Angewandte Elektronik AE

ANGEWANDTE ELEKTRONIK AE
KLAUSUR
VOM 26. 3. 2015
AUFGABEN UND MUSTERLÖSUNGEN
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Angewandte Elektronik AE
Klausur vom 26. 3. 2015
Aufgaben und Musterlösungen
1. Abb. 1 zeigt eine Operationsverstärkerschaltung und einen Eingangsspannungsverlauf. Zeichnen Sie
ein, wie der Verlauf der Ausgangsspannung ungefähr aussieht. Praxistip: die Verstärkung ausrechnen
und hinschreiben. Die Zeichnung muß nicht absolut genau sein...
(8 Punkte)
Es ist ein invertierender Verstärker. Verstärkung 68k : 22k =3,09.... also rund 3 (genauer:
– 3. Damit werden aus zwei Teilungseinheiten des Eingangssignals 6 Teilungseinheiten
des Ausgangssignals. Es wird zudem invertiert = um die X-Achse gespiegelt.
Abb. 1
2. Wie hoch ist der Eingangswiderstand der Schaltung von Abb. 1 (näherungsweise)? Geben Sie eine
Zusatzschaltung an, die einen sehr hohen Eingangswiderstand gewährleistet.
(8 Punkte)
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Der Eingangswiderstand entspricht nahezu dem Widerstand R1, also rund 22 kOhm. Wenn
ein sehr hoher Eingangswiderstand gefordert ist, kann man einen Impedanzwandler (1:1Puffer) vorschalten.
3. Abb. 2 zeigt zwei Schaltungen zum Ansteuern einer LED. Durch die LED sollen 20 mA fließen.
VCC = 5 V. Flußspannung der LED = 2,1 V.
a)
Dimensionieren Sie den Vorwiderstand RV.
b) Welchen Pegel (Low oder High) muß das Ansteuersignal SW_LED haben, damit die LED
leuchtet? (Für beide Schaltungen angeben.)
c)
Welcher maximale Kollektorstrom kann durch den Transistor fließen? (Für beide Schaltungen
angeben. Die Werte berechnen und kurz erläutern, in welchem Betriebsfall dieser Strom fließt.)
d) Berechnen Sie den Basisvorwiderstand RB für ein Ansteuersignal (SW_LED) von 3,5 V und für
eine Stromverstärkung von 100.
Die Lösungen in Tabelle 1 eintragen. Ggf. auf einem zusätzlichen Blatt kurz erläutern.
(16 Punkte)
Abb. 2
Frage
Abb. 2a)
Abb. 2b)
Pegel von SW_LED, um
die LED einzuschalten
Low. Transistor muß gesperrt
werden.
High. Transistor muß aufgesteuert
werden.
ICmax
rund 35 mA (Transistor
schließt LED kurz und
schaltet RV nach Masse)
20 mA
In welchem Betriebsfall
(LED ein/aus) fließt
ICmax?
LED aus. ICmax = VCC : RV
(UCEsat vernachlässigt)
LED ein. ICmax = Strom durch die
LED
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Frage
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Abb. 2a)
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Abb. 2b)
RB für SW_LED = 3,5 V
35 mA : 100 = 350 µA.
3,5 V – 0,7 V = 2,8 V.
2,8 V : 0,35 mA = 8 kOhm
Vorwiderstand RV
RV = (5V – 2,1 V) : 20 mA = 145 Ohm. Die Kollektor-EmitterSättigungsspannung UCEsat im Fall b) kann vernachlässigt werden.
20 mA : 100 = 200 µA.
3,5 V – 0,7 V = 2,8 V.
2,8 V : 0,2 mA = 14 kOhm
Hinweise:
1. Es ist nicht falsch, die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung UCEsat zu berücksichtigen und z. B. 200
mV anzusetzen. Damit würde sich ergeben: RV im Fall b) 135 Ohm; IC im Fall a) 33 mA; RB im Fall
a) 8,4 kOhm; RB im Fall b)
2. Es wird auch als richtig gewertet, wenn beim Berechnen von RB die 0,7 V Basis-EmitterSättigungsspannung UBEsat nicht abgezogen wurde. Dann wäre RB = 3,5 V : 0,35 mA = 10 kOhm
bzw. 3,5 V : 0,2 mA = 17,5 kOhm.
