EK1_SP_2016_06_20 - baumberger hochfrequenzelektronik

Elektronik 1
Schlussprüfung:
20. Juni 2016
NAME:
Zeit: 90 Minuten
4 Seiten eigene Zusammenfassung und Taschenrechner erlaubt, PC / Handy nicht erlaubt
Die pro Teilaufgabe erreichbare Punktzahl ist in eckigen Klammern (z. B. <3P>) angegeben.
Sie müssen für die Note 6 lediglich etwa 2/3 der vollen Punktzahl erreichen.
Tipps: Lesen Sie zuerst alle Aufgaben durch und beginnen Sie mit der einfachsten.
Geben Sie keine Auswahlsendungen: Falsche Antworten in Listen geben Abzug!
Beantworten Sie Sachfragen in ganzen Sätzen (keine Stichwortliste).
Beantworten Sie genau, was gefragt ist.
1) Grundlagen Operationsverstärker
a)
Zählen Sie drei Eigenschaften auf, welche einen idealen Operationsverstärker
ausmachen, und geben Sie eine kurze Beschreibung jeder Eigenschaft. <6P>
b)
Was unterscheidet einen Single Supply-Operationsverstärker von einem normalen
Operationsverstärker für bipolare Speisung? Erklären Sie die Unterschiede in Bezug auf
den Ein- und den Ausgang des Operationsverstärkers. <6P>
2) Audio-Verstärker
Die folgende Schaltung zeigt einen Audio-Verstärker mit einem Lautsprecher als Last. Er
besteht aus einem invertierenden und einem nichtinvertierenden Verstärker, basierend auf
RRIO-Operationsverstärkern. Die Speisespannung Us+/Us- beträgt ±3 V, der Widerstand des
Lautsprechers RL ist 8 ; ferner sind R1=R3=100 , R2=900  und R4=1 k. Diese Art von
Schaltung nennt man BTL-Schaltung (bridge tied load), sie erlaubt bei gegebenem RL und
gegebener Speisespannung Us+/Us- eine höhere maximale Ausgangsleistung als mit nur
einem einzelnen Operationsverstärker und dem Lautsprecher einseitig an Masse.
a)
Berechnen sie die Spannungsverstärkung Uaus/Uein der Schaltung mit den obigen
Werten linear und in dB. <6P>
b)
Berechnen Sie die Leistungsverstärkung Paus/Pein der Schaltung linear und in dB.
Tipp: Sie müssen hierfür auch den Eingangswiderstand des Verstärkers berechnen. <6P>
c)
Wie gross ist die maximale Ausgangsleistung für ein sinusförmiges Signal, welche die
Schaltung an den 8 -Lautsprecher abgeben kann, ohne dass Verzerrungen resultieren?
Sie können davon ausgehen, dass die RRIO-Operationsverstärker einen beliebig hohen
Strom abgeben können. <8P>
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3) Invertierender Single Supply-Verstärker
Bei der folgenden Schaltung handelt es sich um einen invertierenden Verstärker mit Offset. Die
Speisung (Single Supply) betrage Us = +5 V. Mit dem Offset am nichtinvertierenden Eingang
(eingestellt durch R3 und R4) kann der Ausgangsspannungsbereich festgelegt werden, mit R1
und R2 die Verstärkung.
a)
Berechnen Sie R2 so, dass eine Verstärkung vu von -10 resultiert. R1 sei 10 k. <6P>
Tipp: Diese Verstärkung ist unabhängig von R3 und R4.
b)
Dimensionieren Sie jetzt den Spannungsteiler R3, R4 so, dass für einen
Eingangsspannungsbereich von Uein = -0.25 .. +0.25 V ein Ausgangsspannungsbereich
Uaus von +5 .. 0 V resultiert. Wählen Sie R3 = 10 k. <8P>
4) Halbleiterphysik und Grundlagen von Dioden
a)
Die Flussspannung einer realen pn-Diode betrage bei einem Strom von 10 µA und
Zimmertemperatur (25°C) UF = 0.5 V. Berechnen Sie die Flussspannung dieser Diode bei
einem Strom von 1 mA unter Annahme eines Korrekturfaktors m = 1. <6P>
b)
Die folgende Grafik zeigt das U-I-Verhalten einer Diode. Wie gross ist ihr Seriewiderstand
bei 25ºC? Gefragt ist hier also der Zuleitungswiderstand RB der Diode, der nicht durch die
Diodengleichung modelliert wird. <6P>
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c)
Der typische Sperrstrom einer pn-Diode bei Raumtemperatur (25ºC) betrage 2 nA. Mit
was für einem Sperrstrom ist bei der maximal erlaubten Betriebstemperatur von +125ºC
zu rechnen? <6P>
5) Netzgleichrichter mit Schottky-Dioden
Die folgende Figur zeigt das Schaltschema einer einfachen Stromversorgung mit
Netztransformator, Brückengleichrichter und Glättungskondensator. Im Gleichrichter kommen
Schottky-Dioden zum Einsatz.
a)
Wie gross muss die Sekundärspannung des Transformators gewählt werden, damit eine
Gleichspannung UDC von 5.0 V resultiert? Geben Sie den Effektivwert an. Für die
Flussspannung der Dioden können Sie 0.4 V annehmen, der Kondensator C sei so gross,
dass kaum eine Restwelligkeit resultiert. <4P>
b)
Dimensionieren Sie den Kondensator C so, dass bei einem Laststrom von 100 mA eine
Restwelligkeit von 0.1 V resultiert. Die Netzfrequenz beträgt 50 Hz. <6P>
6) Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
Mit Hilfe der folgenden Schaltung soll eine einfache Spannungsstabilisierung realisiert werden.
