Briefkopf für Sekretariat - FSMB

LEHRSTUHL FÜR TECHNISCHE ELEKTRONIK
Technische Universität München  Arcisstraße 21  80333 München
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

Fax.: 089/289-22938
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PROF. DR. DORIS SCHMITT-LANDSIEDEL
München, 01.04.2011
MUSTERKLAUSUR Sommersemester 2011
Technische Elektrizitätslehre
für Studentinnen und Studenten der Fachrichtung Maschinenwesen
(Gesamtbearbeitungszeit: 60 Minuten)
Name: ................................................
Vorname: ............................................
Matrikelnummer: ...............................
Unterschrift: _________________________ München, den __________________
1. Aufgabe:
Wechselspannung und Wechselstrom
Punkte
2. Aufgabe:
Halbleitergrundlagen und Diode
1.
3. Aufgabe:
Bipolartransistor
4. Aufgabe:
CMOS-Logik
2.
3.
4.


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1. Aufgabe: Wechselspannung und Wechselstrom
Bitte alle Ergebnisse in die dafür vorgesehenen Felder eintragen! Geben Sie
komplexe Zahlen immer in der algebraischen Form (Z=a+jb) an, und zwar
entweder in der allg. Form (z.B. Z=R+jX) oder als Zahlenwert (z.B. Z=50Ω+j20Ω).
Gegeben ist eine R-L-C-Schaltung mit folgenden Angaben:
R1 = 250
R2 = 2,5k
C = 1,2mS
a) Geben Sie den komplexen Teilleitwert YCR2 der Parallelschaltung von
Kapazität C und Widerstand R2 in allgemeiner Form und als Zahlenwert an.
YCR2 (allg.Form) =
YCR2 (Zahlenwert) =
b) Geben Sie den komplexen Widerstand ZCR2 der Parallelschaltung von
Kapazität C und Widerstand R2 in allgemeiner Form an. Berechnen Sie den
Zahlenwert durch konjugiert komplexe Erweiterung des Teilleitwerts.
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ZCR2 (allg.Form) =
ZCR2 (Zahlenwert) =
c) Geben Sie den komplexen Teilwiderstand ZR1L der Serienschaltung von
Widerstand R1 und Induktivität L in allgemeiner Form an.
ZR1L (allg. Form) =
d) Geben Sie den komplexen Gesamtwiderstand ZGes der Gesamtschaltung in
allgemeiner Form an.
ZGes (allg. Form) =
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e) Wie groß muss L gewählt werden, damit sich die Schaltung wie ein
ohmscher Widerstand verhält?
L =
f) Wie groß ist dann ZGes, wenn das in e) berechnete L verwendet wird? Wenn
Sie in Aufgabe e) zu keinem Ergebnis gekommen sind, verwenden Sie
L=750.
ZGes (Zahlenwert) =
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Es gelten nun neue Bauteilwerte. Der Gesamtwiderstand dieser Schaltung mit
diesen neuen Bauteilwerten beträgt nun ZGes = 1 k - j 1 k. Die Schaltung selbst
bleibt unverändert.
R1 = 500 
R2 = 5 k
ωL = 500 
ωC = 0,6 mS
g) Durch die Schaltung fließt jetzt ein komplexer Strom von I = 1mA – j 2mA.
Bestimmen Sie die komplexe Spannung U sowie die Teilspannungen UR1L
und UR2C als Zahlenwert.
U (Zahlenwert) =
UR1L (Zahlenwert) =
UR2C (Zahlenwert) =
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Für die Teilaufgaben h) bis k) gelten jetzt folgende Spannungs- bzw. Stromwerte:
UR1L = 3 V - j 1 V
UR2C = -5V –j5V
I = 2 mA – j 4 mA
Die Bauteilwerte aus der letzten Angabe bleiben unverändert.
h) Zeichnen Sie maßstäblich das Zeigerdiagramm für den Gesamtstrom I und
die
Teilspannungen
UR1L
und
UR2C.
Konstruieren
Sie
daraus
die
Gesamtspannung U. (Maßstab: 1 Kästchen1cm1mA bzw. 2V)
im.A.
re.A.
i) Berechnen Sie den Phasenwinkel φui zwischen der Gesamtspannung U und
dem Gesamtstrom I und markieren Sie diesen im Diagramm von Teilaufgabe
h).
φui =
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j)
Berechnen Sie die in der Schaltung umgesetzte komplexe Leistung P.
P=
k) Ermitteln Sie, ob sich die Schaltung bei den gegebenen Werten induktiv oder
kapazitiv verhält. Kreuzen Sie die zutreffende Aussage an und begründen Sie
kurz Ihre Entscheidung.
induktiv
kapazitiv
Begründung:
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2.
Aufgabe: Halbleiter-Grundlagen und Diode
falsch
Kreuzen Sie an, ob folgende Aussagen richtig oder falsch sind.
Hinweis: Korrekte Antworten ergeben Punkte, falsche Antworten führen zu
Punktabzug. Minimal können in dieser Teilaufgabe 0 Punkte erreicht werden.
richtig
a)
Beim Diffusionsstrom wandern Ladungsträger aus Gebieten mit
hoher Konzentration in Gebiete mit niedrigerer Konzentration.
Bei Halbleitern steigt mit zunehmender Temperatur die
Eigenleitungsträgerdichte.
Beim p-Typ Halbleiter ist der Driftstrom immer höher als der
Diffusionsstrom.
Aus dem Vorzeichen der Hallspannung kann bei bekanntem
Magnetfeld der Dotierungstyp des Halbleiters bestimmt werden.
Die Diffusionsstromdichte von Löchern ( ) ist bei gleicher
Ladungsträgerverteilung größer als die von Elektronen ( ).
Die Donatordichte ND bei n-Typ Halbleitern entspricht bei
Raumtemperatur und vollständiger Ionisation der Störstellenatome
der Majoritätsträgerdichte.
b)
An eine p-Typ Halbleiterprobe wird an zwei Kontakte eine Spannung UBat
angelegt und an zwei weiteren Kontakten die Hallspannung UH gemessen
(siehe Skizze).