Tabelle 1
4.
Entwerfen und dimensionieren Sie einen nichtinvertierenden Verstärker mit einer Verstärkung von
12. Bei einem Spannungshub von 5 V darf ein Strom von maximal 250 µA entnommen werden.
(5 Punkte)
5 V : 250 µA ergeben einen Gesamtwiderstand R = 20 kOhm. R1 = R : A), also 20k : 12.
Das sind rund 1,67 kOhm. Bleiben für R2 20k – 1,5k = 18,33 kOhm.
5.
Welche 3dB-Grenzfrequenz hat der Verstärker gemäß Aufgabe 4, wenn das VerstärkungsBandbreiten-Produkt 500 kHz beträgt?
(5 Punkte)
Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt : Schleifenverstärkung. 500 kHz : 12 = 41,67 kHz.
6.
Der Amplitudenfehler einer Operationsverstärkerschaltung soll 0,5 % nicht übersteigen. Die
maximale Signalfrequenz beträgt 10 kHz. Welche 3dB-Grenzfrequenz muß der Verstärker
mindestens aufweisen?
(5 Punkte)
Amplitudenfehler
 0,995
100
Vf
0,995  10kHz
f3dB =

 99,6kHz, also rund 100kHz
2
1- v
1 0,9952
V = 1-
7.
Abb. 3 zeigt eine Brückenschaltung. Geben Sie an, welche Transistoren für welche Drehrichtung
jeweils einzuschalten sind. Worauf ist beim Umschalten der Drehrichtung zu achten?
(8 Punkte)
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Abb. 3 Brückenschaltung (nach Texas Instruments)
Es dürfen keine Querströme (shoot-thru currents) fließen. Beide Transistoren eines Zweiges
(TR1, TR3 bzw. TR2, TR4) dürfen nicht gleichzeitig angesteuert werden. Also erst
ausschalten, dann einschalten (Break before Make).
8. Geben Sie eine Schaltung an (mit Dioden und Transistoren), die die Signale A, B, C, D wie folgt
verknüpft:
X  A B  C D
(12 Punkte)
Praxistip: Erinnern Sie sich an die Grundlagen der Digitaltechnik, um sich die Arbeit womöglich
etwas zu vereinfachen...
Nach DeMorgan gilt:
C D  C  D
Als Funktionsbausteine genügen somit ein UND-Gatter, ein NOR-Gatter und ein ODERGatter. Eine Einfachlösung könnte z. B. so aussehen:
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Eine alternative Lösung ergibt sich, wenn wir den Ausdruck zweimal negieren:
A  B  C  D  A  B  C  D  A  B  (C  D)
Wir brauchen zwei NANDs und ein ODER:
Auch andere Lösungen werden als richtig gewertet – vorausgesetzt, sie erwecken den
Eindruck, daß sie tatsächlich funktionieren könnten...
9. Abb. 4 zeigt zwei Leistungsstufen mit angeschlossener Last. Die Betriebsbedingungen:
Betriebsspannung UB = + 24 V, Laststrom IL = 3 A.
a)
Welche Spannung UL fällt über der Last ab, wenn der Leistungstransistor voll aufgesteuert ist?
b)
Welche Verlustleistung wird im Leistungstransistor umgesetzt?
c)
Welche Steuerspannung UBE bzw. UGS muß wenigstens angelegt werden, damit der jeweilige
Transistor tatsächlich voll aufgesteuert wird?
Die Lösungen in Tabelle 2 eintragen. Ggf. auf einem zusätzlichen Blatt kurz erläutern. Die Abb. 5
und 6 zeigen entsprechende Datenblattausschnitte. Geben Sie an (Pfeile), welche Kennwerte Sie
genutzt haben, um die Aufgaben zu lösen.
(12 Punkte)
Abb. 4
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Abb. 5 Datenblattauszug NPN-Transistor (Quelle: Bourns)
Abb. 6 Datenblattauszug N-Kanal-FET (Quelle: Fairchild)
Als Vorüberlegung: Welche Spannung fällt über dem Transistor ab?
a) Es ist die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE(sat). Im Datenblatt stehen 1,2 V.
b) Es ist der Spannungsabfall ILast • RDSon. Das Datenblatt nennt einen RDSon von max. 0,95
Ohm. Bei 3 A ergibt das 2,85 V. Das ist der ungünstigste Fall (Worst Case). Es wird auch
als richtig gewertet, wenn mit dem typischen Wert von RDSon gerechnet wurde.
