Elektronikk 2 løsningsforslag våren 2002

Transkript

1 Elektronikk 2 løsningsforslag våren 2002 OPPGAVE a) ) N-kanal anrikningstype (enhancement) MOSFET b) 4) Indre kapasitanser i transistoren og motstander på inngangen. c) 2) R =, MΩ R 2 = 00 kω d) ) 40V e) 2) 3MHz f) ) (a) en n-kanal anrikingstype og (b) en p-kanal anrikningstype MOSFET g) 4) 24 db h) 3) en differensialforsterker i) 2) større j) ) g m k) 3) 8,4 K/W l) 4) 970 m) ) 0,005% n) ) oscillere på en lavere frekvens o) 3) V o >V S p) 2) 20 q) 2) 0,6 Ω r) 3) 56kΩ s) 4) 56k t) 3) 33nF u) 2) Lithium-ion-batteri v) ) glimmerkondensator w) 3) 89pF x) 3) 20,3kΩ y) 4) 3,6 V

2 2 OPPGAVE 2 (ca 2%) 230V 50 Hva er mest sannsynlig årsak til hvert av feiltilfellene nedenfor? a) Måler null spenning over transformatorens primærvikling Mest sannsynlig kan sikringa være røket, eventuelt kan det være brudd i en leder på kretskortet, eller en løs klemskrue. b) Utbedrer feilen fra punkt a. Fortsatt ikke riktig utspenning og med et tokanals AC-koplet oscilloskop registrerer vi spenningene vist til høyre. Brudd i en diode (D3 eller D4) OPPGAVE 3 (ca 0%) IC IC 2 a) Den tilbakekoplede kretsens sløyfeforsterkning (T = β A) skal, for å få oscillasjon med konstant amplitude oppfylle følgende betingelse: T=, dvs. enten Re{T}= og Im{T}=0 eller alternativt T = og ϕ T = 0

3 b) Ved hvilken frekvens vil koplingen oscillere (hvis K er slik at den kan oscillere)? Oscillasjon kan skje ved den frekvens der sløyfeforsterkningens fasedreining er null og vi må derfor finne uttrykk for fasedreiningen. j RC Allpassnettets transferfunksjon er T = ω + jωrc Allpassnettverkets fasedreining blir ϕ = ϕ teller - ϕ nevner = Arctan(-ωRC) - Arctan(ωRC) = -2Arctan(ωRC) 3 RC-leddet mellom de to forsterkerne har transferfunksjonen T = 2 + jωrc som gir fasedreiningen ϕ 2 = - Arctan(ωRC) Forsterkeren IC 2 har transferfunksjonen T 3 (jω) = K der K er et reelt tall. Hvis K>0 er fasedreiningen ϕ 3 =0 og hvis K<0 er fasedreiningen ϕ 3 =±80 Total fasedreining rundt tilbakekoplingssløyfa blir derfor enten ϕ A = -3Arctan(ωRC) eller ϕ B = -3Arctan(ωRC) ±80 avhengig av om K er positiv eller negativ. Tilfelle, K>0: ϕ A = -3Arctan(ωRC) = 0 gir betingelsen ω = Tan(0) = 0 som ikke egentlig betyr en oscillasjon, RC men at kretsen "henger seg opp" hvis tallverdien av forsterkningen K er stor nok. Tilfelle 2, K<0: 80 3 ϕ B = -3Arctan(ωRC) ±80 = 0 gir betingelsen ω = Tan( ) = Tan(60 ) = RC 3 RC RC som gir en oscillasjon med frekvensen 3 ω = hvis tallverdien av forsterkningen K er stor nok. RC c) Hvor stor forsterkning K må IC 2 ha for at kretsen skal kunne oscillere? Tallverdien av sløyfeforsterkningen må være minst lik ved oscillasjonsfrekvensen, dvs. T = T T2 K ( ωrc) T = K ( ωrc) + ( ωrc) + ( ωrc) 2 2 K som ved ordning og innsetting av 3 ω = gir K 2 RC Fra før vet vi at K skal være negativ, K= -2 er derfor grensen for å få til oscillasjon.

4 OPPGAVE 4 (ca. 9%) a) 4 Forslag til framdriftsplan for utvikling og produksjon av prototyp ) Klarlegging av problemet, fastlegge markedskrav, ytre spesifikasjoner, økonomiske begrensninger, designkrav. Oppsett av foreløpig framdriftsplan med tidsrammer for aktivitetene. 2) informasjonsinnhenting 3) oppdeling i funksjonsblokker 4) sammenligning av alternative kretsløsninger for blokkene og valg av løsning 5) dimensjonering av de enkelte blokker samt hardwareløsninger 6) simuleringer og eventuell redesign 7) komponentbestilling 8) utlegg av kretskort 9) eventuell design av kasse 0) produksjon av kretskort o framstilling av film o fotokopiering o etsing o eventuell boring av monteringshull ) montering av komponenter (egne prosedyrer for OFM og hullbaserte) 2) Framstilling av kasse og montering av komponenter+kretskort i kasse 3) uttesting og eventuell feilsøking, eventuell redesign, egen prosedyrebeskrivelse. 4) målinger for å sjekke at utstyret tilfredsstiller spesifikasjonene, eventuell redesign. 5) Dokumentasjon Det kan være hensiktsmessig å definere et forprosjekt som omfatter for eksempel punktene -4 med en fastlagt rapporteringsfrist. Kunden tilstilles forprosjektrapporten og er med på avgjørelsen av prosjektets videre framdrift.

