Løsningsforslag eksamen EDT202T, Elektronikk 2, den

Transkript

1 øsningsforslag eksamen EDT202T, Elektronikk 2, den Oppgave 1 (ca. 50 %) Velg for hvert delspørsmål det alternativ som synes mest riktig. Dersom du velger feil vil det bli trukket en tredjedel av det et rett svar gir. «Vet ikke» gir 0 poeng. Sammenlagt poengsum i oppgave 1 kan ikke bli negativ. Skriv svaret ditt på gjennomslagsarket. 3) å sette opp spenning over D1 og D2 3) 3,9 K/W c) 4) 16 d) 2) 40 e) 2) 3 MHz f) 4) 400 g) 1) 75 kω h) 2) Im{β Α} = 0 i) 2) større j) 1) Stoppbandsdempinga endrer seg 20 db/dekade k) 3) 0,707 A m l) 3) korte inn lengdene på ledningsføringa på kretskortet m) 2) 1 dominant pol og 2 andre poler, alle relle n) 3) Den kan måles i db o) 3) Boost-konverter p) 1) Buck-boost-konverter q) 2) der absoluttverdien alltid større enn inngangspenningen r) 3) 39 kω s) 3) 470 Ω t) 2) toleranse u) 2) 470 kω v) 1) papirkondensator w) 3) 0,01 µh/cm x) 2) 30 y) 2) 558 pf

2 Oppgave 2 (ca. 10) PA-FOSTEKA Effektforsterking A p Spenningsforsterking A u Inngangsimp. i = 47 kω Figuren viser eit forsterkaroppsett for taleforsterking utomhus. Mikrofonen har sensitivitet 55 dbv, dvs. at 1 Pa ljodtrykk genererer spenninga 55 dbv (MS). Vis at mikrofonspenninga er 107 µv ved vanleg talestyrke (0,06 P i mikrofonen. Signalspenninga frå mikrofonen U = 10 55/20 V = 10 2,75 V = 1,78 mv for 1 Pa ljodtrykk. Mikrofonspenninga er proporsjonal med ljodtrykket, dvs. for 0,06 Pa (normal talestyrke) er U = 0,06 1,78 mv = 107 µv. Høgtalaren har driftseffekt 1,6 W, og maks. tillaten tilført effekt over lang tid P = 600 W. Nominell høgtalarimpedans er H = 8 Ω. Høgtalaren er plassert slik at avstanden til tilhøyrarane er 20 meter. Kva er ljodtrykket på tilhøyrarstaden dersom effekten inn på høgtalaren er 600 W? Ved 1 m avstand gjeld at SP = 96 db for 1,6 W tilførd effekt. For 600 W er SP større enn 96 db med denne faktoren: SP 600 W = 10 lg(600 W/1,6 W) = 25,7 db. Ved 20 m avstand er ljodtrykket mindre enn det er ved 1 m pga. frittromstapet: SP 20 m = 10 log((1 m) 2 /(20 m) 2 ) = 20 lg(1 m/20 m) = 26,0 db. Det resulterande ljodtrykket er SP = 96 db SP 600 W SP 20 m = 96 db 25,7 db ( 26,0 db) = 95,7 db c) ekn ut kor stor spenningsforsterking forsterkaren må ha for at vanleg talestyrke i mikrofonen skal gje 600 W effekt inn på høgtalaren. Kva er forsterkinga i desibel? Samanhangen mellom spenning U o over høgtalaren og tilførd effekt P o er P o = U o 2 / H. Når P o er kjend finn me U o = (P o H ) = (600 W 8 Ω) = 69,3 V. Spenningsforsterkninga frå mikrofon til høgtalar må då vera A u = U o /U i = 69,3 V / 107 µv = I desibel er effektforsterkinga A p[db] = 20 lg = 116,2 db.

3 Oppgave 3 (ca. 10%) Figuren under viser ei effektforsterkarkopling. Forsyningsspenningane er symmetriske U CC og U CC. Inngangssignal er u i (t) og utgangssignal er u (t). Gå ut ifrå at dei to transistorane Q 1 og Q 2 har høg β-verdi og basis/emitter-spenningsfall lik 0,7 V. Kva for klasse er denne forsterkaren A, AB eller B? Gje grunn for svaret. Klasse B. Kvar transistor er aktiv 50 % av tida ved sinuspåtrykk. Inga kompensering av basis/emitter-spenningsfall. Skisser spenningane u i (t), i C1 (t), i C2 (t) og u (t). at inngangsspenninga u 1 (t) vere sinusforma med amplitude u 1 = 20 V, medan forsyningsspenninga er mykje større: U CC >> 20 V. Nullgjennomgangsfeil pga. basis/emitter-spenningsfall. Sjå bort frå basis/emitter-spenningsfallet i dei neste deloppgåvene c) Set forsyningsspenninga til U CC = 120 V. Vis at den største effekten (sinussignal) som kan leverast til lasta (høgtalaren) er P = 900 W. Utgangssignalet er sinusforma så lenge transistoren ikkje klypper signalet pga. metning. Maks. amplituden er U o = 120 V. Det gjeld i både positiv og negativ halvperiode (symmetri). Ved maks. amplitude er P = U CC 2 /2 = (120 V) 2 /2 8 Ω = 900 W.

