Aufgabensammlung Elektronik I

Aufgabensammlung Elektronik I
Arbeitsmaterial zum vertiefenden Studium
Prof. Dr.-Ing. S. Tschirley letzte ”Anderung: 14. September 2011
T1
IC,1
IB,1
I1
IE
IB,2
Aufgabensammlung
T2
IC,2
C2
C1
u E
+UB
R3
R1
R2
T1
C3
C4
R4
R7
R5
R6
T2
R8
u A

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INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS
Inhaltsverzeichnis
1 Grundlagen der Halbleiterphysik 3
1.1 Wissensfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 pn-Übergang 5
2.1 Wissensfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Dioden 7
3.1 Wissensfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.2 Rechenaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Gleichrichter und Spannnungsvervielfacher 19
4.1 Wissensfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 Rechenaufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5 Feldeffekttransistoren 23
5.1 Lineare MOSFET-Schaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
6 Bipolarer Transistor 29
6.1 Wissensfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
6.1.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.2 Rechenaufgaben zur Arbeitspunkteinstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
6.3 Wechselsignalersatzschaltbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6.4 Transistor als Schalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
6.5 Wechselsignalersatzschaltbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
A SS2009, B-EK Erste Teilklausur vom 16. Mai 2009 45
B SS2009, B-EK Erste Teilklausur vom 16. Juli 2009 47
C SS2009, B-EK/B-ME, Klausur vom 25. September 2009 51
D SS2010, B-ME, Klausur vom 30. Juni 2010 57
E SS2010, B-ME, Erste Teilklausur vom 25. Mai 2010 61
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INHALTSVERZEICHNIS INHALTSVERZEICHNIS
F SS2010, B-ME, Zweite Teilklausur vom 20. Juli 2010 65
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Kapitel 1
KAPITEL 1. GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK
Grundlagen der Halbleiterphysik
1.1 Wissensfragen
1. Aufgabe: Eigen- und Störstellenleitung
Was versteht man unter der Eigenleitung eines Halbleitermaterials im Unterschied zur Störstellenleitung?
2. Aufgabe: Thermodynamisches Gleichgewicht
Wodurch ist das thermodynamische Gleichgewicht gekennzeichnet?
3. Aufgabe: Ladungsträgerdichten
Wovon hängen die Dichten von Elektronen und Löchern in einem reinen, undotierten Halbleiter ab?
4. Aufgabe: p-dotierter Halbleiter
In einem p-dotierten Halbleiter befinden sich sehr viele Löcher, aber nur wenige freie Elektronen –
warum ist das Material dennoch nach aussen elektrisch neutral? Was ändert sich mit steigender Temperatur?
5. Aufgabe: Generations- und Rekombinationsrate
Wovon sind die Generationsrate G und die Rekombinationsrate R in einem Halbleitermaterial ab. Geben
Sie an, wlecher Proportionalitätszusammenhang besteht. Welchen Einfluss hat eine Dotierung?
6. Aufgabe: Bändermodell
Skizzieren Sie die Bändermodelldarstellung von
1. Leiter
2. Isolator
3. n-dotiertem Halbleiter
4. p-dotiertem Halbleiter
7. Aufgabe: Ladungsträgerkonzentration als Funktion der Temperatur
Skizzieren Sie die Ladungsträgerdichte n als Funktion der Temperatur T in einem n=dotiertem Halbleiter.
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KAPITEL 1. GRUNDLAGEN DER HALBLEITERPHYSIK 1.1. WISSENSFRAGEN
Hinweis: Tragen Sie auf der y-Achse den natürlichen Logarithmus der Dichte ln(n) auf.
8. Aufgabe: Modell des Elektronengases
Mit welchem Versuch kann man das Modell des Elektronengases in Metallen nachweisen?
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Kapitel 2
pn-Übergang
2.1 Wissensfragen
9. Aufgabe: pn-Übergang im thermodynamischen Gleichgewicht
9.1. Diffusion Warum tritt eine Diffusion von Ladungsträgern auf?
9.2. Raumladungszone Warum bildet sich eine Raumladungszone aus?
KAPITEL 2. PN-ÜBERGANG
9.3. Endliche Diffusion Warum endet die Diffusion trotz eines weiterhin vorhandenen Konzentrationsgefälles
der Ladungsträger?
9.4. Diffusionsspannung Warum ist die Diffusionsspannung von außen mit einem Voltmeter nicht
meßbar?
10. Aufgabe: pn-Übergang mit externer Spannung
10.1. Spannungspolung Welche Polung muss eine externe Spannung im Sperrfalle haben, welche im
Durchlassfalle?
10.2. Sperrschichtweite Wie verhält sich die Sperrschichtweite im Sperrfalle, wie im Durchlassfall?
10.3. Strom im Durchlassfalle Welche Ladunsgträger bilden den Strom im Durchlassfall?
10.4. Begriffe Was versteht man unter
1. einer Speicherladung?
2. einer Ladungsträgerlebensdauer?
3. einer Diffusionslänge?
10.5. Bändermodell Beschreiben Sie den Durchlassfall des pn-Überganges am Bändermodell.
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KAPITEL 2. PN-ÜBERGANG 2.1. WISSENSFRAGEN
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Kapitel 3
Dioden
3.1 Wissensfragen
11. Aufgabe: Ausschalten einer Diode
KAPITEL 3. DIODEN
11.1. Beschreibung Beschreiben Sie den Ausschaltverauf einer Diode, wie er in der folgenden Skizze
dargestellt ist.
I
U
1
Ausräumzeit
tS
I5 I6
1
5
5
6
6
Abfallzeit
tf
11.2. Veränderung der Geometrie der Diode Tragen Sie die Verläufe für Strom und Spannung für
den Fall ein, wenn die Widerstände der Bahngebiete kleiner oder größer werden.
12. Aufgabe: Durchbruch
Welche Effekte können zu einem Durchbruch eines pn-Überganges führen?
13. Aufgabe: Differenzieller Widerstand
Was ist ein differenzieller Widerstand?
14. Aufgabe: Z-Diode
In welcher Betriebsrichtung betreibt man eine Z-Diode, um ihre spannungsstabilisierende Wirkung zu
nutzen?
2
2
t
t
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
15. Aufgabe: Betriebsgrenzen der Z-Diode
Skizzieren Sie die Kennlinie einer Z-Diode und markieren Sie die Grenzen des Betriebsbereiches.
16. Aufgabe: Diodenkennlinie
Skizzieren Sie die reale Kennlinie einer Diode und benennen Sie charakteristische Punkte.
Hinweis: Die reale Kennlinie ist nicht linearisiert.
3.2 Rechenaufgaben
ID/A
17. Aufgabe (10 Punkte): Diodenbegrenzerschaltung
Gegeben ist die folgende Diodenschaltung:
UD/V
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3.2. RECHENAUFGABEN KAPITEL 3. DIODEN
uB(t)
D1
ZD1
Für die Bauelemente gelten die folgenden Angaben:
uR
R1
uD1
uZD1
D2
S
uD2
t = 0
uA(t)
Widerstand Dioden Z-Diode Eingangsspannung
R1 = 1kΩ UDX = 0.7V UZD1 = 4, 3V ÛB
rf,Dx = 0Ω
rr,Dx = ∞
rz,ZD1 = 0Ω
fr,ZD1 = 0Ω
= 10V
T = 0, 5s
Der Schalter S ist zunächst offen und wird zur Zeit t = 0 geschlossen werden.
17.1. Ersatzschaltbilder (4 Punkte) Zeichnen Sie Ersatzschaltbilder unter Verwendung der entsprechenden
Diodenersatzschaltbilder für die Fälle
• Fall 1: UB = 0V
• Fall 2: UB = +6V
• Fall 3: UB = −6V bei t < 0
• Fall 4: UB = −6V bei t > 0
Hinweis: • Zeichnen Sie die stromdurchflossenen Zweige
• Zeichnen Sie nur die relevanten Elemente der Ersatzsschaltbilder, Widerstände mit dem
Wert 0Ω können Sie weglassen.
17.2. Signalamplituden (3 Punkte) Welchen Maximalwert ÛA hat die Ausgangsspannug uA(t)
• UB = + ÛB
• UB = − ÛB und t < 0
• UB = − ÛB und t > 0
17.3. Signalzeitverlauf (3 Punkte) Tragen Sie den Verlauf der Ausgangsspannung uA(t) in das
Diagramm ein. Für die Dioden gilt immer noch rf,Dx = 0, rz,ZD1 = 0Ω.
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
U/V
10
8
6
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
t = −T
18. Aufgabe (10 Punkte): Dioden
t = 0
Das folgende Netzwerk wird von einer Sägezahn-Spannung ue(t) gespeist:
UE
uR
R1
Es gilt URef = 4V
URef
D1
UA
uE
V
10
-10
t = T
t/s
0,25 0,5 0,75 1 1,25 t s
18.1. Ersatzschaltbild (2 Punkte) Zeichnen Sie das Netzwerk unter Verwendung des vollständigen
Ersatzschaltbildes der Diode (Hinweis rR → ∞).
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3.2. RECHENAUFGABEN KAPITEL 3. DIODEN
18.2. Diodenstrom (5 Punkte) Geben Sie die Bedingung an, unter der die Diode leitet.
18.3. Zeitverlauf der Ausgangsspannung (3 Punkte) Bestimmen Sie für die gegebene Eingangsspannung
ue(t) die Ausgangsspannung ua(t) für den Fall einer realen Diode und zeichnen Sie deren
zeitlichen Verlauf in das Diagramm ein. R = 800Ω, URef = 4V , UT 0 = 1V , rF = 0Ω
uA
V
10
-10
0,25 0,5 0,75 1 1,25 t s
19. Aufgabe (12 Punkte): Stabilisierungsschaltung mit Z-Dioden
Gegeben ist die folgende Stabilisierungsschaltung mit einer Z-Diode.
UE
Hierin ist UE = 18V, RV = 390Ω, RL = 620Ω und IZ = 20mA.
RV
Für die Z-Diode wurden die folgenden Angaben aus dem Datenblatt entnommen:
• UZ = 6, 1V bei IZ = 5mA
• rZ = 10Ω
• Ptot,Z = 250mW
IRV
D
19.1. Strom im Lastwiderstand (3 Punkte) Wie Groß wird der Strom IA, der durch den Lastwiderstand
fließt?
[ Kurzlösung IA = 10mA ]
Lösung:
IZ
UA
IA
RL
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
IRV = UE − UZ
RV
= 18 − (6, 1 + 15 · 10Ω)
390Ω
= 30 (3.1)
IA = IRV − IZ = 30 − 20 = 10 (3.2)
19.2. Veränderung des Lastwiderstandes (3 Punkte) Wie verändert sich die Ausgangsspannung
UA, wenn der Lastwiderstand durch einen Widerstand RL = 310Ω ersetzt wird? [ Kurzlösung ∆UA =
−100mV ]
Lösung:
IA,neu = 20
10 10
UZ UA
∆UA = ∆UZ = −∆IZ · rZ = −100 (3.3)
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3.2. RECHENAUFGABEN KAPITEL 3. DIODEN
19.3. Unbelasteter Fall (3 Punkte) Ist der Betrieb der Schaltung im Leerlauf zulässig?
Lösung:
IZ RV
IZ,L = UE − UZ
RV
= 30 (3.4)
PZ,L = UZ · IZ,L = 6 · 30 = 180 (3.5)
19.4. Maximaler Z-Diodenstrom (3 Punkte) Welcher maximale Strom IZ,max darf durch die
Z-Diode fließen? [ Kurzlösung IZ,max = 39, 1mA ]
Lösung:
IZ,max
UZ,max = UZ,0 + rZ · IZ,max
PZ,max = (UZ,0 + rZ · IZ,max) IZ,max
(3.6)
(3.7)
I 2 UZ,0
Z,max + IZ,max −
rZ
PZ,max
= 0 (3.8)
rZ
IZ,max,1,2 = − UZ,0
2rZ
±
U 2 Z,0
4r 2 Z
+ Ptot,z
, (3.9)
rZ
IZ,max,1 = 39, 1 (3.10)
20. Aufgabe (12 Punkte): Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode
Am Eingang der Stabilisierungsschaltung liegt eine Gleichspannung US , der eine Störspannung ∆US
überlagert ist (Welligkeit mit 100s −1 ). Ausgangsseitig wird eine Spannung UL gemessen, der ebenfalls
eine Ausgangsspannungsänderung ∆UL überlagert ist.
Es soll nun die Wirkung der Störspannung ∆US betrachtet werden.
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
US
∆US
RV
D1
RL
Uz = 15V
rz = 10Ω
UF = 0, 7V
rF = 1Ω
RL = 600Ω
∆US = 500mV
∆UL = 5mV
Iz,min = 1mA
20.1. Ersatzschaltbild (3 Punkte) Zeichnen Sie das Ersatzschaltbild der Schaltung unter Verwendung
des Ersatzschaltbildes der Z-Diode.
20.2. Bestimmung des Vorwiderstandes (6 Punkte) Bestimmen Sie rechnerisch den Vorwiderstand
RV so, dass die geforderte Restwelligkeit der Ausgangsspannung von ∆UL = 5mV erreicht wird.
Wählen Sie für RV den nächsten Normwert. Bestimmen Sie die sich dadurch ergebende Welligkeit der
Ausgangsspannung ∆UL. [ Kurzlösung RV = 973, 8Ω ]
20.3. Versorgungsspannung (3 Punkte) Wie groß muss der Mittelwert der Versorgungsspannung
US sein?
Hinweis: Hier ist der unüberlagerte Wert der Gleichspannungsquelle gemeint.
21. Aufgabe: Diodenschaltung
Das folgende Netzwerk mit zwei baugleichen, realen Dioden wird von der Spannung ue(t) gespeist:
ue(t)
R1
R3
D2
D1
R2
ua(t)
ue(t)/V
5
0,5 1 1,5
21.1. Ersatzschaltbild a) Zeichnen Sie das Netzwerk unter Verwendung des Ersatzschaltbildes der
Diode (Hinweis rR → ∞).
b) Geben Sie die Bedingungen an, für die die Dioden leiten.
21.2. Diodenstrom und Ausgangsspannung (2 Punkte) Geben Sie die Bestimmungsgleichungen
für ie(t) und ua(t) in Abhängigkeit aller Widerstände, ue(t) und UT 0 im Intervall 0s < t ≤ 2s an.
UT 0 = 1V
21.3. Zeitverlauf Eingangsstrom und Ausgangsspannung Skizzieren Sie unter Angabe charakteristischer
Punkte (mit Rechnung!) den zeitlichen Verlauf des Stromes ie(t) und der Spannung ua(t) im
Intervall 0s < t ≤ 2s. R1 = 800Ω, R2 = 1100Ω, R3 = 100Ω, rF = 100Ω, UT 0 = 1V
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t/s