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Abb. 3a)
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Abb. 3b)
Lastspannung UL
24 V – 1,2 V = 22,8 V
24 V – 2,85 V = 21,15 V (Worst Case)
24 V – 2,43 V = 21,57 V (typisch)
Verlustleistung
1,2 V • 3 A = 3,6 W.
Verlustleistung im Basiskreis wird
vernachlässigt.
2,85 V • 3 A = 8,55 W (Worst Case)
2,43 V • 3 A = 7,29 W (typisch)
Steuerspannung
(UCE / UGS)
Das Datenblatt nennt eine BasisEmitter-Spannung von 1,8 V. Also
Ansteuerung gegen Masse mit 24
V + 1,8 V = 25,8 V.
Der RDSon ergibt sich laut Datenblatt bei
einer Gatespannung von 10 V.
Also Ansteuerung gegen Masse mit 24 V
+ 10 V = 34 V.
Tabelle 2
10. Abb. 7 zeigt einen Auszug aus dem Datenblatt eines Leistungs-FETs (Quelle: Fairchild).
a)
Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 12 V geeignet?
b)
Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 5 V geeignet?
c)
Ist der Transistor für eine Ansteuerung mit UGS = 3,3 V geeignet?
d)
Welcher Gatestrom ist erforderlich, um den FET in 8 μs einzuschalten?
Deuten Sie ggf. durch Pfeile an, wo Sie die jeweiligen Kennwerte entnommen haben.
(8 Punkte)
Abb. 7
a)
b)
JA, weil maximaler RDSon für 10 V zugesichert.
JA, weil maximaler RDSon für 4,5 V zugesichertgarantiert.
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c)
d)
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Nein, weil für eine so niedrige Gatespannung kein RDSon-Wert zugesichert wird.
(Eignung für entsprechend schwache Ströme wäre fallweise zu prüfen.)
I = Q : t. Wir rechen mit der maximalen Gateladung. 74 nC : 8 µs = 9,25 mA. Es wird
auch als richtig gewertet, wenn mit dem typischen Wert der Gateladung gerechnet
wurde. 49 nC : 8 µs = 6,125 mA.
11. Erläutern Sie kurz den Fachbegriff "astabiler Multivibrator". Wozu ist so etwas zu gebrauchen?
Skizzieren Sie eine entsprechende Transistorschaltung (Prinzipschaltung ohne Spitzfindigkeiten).
(8 Punkte)
Der astabile Multivibrator besteht aus zwei Schaltstufen, die aufeinander rückgekoppelt
sind. Beide Verbindungen sind mit RC-Gliedern ausgeführt (kapazitive Kopplung). Diese
Schaltung gibt ständig Impulse ab (Schwingschaltung, Oszillator). Anwendung u. a. als
Taktgeber, Rechteckwellengenerator oder Blinkschaltung.
12.
Abb. 8 zeigt eine Schaltung mit zwei Komparatoren sowie einen Signalverlauf. Die Schaltung ist
als Präzisions-Schmitt-Trigger bekannt. Erläutern Sie kurz, wie sie funktioniert. Zeichnen Sie den
Verlauf der (digitalen) Ausgangsspannung UA in das Diagramm ein.
(10 Punkte)
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Abb. 8
Das Latch wird mit Low-Pegeln an den Eingängen umgeschaltet. Es wird gesetzt (Nullpegel
am oberen Eingang), wenn UE > 2/3 UB. Es wird zurückgesetzt (Nullpegel am unteren
Eingang), wenn UE < 1/3 UB. Ansonsten hält das Latch seinen jeweiligen Zustand. Es wirkt
als eine Art Entprellschaltung, die auf irgendwelche Spikes nicht reagiert. Wir müssen nur
die Stellen im Signalverauf suchen, an denen das Signal erstmalig 2/3 UB überschreitet und
dann wieder 1/3 UB unterschreitet.