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Hochschule München Wintersemester2016/17 Prof. Dr.-Ing.Fakultät 03 Aufgabenteil Elektronik Tilman Küpper

Zugelassene Hilfsmittel: Man.—Nr.: Name, Vorname:eigene Formelsammlung,

Taschenrechner Hörsaal: Unterschrift:

Vie/Erfolg!! A 1 2 3 4 ! N

P AO A6A6\36 «aEine Leuchtdiode wird durch kurzes Schließen eines Schalters Eingeschaltet. Nach dem Loslassen(Öffnen) des Schalters leuchtet sie zunächst weiter, bevor sie nach einer bestimmten Zeit automatischwieder ausgeht. Die Verzögerungsschaltung ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Aufgabe 1: Operationsverstärker(ca. 10 Punkte)

uli

; zum 1,5v u2 ; Di: i

$ v \?|_

--J.

Alle Operationsverstärker haben eine maximaleAusgangsspannung von 15 V.

Bei geschlossenem Schalter wird C1 in sehr kurzer Zeit auf eine Spannung von ul = 5 V aufgeladen.wird der Schalter zum Zeitpunkt t„ = 05 geöffnet, entlädt sich der Kondensator C1 über den WiderstandR2, die Spannung ul sinkt exponentiell ab. (Zum Zeitpunkt t; = 4,8s beträgt ul nur noch W.)

1.1. Geben Sie die prinzipielle Funktion der beiden Operationsverstärkerstufen OP1 und OP2 an.Beschreiben die Zusammenhänge zwischen den Ein» und Ausgangsspannungen der beidenStufen jeweils durch eine Formel oder eine passende Skizze.

OM : kowramlor (‚im SiemuÄ>‚(6‘V f‘9(A :—g\/ 2(M<45V »«> (A2 +9\/

0913 _\L4verjräcrmolzr Vw“vl<ex

uZ=—%uz=qpul 9_

H

Winggbaftsinggnieurwgsen Automobilindustrie Bachelorgrüfung Seite 2 von 5

1.2. Nehmen Sie an, dass die Spannung u3 am Ausgang des rechten Operaiionsverstärkers 2,5 Voltbeträgt. Berechnen Sie den Strom, der in diesem Fall durch die Leuchtdiode D1 fließt.(Daten der Leuchtdiode: Us : 1,5V und r; = 500).

; \5011

3 LED: (msi/(SN: [90+€o) .(i.501).

= __ :'l.SV l &45v

LED F9ILE°AOO.IL

=AV ÄOAMA

1.3. Zeichnen Sie den Verlauf der Spannungen u2 und u3 in das vorbereiteteDiagramm:

'@ Schalter gedrückt9

mt4‚$\/a"h

Wirtschaftsingenieurwesen Automobilindustrie Bachekarmüiung Seite 3 von 5

lnms(sl>1“Aufgabe 2:

cha.10 Punkte)

Die nebenstehende Abbildung zeigt die Schaltungeiner einfachen Sensortaste: Wenn die KontakteAB mit dem Finger überbrückt werden, ändert sichdie Ausgangsspannung Ua.

Das Ausgangskennlinienfeld des Transistors ist un-ten auf dieser Seite abgebildet. Die Eingangskenn—linie des Transistors ist nicht abgebildet, gehen Sie

stattdessen vereinfachend von Use = 0,6 V aus.

derstands RL in das AusgangskennlinienfeldQ]2.1. Zeichnen Sie die Arbeitsgerade des Lastwi—

ein.

(R1=15kn

o.e \/

2.2. Herr K. überbrückt die Kontakte A8 mit seiner Fingerspitze (Widerstand: R;q„„„ = 100 kn). Wiegroß ist der Strom IB? Wie groß ist die Spannung UA? Markieren Sie diesen ersten Arbeitspunktim Ausgangskennlinienfeld.

)l

13 .(A'2v—oßv): Qimkfl+ls*kitl = 33.13 gli

100

U V20

c5[]

u„=1zv

Wirtschaftsin enieurwesen Automobilindustrie Bachelor rüfun Seite 4 von 5

2.3. Frau B. überbrückt die Kontakte AB mit ihrem Ring (Widerstand RW = 0,1 ()). Wie groß sind la

und UA nun? Markieren Sie auch diesen zweiten Arbeitspunkt im Ausgangskennlinienfeld.