3.2. RECHENAUFGABEN KAPITEL 3. DIODEN
ie(t)/mA
ua(t)/V
22. Aufgabe: Diodenschaltung
0,5
1
1,5
0,5 1 1,5
Skizzieren Sie den Verlauf der Ausgangsspannung UA für die gegebene Schaltung. Alle Widerstände sind
gleich, die Dioden sind als ideale Dioden zu betrachten. Die Eingansspannung ist uE(t) = 5V sin(2πt).
uE(t)
R1
D1
D2
R2
23. Aufgabe (10 Punkte): Diodenbegrenzerschaltung
Gegeben ist die folgende Diodenschaltung:
UE(t)
R3
R1
D2
UA
i2(t) i1(t)
U2
D1
t/s
t/s
UA(t)
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
U/V
10
8
6
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
t = −T
t = 0
Für die Bauelemente gelten die folgenden Angaben:
Widerstand Dioden Spannungen
R1 = 100Ω UDX = 0, 7V ÛB = 10V
rf,Dx = 100Ω U2 = 4V
rr,Dx = ∞
23.1. Ideale Dioden (3 Punkte) Zeichnen Sie den Spannungsverlauf uA(t) bei idealen Dioden
(rF = 0Ω, UT0 = 0V) in das Diagramm ein.
Lösung:
U/V
10
8
6
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
t = −T
t = 0
23.2. Ersatzschaltbilder (3 Punkte) Zeichnen Sie die Ersatzschaltbilder für reale Dioden (Parameter
s. o.) bei den Spannungen
• UE = −9, 5V
• UE = −3V
• UE = +3V
Lösung:
rF
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t = T
t = T
t/s
t/s

3.2. RECHENAUFGABEN KAPITEL 3. DIODEN
UE(t)
UE,min UE,max
• UE = −9, 5
• UE = −3
• UE = +3
UE(t)
R1
R1
UR1
UR1
D1
UrF
UT0
U2
i1(t)
ideal
UA(t)
UE(t) UA(t)
UE(t)
R1
UR1
UrF
UT0
i2(t)
ideal
D2
UA(t)
23.3. Reale Dioden (4 Punkte) Berechnen Sie UA,max und UA,min für reale Dioden. Zeichnen Sie
den entsprechenden Verlauf von uA(t) in das Diagramm ein.
Lösung:
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KAPITEL 3. DIODEN 3.2. RECHENAUFGABEN
• uE ≪ −4V − UT0
UA,min = urF − UT0 − U2
urF
urF
UE,min + U2 + UT0
= rF
rF + R1
(3.11)
(3.12)
UE,min + U2 + UT0
UA,min = rF
− UT0 − U2
rF + R1
(3.13)
−10 + 4 + 0, 7
UA,min = 100Ω − 0, 7 − 4
200Ω
(3.14)
UA,min = −7, 35 (3.15)
• uE ≫ 0 + 0, 7
UA,max = urF
+ UT0
(3.16)
urF
urF
UE,max − UT0
= rF
rF + R1
(3.17)
UE,max − UT0
UA,max = rF
+ UT0
rF + R1
(3.18)
10 − 0, 7
UA,max = 100Ω + 0, 7
200Ω
(3.19)
UA,max = +5, 35 (3.20)
U/V
10
8
6
4
2
0
−2
−4
−6
−8
−10
0, 7V
t = −T
−4, 7V
−7, 35V
5, 35V
t = 0
Seite 18 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I
t = T
t/s

Kapitel 4
KAPITEL 4. GLEICHRICHTER UND SPANNNUNGSVERVIELFACHER
Gleichrichter und
Spannnungsvervielfacher
4.1 Wissensfragen
24. Aufgabe: Einweggleichrichter
Skizzieren Sie die Schaltung eines Einweggleichrichter mit kapazitiver Gläcttung für die Erzeugung
einer negativen Gleichspannung
25. Aufgabe: Brückengleichrichter
Geben Sie die Schaltung eines Brückengleichrichters nach Graetz an.
26. Aufgabe: Drehstromgleichrichter
Geben Sie die Schaltung eines Drehstromgleichrichters an.
4.2 Rechenaufgaben
Die Vorlagedateien zur Simulation befindet sich im Archiv Gleichrichter.zip im Downloadbereich
auf
http://prof.beuth-hochschule.de/tschirley/edu/el1.
27. Aufgabe: Battieladegerät mit Einweggleichrichter
Ein Einweggleichrichter wird mit einer Spannung us = 20V · sin(200πt) gespeist. Es ist Ri = 80Ω,
UB = 12V. Die Diode soll zunächst als ideal angenommen werden.
U S
R i
D 1
U B
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KAPITEL 4. GLEICHRICHTER UND SPANNNUNGSVERVIELFACHER4.2. RECHENAUFGABEN
27.1. Stromverlauf Skizzieren Sie den Stromverlauf über der Zeit.
27.2. Mittelwert des Stromes Berechnen Sie den Mittelwert des Stromes, mit der der Akku geladen
wird.
27.3. Simulation Datei Gleichrichter.sxsch Simulieren Sie die Schaltung und verifizieren
Sie Ihre Ergebnisse.
27.4. Schaltungsnachteile Überlegen Sie – ist diese Schaltung sinnvoll für eine lange Lebensdauer
des Akkus? Geben Sie Vor- und Nachteile stichpunktartig an.
28. Aufgabe: Drehstromlichtmaschine im PKW
In der folgenden Abbldung ist eine Drehstromlichtmaschine eines PKWs zur Ladung der Batterie dargestellt.
Die Spannungsquellen UAB, UBC, UCA repräsentieren die Statorwicklungen und sind in Dreieckschaltung
geschaltet. Nicht dargestellt ist der Regler, der die Rotorwicklungen so versorgt, dass eine
konstante Spannung UM erzeugt wird. Für die Quellen gilt:
U CA
C
U AB
U BC
A
B
UAB = UM sin(ωt) (4.1)
UBC = UM sin(ωt − 120 ◦ ) (4.2)
UCA = UM sin(ωt + 120 ◦ ) (4.3)
28.1. Spannungszeitverlauf Skizzieren Sie den Verlauf der Ladespannung UL. Die Dioden können
als ideal angenommen werden, nährungsweise sei UM so groß, dass immer ein Ladestrom in die Batterie
fliesst (Tipp: Jede Quelle und vier Dioden können als Zweiweggleichrichter aufgefasst werden).
28.2. Ripple Welchen Ripple weist die Ausgangsspannug auf?
28.3. Laden mit 30A Welche Spannung UM muss der Generator liefern, um einen Ladestrom von
IL = 30A zu liefern?
28.4. Simulation Geben Sie die Schaltung in in Simetrix ein. Simulieren Sie die betrachteten Betriebsfälle.
29. Aufgabe: Simulation der Villard Schaltung VillardSchaltung.sxsch
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D1
D4
D2
D5
D3
D6
U L
R
U B

4.2. RECHENAUFGABENKAPITEL 4. GLEICHRICHTER UND SPANNNUNGSVERVIELFACHER
29.1. Inbetriebnahme Simulieren Sie die Villard-Schaltung zur Spannungsverdopplung. Welchen
Einfluß hat eine ohmsche Last, welchen Einfluß hat eine ohmsch-kapazitive Last?
30. Aufgabe: Villard Kaskade VillardSchaltungKaskade.sxsch
30.1. Inbetriebnahme Simulieren Sie die Villard-Kaskade. Welche Ausgangsspannung ergibt sich
für den unbelasteten Fall (RL = 10GΩ). Welche Spannung ergibt sich für RL = 100kΩ? Wie groß muß
ein Glättungskondensator sein, im die Ausgangsspanung zwischen 12, 8V und 13, 4V zu halten?
30.2. Innenwiderstand Können Sie den Innenwinderstand der Villard-Kaskade simulativ bestimmen?
Ist ein linearer Ansatz gerechtfertigt?
Seite 21 von 67

