EK1_P3_2013_05_13 - baumberger hochfrequenzelektronik

Elektronik 1
Kurztest 3:
13. Mai 2013
NAME:
Zeit: 35 Minuten
3 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 nicht die volle 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).
Die meisten Teilaufgaben sind unabhängig voneinander lösbar.
1) Anwendung von Schutzdioden (TVS)
Eine elektronische Einheit zur Anwendung in einem Automobil (12 V Batteriespannung) soll mit
einer für diese Zwecke vorgesehenen Z-Diode (TVS) gegen Überspannung und Falschpolung
geschützt werden. Beantworten Sie dazu folgende Fragen:
a)
Ist ein uni- oder ein bidirektionaler TVS zu wählen (Antwort mit Begründung)? <1P>
b)
Wie gross ist die nominelle Durchbruchsspannung der TVS für eine optimale
Schutzwirkung zu wählen, wenn deren Toleranz 10% ist und die Batteriespannung im
Normalbetrieb maximal 14.4 V beträgt (Antwort mit Begründung / Rechnung)? <2P>
c)
Was sind die Nachteile, wenn anstelle eines für Schutzanwendungen spezifizierten TVS
eine normale Z-Diode verwendet wird? Nennen Sie deren zwei. <2P>
2) Grundlagen von MOSFET's
a)
Erklären Sie in Worten und mit Hilfe von Skizzen, wodurch sich Enhancement- von
Depletion-MOSFET's im elektrischen Verhalten (nicht im Aufbau) unterscheiden. <2P>
b)
Bei diskreten MOSFET's (Einzel-MOSFET's) ist der Bulk- (Substrat-) Anschluss praktisch
immer mit dem Source-Anschluss verbunden. Was bedeutet dies für die Anwendung
solcher MOSFET's als Schalter? <1P>
3) Thermisches Design
Für den Schalttransistor in einem Netzteil soll ein Kühlkörper dimensioniert werden. Die
Verlustleistung des Transistors wurde mit PD = 35.0 W ermittelt, für die maximale
Umgebungstemperatur soll TA,max = 40C angenommen werden.
a)
Berechnen Sie den maximal erforderlichen Wärmewiderstand des Kühlkörpers Rth auf
Grund der unten wiedergegebenen Transistorgrenz- und -kenndaten. <2P>
b)
Weshalb ist es sinnvoll, den Kühlkörper grösser zu dimensionieren (geringerer Rth) als auf
Grund der obigen Transistordaten minimal notwendig? <1P>
769898382
Seite 1
W. Baumberger
c)
Auf welchen Wert muss die Verlustleistung PD reduziert werden, wenn derselbe Transistor
bei derselben max. Umgebungstemperatur ohne Kühlkörper betrieben werden soll? <2P>
4) Abwärtswandler
Das folgende Schema zeigt einen einfachen Abwärtswandler mit Leistungsschalter S (in
Realität ein MOSFET), Freilaufdiode D, Speicherdrossel L und Glättungskondensator C.
a)
Skizzieren Sie qualitativ (ohne Zahlenwerte) den Verlauf der Spannung UD über der
Freilaufdiode sowie des Stromes IL durch die Speicherdrossel. In Ihrer Skizze soll auch
die Flussspannung der Diode sichtbar sein, solange diese Strom führt. <2P>
b)
Berechnen Sie das benötigte Tastverhältnis d und die Induktivität L, und zwar für folgende
Vorgaben: Uein = 15 V, Uaus = 3 V, Schaltfrequenz f = 100 kHz, Welligkeit des
Spulenstroms IL = 0.5 A. Nehmen Sie ferner an, dass Leistungsschalter und Induktivität
keinerlei Verluste haben und die Flussspannung der Diode 0.5 V sei. <4P>
c)
Dimensionieren Sie den Glättungskondensators C approximativ für eine Welligkeit der
Ausgangsspannung Uaus = 50 mVpp. Sie dürfen dazu annehmen, der Spulenstrom habe
einen Rechteckverlauf mit Amplitude IL. <2P>
d)
Konkretisieren Sie in der Schaltung den Leistungsschalter S durch einen n-KanalEnhancement-MOSFET (Schemaskizze). Zeichnen Sie auch, wo die Steuerspannung (0
V im OFF- und +10 V im ON-Zustand) angelegt werden muss, z. B. durch einen
Spannungspfeil oder ein Quellensymbol. <2P>
5) Schaltverhalten von MOSFET's
Die Last in der folgenden Schaltung sei ein magnetischer Aktor (induktives Verhalten). Der
Treiber steuert den MOSFET (Leerlaufspannung am Ausgang 0 V oder UGS,max = 10 V).
a)
Skizzieren Sie qualitativ den Verlauf von Steuerspannung UGS(t) und Drainspannung
UDS(t) während des Einschaltvorgangs unter der Annahme, der Treiber liefere einen
Maximalstrom IGT (Strombegrenzung). Berücksichtigen Sie die Eingangs- und die
Rückwirkungskapazität des FET. <3P>
b)
Berechnen Sie die für den ganzen Einschaltvorgang vom Treiber zu liefernde Ladung QG
unter folgenden Voraussetzungen: Gate-Source- und Gate-Drain-Kapazitäten sind
spannungsunabhängig, CGS = 1.0 nF, CGD = 100 pF; UGS,max = 10 V; IGT = 1.0 A; U+ = 100
V, Schwellenspannung des FET Uth = 4.0 V. <3P>
c)
Berechnen Sie auf Grund der in Teilaufgabe b) berechneten Gateladung QG die Schaltzeit
tON (Anstieg von UGS = 0 auf UGS,max). <2P>
d)
Durch welche Schutzschaltung ist obige Schaltung zu ergänzen, damit der MOSFET beim
Ausschalten nicht beschädigt wird (Schemaskizze und Erklärung)? <2P>
769898382
Seite 2
W. Baumberger