1%: @N—QW)rÜM£JÄYWÜ=EQLÄ

‚.,“CE = AA \/ [age(0xi%)

rÜUA:WF=AÄV

2.4. Wie groß ist die Leistung, die in Unterpunkt 2.3 am Transistor in Wärme umgesetzt wird?

Ic ';SS_}MA ("(%rb/mu)

Uw=ÄJV

»mfmvwm=mWw

25. Wozu dient der Widerstand R)?

% ßenwdM/YMÜSJW$

.[(;

Otu«i ““A“ + “AB MJ4IQSS Wr‘l’0!.

_A15mnl-m Wu70& (Än (fine/mim oh»?

lmmfil«s %Dl'ouA’ mn1m —dÄq Erw?

hi— KM w(‚gaiaoküdaw .?

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Aufgabe 3: Halbleiterphysik, Diode (ca. 10 Punkte)3.1. Skizzieren Sie den inneren Aufbau einer Gleichrichterdiode. Hinweis: Die Diode ist nicht an eine

Spannungsquelle angeschlossen, alle Anschlüsse der Diode sind offen. Die unterschiedlichenHalbleiterbereiche inkl. Raumladungszone und die Namen der Anschlüssesollen erkennbarsein.

n-ll«lbhii«r Haibl<ulor

r%rF—/\-s f"°33%? Akkrlq

Kalh0dß. -

Rmh_\Akkphfr—ll-5rsk,Qß„ (o—rl4Ml

Wlan _— Hit hmm ‘Domhw“01%”-+mm nme; l+w;ldl<.» + („man

3,2.Schreiben

Sie an alle Halbleiterbereiche aus Unterpunkt 3,1.‚ welche Arten von Ladungsträgern

2] (freie Elektronen oder Löcher, ortsfeste positiv oder negativ geladene Störstellen?) sich dortbefinden. Tipp: Ortsfeste geladene Störstellen befinden sich in allen Bereichen der Diode.

3.3. Eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Widerstandwird an eine sinusförmige Wechselspannung mit einer

uA „5Frequenz von 50 Hz angeschlossen. \) =J'i. ’lZV= 43 \/ 12V

4_ 4; Zeichnen Sie in schwarzer Farbe den zeitlichen Verlaufder Ein-gangsspannung (Um = 12 V) in das vorbereiteteDiagramm.

1U“

setzt (U; = 0 v und rf = 0 n). Zeichnen Sie in roter Farbe den 5“ H1

zeitlichen Verlaufder Spannung Un.

3 % Als Diode wird nun eine „ideale“ Zenerdiode mit folgenden Daten eingesetzt: UZ = 10 V, (1 = 0 n,Us = 0 V, r,: 0 n‚ Zeichnen Sie in blauer Farbe den neuen zeitlichenVerlauf der Spannung U„.

%; Als Diode wird zunächst eine „ideale“ Gleichrichterdiode einge-

U(t) [V]

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Aufgabe 4: Halbleiter (ca. 15 Punkte)Hinwei : Der nter unkt 4.5 kann unabhän i

vom Rest dieser Auf abe elöst werden!

Ein Halbleiterplättchen aus Silizium mit einer Fläche A: 0,1 cm1 und einer Dicke d = 1 mm soll bei einerStromstärke !

= 50 A höchstens eine Verlustleistung P = 2 W aufweisen.

Eigenschaften von Silizium bei Zimmertemperatur (T: 300 K): Bandabstand Es = 1,1 ev; Eigenleitungs-dichte n| : 1,5-1010cm'3; Beweglichkeitder freien Elektronen u„ 2 1350 cm1/Vs; Löcherbeweglichkeitu,; = 480 cmz/Vs; Durchbruchfeldstärke Em = 105 V/cm; Elementarladung e = 1,602-10’15As; Boltzmann-konstante k = 1,38-10'23 J/K

4.1. Welchen Widerstand R darf das Plättchen höchstens haben? (Ersatzwert: 1 mn)

'P=2W=I-=R»i2 W=g_sz_L_|_1

4.2. Welche elektrische Leitfähigkeit |< muss es mindestens aufweisen? (Ersatzwert: 105“L—)

14al

: ownÜ OJXDÜL' 0Ä-(QOWP

Milo;—-

_5|__ || '

R‘3'A‘ TL31

ll—||

443. Mit welcher Akzeptordichte NA muss es datiert werden, damit die geforderte elektrischeLeitfähigkeit bei Zimmertemperatur (T = 300 K) erreicht wird?

||.-|| |||„|„ |||ne v%, „|||il l’„„„ „)Veru «S)|3W.