KAPITEL 4. GLEICHRICHTER UND SPANNNUNGSVERVIELFACHER4.2. RECHENAUFGABEN
Seite 22 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Kapitel 5
Feldeffekttransistoren
31. Aufgabe: Allgemeine Fragen zu Feldeffekttransistoren
KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN
31.1. MOSFET als einstellbarer Widerstand In welchem Arbeitsbereich verhält sich ein MOSFET
wie ein einstellbarer Widerstand?
31.2. Pinch-Off oder Abschnürspannung Was versteht man unter der Pinch-Off oder Abschnürspannung?
31.3. Verarmungs- und Anreicherungstyp Erläutern sie die Begriffe Verarmungs- und Anreicherungstyp
im ZUsammenhang mit MOSFETs.
31.4. Leistungs-MOSFET Was unterscheidet einen Leistungs-MOSFET von einem Kleinsignal-
MOSFET?
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KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN 5.1. LINEARE MOSFET-SCHALTUNGEN
5.1 Lineare MOSFET-Schaltungen
32. Aufgabe: Verstärkerschaltung
Gegeben ist die folgende Schaltung:
UE
R1
R2
R3
T1
UB = 20V
Im Sättigungsbereich der Kennlinie I = f(U) eines MOSFET gilt der Zusammenhang
Im Trioden- oder Widerstandsbereich gilt
iD = K · 2(uGS − UT0)uDS − u 2
DS
iD = K · (uGS − UT0) (5.1)
Für den MOSFET in der Schaltung gilt K = 0, 5mAV −1 und UT0 = 1V, es ist R1 = 1, 7MΩ, R2 =
300kΩ und R3 = 2kΩ.
32.1. Verlauf von uGS(t) Geben Sie den Zusammenhang für die Spannung uGS(t) an. Der Koppelkondensator
C1 ist für Wechselsignale als Kurzschluss zu betrachten.
Hinweis: Verwenden Sie das Superpositionsprinzip für die Gleich- und Wechselanteile von uGS.
32.2. Ausgangskennlinienfeld Skizzieren Sie das Ausgangskennlinienfeld für uGS = 1, 2, 3 und
4V.
Hinweis: Verwenden Sie ein PC-Prgramm (Matlab, Scilab, Gnuplot oder ähnliches).
32.3. Lastgerade Zeichnen Sie die Lastgerade in das Kennlinienfeld ein.
32.4. Charakterisische Punkte Bestimmen Sie die folgenden Größen bei gegebenem Eingangssignal
grafisch aus der Darstellung
• uDS,min
• uDS,max
Seite 24 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I
UA
(5.2)

5.1. LINEARE MOSFET-SCHALTUNGEN KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN
• uDS,AP im Arbeitspunkt des Verstärkers
32.5. Übergang von Widerstandsbereich zum Sättigungsbereich Bestimmen Sie die Formel für
den Strom iD beim Übergang vom Widerstandsbereich zum Sättigungsbereich.
33. Aufgabe: MOSFET-Schaltung
Gegeben ist die folgende Schaltung:
R1
T1
UB = 5V
ID,1
w1
l1
= 1
Für beide Transistoren git KP = 100µA/V 2 und UT0 = 0, 5V.
33.1. Dimensionierung von R1 Wie groß muß R1 sein, damit ein Strom ID,1 = 0, 2mA fliesst?
[ Kurzlösung R1 = 12, 5kΩ ]
Lösung:
UGD,1 = 0 T1
K1 = 1
2 KP
w1
= 50µ −2 , (5.3)
l1
ID,1 = K1(UGS,1,AP − UT0) 2
Ux
ID,2
T2
w2
l2
= 2
(5.4)
UGS,1,AP,1 = −1, 5 UGS,1,AP,2 = 2, 5 (5.5)
UGS,1,AP > UT0
R1 = UB − UGS,1,AP
ID,1
= 5 − 2, 5
0, 2
= 12, 5Ω. (5.6)
33.2. Betriebsbereich von T2 Für welche Spannungen Ux arbeitet T2 im Sättigungsbereich? Welcher
Strom ID,2 ergibt sich hierbei?
[ Kurzlösung ID,2 = 0, 4mA, Ux > 2V ]
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KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN 5.1. LINEARE MOSFET-SCHALTUNGEN
Lösung:
T2
K2 = 1
2 KP
w2
l2
= 100µ −2 , (5.7)
ID,2 = K2(UGS,2,AP − UT0) 2 = 0, 4 (5.8)
T2 Ux > 2
33.3. Funktion der Schaltung Bei ausreichend großer Spannung Ux, um T2 in der Sättigung zu
betrieben realisiert diese Schaltung eine ideale Grundschaltung. Welche ist dies?
Lösung:
Ux > 2 ID,2 = 0, 4
34. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunktbestimmung einer Verstärkerschaltung mit MOS-
FET
Gegeben ist die folgende Verstärkerschaltung mit einem p-MOSFET.
UE
CK
R1
R2
G
RS
RD
S
T1
D
UB = 20V
UA
Transistor T 1
KP = 25µA/V 2 UT 0 = −1V
w = 400µm l = 10µm
Spannungsquelle UB
UB = 20V
WIderstände
R1 = 850kΩ R2 = 1150kΩ
RD = 1kΩ RS = 1kΩ
34.1. Arbeitspunktbestimmung Bestimmen Sie UGS,AP, UDS,AP sowie ID,AP.
34.2. Wechselsignalersatzschaltbild Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild der Verstärkerschaltung.
34.3. Eingangsimpedanz Es ist CK = 1µF, bestimmen Sie die komplexe Eingangsimpedanz der
Schaltung in der Form Z E = ℜ(Z E) + jℑ(Z E)
35. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunktbestimmung einer Verstärkerschaltung mit MOS-
FET
Gegeben ist die folgende Verstärkerschaltung mit einem n-MOSFET.
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5.1. LINEARE MOSFET-SCHALTUNGEN KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN
uE = 1Vsin(ωt)
UE = 3V
R1
T1
UB = 15V
R2
35.1. Arbeitspunktbestimmung Bestimmen Sie UDS,AP, UDS,min und UDS,max mit Hilfe der Ausgangskennlinien.
Hinweis: Wandlen Sie UDS und die Widerstände R1 und R2 in eine äquivalente Spannungsquelle um.
36. Aufgabe (3 Punkte): Arbeitspunktbestimmung einer Verstärkerschaltung mit MOS-
FET
Gegeben ist die folgende Verstärkerschaltung mit einem n-MOSFET.
UE
CK
R1
R2
RD
RS
T1
UB = 15V
UDS,AP
URS
UA
Transistor T 1
KP = 50µA/V 2 UT 0 = 1V
w = 600µm l = 20µm
Spannungen UB
UB = 20V
UDS,AP = 8V URS = 2V
Widerstände
RD = 2kΩ R2 = 1MΩ
36.1. Arbeitspunktbestimmung (3 Punkte) Zu Bestimmen sind die Werte von R1 und RS. Bestimmen
Sie hierzu
• den Strom ID,AP,
• den Faktor K und daraus
• die Spannung UGS,AP
Lösung:
UD = 20 = RDID + 8 + 2 (5.9)
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KAPITEL 5. FELDEFFEKTTRANSISTOREN 5.1. LINEARE MOSFET-SCHALTUNGEN
R2
ID = 5. (5.10)
RS = 2
= 400Ω. (5.11)
ID,AP
K = KP
2
W
L = 0, 75−2 . (5.12)
ID,AP = K(UGS,AP − UT0) 2 , (5.13)
UGS,AP,1 = −1, 582 UGS,AP,2 = 3, 582. (5.14)
UR2 = UGS,AP + URS = 5, 582 (5.15)
R1 = UB − UR2
R2 = 2, 583Ω (5.16)
UR2
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Kapitel 6
Bipolarer Transistor
6.1 Wissensfragen
37. Aufgabe: Transistorphysik
KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
37.1. Basis-Dotierung Warum muss der Emitter eines bipolaren Transistors stärker dotiert sein als
die Basis?
37.2. Basisweite Warum wird eine dünne Basiszone bevorzugt?
37.3. Reststrom ICB0
38. Aufgabe: Eigenschaften
Wodurch entsteht der Reststrom ICB0?
38.1. Early-Effekt Wodurch entsteht der Early-Effekt. Erklären Sie die Vorgänge an einer Skizze der
Kollektor-Basis-Raumladungszone. Welche Auswirkungen hat der Effekt?
38.2. Sättigungsbetrieb Warum sinkt die Stromverstärkung im Sättigungsbetrieb rapide ab? An
welche Bedingung wird der Wechsel von Sättigungs- zum Normalbetrieb geknüpft?
38.3. Kollektorschaltung Warum heisst die Kollektorschaltung auch Emitterfolger?
38.4. Transitfrequenz Was versteht man unter der Transitfrequenz ft?
38.5. Early-Effekt (2 Punkte) Was versteht man unter dem Early-Effekt eines bipolaren Transisotrs
38.6. Kollektorschaltung (3 Punkte) Skizzieren Sie die Kollektorschaltung als eine der Grund-
schaltungen des bipolaren Transistors. 38.7. Stromspiegel (2 Punkte)
Die nebenstehende Schaltung realisiert einen Stromspiegel mit
npn-Transistoren.
Erklären Sie stichpunktartig die Funktionsweise der Schaltung.
38.8. Sziklai-Schaltung (3 Punkte) Die folgende Schaltung mit npn und pnp-Transistor realisiert
eine Sziklai-Schaltung (komplementäre Darlington-Schaltung).
T1
IC,1
IB,1
I1
IE
IB,2
T2
IC,2
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG
IB,1
T1
β1
IB,2
IE,2
T2
β2
Geben Sie die Stromverstärkung βG der
Schaltung an, wenn die Transistoren die
Stromverstärkungen β1 und β2 besitzen.
Welcher Unterschied besteht zu einer
Darlingtonschaltung ausschliesslich mit
einer Sorte Transistoren?
38.9. Darlington-Schaltung (3 Punkte) Gegeben ist die folgende Schaltung mit npn-Transistoren
IB,1
T1
β1
Geben Sie die Stromverstärkung βG der Schaltung an, wenn die Transistoren die Stromverstärkungen β1
und β2 besitzen.
Hinweis: Geben Sie das genaue Ergebnis an, nicht nur eine Abschätzung
6.1.1 Anwendungen
38.10. Transistor als Schalter (1 Punkt) Wodurch unterscheidet sich ein Transistor als Schalter
von einem Relais als Schalter (oder idealen Schalter). Nennen Sie mindestes zwei Merkmale.
38.11. Gegentaktendstufe (2 Punkte) Zeichnen Sie den prinzipiellen Aufbau einer Gegentaktendstufe
mit komplementären Transistoren. Kennzeichnen Sie die Ein- und Ausgangsspannung.
6.2 Rechenaufgaben zur Arbeitspunkteinstellung
39. Aufgabe (10 Punkte): Konstantstromquelle mit bipolarem Tranistor
Eine Konstantstromquelle soll einen Strom von IA = 2mA liefern.
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IB,2
IC
IC,2
T2
β2