Der Bereich der Eingangsspannung sei 10 .. 20 V, die stabilisierte Ausgangsspannung soll
3.3 V betragen, der Laststrom kann im Bereich 0 .. 20 mA variieren. Es steht dafür eine Diode
zur Verfügung, welche eine Durchbruchsspannung von typisch 3.3 V aufweist.
a)
Berechnen Sie den erforderlichen Vorwiderstand R1, und zwar so, dass der Diodenstrom
IZ,min 5 mA nie unterschreitet. Den differenziellen Widerstand der Z-Diode können Sie
vernachlässigen. <8P>
b)
Der Hersteller der Diode spezifiziert eine maximale Verlustleistung von 250 mW.
Überprüfen Sie, ob Ihre Dimensionierung von Aufgabe a) unter allen Umständen diesen
Grenzwert einhält. <6P>
7) Einschaltvorgang im MOSFET
Die "Last" in der folgenden Schaltung kann ein beliebiger Verbraucher sein, der "Treiber" liefert
während des Einschaltvorgangs einen konstanten Strom von 1.0 A, bis zum Erreichen der für
den sicheren ON-Zustand benötigten Gate-Source-Spannung von +10 V. Die Gate-SourceKapazität CGS des FET betrage 1 nF, die Gate-Drain-Kapazität CGD 100 pF; beide sollen für
diese Aufgabe spannungsunabhängig sein, sie sind Teil des MOSFET. Die Lastspannung UB
betrage 50 V.
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a)
Berechnen Sie auf Grund der gegebenen Daten (Kapazitäten und Spannungen), wie
lange der Einschaltvorgang mit dem beschriebenen Treiber dauert. <8P>
8) Einfacher Aufwärtswandler
In dieser Aufgabe sollen Sie einen Aufwärtswandler (boost converter) dimensionieren, der aus
einer Eingangsspannung von 5.0 V eine Ausgangsspannung von 10 V bei 0.5 A Laststrom
erzeugt. Er soll aus einem n-Kanal-Enhancement-MOSFET, einer Speicherdrossel, einer
Schottky-Diode sowie einem Glättungskondensator bestehen.
a)
Zeichnen Sie das komplette Schaltschema des Wandlers inkl. 5 V-Spannungsquelle
(Eingang) und Last (Widerstand 20 ). Die Signalquelle zur Ansteuerung des MOSFET ist
als ideale Quelle zu zeichnen. <6P>
b)
Wie gross muss das Tastverhältnis d (Verhältnis von MOSFET-Einschaltdauer zu
Periodendauer) sein, wenn man sämtliche Verluste (ON-Widerstand des MOSFET,
Gleichstromwiderstand der Speicherdrossel und Flussspannung der Freilaufdiode)
vernachlässigt? <8P>
c)
Skizzieren Sie den Stromverlauf durch die Speicherdrossel, durch den MOSFET und
durch die Schottky-Diode in einem Diagramm (Unterscheidung z. B. mit Farbe) und
berechnen Sie die Welligkeit des Spulenstroms (Spitze-Spitze-Wert). Die Schaltfrequenz f
sei 1 MHz und die Induktivität der Speicherdrossel 10 µH. Die Spannung an der Last
können Sie aufgrund der Wirkung des Kondensators als konstant annehmen. <8P>
9) Dimensionierung eines Spannungsreglers
Sie sollen mit dem Low dropout-Regler LM2941CT von Texas Instruments (Datenblattauszug s.
letzte Seite) eine Stabilisierung für eine Ausgangsspannung von 5.0 V dimensionieren. Als
primäre Spannungsquelle steht ein Lithium-Akku mit zwei Zellen zur Verfügung (nominelle
Spannung 7.2 V, beim Laden max. 8.5 V). Der maximale Laststrom beträgt 1.0 A.
a)
Zeichnen Sie das Schaltschema der gesamten Schaltung inkl. Akkuanschluss, Ausgang
und allen benötigten Bauteilen mit deren Werten. Begründen Sie die Wahl der Werte,
soweit dies nicht durch Ihre Rechnung ersichtlich ist. Der Regler soll immer eingeschaltet
sein, d.h. der ON/OFF-Eingang muss entsprechend beschaltet sein. <8P>
b)
Der Regler benötigt einen Kühlkörper. Dimensionieren Sie diesen für eine maximale
Umgebungstemperatur von +45°C. Gefragt ist in diesem Fall also der Wärmewiderstand
des Kühlkörpers RthSA. Den Wärmeübergang vom Reglergehäuse zum Kühlkörper können
Sie als ideal annehmen (RthCS = 0 K/W). <8P>
c)
Bis zu welcher Spannung kann der Akku bei maximalem Laststrom entladen werden,
ohne dass die Ausgangsspannung unter 5.0 V abfällt? Gefragt ist hier ein sicherer Wert,
der allen Umständen Rechnung trägt. <4P>
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