4 d) ekn ut det maksimale tapet (dissipert varmeeffekt) i kvar av transistorane ved sinuspåtrykk. (Vink: Signalamplituden U o er mindre enn maks. når tapet oppnår dette maksimumet. Det er lov å bruka formelvedlegget.) Dissipert effekt i Q 1 og Q 2 til saman, jf. formelvedlegget: 2 U 1 U 2 o P D = U CC π 2 CC Dette er ein andregradsfunksjon av U o, og ekstrempunktanalyse dp D (U o )/du o = 0 gjev P D,max = 2 U CC 2 /(π 2 ) = 2 (120 V) 2 /(π 2 8 Ω) = 264 W. For kvar einskild transistor er effekten halvparten: 182 W. OPPGAVE 4 (ca. 15%) Forklar hvordan du måler utgangsimpedansen ved hjelp av spenningsmålinger, og tegn en måleoppstilling. Forklar om signalnivå, størrelse på eventuelt eksterne komponenter m.m. Sett opp et uttrykk for utgangsimpedansen ved hjelp av det du måler. For å måle utgangsimpedansen kan vi måle tomgangsspenning, U o, og spenning ved belastning, U ut. Se måleoppstilling o U o U ut For å få måle nøyaktighet må vi ha en lastmotstand som ikke er alt for stor i forhold til o. Vi kan for eksempel velge = 1 Ω. Vi kan da sette opp følgende uttrykk: Uut = Uo, o kan da finnes: ( o )U ut = U o o o U ut = U o U ut, = ( U ) o Uut o Uut og U ut er spenningen vi måler ved belastning., og U o er kjent (U o er tomgangspenning) Når vi skal gjennomføre målingen så bør vi bruke et lite signal slik at lasten vår tåler effekten. Har vi for eksempel 1 V rms over 1 Ω må den tåle 1 W. Forsterkeren må også kunne levere effekten. Dersom vi har full utstyring på forsterkeren (60 W, /- 31V over 8 Ω) vil effekten forsøkt levert til 1 Ω være ca 480 W. Du har en brolikeretter i strømforsyningen (/- 40V). Glattekondensatorene har kapasitansen µf. Du belaster med 3 A. Hvor stor rippel kan du forvente? Du måler større rippel enn forventet. Forklar mulig årsak. Hvor mye effekt kan du regne med at forsterkeren din maksimalt kan levere til en 8 Ω s last. Forklar og gjør enkle beregninger.

5 I U r = der f r er rippelspenningens frekvens f r C Vi har dobbelt likeretting så f r blir 100 Hz. I 3 ippelspenning: Ur = = = 3V 3 fr C En mulig årsak til økt rippel er ES i kondensatorene. Vi får spenningsfall internt i kondensatoren. Vi har /-40 V til rådighet. Vi må forvente at vi får minst 1 volt spenningsfall over transistorene i sluttrinnet. I tillegg vil vi å lavere spenning på grunn av rippel. Vi kan for enkelthets skyld anta at tomgangspenningen er 40 V og vi at vi har 3 V rippel. Det maksimale svinget vil da bli en sinus med peakspenning 36 V. 2 2 U (36 / 2) P = = = 81W 8 c) Hvilke komponenter bestemmer forsterkningen ved midlere frekvenser? Beregn tilnærmet hvor stor den blir sett fra basis på Q1. Beregn forsterkningen også sett fra midtuttaket på volumkontrollen. Anta inngangimpedans for Q1 er innq1 = 5 kω. Forsterkingen bestemmes av tilbakekoblingen i forsterkeren. Den er gitt av 6 og 5. Forsterkningen, A = 1 (6/5) = 1 22/1 = 23 dersom vi ser på forsterkningen fra basis på Q1. Skal vi beregne forsterkningen fra midtuttaket på potensiometeret må vi se på spenningsdelingen på inngangen. Spenningen på basis innq1 5 Ub = Uinn = Uinn = 0,7 Uinn 1 5 2,2 innq1 Dvs at forsterkningen reduseres med ca 0,7 ganger slik at totalforsterkningen blir da A t = 0,7 23 = 16,0. d) Hvilke komponenter bestemmer forstekerens nedre grensefrekvens? Beregn omtrentlig nedre grensefrekvens. Nedre grensefrekvens er bestemt av 1, 2, innq1 og C f = = = = 29,3 Hz π 2 ( 1 1) TOTC innq (2, ) 6 2π C 2π , innq1 e) Forklar hensikten med 11 og 12 (i kollektor på sluttransistorene). Forklar også om hvilestrøm og hensikten med kjøre en gitt hvilestrøm i sluttrinnet. 11 og 12 skal stabilisere forsterkertrinnet ved hensyn på drift som skylders temperaturøkning. Motstandene vil også være med på å lineærisere forsterkningen.