6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
R1
R2
IR1
IR2
UR1
UR2
IB
UBE,T 1
T1
UB
IRE
URE
RL
RE
IA
UA
Der verwendete Transistor hat eine
Stromverstärkung von B = 200,
seine Basis-Emitter-Spannung ist
UBE = 0, 7 V . Der Spannungsabfall
an RE sei mit URE = 5, 025 V vorgegeben,
die Versorgungsspannung ist
UB = 20 V . Der Strom durch R2 sei
demnach IR2 = 2 mA.
39.1. Berechnung der Widerstandswerte (8 Punkte) Berechnen Sie die Widerstandswerte für
R1, R2 und RE in dem Sie
1. IB berechnen
2. RE berechnen
3. danach R2 und R1 berechnen.
[ Kurzlösung R1 = 7, 1kΩ, R2 = 2, 86kΩ, RE = 2, 5kΩ ]
Lösung:
IB = IA
B
= 10µA
5, 025 V
=
= 2, 5 kΩ
2 mA + 10µA
URE + UBE
R2 =
IR2
= 5, 725 V
2 mA
= 2, 8625 kΩ
R1 = UB − UR2
= 20 V − 5, 725 V
2, 01 mA
= 7, 102 kΩ
RE = URE
IA + IB
IR2 + IB
39.2. Ursachen von Temperaturschwankungen und deren Kompensation (2 Punkte) In der
Schaltung steigt das Emitterpotential um 2 mV je Grad Celsius Temperaturerhöhung an.
1. Worin liegt die Ursache der Temperaturerhöhung?
2. Welche schaltungstechnische Möglichkeit kennen Sie, um diesen Effekt zu kompensieren?
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG
Lösung:
R2
40. Aufgabe (12 Punkte): Arbeitspunkteinstellung einer Transistorschaltung
Gegeben ist folgende Transistorschaltung bestehend aus den Transistoren T1 und T2, der Zenerdiode
ZD1 und den Widerständen R1 . . . R4. Es soll der gleichspannungsmäßige Arbeitspunkt eingestellt werden.
UE
Hinweise:
R1
UBE,T 1
T1
R3
ZD1 T1
R2
IC1
UBE,T 2
R4
UB
IC2
UA
Transistor T 1
BT 1 = 200 UBE,T 1 = 0.6V IC1 = 10mA
Transistor T 2
BT 1 = 200 UBE,T 1 = 0.6V
Z-Diode ZD1
UZ = 5, 6V
DC-Spannungen
UB = 15V UA = 10V UE = 12V
Bauelemente
R3 = 500Ω
• Die Z-Diode ZD1 ist als ideale Zenerdiode mit UZ = 5, 6V anzunehmen.
• Zur Vereinfachung ist für T1 und T2 die Nährung IE ≈ IC zu verwenden, wobei IB,T2 ≈ 0
angenommen werden kann.
40.1. Berechnung IC2 (3 Punkte) Berechnenn Sie zunächst den Strom IC2.
Lösung:
IC2 = UB − UA
R3
= 5 V
= 10 mA (1 Punkt) (6.1)
500 Ω
40.2. Berechnung R1 und R2 (5 Punkte) Berechnen Sie die Widerstände R1 und R2 mit der
Vereinfachung IE ≈ IC und IB,T2 ≈ 0
Lösung:
R1 = UB − UE
IC1
B (T 1)
= 3 V
= 60 kΩ (6.2)
50 µA
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6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
R2 = UE−UBE1−UZ
IC1
= 5,8 V
mit IE1 = IC1 und IB2 = 0 A
10 mA = 580 Ω
40.3. Berechnung R4 und UCE (4 Punkte) Bestimmen Sie den Widerstand R4 und bestimmen Sie
UCE von T2
Lösung:
R4 = UE−UBE1−UZ−UBE2
IC2
mit IE2 = IC2
= 5,2 V
10 mA = 520 Ω
U CE(T 2) = UB − R3 · IC2 − R4 · IE2 = UB − (R3 + R4) · IC2 = 4, 8 V
mit IE2 = IC2
41. Aufgabe (6 Punkte): Arbeitspunkteinstellung einer Transistorschaltung
Gegeben ist folgende Transistorschaltung bestehend aus den Transistoren T1, der Quelle URef und den
Widerständen R1 und R2. Es soll der gleichspannungsmäßige Arbeitspunkt eingestellt werden.
Hinweise:
UE
R1
UBE,T 1
R2
T1
UB
IC1
URef
UA
Transistor T 1
• Zur Vereinfachung ist für T1 die Nährung IE ≈ IC zu verwenden.
(6.3)
(6.4)
(6.5)
BT 1 = 200 UBE,T 1 = 0.6V IC1 = 10mA
Spannungsquelle URef
URef = 5, 6V
DC-Spannungen
UB = 15V UE = 12V
41.1. Berechnung R1 und R2 (4 Punkte) Berechnen Sie die Widerstände R1 und R2 mit der
Vereinfachung IE ≈ IC und IB,T2 ≈ 0
41.2. Ausgangsspannung (1 Punkt) Wie groß ist die Ausgangsspannung UA ?
41.3. UCE (1 Punkt) Welche Spannung UCE ist am Transistor messbar?
42. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunkteinstellung einer Transistorschaltung
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG
UE
R1
R2
A
B
IB
RC
UBE
RE
UB
IC
T1
IE
UA
Für die Bauelemente gilt
• R1 = 24kΩ
• R2 = 12kΩ
• RE = 1kΩ
• RC = 1kΩ
• UBE = 0, 7V
• β = 150
• UB = 24V
Hinweis: • Die Nährung IE ≈ IC ist nicht zu
verwenden.
• Die Abschätzung IR2 = 10IB ist
nicht zu verwenden.
42.1. Ersatzspannungsquelle des Basisspannungsteilers (2 Punkte) Bestimmen Sie für den
Basisspannungsteiler die Elemente einer Ersatzspannungsquelle RBasis, U0,Basis bezüglich der Klemmen
A und B.
42.2. Bestimmung des Basisstromes (4 Punkte) Bestimmen Sie mit den unter 42.1 berechneten
Elementen der Ersatzspannungsquelle den Basisstrom IB.
42.3. Kollektor-Emitterspannung, Kollektor- und Emitterstrom (3 Punkte) Bestimmen Sie den
Kollektorstrom IC, den Emitterstrom IE und die Kollektor-Emitterspannung UCE.
42.4. Verlustleistung (1 Punkt) Welche Verlustleistung wird im Transistor umgesetzt?
43. Aufgabe (5 Punkte): Arbeitspunkteinstellung für einen bipolaren Transistor
Der Arbeitspunkt für eine Emitterschaltung ist einzustellen. Die Betriebsspannung ist UB = 12V
UE
R1
A
IB
RC
UBE
UB
IC
T1
43.1. Bestimmung von R1 (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von R1
43.2. Bestimmung von RC (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von RC
UCE
UA
• Kollektorstrom IC = 100mA
• Für den Transistor gilt
– UBE,AP = 0, 66V
– UCE,AP = 0, 2V
– B = 200
– Ptot = 100mW
43.3. Verlustleistung (1 Punkt) Ist ein Betrieb des Transistors in diesem Arbeitspunkt möglich?
Bestimmen Sie die Verlustleistung des Transistors im Arbeitspunkt.
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6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
44. Aufgabe (5 Punkte): Transistorschaltung
Gegeben ist die folgende Verstärkerschaltung. Die dazugehörige Eingangskennlinie und das Ausgangskennlinienfeld
des verwendeten Transistors sind unten angegeben.
IC = 30 mA IR2 = 10 . IB UB = 10 V
B = 600 Ptot = 300 mW URE = 1 V
Hinweis: Die Umgebungstemperatur beträgt 25 o C.
Ausgangskennlinienfeld des BC239 Eingangskennlinien des BC239
44.1. Arbeitspunkt (1 Punkt) Bestimmen Sie den Arbeitspunkt A1 und tragen Sie diesen und die
Arbeitsgerade in das vorgegebene Ausgangskennlinienfeld ein. Gemäß der Tabelle fließt im Arbeitspunkt
ein Strom IC = 30 mA.
44.2. Dimensionierung RC und RE (1 Punkt) Berechnen Sie die Widerstände RC und RE für den
Arbeitspunkt A1, wenn über den Widerstand RE eine Spannung von 1V abfallen soll.
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG
44.3. Dimensionierung R1 und R2 (1 Punkt) Dimensionieren Sie R1 und R2 so, dass die Bedingung
IR2 = 10 · IB erfüllt ist.
44.4. Verlustleistung (2 Punkte) Zeichnen Sie die Verlustleistungshyperbel in das Ausgangskennlinienfeld
ein. Berechnen Sie dazu mindestens 4 Stützpunkte. Berechnen Sie die umgesetzte Leistung im
Arbeitspunkt A1.
45. Aufgabe (5 Punkte): Arbeitspunkteinstellung für einen bipolaren Transistor
Der Arbeitspunkt für eine Emitterschaltung ist einzustellen. Die Betriebsspannung ist UB = 12V
UE
R1
A
IB
RC
UBE
UB
IC
T1
45.1. Bestimmung von R1 (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von R1
45.2. Bestimmung von RC (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von RC
UCE
UA
• Kollektorstrom IC = 100mA
• Für den Transistor gilt
– UBE,AP = 0, 66V
– UCE,AP = 0, 2V
– B = 200
– Ptot = 100mW
45.3. Verlustleistung (1 Punkt) Ist ein Betrieb des Transistors in diesem Arbeitspunkt möglich?
Bestimmen Sie die Verlustleistung des Transistors im Arbeitspunkt.
46. Aufgabe (5 Punkte): Dimensionierung einer Transistorschaltung
Gegeben ist folgende Transistorschaltung bestehend aus den Transistoren T1 und T2, der Diode D1 und
den Widerständen R1 ... R5:
U E
R 1
UBE1 UD R 5
IC1 T1 D 1
R 2
U BE2
R 3
I C2
T 2
I
E2
R 4
U B
U A
Anmerkung: Der Lösungsweg muss klar erkennbar sein!
IC1 = 15 mA UBE1 = UBE2 = 0,7 V UB = 20 V
BT1,T2 = 300 UD0 = 5 V R2 = 600 Ω
R3 = 500 Ω RD = 1 Ω UA = 15 V
Hinweis: Für die Diode gilt: Rr = ∞
Zur Vereinfachung ist für T1 und T2 die Näherung
IE ≈ IC zu verwenden (mit IB2 ≈ 0).
Seite 36 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
46.1. Berechnung IE2 (1 Punkt) Berechnen Sie den Strom IE2.
46.2. Berechnung R1 und R4 (2 Punkte) Berechnen Sie die Widerstände R1 und R4 mit der
Vereinfachung IE ≈ IC und IB2 ≈ 0. Nehmen Sie an, dass UE keinen Stromanteil liefert.
46.3. Berechnung UCE1 und UCE2 (2 Punkte) Berechnen Sie die Spannungen UCE1 und UCE2
der beiden Transistoren.
Hinweis: R2 = 10 ∗ R5
47. Aufgabe (10 Punkte): Zweistufiger Verstärker mit bipolaren Tranistoren
Gegeben ist die folgende zweisstufige Verstärkerschaltung.
UE
CK,E
UB,T1
R1
UBE,T1
T1
IC,T1
R2
UBE,T2
T2
UB
IC,T2
R4
R3
CK,A
UC,T2
UA
Für die Transistoren gilt:
BT x : 200
UBE,x : 0, 6V
Die Z-Diode ist ideal mit:
rZ : 0
UZ : 6, 4V
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 20V
UB,1 : 15V
UC,2 : 12V
IC,T1 : 10mA
: 400Ω
47.1. Bestimmung von IC,T2 (4 Punkte) Berechnen Sie den Kollektorstrom IC,T2 des zweiten
Transistors, indem Sie zunächst dessen Emitterstrom IE,T2 bestimmen.
Hinweis: Beachten Sie, dass der Wert von R3 gegeben ist!
47.2. Bestimmung der Widerstände (6 Punkte) Berechnen Sie die Werte der Widerstände R1,R2
und R4.
48. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunkteinstellung
Der Arbeitspunkt für die folgende Schaltung soll eingestellt werden.
R3
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.2. RECHENAUFGABEN ZUR ARBEITSPUNKTEINSTELLUNG
I C [mA], COLLECTOR CURRENT
UE
100
80
60
40
20
R1
R2
IB
UBE
RE
I = 400µA
B
I = 350µA
B
T1
UB
IE
I B = 300µA
UCE
I B = 250µA
I B = 200µA
I B = 150µA
I B = 100µA
I B = 50µA
ILD
0
0 4 8 12 16 20
V CE [V], COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE
IC[mA], COLLECTOR CURRENT
100
10
1
Für den Transistor gilt:
Ptot,T1 : 510mW
Dazu gelten unten dargestellten Kennlinien
Für die LED gilt:
UF,LD : 2V
ILD : 60mA
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 20V
UCE,AP : 8V
VCE = 2V
0.1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
VBE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE
VCE = 8 V
48.1. Bestimmung der Ströme und Spannungen im Arbeitspunkt (2 Punkte) Welche Spannung
UBE,AP gilt im Arbeitspunkt, welcher Basisstrom IB,AP fliesst?
48.2. Bestimmung der Widerstände (4 Punkte) Bestimmen Sie die Widerstände RE, R2 und R1.
Hinweis: • Bestimmen Sie die Widerstände in dieser Reihenfolge.
• Es soll IR2 = 10 · IB gelten.
48.3. Leistung (1 Punkt) Welche Verlustleistung wird im Transistor umgesetzt?
48.4. Veränderung der Last (3 Punkte) Was geschieht, wenn in der vorliegenden Schaltung nach
Bestimmung der Widerstände statt einer LED zwei LEDs gleichen Typs eingesetzt werden?
• Welcher Strom ILD,neu fliesst,
• welche Spannung UCE,AB,neu stellt sich ein?
48.5. Schaltungsfunktion (2 Punkte) Um was für eine Schaltung handelt es sich hier? Diskutieren
Sie das Verhalten für die Fälle mit einer und mehreren LEDs.
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6.3. WECHSELSIGNALERSATZSCHALTBILDER KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
6.3 Wechselsignalersatzschaltbilder
49. Aufgabe: Wechselsignalersatzschaltbild eines Antennenverstärkers
Gegeben ist die folgende Schaltung eines Antennenverstärkers.
u E
C1
C2
R1
R2
R3
R4
T1
+UB
49.1. Wechselspannungsersatzschaltbild des Transistors Geben Sie das allgemeine Wechselsignalersatzschaltbild
eines bipolaren Transistors an. Vernachlässigen Sie hierbei die Spannungsrückwirkung
VR (h-Parameter h12).
49.2. Gesamtschaltbild Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild der gesamten Schaltung.
Überlegen Sie hierzu, wie Sie die Emitterwiderstände berücksichtigen können.
50. Aufgabe: Wechselsignalersatzschaltbild eines Mikrofonverstärkers
Gegeben ist der folgende Mikrofonverstärker:
C4
C3
R5
R6
R7
R8
T2
u A
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KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.3. WECHSELSIGNALERSATZSCHALTBILDER
+M
NF
-M
R1
10kΩ
C1
+
2,2 µF
C4
10pF
R5
3,9kΩ
R2
47 kΩ
T1
BC547
R4
10 kΩ
C5
2,2 µF
T2
BC547
+
R3
C6
10pF
R6
2,2 kΩ
Die Anschlüsse +M und −M dienen der Phantomspeisung von Mikrofonen und sind für die Funktion
des Verstärkers unerheblich.
5,6kΩ
50.1. Schaltungsbeschreibung Wie funktioniert die Schaltung?
C3
1nF
P1
5kΩ
C2
+
2,2µF
50.2. Simulation Zeichnen Sie die Schaltung im Schaltplanmodul des Simulators Simetrix.
1. Führen Sie eine Transientenanalyse durch.
2. Welche Spannungsverstärkung hat der Verstärker?
3. Welche maximale Ausgangsspannung kann der Verstärker liefern?
4. Simulieren Sie den Frequenzgang des Verstärkers im Bereich von 10Hz . . . 100kHz.
50.3. Wirkung von R4
+Uv
Out
GND
Untersuchen Sie die Wirkung von R4? Wie verhält sich die Ausgangs-
spannung, wenn Sie R4 vergrößern oder wenn Sie R4 verkleinern? Um welche Schaltungsgtechnische
Maßnahme handelt es sich hierbei?
51. Aufgabe (10 Punkte): Wechselstromersatzschaltbild
Gegeben ist die folgende Emitterschaltung:
Seite 40 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

