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lektronik klausur (FranKe) ws 21-22...

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Elektronik für Mechatronik Lösungsblatt 1 Prof. Erich H. Franke

Name:

Matr.Nr.:

Aufgabe:

1

2

3

∑

Note:

Punkte:

Aufgabe 1

Verständnisfragen

[10P]

Für jede richtige Antwort erhalten Sie 1 Punkt. Unbeantwortete Fragen und falsche Antworten ergeben 0 Punkte Sind folgende Antworten richtig (+) oder falsch (-)? Bitte markieren Sie mit (+) oder (-), bzw. (o)! a)

( + ) MOSFET sind an ihrem Gate empfindlicher gegen Überspannung als Bipolartransistoren an ihrer Basis!

b)

( + ) Die Arbeitsgerade im Kennlinienfeld eines Bipolartransistors wird umso flacher, je größer der ohmsche Widerstand des Arbeitswiderstands ist!

c)

( + ) JFET eignen sich zum Aufbau von Konstantstromquellen.

d)

( - ) Der Abblockkondensator parallel zum Sourcewiderstand einer Verstärkerschaltung mit JFET führt zur Erhöhung der Gleichstromverstärkung!

e)

( - ) Die Basisschaltung ist die am Häufigsten verwendete Grundschaltung mit Bipolartransistoren!

f)

( - ) Das Gate eines MOSFET besitzt im Regelfall eine extrem geringe Kapazität gegen den Kanal!

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Elektronik für Mechatronik Lösungsblatt 1 Prof. Erich H. Franke

Aufgabe 2

Der MOSFET als Schalter

[P]

Ein Kollege hat eine digitale Schaltstufe in Sourceschaltung mit einem MOS-Feldeffekt-Transistor entwickelt, die ein Relais ansteuert. Sie sollen die Schaltung auf Fehler überprüfen und ggf. korrigieren! UV VGSS RREL LREL

a)

Versorgungsspannung 12 V Gate-Source Voltage ± 20 V Widerstand der Spule: 24 Ohm Induktivität der Spule 100mH Das Relais ist ein 12-Volt-Typ

Mit welcher Gate-Source-Spannung müssen Sie den FET mindestens ansteuern, damit das Relais sicher anzieht. Angabe auf ganze Volt genügt. Begründen Sie Ihre Ansicht in einem kurzen Satz! []

Der Strom durch das Relais beträgt im eingeschwungenen Zustand 500mA. Die Gate-Source-Spannung hierfür muss mindestens 4,5 Volt betragen, d.h. mit 5 Volt klappt das sicher!

b)

Das Anschlusskabel wird in einem Bereich verlegt, in dem hohe bipolare Spannungstransienten |UT| > 60 Volt eingeschleppt werden können. Zeichnen Sie eine geeignete Schutzmaßnahme gegen Zerstörungen in den Schaltungsvorschlag ein! Erklären Sie ihre Funktion in einem kurzen Satz! []

Negative Transienten werden auf ca -0,7V begrenzt, positive Transienten auf UV + 0,7V

Bei UV=12V ist das also OK!

Der Vorwiderstand muss passend dimensioniert werden, hier ggf. auf z.B. 47kOhm, damit wird ein Fehlerstrom auf 1,3mA begrenzt.

c)

Welche Energie (in Joule) ist in der Spule des Relais im eingeschwungenen Zustand gespeichert?

Der Strom durch das Relais beträgt im eingeschwungenen Zustand 500mA. E = ½ * L * I2

d)

=

0,5 * 0,1H * 0,25A2

= 0,0125J

Die Schaltung besitzt diesbezüglich eine Schwachstelle! Zeichnen Sie eine geeignete Maßnahme in die Schaltung ein, die diese behebt! Erklären Sie ihre Funktion in einem kurzen Satz! []

Freilaufdiode parallel zum Relais verhindert die Spannungsspitze beim Unterbrechen des Stroms. Blatt 2 von 5

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Aufgabe 3

Der JFET als Verstärker

[P]

Gegeben sei folgende Schaltung sowie das Ausgangskennlinienfeld des FETs BF245C: UV VGSS RD RG UP IDSAT

a)

Versorgungsspannung Gate-Source Voltage Widerstand am Drain Widerstand am Gate Pinch-off-Voltage Sättigungs-Drainstrom

12 V ± 20 V 1 kOhm 1 MOhm -6,0V 22mA

Bestimmen Sie die Arbeitsgerade und zeichnen Sie sie in das Ausgangskennlinienfeld ein.

[]

Legen Sie UGS und damit den Arbeitspunkt fest und zeichnen Sie ihn ein.

[]

rot b)

grün c)

Wie groß ist der Source-Ruhestrom IS im Arbeitspunkt? Wir lesen ab: 3mA

d)

(grüne Linie)

Bestimmen Sie die Steilheit im Arbeitspunkt. =

∙ 

[]

[]

( −  )

UGS0 = -4V UP = -6,0V IDS = 22mA 2 ∙ 22 (−4) − (−6) 6 ∙ 6 S = 2,4 mA/V

=

e)

Wie groß ist die Kleinsignal-Spannungsverstärkung (linear)?

[]

v = S*RD = 2,4 mA/V * 1 V/mA= 2,4

f)

Wie groß ist die Spannungsverstärkung in dB A/

dB

= 20 * log(2,4)

=

[]

7,6dB

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Aufgabe 4

Der JFET als Konstantstromquelle

[P]

Gegeben sei folgendes Kennlinienfeld des FETs BF245C und die rudimentäre Schaltung einer Konstantstromquelle

a)

Ergänzen Sie die fehlenden Bauelemente.

[]

s.o.

b)

Dimensionieren Sie die Schaltung, so dass ein konstanter Strom ID = ICONST von 7 mA durch die LED fließt.

Dies erfordert eine Spannung UGS von -2,5V. Bzw. einen Source-Widerstand von (rechnerisch) 357 Ohm

c)

Wie groß ist die Spannung UP des Transistors?

[]

Aus dem Diagramm lesen wir ab UP = -6,5V

d)

Wie groß ist der maximale Strom IDSAT des Transistors?

[]

Aus dem Diagramm lesen wir ab IDSAT = 17mA

e)

Wie groß ist die minimale Spannung UDS, unter der die Schaltung nicht mehr effizient arbeitet?

[]

Bei UDS < |UP|

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f)

Die LED besitzt ein UF = 2,6V, der Transistor eine Verlustleistung PV = 200 mW. Errechnen Sie daraus die Spannungsgrenzen für die Versorgungsspannung UV []

An RS fallen 2,5V ab und gemäß der Regel mit |UP| = 6,5V ergibt sich: UBMIN = 2,6V + 6,5V + 2,5V = 11,6 Volt

Bei Pv = 200mW und I = 7mA liegt der maximal zulässige UDS bei 200 mW / 7mA = 28,5 V

UBMAX = 2,6V + 28,5V + 2,5 V = 33,6 V

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