Hochschule München
FK 03
Diplomprüfung WS 2009/10
Fach: Elektronik, Dauer: 90 Minuten
Prof. Dr.-Ing. Buch Prof. Dr.-Ing. Höcht
Zugelassene Hilfsmittel:
Alle eigenen
Matr.-Nr.: Name, Vorname:
Hörsaal: Unterschrift:
Aufgabe 1 (ca. 7 Punkte)
Das abgebildete Plättchen aus Silizium der Länge d = 0,1 cm und der Fläche A = 1 cm2 hat bei Raumtemperatur (T = 300 K) folgende Eigenschaften: ni = 1·1010 cm-3, µn = 1350 cm2/Vs, µp = 480 cm2/Vs, e = 1,602·10-19 As
1.1 Das Halbleiterplättchen ist mit einem Donator dotiert. Bei Raumtemperatur fließt der Strom I = 10 mA durch das Plättchen. Es wird die Spannung U = 46,3 mV gemessen.
- Wie groß ist der ohmsche Widerstand R des Plättchens?
- Wie groß ist der spezifische Widerstand ρ des Plättchens?
- Welchen Wert hat die Donatordichte ND? (Ersatzwert: ND = 2·1014 cm-3) (Hinweis: Der Einfluss der Minoritätsträger darf bei der Berechnung vernachlässigt werden.)
1.2 Zeichnen Sie die Bewegungsrichtung der Elektronen in die Skizze ein.
- Handelt es sich bei dem Stromfluss I = 10 mA um Driftstrom oder Diffusionsstrom?
- Mit welcher Geschwindigkeit bewegen sich die freien Elektronen?
Aufgabe 2 (ca. 15 Punkte)
Ein Verbraucher (RL = 2 kΩ) wird von einem Gleichspannungsnetzteil (Uq) mit Strom versorgt.
Die zulässige Betriebsspannung des Verbrauchers liegt im Bereich 4,5 V < UL < 5,5 V. Eine Zener- diode (UZ0, rZ) mit Vorwiderstand (RV = 100 Ω) schützt den Verbraucher vor einer Beschädigung durch Überspannung.
2.1. Ermitteln Sie aus der Kennlinie die Parameter UZ0 und rZ der eingesetzten Zenerdiode.
(Ersatzwerte: UZ0 = 5 V, rZ = 2 Ω)
2.2 Zunächst hat die Versorgungsspannung den Wert Uq = 5 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zenerdiode?
Durchlassbereich Durchbruchbereich Die Diode sperrt
2.3 Wie groß sind für Uq = 5 V die Spannung am Verbraucher (UL), der Diodenstrom (IZ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (PZ)?
2.4 Aufgrund einer Fehlfunktion des Gleichspannungsnetzteils verdoppelt sich die Span- nung Uq auf den Wert Uq = 10 V. In welchem Betriebsbereich befindet sich die Zener- diode nun?
Durchlassbereich Durchbruchbereich Die Diode sperrt
2.5 Wie groß sind für Uq = 10 V die Spannung am Verbraucher (UL), der Diodenstrom (IZ) und die an der Zenerdiode in Wärme umgesetzte Leistung (PZ)? (Hinweis: Verwenden Sie für die Berechnungen keine Näherungen!)
2.6 Welchen Wert Uqmax darf die Versorgungsspannung maximal annehmen, damit der Verbraucher gerade noch nicht beschädigt wird (ULmax = 5,5 V)?
UBE / V IB /mA
2 4 6
0,2 0,4 0,6 0,8
0,2 0,4 0,6
2 4 6 8 10 UCE / V IB /mA
1 2 3 4 5 6 7
8 0,8
1,0 IC /A
Aufgabe 3 (ca. 17 Punkte)
Gegeben ist die nachstehende Schaltung mit zwei Verstärkerstufen.
Die Betriebsspannung beträgt UB = 10 V.
Die beiden Transistoren sind identisch und werden durch folgende Kennlinien beschrieben:
3.1 Um welchen Typ von Transistor handelt es sich? (Begründung!)
1
R
CR
BE
1
I
C1
I
BI
B2R
2R
12
R
C 2I
CA
1
U
CEU
CE22
U
BE 1U
BEU
B3.2 Die Verstärkerstufe 1 hat eine Spannungsverstärkung v1 = -216. Der Kleinsignalver- stärkungsfaktor im Arbeitspunkt des ersten Transistors ist 1 = 110, der differentielle Widerstand der Basis-Emitterdiode beträgt rBE1 = 6,5 Ω.
a) Wie groß ist der Kollektorwiderstand RC1? (Ersatzwert: RC1= 16,67 Ω)
b) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade der ersten Stufe ins Ausgangskennlinienfeld.
c) Wie groß muss IB1 sein, damit sich am 1. Transistor eine Kollektor-Emitterspan- nung UCE1 = 5 V einstellt? Dimensionieren Sie für diesen Fall den Widerstand RB.
3.3 Die Verstärkerstufe 2 wird in ihrem Arbeitspunkt mit einem Basisstrom IB2 = 5 mA betrieben. RC2 beträgt 10 Ω, für die Widerstände R1 und R2 gilt: R2 = 12 R1
a) Ermitteln Sie aus der Eingangskennlinie die Spannung UBE2 im Arbeitspunkt.
b) Wie groß sind R1 und R2? (Verwenden Sie für die Berechnung keine Näherungen!)
c) Wie groß ist die Spannung UCE2 im Arbeitspunkt? Welche Verlustleistung P2 wird da- bei vom zweiten Transistor als Wärme abgegeben?
Aufgabe 4 (ca. 13 Punkte)
Eine Leuchtdiode wird durch kurzes Schließen eines (Tast-)Schalters eingeschaltet. Nach dem Loslassen (Öffnen) des Schalters leuchtet sie für eine gewisse Zeit weiter, bevor sie wieder ausgeht. Die Abbildung zeigt die dazu verwendete Verzögerungsschaltung:
Alle Operationsverstärker haben eine maximale Ausgangsspannung von ±5 V.
Beim Schließen des Schalters wird der Kondensator auf eine Spannung von u1 ≈ 5 V aufgela- den. Wird der Schalter zum Zeitpunkt t0 wieder geöffnet, entlädt sich der Kondensator über den Widerstand R2. Während dieses Entladevorgangs verändert sich die Spannung u1:
10kΩ 100µF
τ mit e
5V (t)
u τ
t t 1
0
4.1 Geben Sie die genaue Funktion der Teilschaltungen I, II und III an.
- Welcher Zusammenhang besteht jeweils zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung bei jeder der drei Teilschaltungen? (Formel oder Skizze angeben!)
4.2 Der Kondensator ist voll aufgeladen. Zum Zeitpunkt t0 = 0 s wird der Schalter geöffnet.
Zu welchem Zeitpunkt t1 ist u1 auf 1 Volt gesunken?
4.3 Zeichnen Sie die Verläufe von u2, u3 und u4 in das folgende Diagramm.
Aufgabe 5 (ca. 11 Punkte)
Vervollständigen Sie für die untenstehende Schaltung die Zeitdiagramme! Bei den Flip Flops handelt es sich um positiv flankengetriggerte Master Slave Flip Flops mit Prioritätseingängen (Aktiv low).
T
S
R
A
B
C
X
--- Viel Erfolg!!! ---
T
1J
Q S
1K R
Q C1 1J
Q S
R 1K
Q C1
1J
Q S
R 1K
Q C1
&
5 V S
5 V
R
A B C
X
t