6 11 og 12 skal gi en spenning som trigger strømbegrenseren. Når strømmen øker i sluttransistorene øker spenningen over 11 og 12. Ser vi på 12 vil spenningen over den gi en spenning over basis emitter på Q9. Spenningen på basis skaleres ned av spenningsdeleren som består av 18 og 19. Når spenning over basis emitter på Q9 er ca 0,6 V begynner Q9 å lede og redusere spenningen på basis på Q5 som vil redusere strømmen i gjennom 10 som gjør at spenningen over basis emitter på Q6 reduseres. Det kjøres en hvilestrøm gjennom sluttrinnet (noen titalls ma) for å redusere overgangsforvrengingen (crossover distortion). Ved å måle spenningen over 11 og 12 kan hvilestrømmen beregnes. OPPGAVE 5 (ca.10%) En student har laget en effektforsterker og forsøker å måle forsterkerens klirrfaktor ved å benytte en signalgenerator med lav klirr, en lastresistans =8 Ω og en spektrumanalysator. Signalgeneratoren stilles inn til å gi 1kHz sinus inn til forsterkeren. På spektrumanalysatorens skjerm avleser han da følgende signaler: Frekvens 1 khz med amplitude 87,0 dbmv Frekvens 2 khz med amplitude 14,0 dbmv Frekvens 3 khz med amplitude 25,1 dbmv Frekvens 4 khz med amplitude 0 dbmv Frekvens 5 khz med amplitude 14,0 dbmv Hvor stor ca. er uteffekten? Vi starter med å regne om avleste verdier til lineære verdier. 87,0 dbmv = 10 87/20 = mv = 22,4 V 13,0 dbmv = 10 13/20 = 5,0 mv 25,1 dbmv = 10 25,1/20 = 18,0 mv 0 dbmv = 1 mv Grovt regnet er uteffekten gitt av effekten i den grunnharmoniske 2 2 U 22,4 1 P = = = 31, 4W Hvor stor er forsterkerens klirrfaktor da? U U U U K = = = 0, U U U U U dvs. K 0,09 % OPPGAVE 6 (ca. 5%) Forklar begrepet immunitetsnivå og emisjonsgrense i EMC-sammenheng relater nivåene på disse til immunitetsgrense og emisjonsnivå. Immunitetsnivå er den aktuelle støyen som utstyret tåler. Dette må ligge høyere enn immunitetsgrensen som er det lovverket beskriver. 2

7 Emisjonsgrense er det maksimale støynivået som regelverket tillater. Emisjonsnivået må ligge under grensen. Du skal avkoble signalet inn på en inngang. Anta at du har et nyttesignal i audioområdet. Inngangsimpedansen er ca 50 kω. Anta at inngangen er matet med en kilde som har ca 50 kω kildeimpedans. Signalene du er redd for mistenker du kommer fra mobiltelefon (900 MHz). Du velger en kondensator for å lage et filter. Tegn filterkomponentene (husk kildeimpedansen og inngangsimpedansen) og beskriv egenskapene til filteret. Beregn ca verdi på kondensatoren dersom du antar at støysignalet må dempes minst 60 db uten at nyttesignalet dempes vesentlig. Beregn omtrentlig maksimal serieinduktans på kondensatoren. Fortell hvordan du vil gjøre det med hensyn på montering. Begrunn hva slags type kondensator vil du velge. Vi lager et lavpassfilter, se fig. Dette filteret vil dempe signalet med 3 db ved grensefrekvensen. Det vil dempe 20 db/dekade. C Fig. C-filter Jeg antar at audioområdet strekker seg til 20 khz. Jeg har et lavpassfilter bestående av en kondensator og en motstand. Filter er et første ordens filter som vil dempe 20 db/dekade. Dersom vi velger en grensefrekvens på ca 90 khz vil filteret ha lite dempning av nyttesignalet samtidig som 900 MHz skulle teoretisk sett være dempet med 80 db (4 dekader). Vi beregner nødvendig C. Total resistans vil være parallellkoblingen av de to motstandene når vi tegner en Thevenin-ekvivalent. En egnet kondensator vil være en plast eller keramisk kondensator. 1 1 C = = = = π f 2 π , ,1 pf Jeg velger 68 pf som er en standardverdi. Dette vil være en keramisk kondensator. For at kondensatoren skal virke som kondensator må den være kapasitiv. Når vi har selvresonans vil serieinduktansen være like stor som impedansen til kapasitansen. Vi beregner induktansen ved resonans på 900 MHz π C (2 π f ) C (2 π ) f 12 = = = = ,5 nf ,5 nf tilsvarer ca 0,5 mm ledning så dette vil det være vanskelig å realisere i praksis. Ved å velge en keramisk overflatemontert kondensator kan vi minimalisere induktansen. Kondensatoren må plasseres så nærme inngangen som mulig.