6.3. WECHSELSIGNALERSATZSCHALTBILDER KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
U e
C1
R1
R2
51.1. Aufgabe von RE (1 Punkt) Welche Aufgabe hat der Widerstand RE.
51.2. Ersatzschaltbild (4 Punkte) Zeichnen Sie das vollständige Wechselstromersatzschaltbild
unter der Annahme C1 = C3 = ∞ ! Vergessen Sie Strom- und Spannungspfeile nicht, benennen Sie die
Bauelemente im Ersatzschaltbild!
51.3. Vereinfachung des Ersatzschaltbildes (2 Punkte) Vereinfachen Sie das Wechselstromersatzschaltbild
mit der Annahme, dass für den Transistor gilt: h12 = h22 = 0. Weiterhin ist C1 = C3 = ∞.
Der Kondensator CE besitzt einen endlichen Wert.
51.4. Wechselspannungsverstärkung (3 Punkte) Geben Sie den Ausdruck für die komplexe
. Der Lösungsweg muss erkennbar sein!
Wechselspannungsverstärkung v. Hinweis: Z c = 1
jωC
[ Kurzlösung VG =
−βRc
R
rbe+(β+1) E
1+jωCE RE ]
RC
RE
CE
+U b
C3
U a
Seite 41 von 67

KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.4. TRANSISTOR ALS SCHALTER
6.4 Transistor als Schalter
52. Aufgabe (10 Punkte): Transistor als Schalter
Gegeben ist die folgende Schaltung mit den Kennlinien auf folgenden den Blättern für einen Transistor
im Schalterbetrieb
Daten zur Schaltung
T = 25
U
B
◦C UB = 16 V
RL = 200Ω
U E
R 1
U BE
I C
D R
1 2
T
1
R L
Daten Transistor(Quelle Datenblatt)
UCE,sat = 200 mV (IC = 100 mA)
IC,max = 100 mA
Ptot = 500 mW
Tj,max = 150 ◦ C
IB,peak = 200 mA
Daten Diode(Quelle Datenblatt)
UD = 0, 7V ,
rD = 0Ω
52.1. Arbeitsgerade (3 Punkte) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein.
Bestimmen Sie graphisch aus dem Kennlinienfeld den Kurzschlussstrom IK und Basisstrom IB,sat, der
mindestens notwendig ist, um die Kollektor-Emitterspannung UCE so klein wie möglich zu machen.
Hinweis: Der Transistor soll sicher durchschalten. Ein Übersteuern der Basis ist nicht gewünscht.
Ausgangskennlinienfeld des BC239 Eingangskennlinien des BC239
[ Kurzlösung IK = 80mA, IB,sat = 150µA ]
Lösung:
Seite 42 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

6.4. TRANSISTOR ALS SCHALTER KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR
IK = UB
Rc
= 80mA (6.6)
IB,sat = 150 µA (6.7)
52.2. Widerstandsdimensionierung (4 Punkte) Bestimmen Sie R1 und R2 so, dass bei Ue = UB
gilt : IR1 = 10 · IBsat. Verwenden Sie hierfür IB,sat aus dem Aufgabenteil 1.
[ Kurzlösung R1 = 453Ω, R2 = 8, 86kΩ ]
Lösung:
: UBE = 0, 68V (6.8)
UBE = R1 · IR1 = R1 · 10 · IB,sat ⇒ R1 = 453, 3 Ω (6.9)
Maschengleichung : Ue = UD + R2 · (IB + IR1) + UBE
(6.10)
16 V − 0, 68 V − 0, 7 V
R2 = = 8, 8606 kΩ (6.11)
11 · IB
52.3. Neuer Lastwiderstand (2 Punkte) Der Lastwiderstand RL soll auf einen Wert von 10 Ω
verkleinert werden. Ist es möglich, diesen Wert zu wählen?
Hinweis: Beachten Sie die Angaben zum verwendeten Transistor aus dem Datenblatt wie in der Aufgabenstellung
angegeben.
Begründen Sie Ihre Antwort!
[ Kurzlösung IC,neu = 1, 6A, P = 320mW ]
Lösung:
RL = 10 Ω
IC,neu = UB − UCE,sat
RL
1, 6 A (6.12)
IC,max
Ptot
UCE,max = 200 mV IC
P = 200 mV · 1, 6 A = 320 mW (6.13)
RL
52.4. Lösung für RL = 10 Ω (1 Punkt) Wie würden Sie das Problem lösen, wenn Sie einen
Lastwiderstand von RL = 10Ω betreiben müssen? Beschreiben Sie stichpunktartig einen Ansatz.
Lösung:
•
•
Seite 43 von 67

KAPITEL 6. BIPOLARER TRANSISTOR 6.5. WECHSELSIGNALERSATZSCHALTBILDER
6.5 Wechselsignalersatzschaltbilder
53. Aufgabe: Elemente des Wechselsignalersatzschaltbildes
Für einen besonderen MOSFET A gilt der Zusammenhang
Ein Bauelement B hat die Charakteristik
iD = 3 · u 3 GS + +0.3uDS
(6.14)
iD = 3 · e uGS + 0, 01 · u 2 DS (6.15)
53.1. Wechselsignalersatzschaltbild Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild eines MOS-
FETs.
53.2. Elementebestimmung Bestimmen Sie die Elemente des Wechselsignalersatzschaltbildes für
den Arbeitspunkt uGS,AP = 1V und uDS,AP = 10V bei beiden MOSFETs.
Seite 44 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang A
ANHANG A. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. MAI 2009
SS2009, B-EK Erste Teilklausur vom
16. Mai 2009
Bearbeitungszeit 60 Minuten
1. Aufgabe (10 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Diffusionsspannung (2 Punkte) Was versteht man unter der Diffusionsspannung eines pn-
Überganges und warum ist diese von außen mit einem Voltmeter nicht messbar? 1.2. Ersatzschalt-
bild der Z-Diode (1 Punkt) Skizzieren Sie das vollständige Ersatzschaltbild einer Z-Diode.
1.3. Early-Effekt (2 Punkte) Was versteht man unter dem Early-Effekt eines bipolaren Transisotrs
1.4. Kollektorschaltung (3 Punkte) Skizzieren Sie die Kollektorschaltung als eine der
Grundschaltungen des bipolaren Transistors.
2. Aufgabe (10 Punkte): Spannungsstabilisierung mit Z-Diode
Es ist eine Spannungsstabilisierung für eine Ausgangsspannung UL = 5V zu entwerfen. Der Ausgangsstrom
liegt zwischen IL = 0 . . . 100mA, die Eingangsspannung kann zwischen UE = 8 . . . 10V variieren.
Im Schrank haben Sie glücklicherweise eine fast ideale Z-Diode (UZ,0 = 5V, rZ = 0Ω, Ptot = 2W, IZ,min =
1mA) gefunden, die Sie verwenden können.
2.1. Schaltung (2 Punkte) Zeichnen Sie die Schaltung der Spannungsstabilisierungsschaltung.
2.2. Verlustleistung (1 Punkt) In welchem Betriebsfall ist die Verlustleistung, die in der Z-Diode
umgesetzt wird, maximal?
2.3. Dimensionierung (7 Punkte) Dimensionieren Sie die verwendeten Komponenten. Wie groß
sind die verwendeten Widerstände?
[ Kurzlösung RV,max = 29Ω, RV,min = 12, 5Ω ]
3. Aufgabe (5 Punkte): Gleichrichter mit Glättungskondensator
Für einen Brückengleichrichter (Zweiweggleichrichter) ist der sichere Arbeitsbereich zu untersuchen.
Seite 45 von 67

