Elektronik II 2. Groÿe Übung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal

Elektronik II 2. Groÿe Übung G. Kemnitz Institut für Informatik, Technische Universität Clausthal
Elektronik II
2. Groÿe Übung
G. Kemnitz
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4. Mai 2015
G. Kemnitz
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1. Brückengleichrichter
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Brückengleichrichter
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1. Brückengleichrichter
Aufgabe 2.6: Brückengleichrichter
Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion des nachfolgenden
Brückengleichrichters
1 mit vier Schottky-Dioden vom Typ BAT431 und
2 mit vier Siliziumdioden vom Typ 1N4148.
im Bereich −3 V ≤ Ue ≤ 3 V.
D1
D3
D2
D4
Ue
1
RL
200 Ω
Ua
Besorgen Sie sich das Modell der Schottky-Dioden Typ BAT43 aus dem
Internet.
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1. Brückengleichrichter
Modell für die BAT43 ndet man z.B. hier:
http://www.ee.siue.edu/~alozows/courses/PowerElectronics/spice/SoftOnMosfet/DIODE_ST_10.lib
In einer Datei im selben Verzeichnis wie die Schaltung
speichern.
Schaltung eingeben.
Dierenzspannung über dem Widerstand anzeigen.
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1. Brückengleichrichter
Statt der anderen Diode bietet es sich an, mit der Step-Funktion
die Schaltung mit beiden Dioden nacheinander zu simulieren.
Welchen oensichtlichen Vorteil hat eine Schottky-Diode in
einem Brückengleichrichter?
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2. Spannungsstabilisierung
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Spannungsstabilisierung
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2. Spannungsstabilisierung
Aufgabe 2.7: Spannungsstabilisierung
Gegeben sei der nachfolgenden Längsregler zur Stabilisierung der
Spannung Ua .
Ue
R1
RL
Ua
Z-Diode: BZX84C6V2L
Transistor: BC 547B
Bestimmen Sie die Ausgangsspannung Ua in Abhängigkeit der
Eingangsspannung Ue im Bereich von 5 V ≤ Ue ≤ 10 V mit
R1 = 1kΩ und RL = 100 Ω.
2 Legen Sie R1 so fest, dass bei einer Eingangsspannung von 8 V
und einem von 1 kΩ bis 10 Ω absinkenden Lastwiderstand RL die
Ausgangsspannung in guter Näherung konstant bleibt und bei
weiterer Verringerung des Lastwiderstands RL der Laststrom IL
nicht weiter absinkt (Lösen durch Probieren.).
Hinweis: Die Berechnung einer ähnlichen Schaltung nden Sie in
Elektronik I, F3, Abschn. 1.6 (Spannungsstabilisierung).
1
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2. Spannungsstabilisierung
Wiederholung aus Elektronik I
IL
Ik
UQ
UV
Prinzip:
Bipolartransistor mit
konstantem Basispotenzial, z.B. erzeugt mit
einer Z-Diode im Durchbruchbereich.
Ersatzschaltung mit Z-Diode im Durchbruchbereich
β · IB
IL
Zweipolverhalten aus
der Schaltungssicht
UBEF
IB
UQ
G. Kemnitz
Ik
M
RB
IL
UV
UBR
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RB
1+β
UBR − UBEF
UV
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2. Spannungsstabilisierung
Strombegrenzungsmodus
Der gesamte Strom Ik ieÿt in die Basis
β · Ik
IL
Zweipolverhalten aus
der Schaltungssicht
(1 + β) · Ik
UBEF
UQ
Ik
RB
UV
UV
Laut Ersatzschaltung ideale Stromquelle.
Begrenzungsstrom streut, da proportional zu β .
Stabilisierte Spannung übernimmt die Streuungen von UBEF
des Transistors und von UBR der Z-Diode.
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2. Spannungsstabilisierung
1
Bestimmen der Ausgangsspannung Ua in Abhängigkeit der
Eingangsspannung Ue im Bereich von 5 V ≤ Ue ≤ 10 V mit
R1 = 1kΩ und RL = R2 = 100 Ω.
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2. Spannungsstabilisierung
2
Legen Sie R1 so fest, dass bei einer Eingangsspannung von 8 V
und einem von 1 kΩ bis 10 Ω absinkenden Lastwiderstand RL = R2
die Ausgangsspannung in guter Näherung konstant bleibt
Bei Ua ≈ 5 V und RL = R2 = 10 Ω ieÿt etwa ein Strom von
0,5 A. Nächste Folie Zusatzkontrolle, dass die Ausgangsspannung
bis zu einem Laststrom von 0,5 A etwa konstant bleibt und dann
steil
abfällt.
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2. Spannungsstabilisierung
Hat die beiden vorhergesagten Arbeitsbereiche.
Wie groÿ sind die Anstiege (Widerstände) in den beiden
Arbeitsbereichen?
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2. Spannungsstabilisierung
Stromwerte auf zwei pro Arbeitsbereich reduzieren.
Im Waveform Viewer File => Export => V(a).
il V(a)
5.000000000000000e-002 5.593485e+000
4.500000000000000e-001 5.208362e+000
5.500000000000000e-001 4.894452e+000
7.500000000000000e-001 2.288484e+000
5,52 V − 5,21 V
4,89 V − 2,29 V
RErs1 =
= 0,77 Ω; RErs2 =
= 13 Ω
450 mA − 50 mA
750 mA − 750 mA
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3. Transistorinverter
G. Kemnitz
Transistorinverter
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3. Transistorinverter
Aufgabe 2.8: Transistorinverter
Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion Ua = f (Ue ) für den
nachfolgenden Transistorinverter im Bereich 0 ≤ Ue ≤ 5 V.