3‘ (}‘PF°7°‘“**MP_„ 4.75 |a‘R . |\l| _

"' —3

“fle p„ |'nm.|.eoz.|o““l\tum(o(o|wnz—Ä£__31l_0__034

4.4 Bei Zimmertemperatur (T = 300 K) kann davon ausgegangen werden, dass alle Akzeptor-Störstellen ionisiert sind. Wie verändert sich derWiderstand des Halbleiterplättchens qualitativ,wenn die Temperatur darüber hinaus (a) etwas bzw, (b) stark erhöht wird? (Kurze Begründung!)

a) )}er &am- MA‘J|/t (||; knuv waiuixtu veruad|lo}'x||jjrw

b) \|J1zw dmdä3/\EMMW{£ "(| 91 S('MLom { das)

|||; ||| dm Vo MM —odu so Ola»rü\pe‚r WW $im3l ] da||||ä Wü!» Mou‘4

(Age/[leraß.

mim.

Cf(

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4.5, Die nebenstehende Abbildung zeigt die Mi- Minoritätsträgerdichtenoritätstr'a‘gerdichten einer in Flussrichtung in cm‘3gepolten Siliziumdiode. Die aktive Fläche der ANODE KATHODEDiode sei A = 25 um'.

Wie groß sind die Diffusibnsströme |„‚mrr und Freie 34015l„‚g.« bei Zimmertemperatur (T = 300 K) auf- Elektronen Löchergrund der Veränderung der Minoritätsträ-gerkonzentration in den jeweiligen Gebieten?

Ort )(Wie groß ist der Gesamtdiffusionsstrom ImderMinoritätsträger? -0,75 um 1 um

Loui= +AtTllw°‘"'lklr‘yxlli.-‘%Ho”4weizf“°F-‘lli *

0.45lmeson)

:.]igfiL@/lk (Muß!)_—{ »‘T

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W=+3‘1?r‘i&@"° -Tdßfl =Ivilulrj' +Ig>.chj

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Aufgabe 5: Digitaltechnik, Mikrocontroller (ca. 15 Punkte)Hinweis: Die unter unkte 5.1.-5.3. und SA.—5,5. können_u@ i voneinander bearbeitetwerden!

An die Ausgänge B4, BS, BS und B7 des Mikrocontrollers ATmega$515sind vier Leuchtdioden mit pas»senden Vorwiderständen angeschlofisen. Die Leuchtdioden leuchten, falls am jeweiligen Ausgangeine„logische Eins” ausgegeben wird, Auf dem Mikrocontroller wird das folgende Programm ausgeführt:

#defi ne F_CFU 1843200Ul.223332 2332523233232?” rn ....... . mi333332 3159333» 4 4 4 4 o o 00int main(void) (Aufgabe 5‘“

%DDRB = °2_q.d}- ./ 4-6Q+4-429=_2_4_0_

while(l == 1)

sb1' (PORTB, 7); „delay_ms(1000);c_QL(PORTB

, 7): _de'lay_ms (1000);3eturn

O;}

5.1, Welcher Wert muss in das Register DDR8 geschrieben werden, damit die Anschlüsse B4, BS, BSund B7 des Mikrocontrollers als Ausgängeverwendet werden können? Schreiben Sie den korrek-ten Wert an die vorbereiteteStelle im Quelltext!

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5.2. Wie verhalten sich die Leuchtdioden, wenn das CProgramm ausgeführt wird?\_‚/

|LED um %} b[m\c[ AMA'[ ‚\= ÜYHi—(=Äs am Äs („|/„....‘A\\C MMA \£Ds [MLM/| wmo\mcj[ml[c[—

5.3. Mit welchen Befehlen können alle vier Leuchtdioden gleichzeitig eingeschaltet werden?

sb| (?otzrig ||), s|;|(|>orzre. s);sl;£[90RTE.;G) slä(|>oßrß.f|);

5.4. Die abgebildete Schaltung aus positivflankengetriggerten JK-Master/Slave-Flipflopsbesitzt zweiEingänge DAT und CLK sowie vier AusgängeQ1...Q4. Die Leuchtdioden leuchten, falls am jewei-ligen Ausgang eine „logische Eins" ausgegeben wird. Zeichnen Sie den Verlauf der Signale Qi,GZ, 03, 04 in das vorbereiteteDiagramm!

CLK'F__"—_____DAT [’] |"I

Q1}

i

‚ „2.oz

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= A;‚ tl5.5. Nennen Sie _zyvei Beispiele, wozu Schieberegister in der Praxis verwendetwerden können.

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