ANHANG A. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. MAI 2009
UE∼
C
R
iL
uL
Die Eingangsspannung hat einen Effektivwert
von UE,eff = 15V, der Kondensator
wurde mit einem Wert von C =
2200µF ausgelegt. Die Dioden haben
die Parameter UT,0 = 0, 65V, rF =
1Ω, IFSM = 5A.
3.1. Maximalstrom IFSM in der Schaltung (3 Punkte) Überprüfen Sie, ob die Dioden einen Einschaltvorgang
unbeschadet überstehen, indem Sie den maximalen Strom beim Einschalten bestimmen.
3.2. Schaltungsmodifikation (2 Punkte) Wie ist die Schaltung zu verändern, wenn ein zu großer
Einschaltstrom bestimmt wird? Wie kann ein sicheres Einschalten gewährleistet werden? Dimensionieren
Sie die eingebrachten passiven Komponenten.
4. Aufgabe (5 Punkte): Arbeitspunkteinstellung für einen bipolaren Transistor
Der Arbeitspunkt für eine Emitterschaltung ist einzustellen. Die Betriebsspannung ist UB = 12V
UE
R1
A
IB
RC
UBE
UB
IC
T1
4.1. Bestimmung von R1 (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von R1
4.2. Bestimmung von RC (2 Punkte) Bestimmen Sie den Wert von RC
UCE
UA
• Kollektorstrom IC = 100mA
• Für den Transistor gilt
– UBE,AP = 0, 66V
– UCE,AP = 0, 2V
– B = 200
– Ptot = 100mW
4.3. Verlustleistung (1 Punkt) Ist ein Betrieb des Transistors in diesem Arbeitspunkt möglich?
Bestimmen Sie die Verlustleistung des Transistors im Arbeitspunkt.
Seite 46 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang B
ANHANG B. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. JULI 2009
SS2009, B-EK Erste Teilklausur vom
16. Juli 2009
Bearbeitungszeit 60 Minuten Bearbeitungszeit 60 Minuten
1. Aufgabe (15 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Sziklai-Schaltung (2 Punkte) Die folgende Schaltung mit npn und pnp-Transistor realisiert
eine Sziklai-Schaltung
IB,1
T1
β1
IE,2
IB,2 T2
• Erklären Sie die Funktionsweise
β2
der Schaltung
• Welcher Unterschied besteht zu
einer Darlingtonschaltung ausschliesslich
mit einer Sorte Transistoren?
1.2. Aufnahme der Spannungssteuerkennlinie eines n-Kanal JFETs (3 Punkte)
1. Skizzieren Sie eine Schaltung, mit der die Spannungssteuer-Kennlinie (Eingangskennlinie) eines
n-Kanal JFET aufnehmen können.
2. Skizzieren Sie den zu erwartenden Verlauf der Eingangskennlinie. Beschriften Sie die Kennlinien
1.3. Schalten einer ohmsch-induktiven Last (3 Punkte) Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung
UCE und des Stromes IC über der Zeit sowie den Verlauf des Schaltvorganges im Ausgangskennlinienfeld,
wenn Sie eine ohmsch-induktive Last Ein- und Ausschalten.
Seite 47 von 67

ANHANG B. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. JULI 2009
UE
RB
R
L
T1
UB
UA
UE/V
5
UCE/V
IC/A
1.4. Threshold-Spannung UTh (auch UT0) (1 Punkt) Erklären Sie stichpunktartig das Zustandekommen
der Thresholdspannung UTh (auch UT0) bei einem selbstsperrenden n-Kanal MOSFET.
1.5. Fotodiode (3 Punkte) Erläutern Sie die Funktionsweise einer Fotodiode im
1. Elementbetrieb
2. Diodenbetrieb
1.6. Galvanisch getrennte Ansteuerung eines MOSFET (2 Punkte) Geben Sie eine Prinzipschaltung
zur galvanisch getrennten Ansteuerung eines MOSFET an. Der MOSFET soll eine Last RL
schalten, die mit einer Spannung UDC = 500V betrieben wird. Zum Einschalten wird eine Spannung
UGS = 10V benötigt, zum Ausschalten eine Spannung UGS = 0V. Die Quelle liefert ein Signal von
Uq0 . . . 5V.
Hinweis: Der Transistor des Optokopplers kann den Gate-Spitzenstrom für den MOSFET problemlos
führen.
Uq
T1
2. Aufgabe (10 Punkte): Zweistufiger Verstärker mit bipolaren Tranistoren
Gegeben ist die folgende zweisstufige Verstärkerschaltung.
Seite 48 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I
IC/A
Ptot
UDC
UCE/V
RL

UE
CK,E
UB,T1
R1
UBE,T1
ANHANG B. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. JULI 2009
T1
IC,T1
R2
UBE,T2
T2
UB
IC,T2
R4
R3
CK,A
UC,T2
UA
Für die Transistoren gilt:
BT x : 200
UBE,x : 0, 6V
Die Z-Diode ist ideal mit:
rZ : 0
UZ : 6, 4V
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 20V
UB,1 : 15V
UC,2 : 12V
IC,T1 : 10mA
: 400Ω
2.1. Bestimmung von IC,T2 (4 Punkte) Berechnen Sie den Kollektorstrom IC,T2 des zweiten
Transistors, indem Sie zunächst dessen Emitterstrom IE,T2 bestimmen.
Hinweis: Beachten Sie, dass der Wert von R3 gegeben ist!
2.2. Bestimmung der Widerstände (6 Punkte) Berechnen Sie die Werte der Widerstände R1,R2
und R4.
3. Aufgabe (5 Punkte): Wechselsignalersatzschaltbild
Gegeben ist die folgende Schaltung:
U 0
Ri
U E
CK
R1
UB
T1
R3
CK
R2 RE
R RL
U A
3.1. Wechselsignalerssatzschaltbild (2 Punkte) Skizzieren Sie das vollständige Wechselsignalersatzschaltbild
des bipolaren Transistors.
3.2. Wechselsignalerssatzschaltbild (3 Punkte) Geben Sie das Wechselsignalersatzschaltbild der
Schaltung an.
Hinweis: • Die Kondensatoren CK sind im betrachteten Frequenzbereich als ideal leitend zu betrachten.
Seite 49 von 67

ANHANG B. SS2009, B-EK ERSTE TEILKLAUSUR VOM 16. JULI 2009
• Die Spannungsrückwirkung Vr ist hierzu vernachlässigen.
Seite 50 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang C
ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
SS2009, B-EK/B-ME, Klausur vom
25. September 2009
Bearbeitungszeit 90 Minuten
1. Aufgabe (20 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Drift- und Diffusionsstrom des pn-Überganges (3 Punkte) Was versteht man unter Driftstrom
(auch Feldstrom genannt) und Diffusionsstrom? In welchem Zusammenhang stehen diese Ströme bei
einem pn-Übergang ohne angelegte externe Spannung?
1.2. Ersatzschaltbild der Z-Diode (1 Punkt) Skizzieren Sie das vollständige Ersatzschaltbild einer
Z-Diode.
1.3. Sziklai-Schaltung (3 Punkte) Die folgende Schaltung mit npn und pnp-Transistor realisiert
eine Sziklai-Schaltung (komplementäre Darlington-Schaltung).
IB,1
T1
β1
IB,2
IE,2
T2
β2
Geben Sie die Stromverstärkung βG der
Schaltung an, wenn die Transistoren die
Stromverstärkungen β1 und β2 besitzen.
Welcher Unterschied besteht zu einer
Darlingtonschaltung ausschliesslich mit
einer Sorte Transistoren?
1.4. Aufnahme der Spannungssteuerkennlinie eines n-Kanal JFETs (3 Punkte)
1. Skizzieren Sie eine Schaltung, mit der die Spannungssteuer-Kennlinie (Eingangskennlinie) eines
n-Kanal JFET aufnehmen können.
2. Skizzieren Sie den zu erwartenden Verlauf der Eingangskennlinie. Beschriften Sie die Kennlinien
1.5. Pinch-Off oder Abschnürspannung (2 Punkte) Was versteht man unter der Pinch-Off- oder
Abschnürspannung eines Feldeffekt-Transistors?
Seite 51 von 67

ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
1.6. Schalten einer ohmsch-induktiven Last (3 Punkte) Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung
UCE und des Stromes IC über der Zeit sowie den Verlauf des Schaltvorganges im Ausgangskennlinienfeld,
wenn Sie eine ohmsch-induktive Last Ein- und Ausschalten.
UE
RB
R
L
T1
UB
UA
UE/V
5
UCE/V
IC/A
1.7. Fotodiode (3 Punkte) Erläutern Sie die Funktionsweise einer Fotodiode im
1. Elementbetrieb
2. Diodenbetrieb
2. Aufgabe (10 Punkte): Gleichrichter mit Glättungskondensator
Für einen Brückengleichrichter (Zweiweggleichrichter) ist der sichere Arbeitsbereich zu untersuchen.
UE∼
C
R
iL
uL
IC/A
Ptot
UCE/V
Die sinusförmige Eingangsspannung hat
einen Effektivwert von UE,eff = 15V, der
Kondensator wurde mit einem Wert von
C = 2200µF ausgelegt. Die Dioden haben
die Parameter UT,0 = 0, 65V, rF =
1Ω, IFSM = 5A.
2.1. Verlauf von Laststrom und Lastspannung (3 Punkte) Skizzieren Sie den Verlauf des Stromes
IL und den Verlauf der Spannung UL.
2.2. Maximalstrom IFSM in der Schaltung (4 Punkte) Überprüfen Sie, ob die Dioden einen
Einschaltvorgang unbeschadet überstehen, indem Sie den maximalen Strom beim Einschalten berechnen.
2.3. Schaltungsmodifikation (3 Punkte) Wie ist die Schaltung zu verändern, wenn ein zu großer
Einschaltstrom bestimmt wird? Wie kann ein sicheres Einschalten gewährleistet werden? Dimensionieren
Sie die eingebrachten passiven Komponenten.
3. Aufgabe (10 Punkte): Zweistufiger Verstärker mit bipolaren Tranistoren
Gegeben ist die folgende zweisstufige Verstärkerschaltung.
Seite 52 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

UE
CK,E
UB,T1
R1
UBE,T1
ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
T1
IC,T1
R2
UBE,T2
T2
UB
IC,T2
R4
R3
CK,A
UC,T2
UA
Für die Transistoren gilt:
BT x : 200
UBE,x : 0, 6V
Die Z-Diode ist ideal mit:
rZ : 0
UZ : 5, 6V
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 15V
UB,T1 : 12V
UC,T2 : 8V
IC,T1 : 10mA
: 400Ω
3.1. Bestimmung von IC,T2 (4 Punkte) Berechnen Sie den Kollektorstrom IC,T2 des zweiten
Transistors, indem Sie zunächst dessen Emitterstrom IE,T2 bestimmen.
Hinweis: Beachten Sie, dass der Wert von R3 gegeben ist!
3.2. Bestimmung der Widerstände (6 Punkte) Berechnen Sie die Werte der Widerstände R1,R2
und R4.
4. Aufgabe (10 Punkte): Wechselsignalersatzschaltbild einer Transistorstufe
Gegeben ist die folgende Schaltung:
U 0
Ri
U E
CK
R1
A
UB
RC
T1
CK
R2 RE CE R RL
U A
B
R3
R1
Für die Baulemente
: 10kΩ
R2 : 4, 7kΩ
RC : 1kΩ
CK : 10µF
Für die Spannungen
UB : 15V
Für die Parameter des Transistors
rBE : 2, 6kΩ
β : 200
rCE : 100Ω
4.1. Wechselsignalerssatzschaltbild (2 Punkte) Skizzieren Sie das vollständige Wechselsignalersatzschaltbild
des bipolaren Transistors.
4.2. Wechselsignalerssatzschaltbild (5 Punkte) Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild
der Schaltung.
Hinweis: • Die Kondensatoren CK sind nicht zu vernachlässigen
• Der Kondensator CE kann im betrachteten Frequenzbereich als Kurzschluss angesehen
werden.
Seite 53 von 67

ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
• Die Spannungsrückwirkung Vr ist hier zu vernachlässigen.
4.3. Eingangswiderstand (3 Punkte) Bestimmen Sie den Wechselsignal-Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz)
der Schaltung bezüglich der Klemmen A und B.
Hinweis: Stellen Sie zunächst fest, wo die Klemmen A und B sind. Markieren Sie die Klemmen A
und B zu Ihrer Orientierung farbig.
5. Aufgabe (10 Punkte): Transistor als Schalter
Gegeben ist die folgende Schaltung mit den Kennlinien auf folgenden den Blättern für einen Transistor
im Schalterbetrieb
Daten zur Schaltung
T = 25
U
B
◦C UB = 16 V
RL = 200Ω
U E
R 1
U BE
I C
D R
1 2
T
1
R L
Daten Transistor(Quelle Datenblatt)
UCE,sat = 200 mV (IC = 100 mA)
IC,max = 100 mA
Ptot = 500 mW
Tj,max = 150 ◦ C
IB,peak = 200 mA
Daten Diode(Quelle Datenblatt)
UD = 0, 7V ,
rD = 0Ω
5.1. Arbeitsgerade (3 Punkte) Zeichnen Sie die Arbeitsgerade in das Ausgangskennlinienfeld ein.
Bestimmen Sie graphisch aus dem Kennlinienfeld den Kurzschlussstrom IK und Basisstrom IB,sat, der
mindestens notwendig ist, um die Kollektor-Emitterspannung UCE so klein wie möglich zu machen.
Hinweis: Der Transistor soll sicher durchschalten. Ein Übersteuern der Basis ist nicht gewünscht.
Seite 54 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
Ausgangskennlinienfeld des BC239 Eingangskennlinien des BC239
[ Kurzlösung IK = 80mA, IB,sat = 150µA ]
5.2. Widerstandsdimensionierung (4 Punkte) Bestimmen Sie R1 und R2 so, dass bei Ue = UB
gilt : IR1 = 10 · IBsat. Verwenden Sie hierfür IB,sat aus dem Aufgabenteil 1.
[ Kurzlösung R1 = 453Ω, R2 = 8, 86kΩ ]
5.3. Neuer Lastwiderstand (2 Punkte) Der Lastwiderstand RL soll auf einen Wert von 10 Ω
verkleinert werden. Ist es möglich, diesen Wert zu wählen?
Hinweis: Beachten Sie die Angaben zum verwendeten Transistor aus dem Datenblatt wie in der Aufgabenstellung
angegeben.
Begründen Sie Ihre Antwort!
[ Kurzlösung IC,neu = 1, 6A, P = 320mW ]
5.4. Lösung für RL = 10 Ω (1 Punkt) Wie würden Sie das Problem lösen, wenn Sie einen
Lastwiderstand von RL = 10Ω betreiben müssen? Beschreiben Sie stichpunktartig einen Ansatz.
Seite 55 von 67

ANHANG C. SS2009, B-EK/B-ME, KLAUSUR VOM 25. SEPTEMBER 2009
Seite 56 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang D
ANHANG D. SS2010, B-ME, KLAUSUR VOM 30. JUNI 2010
SS2010, B-ME, Klausur vom 30. Juni 2010
Bearbeitungszeit 90 Minuten
1. Aufgabe (23 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Generationsrate und Rekombinationsrate (1 Punkt) In welchem Verhältnis stehen die Generationsrate
G und die Rekombinationsrate R von Ladungsträgerpaaren im undotierten (intrinsischen)
Halbleiter zueninander? 1.2. Ersatzschaltbild der Diode und Bestimmung dessen Elemente
(5 Punkte) Skizzieren Sie das vollständige Ersatzschaltbild einer Silizium Diode. Beschreiben Sie
stichpunktartig wie die dargestellten Elemente messtechnisch bestimmen.
Hinweis: Zur Beschreibung der Bestimmung der Elemente gehört eine Schaltung und ein Verfahren,
mit dem die Parameter bestimmt werden.
1.3. Ausschaltverlauf einer Diode (2 Punkte) Skizzieren Sie den prinzipiellen Verlauf von Diodenstrom
iD(t) und Spannung an der Diode uD(t) beim Ausschalten. Kennzeichnen Sie charakteristische
Bereiche. 1.4. Basisschaltung (3 Punkte) Skizzieren Sie die Basisschaltung als eine der
Grundschaltungen des bipolaren Transistors. 1.5. Stromspiegel (2 Punkte)
Die nebenstehende Schaltung realisiert einen Stromspiegel mit
npn-Transistoren.
Erklären Sie stichpunktartig die Funktionsweise der Schaltung.
1.6. Gegentaktendstufe (2 Punkte) Zeichnen Sie den prinzipiellen Aufbau einer Gegentaktendstufe
mit komplementären Transistoren. Kennzeichnen Sie die Ein- und Ausgangsspannung.
1.7. Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines n-Kanal JFETs (3 Punkte)
1. Skizzieren Sie eine Schaltung, mit der die Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal JFET aufnehmen
können.
2. Skizzieren Sie den zu erwartenden Verlauf der Ausgangskennlinien. Beschriften Sie die Kennlinien
1.8. Threshold-Spannung UTh (auch UT0) (1 Punkt) Erklären Sie stichpunktartig das Zustandekommen
der Thresholdspannung UTh (auch UT0) bei einem selbstsperrenden n-Kanal MOSFET.
T1
IC,1
IB,1
I1
IE
IB,2
T2
IC,2
Seite 57 von 67

ANHANG D. SS2010, B-ME, KLAUSUR VOM 30. JUNI 2010
1.9. Schalten einer ohmsch-induktiven Last (3 Punkte) Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung
UCE und des Stromes IC über der Zeit sowie den Verlauf des Schaltvorganges im Ausgangskennlinienfeld,
wenn Sie eine ohmsch-induktive Last Ein- und Ausschalten.
UE
RB
R
L
T1
UB
UA
UE/V
5
UCE/V
IC/A
2. Aufgabe (12 Punkte): Gleichrichter mit Glättungskondensator und Ausgangsspannungsstabilisierung
Ein Zweiweggleichrichter soll kapazitiv geglättet werden, die Ausgangsspannung wird mit einer Z-Diode
stabilisiert.
Der Transformator hat einen Innenwiderstand
von Ri = 1Ω. Die Eingangsspan-
D1
RV
nung hat einen Effektivwert von UE,eff =
uE
15V je Wicklung; der Kondensator wur-
upri
C
uC
ZD1 uL
de mit einem Wert von C = 4700µF
RL
ausgelegt. Die Dioden D1 und D1 ha-
uE
D2
ben die Parameter UT,0 = 0, 65V, rF =
1Ω, IFSM = 5A. Für die Z-Diode ZD1
gilt UZ,0 = 10V, rz = 0Ω, IZ,min =
0, 01mA und Ptot = 1W.
2.1. Verlauf von Strömen und Spannungen (2 Punkte) Zeichnen Sie die prinzipiellen Verläufe
der Ströme iD1, iD2, iC sowie der Spannung uC in das Diagramm ein.
u(t)/V, i(t)/A
Seite 58 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I
IC/A
Ptot
uE
−uE
UCE/V
t/s

ANHANG D. SS2010, B-ME, KLAUSUR VOM 30. JUNI 2010
2.2. Maximalwert der Spannung uC (2 Punkte) Welchen Maximalwert hat die Spannung uC?
2.3. Maximalstrom IFSM beim Einschalten (2 Punkte) Überprüfen Sie, ob die Dioden einen Einschaltvorgang
unbeschadet überstehen, indem Sie den maximalen Strom beim Einschalten bestimmen.
2.4. Schaltungsmodifikation (2 Punkte) Wie ist die Schaltung zu verändern, wenn ein zu großer
Einschaltstrom bestimmt wird? Wie kann ein sicheres Einschalten gewährleistet werden, wie sieht der
Normalbetrieb aus? Zeichnen Sie die Schaltung und dimensionieren Sie alle eingebrachten passiven
Komponenten.
2.5. Bestimmung des Vorwiderstandes der Z-Diode (4 Punkte) Wie groß muss der Vorwiderstand
gewählt werden, um die Z-Diode auch im Leerlauf im sicheren Arbeitsbereich zu betreiben?
3. Aufgabe (13 Punkte): Wechselsignalersatzschaltbild einer Transistorstufe
Gegeben ist die folgende Schaltung:
U 0
Ri
U E
CK
R1
A
B
UB
R2
T1
R3
R4
T2
CK
R1
Für die Baulemente
: 1kΩ
R2 : 410kΩ
R3 : 1kΩ
R4 : 1kΩ
Für die Spannungen
UB : 15V
Für die Parameter des Transistors
rBE : 2, 6kΩ
β : 200
rCE : 100Ω
3.1. Wechselsignalerssatzschaltbild (2 Punkte) Skizzieren Sie das vollständige Wechselsignalersatzschaltbild
des bipolaren Transistors.
3.2. Wechselsignalerssatzschaltbild (8 Punkte) Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild
der Schaltung.
Hinweis: • Die Kondensatoren CK können im betrachteten Frequenzbereich als Kurzschluss angesehen
werden.
• Die Spannungsrückwirkung Vr ist hier zu vernachlässigen.
3.3. Eingangswiderstand (3 Punkte) Bestimmen Sie den Wechselsignal-Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz)
der Schaltung bezüglich der Klemmen A und B.
Hinweis: • Die Kondensatoren CK können auch hier im betrachteten Frequenzbereich als Kurzschluss
angesehen werden.
4. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunkteinstellung
Der Arbeitspunkt für die folgende Schaltung soll eingestellt werden.
U A
Seite 59 von 67