R1
10 k
RC
1k
5V
D2 D3 Q1
Ue
D1
R2
10 k
Ua
D1 bis D3: 1N4148
Q1: BC547B
Hinweis: Die Arbeitsbereiche, lineare Ersatzschaltungen und
Berechnung siehe Elektronik I, F3, Elektronik I, Abschn. 1.5
(DT-Gatter).
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3. Transistorinverter
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4. Verstärker mit MOS-Transistor
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Verstärker mit MOS-Transistor
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4. Verstärker mit MOS-Transistor
Aufgabe 2.10: Verstärker mit MOS-Transistor
Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion Ua = f (Ue ) für den
nachfolgenden Verstärker mit einem MOS-Transistor 2N7002 im
Bereich 0 ≤ Ue ≤ 5 V.
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RD
1k
5V
M1
Ua
Ue
·
RS
100 Ω
M1: 2N7002
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4. Verstärker mit MOS-Transistor
Bei Wahl des Arbeitspunkt Ue = 2 V ergibt .tf V(a) V:
Transfer_function: -7.33695 transfer
ve#Input_impedance: 1e+020 impedance
output_impedance_at_V(a): 1000 impedance
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5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV
Nichtinvertierender Verstärker mit
OV
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5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV
Aufgabe 2.11: Nichtinvertierender Verstärker mit
OV
Entwerfen Sie mit einem Operationsverstärker vom Typ
TLC07X, Versorgungsspannungen ±5 V, einen
nichtinvertierenden Verstärker mit der Verstärkung:
vu =
1
2
Ua
=5
Ue
Bestimmen Sie die Übertragungsfunktion.
Lesen Sie aus der Übertragungsfunktion ab, für welchen
Eingangsspannungsbereich die Schaltung als Verstärker
nutzbar ist.
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5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV
Wiederholung aus Elektronik I
R2
U =0
Ue
Ua
R1
UR1 =
R1
R1 +R2
· Ua
R1 + R2
· Ue
R1
Mögliche Widerstandswerte für vu = 5:
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Ua =
R1 = 25 kΩ
R2 = 100 kΩ
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5. Nichtinvertierender Verstärker mit OV
Datei TLC07x.mod von der Webseite zur Vorlesung in das
Arbeitsverzeichnis laden.
In LTspice [Opamps] > Opamp2 verwenden.
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6. Verstärker aus 2 Transistoren
G. Kemnitz
Verstärker aus 2 Transistoren
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6. Verstärker aus 2 Transistoren
Aufgabe
BC457C
T2
UV = 5 V
Ia
Ie
Legen Sie für den nachfolgenden
Transistorverstärker R1 und R2
R1
Ua
T1
so fest, dass die Spannungsverstär- Ue
BC547C
kung vu = dd uuae = 20 und der EinR2
d ue
gangswiderstand re = d ie
Transistoren: β > 200
mindesten 100 kΩ beträgt.
UBEF ≈ ±0,7 V
1
2
3
4
5
Lineare Ersatzschaltung mit Transistoren im Nomalbereich.
Gleichungen für Ie = f (Ue ) und Ua = f (Ue ) abschätzen.
Daraus Gleichungen für vu und re daraus ableiten.
Widerstandswerte festlegen.
Kontrolle durch Simulation: Kennlinie bestimmen,
Arbeitspunkt festlegen, vu und re im Arbeitspunkt
bestimmen, nachbessern, ...
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6. Verstärker aus 2 Transistoren
Lineare Ersatzschaltung
5V
-0,7 V
Ie
Ue
200 · IB2
IB2
0,7 V
a
200 · Ie R2
R1
Ue = UBEF + Ie · 1 + β + β
Eingangswiderstand: re ≈
Auswahl: R2 = 22Ω
Ua ≈ UR2 ·
2
β2
· R2
· R2
R1 +R2
R2
Auswahl: R2 = 430Ω
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6. Verstärker aus 2 Transistoren
Übertragungsfunktion und Arbeitspunkt
Der Arbeitspunkt soll bei Ue = 0,6 V liegen.
Mit .tf V(a) Ve ergibt sich im Arbeitspunkt ein
Eingangswiderstand von 5 MΩ und eine Verstärkung von
≈ 16.
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6. Verstärker aus 2 Transistoren
Variation von
R2
zur Anpassung von
vu
Bei R2 = 550Ω ist die Verstärkung genau 20. Achtung, die
Simulation berücksichtigt keine Streuungen der Bauteilparameter.
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7. CMOS-Inverter als Verstärker
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CMOS-Inverter als Verstärker
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7. CMOS-Inverter als Verstärker
Aufgabe 2.16: CMOS-Inverter als Verstärker
Der nachfolgende mit zwei
Widerständen beschaltete
CMOS-Inverter ist ein
Verstärker.
1
2
Bestimmen Sie für den Arbeitspunkt Ue = UV /2 die
Verstärkung und den Ausgangswiderstand.
Änderungsvorschlag zur Einstellung der Verstärkung -20?
G. Kemnitz
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7. CMOS-Inverter als Verstärker
Lösung zum Vergleich
1
Verstärkung und Ausgangswiderstand für Ue = UV /2
Transfer_function: -8.62877 transfer
ve#Input_impedance: 11424.1 impedance
output_impedance_at_V(a): 150.685 impedance
2
Änderungsvorschlag zur Einstellung der Verstärkung -20?
R2 muss etwa bei
20
· 100 kΩ = 232 kΩ
8, 629
liege. Kontrolle mit durchsteppen von R2 .
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