Übung 2 - Institut für Elektrische Energiewandlung

Universität
Stuttgart
Institut für Leistungselektronik
und Elektrische Antriebe
Abt. Elektrische Energiewandlung
Prof. Dr.-Ing. N. Parspour
Übung 2
Einschwingvorgänge 2
Diode
Linearisierung
Aufgabe 2.1
(Einschwingvorgang)
Im nachfolgenden Bild 1.3 ist eine einfache Schaltung, bestehend aus zwei ohmschen Widerständen und
einer Spule gegeben. An der R-L-Schaltung werden Schalthandlungen durchgeführt.
Der Schalter S sei zunächst sehr lange Zeit geöffnet gewesen. Zum Zeitpunkt t = 0 wird der Schalter S
geschlossen und es läuft ein Einschwingvorgang mit der Zeitkonstanten
1
ab. Zum Zeitpunkt t1 >>
1
wird der Schalter erneut geöffnet, wodurch es zu einem erneuten Einschwingvorgang, welcher mit der
Zeitkonstanten
2
abläuft, kommt.
Nachfolgend soll nun das Einschwingverhalten der Schaltung untersucht werden.
Bild 2.1 Schalthandlung an einer R-L-Schaltung bei Gleichspannung
Von der Schaltung sind folgende Daten bekannt:
Spannungsquelle
U = 20 V
Ohmsche Widerstände
R1 = 10
R2 = 20
Spule
Induktivität
L = 10 mH
Anfangsbedingung
iL(t = 0+) = 0
Einführung in die Elektrotechnik 2
Übung 2: Einschwingvorgänge 2, Diode, Linearisierung
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Fragen
1.
Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild erneut auf und tragen Sie Zählpfeile und Bezeichner für den
Strom und sämtliche Spannungen ein.
2.
Berechnen Sie sämtliche Ströme und Spannungen für das Zeitintervall 0
t
t1 und stellen Sie
die zeitlichen Verläufe in einem Diagramm für die Spannungen und einem Diagramm für die
Ströme dar.
3.
Berechnen Sie sämtliche Ströme und Spannungen für t
t1 und stellen Sie die zeitlichen Verläufe
in einem Diagramm für die Spannungen und einem Diagramm für die Ströme dar.
Aufgabe 2.2
(Diodenkennlinie)
Gegeben seien folgende Punkte der Strom-Spannungskennlinie ID = f(UD) einer Leistungsdiode. Der
Arbeitspunkt (AP) der Diode soll bei ID = 80 A liegen.
UD [V]
0
0,75
0,83
0,87
0,92
0,98
1,02
1,07
ID [A]
0
20
40
60
80
100
120
140
Tabelle 2.1 Messpunkte der Diodenkennlinie
Fragen
1.
Zeichnen Sie die Diodenkennlinie in das vorbereitete Diagramm in Bild 2.2 ein.
2.
Linearisieren Sie die Diodenkennlinie um den Arbeitspunkt (AP) grafisch in Bild 2.2.
3.
Ermitteln
Sie
den
differentiellen
Widerstand
Rd
sowie
die
Schwellenspannung
(Schleusenspannung, Durchlassspannung) US und geben Sie das linearisierte Ersatzschaltbild für
die Diodenkennlinie um den Arbeitspunkt (AP) sowie die zugehörige Gleichung an.
4.
Berechnen Sie den statischen Widerstand RS der Diode im Arbeitspunkt.
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Übung 2: Einschwingvorgänge 2, Diode, Linearisierung
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Bild 2.2 Kennlinie der Diode ND89N
Aufgabe 2.3
Gegeben ist die im Bild 2.3 dargestellte Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer Diode mit der
im Bild 2.4 angegebenen ID-UD-Kennlinie.
Bild 2.3
Reihenschaltung aus einer Diode und einem ohmschen
Widerstand
Von der Schaltung sind folgende Daten bekannt:
Spannungsquelle
U0 = 12 V
Ohmscher Widerstand
R1 = 0,1
Diode
Kennlinie in Bild 2.4
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Bild 2.4
Kennlinie der im Bild 2.3 enthaltenen Diode
Fragen
1.
Stellen Sie die Maschengleichung für die obige Schaltung auf und berechnen Sie die Spannung
U12,0 für den Leerlauf, d. h. (ID = 0) und den Strom ID,K für den Fall des Kurzschlusses der
Klemmen 1-2. Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in Bild 2.4 ein.
2.
Ermitteln Sie grafisch aus Bild 2.4 den sich einstellenden Strom ID sowie die Spannungen UD und
die Spannung UR am ohmschen Widerstand R1.
3.
Bestimmen Sie den Strom ID sowie die Spannungen UD und UR rechnerisch (analytisch).
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Aufgabe 2.4
Zur Spannungsstabilisierung wird eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einer Zenerdiode Z
entsprechend Bild 2.5 eingesetzt.
Bild 2.5
Schaltung zur Spannungsstabilisierung mit
einer Zener-Diode
Von der Schaltung sind folgende Daten bekannt:
Spannungsquelle
U1 (siehe Fragen)
Ohmscher Widerstand
R = 12
Diode
Kennlinie in Bild 2.6
Bild 2.6
Kennlinie der Zenerdiode
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Fragen
1.
Zeichnen Sie für U1 = 2 V, U1 = 4 V, U1 = 6 V, U1 = 10 V und U1 = 14 V die Arbeitsgeraden in
Bild 2.6 ein.
2.
Geben Sie für U1 = 2 V, U1 = 4 V, U1 = 6 V, U1 = 10 V und U1 = 14 V die sich einstellenden
Arbeitspunkte an.
3.
Skizzieren Sie die Spannung U2 in Abhängigkeit von der Spannung U1.
4.
Linearisieren Sie die Kennlinie der Zenerdiode für U > 5 V und berechnen Sie die sich
einstellenden Arbeitspunkte für U1 = 6 V, U1 = 10 V und U1 = 14 V
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