ANHANG D. SS2010, B-ME, KLAUSUR VOM 30. JUNI 2010
I C [mA], COLLECTOR CURRENT
UE
100
80
60
40
20
R1
R2
IB
UBE
RE
I = 400µA
B
I = 350µA
B
T1
UB
IE
I B = 300µA
UCE
I B = 250µA
I B = 200µA
I B = 150µA
I B = 100µA
I B = 50µA
ILD
0
0 4 8 12 16 20
V CE [V], COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE
IC[mA], COLLECTOR CURRENT
100
10
1
Für den Transistor gilt:
Ptot,T1 : 510mW
Dazu gelten unten dargestellten Kennlinien
Für die LED gilt:
UF,LD : 2V
ILD : 60mA
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 20V
UCE,AP : 8V
VCE = 2V
0.1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
VBE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE
VCE = 8 V
4.1. Bestimmung der Ströme und Spannungen im Arbeitspunkt (2 Punkte) Welche Spannung
UBE,AP gilt im Arbeitspunkt, welcher Basisstrom IB,AP fliesst?
4.2. Bestimmung der Widerstände (4 Punkte) Bestimmen Sie die Widerstände RE, R2 und R1.
Hinweis: • Bestimmen Sie die Widerstände in dieser Reihenfolge.
• Es soll IR2 = 10 · IB gelten.
4.3. Leistung (1 Punkt) Welche Verlustleistung wird im Transistor umgesetzt?
4.4. Veränderung der Last (3 Punkte) Was geschieht, wenn in der vorliegenden Schaltung nach
Bestimmung der Widerstände statt einer LED zwei LEDs gleichen Typs eingesetzt werden?
• Welcher Strom ILD,neu fliesst,
• welche Spannung UCE,AB,neu stellt sich ein?
4.5. Schaltungsfunktion (2 Punkte) Um was für eine Schaltung handelt es sich hier? Diskutieren
Sie das Verhalten für die Fälle mit einer und mehreren LEDs.
Seite 60 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang E
ANHANG E. SS2010, B-ME, ERSTE TEILKLAUSUR VOM 25. MAI 2010
SS2010, B-ME, Erste Teilklausur vom
25. Mai 2010
Bearbeitungszeit 60 Minuten
1. Aufgabe (10 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Eigen- und Störstellenleitung (2 Punkte) Was versteht man unter der Eigenleitung eines
Halbleitermaterials im Unterschied zur Störstellenleitung?
1.2. Ladungsträgerkonzentration als Funktion der Temperatur (2 Punkte) Skizzieren Sie die
Ladungsträgerdichte n der Majoritätsträger in einem n-dotierten Halbleiter als Funktion der Temperatur
T .
Hinweis: Tragen Sie auf der y-Achse den natürlichen Logarithmus der Dichte ln(n) auf.
1.3. Ersatzschaltbild der Diode und Bestimmung dessen Elemente (3 Punkte) Skizzieren Sie das
Ersatzschaltbild einer Silizium Diode in Durchlassrichtung. Beschreiben Sie stichpunktartig und mit
einer entsprechenden Schaltung, wie Sie die dargestellten Elemente messtechnisch bestimmen.
1.4. Early-Effekt (3 Punkte) Was versteht man unter dem Early-Effekt eines bipolaren Transistors.
Erläutern Sie stichpunktartig die Ursachen und skizzieren Sie die Wirkungen.
2. Aufgabe (12 Punkte): Gleichrichter mit Glättungskondensator und Ausgangsspannungsstabilisierung
Ein Zweiweggleichrichter soll kapazitiv geglättet werden, die Ausgangsspannung wird mit einer Z-Diode
stabilisiert.
Der Transformator hat einen Innenwiderstand
von Ri = 1Ω. Die Eingangsspan-
D1
RV
nung hat einen Effektivwert von UE,eff =
uE
15V je Wicklung; der Kondensator wur-
upri
C
uC
ZD1 uL
de mit einem Wert von C = 4700µF
RL
ausgelegt. Die Dioden D1 und D1 ha-
uE
D2
ben die Parameter UT,0 = 0, 65V, rF =
1Ω, IFSM = 5A. Für die Z-Diode ZD1
gilt UZ,0 = 10V, rz = 0Ω, IZ,min =
0, 01mA und Ptot = 1W.
2.1. Verlauf von Strömen und Spannungen (2 Punkte) Zeichnen Sie die prinzipiellen Verläufe
Seite 61 von 67

ANHANG E. SS2010, B-ME, ERSTE TEILKLAUSUR VOM 25. MAI 2010
der Ströme iD1, iD2, iC sowie der Spannung uC in das Diagramm ein.
u(t)/V, i(t)/A
2.2. Maximalwert der Spannung uC (2 Punkte) Welchen Maximalwert hat die Spannung uC?
2.3. Maximalstrom IFSM beim Einschalten (2 Punkte) Überprüfen Sie, ob die Dioden einen Einschaltvorgang
unbeschadet überstehen, indem Sie den maximalen Strom beim Einschalten bestimmen.
2.4. Schaltungsmodifikation (2 Punkte) Wie ist die Schaltung zu verändern, wenn ein zu großer
Einschaltstrom bestimmt wird? Wie kann ein sicheres Einschalten gewährleistet werden, wie sieht der
Normalbetrieb aus? Zeichnen Sie die Schaltung und dimensionieren Sie alle eingebrachten passiven
Komponenten.
2.5. Bestimmung des Vorwiderstandes der Z-Diode (4 Punkte) Wie groß muss der Vorwiderstand
gewählt werden, um die Z-Diode auch im Leerlauf im sicheren Arbeitsbereich zu betreiben?
3. Aufgabe (10 Punkte): Arbeitspunkteinstellung
Der Arbeitspunkt für die folgende Schaltung soll eingestellt werden.
UE
R1
R2
IB
UBE
RE
T1
UB
IE
UCE
ILD
uE
−uE
t/s
Für den Transistor gilt:
Ptot,T1 : 510mW
Dazu gelten unten dargestellten Kennlinien
Für die LED gilt:
UF,LD : 2V
ILD : 60mA
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 20V
UCE,AP : 8V
Seite 62 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

I C [mA], COLLECTOR CURRENT
100
80
60
40
20
ANHANG E. SS2010, B-ME, ERSTE TEILKLAUSUR VOM 25. MAI 2010
I = 400µA
B
I = 350µA
B
I B = 300µA
I B = 250µA
I B = 200µA
I B = 150µA
I B = 100µA
I B = 50µA
0
0 4 8 12 16 20
V CE [V], COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE
IC[mA], COLLECTOR CURRENT
100
10
1
VCE = 2V
0.1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
VBE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE
VCE = 8 V
3.1. Bestimmung der Ströme und Spannungen im Arbeitspunkt (2 Punkte) Welche Spannung
UBE,AP gilt im Arbeitspunkt, welcher Basisstrom IB,AP fliesst?
3.2. Bestimmung der Widerstände (4 Punkte) Bestimmen Sie die Widerstände RE, R2 und R1.
Hinweis: • Bestimmen Sie die Widerstände in dieser Reihenfolge.
• Es soll IR2 = 10 · IB gelten.
3.3. Leistung (1 Punkt) Welche Verlustleistung wird im Transistor umgesetzt?
3.4. Veränderung der Last (3 Punkte) Was geschieht, wenn in der vorliegenden Schaltung nach
Bestimmung der Widerstände statt einer LED zwei LEDs gleichen Typs eingesetzt werden?
• Welcher Strom ILD,neu fliesst,
• welche Spannung UCE,AB,neu stellt sich ein?
3.5. Schaltungsfunktion (2 Punkte) Um was für eine Schaltung handelt es sich hier? Diskutieren
Sie das Verhalten für die Fälle mit einer und mehreren LEDs.
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ANHANG E. SS2010, B-ME, ERSTE TEILKLAUSUR VOM 25. MAI 2010
Seite 64 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

Anhang F
ANHANG F. SS2010, B-ME, ZWEITE TEILKLAUSUR VOM 20. JULI 2010
SS2010, B-ME, Zweite Teilklausur vom
20. Juli 2010
Bearbeitungszeit 60 Minuten
1. Aufgabe (10 Punkte): Allgemeine Fragen
1.1. Stromspiegel (2 Punkte)
Die nebenstehende Schaltung realisiert einen Stromspiegel mit
npn-Transistoren.
Erklären Sie stichpunktartig die Funktionsweise der Schaltung.
1.2. Schalten einer ohmsch-induktiven Last (3 Punkte) Skizzieren Sie den Verlauf der Spannung
UCE und des Stromes IC über der Zeit sowie den Verlauf des Schaltvorganges im Ausgangskennlinienfeld,
wenn Sie eine ohmsch-induktive Last Ein- und Ausschalten.
UE
RB
R
L
T1
UB
UA
UE/V
5
UCE/V
IC/A
1.3. Aufnahme des Ausgangskennlinienfeldes eines n-Kanal JFETs (3 Punkte)
1. Skizzieren Sie eine Schaltung, mit der die Ausgangskennlinienfeld eines n-Kanal JFET aufnehmen
können.
2. Skizzieren Sie den zu erwartenden Verlauf der Ausgangskennlinien. Beschriften Sie die Kennlinien
IC/A
Ptot
T1
IC,1
IB,1
I1
IE
IB,2
T2
IC,2
UCE/V
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ANHANG F. SS2010, B-ME, ZWEITE TEILKLAUSUR VOM 20. JULI 2010
1.4. Threshold-Spannung UTh (auch UT0) (1 Punkt) Erklären Sie stichpunktartig das Zustandekommen
der Thresholdspannung UTh (auch UT0) bei einem selbstsperrenden n-Kanal MOSFET.
2. Aufgabe (10 Punkte): Wechselsignalersatzschaltbild einer Transistorstufe
Gegeben ist die folgende Schaltung:
U 0
Ri
U E
CK
R1
A
UB
RC
T1
CK
R2 RE CE R RL
U A
B
R1
Für die Baulemente
: 10kΩ
R2 : 4, 7kΩ
RC : 1kΩ
CK : 10µF
Für die Spannungen
UB : 15V
Für die Parameter des Transistors
rBE : 2, 6kΩ
β : 200
rCE : 100Ω
2.1. Wechselsignalerssatzschaltbild (2 Punkte) Skizzieren Sie das vollständige Wechselsignalersatzschaltbild
des bipolaren Transistors.
2.2. Wechselsignalerssatzschaltbild (5 Punkte) Zeichnen Sie das Wechselsignalersatzschaltbild
der Schaltung.
Hinweis: • Die Kondensatoren CK sind nicht zu vernachlässigen
• Der Kondensator CE kann im betrachteten Frequenzbereich als Kurzschluss angesehen
werden.
• Die Spannungsrückwirkung Vr ist hier zu vernachlässigen.
2.3. Eingangswiderstand (3 Punkte) Bestimmen Sie den Wechselsignal-Eingangswiderstand (Eingangsimpedanz)
der Schaltung bezüglich der Klemmen A und B.
Hinweis: Stellen Sie zunächst fest, wo die Klemmen A und B sind. Markieren Sie die Klemmen A
und B zu Ihrer Orientierung farbig.
3. Aufgabe (10 Punkte): Ansteuerung eines LWL-Senders
Seite 66 von 67 Aufgabensammlung Elektronik I

I C [mA], COLLECTOR CURRENT
UE
100
80
60
40
20
R1
ANHANG F. SS2010, B-ME, ZWEITE TEILKLAUSUR VOM 20. JULI 2010
R2
IB
UBE
RV
I = 400µA
B
I = 350µA
B
T1
UB
LWL-Sende-LED
I B = 300µA
UCE
I B = 250µA
I B = 200µA
I B = 150µA
I B = 100µA
I B = 50µA
ILD
0
0 4 8 12 16 20
V CE [V], COLLECTOR-EMITTER VOLTAGE
IC[mA], COLLECTOR CURRENT
100
10
1
Für den Transistor BC847 gilt:
Ptot,T1 : 510mW
Dazu gelten unten dargestellten Kennlinien
Für die LED gilt:
UF,LD : 4V bei IF,LD,max
ILD,max : 80mA
Für die Schaltung soll gelten:
UB : 16V
UE,Aus : 0V
: 5V
UE,Ein
VCE = 2V
0.1
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
VBE[V], BASE-EMITTER VOLTAGE
VCE = 8 V
3.1. Arbeitsgerade (1 Punkt) Tragen Sie die Arbeitsgerade in das linke Diagramm IC = f(UCE)
ein, so dass die Sende-LED mit maximalem Strom betrieben wird.
3.2. Basisstrom (1 Punkt) Welcher Basisstrom IB,Ein ist mindestens notwendig, damit im Ein-
Zustand der geforderte Strom durch die LED geführt wird?
3.3. Vorwiderstand (2 Punkte) Dimensionieren Sie den Vorwiderstand RV.
3.4. Widerstandsdimensionierung (4 Punkte) Bestimmen Sie die Widerstände R1 und R2, so dass
bei UE = UE,Ein für den Strom durch R2 gilt: IR2 = 5IB,Ein.
3.5. Schaltungsmodifikation (2 Punkte) Wie muss die Schaltung verändert werden, wenn 2 der
LEDs in Reihenschaltung betrieben werden sollen?
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