Tragen Sie die Ausbreitungsrichtung der Majoritätsträger ohne Magnetfeld
mit einem Pfeil in die Skizze ein (UBat > 0).

Tragen Sie mit einem beschrifteten Pfeil das Magnetfeld B (B > 0) so ein,
dass für die Hallspannung gilt UH > 0.

Machen Sie durch einen Pfeil erkennbar, in welche Richtung die
Majoritätsträger in der Halbleiterprobe mit Magnetfeld B abgelenkt werden.
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c)
Gegeben ist die folgende Schaltung mit zwei verschiedenen Widerständen R1
und Raus (R1 = 3Raus) und zwei identischen Dioden D1 und D2. Für die Dioden
ist die angegebene, ideale Knickkennlinie (US = 1V) anzunehmen.
Diodenkennlinie

Schaltung
Bestimmen sie die Spannungen an den Dioden UD1, UD2 und an den
Widerständen UR1, Uaus für die beiden Fälle, dass am Eingang die Spannung
Uein
= +5V bzw. Uein = -5V anliegt und tragen sie die Ergebnisse in die
Tabelle ein (Zählpfeilrichtung beachten!!).
UD1 [V]
UD2 [V]
UR1 [V]
Uaus [V]
Uein = +5V
Uein = -5V
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3. Aufgabe: Bipolartransistor als Verstärker
Betrachtet wird die folgende Schaltung.
Basis-Emitter-Spannung
Eingangsspannung
Batteriespannung
Lichtwellenlänge
Quantenwirkungsgrad
Elementarladung
Lichtgeschwindigkeit
Planck’sches Wirkungsquantum
UBE = 0,7V
Uein = 5V
UBat = 8V
λ = 633nm
ηQ = 70,6%
-19
e = 1,6*10 C
8
-1
c = 3*10 ms
-34
2
h = 6,62*10 Ws
-15
= 4,14*10 eVs
Das Licht eines He-Ne-Lasers (Wellenlänge ) soll mit einer Photodiode PD
detektiert und mit einem Bipolartransistor verstärkt werden. Die Photodiode wird
durch die Eingangsspannung Uein in Sperrrichtung gepolt. Dadurch fließt durch die
Diode nur der durch die einfallende Lichtleistung PL erzeugte Photostrom IP, der
Dunkelstrom der Diode (Sperrsättigungsstrom) IS kann vernachlässigt werden. Der
so entstehende Basisstrom IB wird durch den Bipolartransistor verstärkt.
a)
Stellen Sie die Maschengleichung für den Eingang und für den Ausgang der
Schaltung auf.
Eingangsmasche:
Ausgangsmasche:
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b)
Gegeben sei nun das folgende Kennlinienfeld des Bipolartransistors. Bei
angeschaltetem Laser entsteht ein Basisstrom von IB = 40µA, welcher am
Ausgang eine Spannung von Uaus = 4V erzeugt. Markieren sie im
Kennlinienfeld den Arbeitspunkt mit „ON“.
c)
Markieren sie den Arbeitspunkt bei ausgeschaltetem Laser mit „OFF“.
d)
Tragen sie die Lastgerade in das Kennlinienfeld ein.
e)
Bestimmen Sie grafisch den Basissättigungs-Strom IB,Sat und markieren sie
den Punkt im Kennlinienfeld mit „SAT“.
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f)
Bestimmen Sie den Stromverstärkungsfaktor B des Transistors.
g)
Bestimmen Sie für den Arbeitspunkt „ON“ den benötigten Widerstand R.
h)
Nehmen sie ab jetzt einen Basissättigungs-Strom von IB,Sat = 90µA an!
Berechnen sie die Laserleistung PL,Sat, welche auf die Photodiode PD
leuchten müsste, damit der Transistor in Sättigung gerät.
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i)
Tragen sie im folgenden Diagramm die Übertragungskennlinie zwischen
Lichtleistung PL und Ausgangsspannung Uaus ein für (0 < PL < 500µW).
Markieren sie im Diagramm die Arbeitspunkte/-bereiche für
o den angeschalteten Laser mit „ON“,
o den ausgeschalteten Laser mit „OFF“,
o den Transistor in Sättigung mit „SAT“.
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4. Aufgabe: CMOS-Logik
a) Synthese: Zeichnen Sie eine CMOS Logikschaltung, die eine NOR Verknüpfung
der 3 Eingänge A, B und C realisiert.
Zeigen Sie per Rechnung, welche logische Funktion sich ergibt, wenn vor
JEDEN Eingang noch ein Inverter geschaltet wird.
Logische Funktion incl. Eingangsinvertern: _______________________________
b) Analyse: an die unten skizzierte Schaltung werden die Eingangssignale A, B, C
und D (s. Diagramm) angelegt. Zeichnen Sie den Verlauf des Ausgangssignals Y
in das Diagramm. Bestimmen Sie die realisierte logische Verknüpfung.
Logische Funktion: _________________________________
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