehende Schaltung mit drei positiv flankengetriggerten Master-Slave-FlipFlops.
A0
1
J
&
K
Q0
A2
A1
J1
Q1
K1
&
J2
Q2
&
S
K2
Takt T
4.1
Zu Beginn sind alle drei Speicher gelöscht (A1 = A2 = A3 = 0). Zeichnen Sie in das untenstehende
Diagramm den Verlauf der angegebenen Signale. Sie werden vor und nach der senkrechten
Markierung einen kleinen Unterschied im Signalverlauf feststellen.
(6P)
Takt T
A0
A1
J2
A2
S
4.2
Was macht diese Schaltung ab der Markierung anders?
Viel Erfolg
(2P)