5 b) 5 46 V(DC) overlagret,2 V rippel 230 V(AC) Spenningstransformering Likeretting Glatting Spenningsregulering Last 35 V(AC) 38 V(DC) 25 mvrippel Blokkskjema for likeretter Forslag til skjema: (R og C kan sløyfes). (Som regulator kunne eventuelt også brukes en 3-terminalregulator for lavere spenning men utstyrt med en zenerdiode i felleslederen). Transformatorens omsetningsforhold skal være 230V til 35V, dvs. N=6,57. Dersom I DC =0,2A skal transformatoren minst kunne levere DC-effekten P= U DC I DC = 46 0,2 = 9,2W Glattekondensatoren dimensjoneres ut fra kravet til rippelspenning og dersom I DC = 200mA: I I L L 0,2 6 U r = der f r er rippelspenningens frekvens, dvs. C = = F = 700µ F f r C fu r r 00,2 C 2 = 700µF Kondensatoren må tåle amplitudeverdien av transformatorens høyeste sekundærspenning. Zenerdioden skal ha zenerspenning ca. U Z = U o + U BE = 38+0,7 = 38,7V Resistansen R 2 dimensjoneres slik at dioden alltid fører en strøm større enn diodens minimumsstrøm, selv når reguleringstransistoren trekker maksimal basisstrøm og innspenningen har sin minimumsverdi. Dersom vi antar at transistoren har strømforsterkning B=20, blir I B = 200mA/20 = 0mA. Velger å dimensjonere I R = I B +I Z = ma = 5mA. R 2 = (U DC - U Z )/I R = (46-38,7)/5 = 0,487k. Velger f.eks. R 2 = 470 Ohm. Ønsket rippelreduksjon fra U r =,2V til U r2 =25mV stiller krav til zenerdiodens dynamiske resistans r z. U r2 = U r r z /( r z + R 2 ), dvs.

6 r z R U U U 2 r 2 = = = r r dvs r z = 0 Ω 6 Reguleringstransistoren må ha kjøling så den tåler tapt effekt P D = (U DC -U o )I L = (46-38)0,2 =,6W

7 Løsningsforslag til oppgave 5a. Eksamen Elektronikk 2, A Ø 5 2, A A-A Målestokk 2: Kommentar: Hovedrisset (i midten) og et av de to andre rissene er nødvendig for å lage gjenstanden. Risset til høyre må ha snitt dersom vi skal kunne være sikker på at det ikke består av to stykker. Jeg tenkte at hovedrisset og risset til høyre skal være de to rissene jeg vil benytte. Dersom jeg hadde benyttet risset lengst til venstre ville jeg flyttet litt på mållinjene for på hovedrisset for å unngå kryssende målavgrensningslinjer.

8 OPPGAVE 5 fortsetter 8 b) Fortell kort om tre målsettingsmetoder (bruk eventuelt en skisse for å vise prinsippene). Det er tre vanlige metoder for målsetting: Kjedemålsetting, parallellmålsetting og koordinatmålsetting. Ved kjedemålsetting følger målene etter hverandre: Ved parallellmålsetting bruker vi en basislinje som utgangspunkt for målene: Ved koordinatmålsetting bruker vi to basislinjer som utgangspunkt for målene (x- og y-retning): OPPGAVE 6 (ca 2%) a) Fortell om lading av nikkelmetallhydridbatterier (NiMH). Lading av NiMH-batterier foregår med konstant strøm. Normallading vil være 0,C 5 amp. Vi har en ladefaktor på,4. Dvs at vi har en ladetid å 4 timer. For lading av NiMH-batterier må vi ha ladekontroll. Vi kan ha er timer som kobler ut er endt ladetid. Dette forutsetter utladet batteri før lading. Vi bør også registrere når batteriet er fulladet. Vi får et lite spenningsdropp på kanskje 0 mv (5 mv). Vanligvis vil vi registrer at spenningen har flatet ut og avbryter ladingen da. Ladere som er beregnet på NiCd-batterier skal ikke brukes da de vanligvis reagerer på et større spenningsdropp. Videre bør det være temperaturkontroll. Det er nødvendig i hurtigladere. b) Fortell kort om kondensatorer og høyfrekvensegenskaper og hva som skjer ved økende frekvens. Tegn en modell av en virkelig kondensator. Hvilke faktorer er viktig og hvilke typer er å foretrekke. Hvilke typer er ikke egnet. Kapasitansen for en kondensator er bestemt av tre faktorer: C = ε A/d, hvor er arealet, A, mellom to plater er skilt med avstanden d. Dielelektrisitetskonstanten ε er bestemt av materialet mellom platene. Modell: Vi tar utgangspunktet i ekvivalentmodellen for en kondensator. R p må R p C R s L være stor. Dette gjelder ikke for elektrolyttkondensatorer. De har stor lekkasjestrøm. Vanligvis kan vi se bort fra lekkasjestrømmen. Når det gjelder vekselstrøm må de dielektriske tap være små. Ser vi bort fra R p vil impedansen være: Z = R s + jx = R s + j(ωl /(ωc)) Z: impedans R s : serieresistans

9 X: reaktans 2 2 Z S = R s + X, fasevinkelϕ r X = arctan Rs 9 Zs R s fso f Fig.: Impedans som funksjon av frekvensen Resonansfrekvensen kan finnes ut fra ligningen: ω L = 0 ωc 2 πf sol = f so = Impedansen er da et minimum. Z S = R s 2πf soc 2π LC For at vi skal kunne bruke kondensatoren må vi ligge under selvresonansfrekvensen. For høye frekvenser må R s og L være små. Induktiviteten for en kondensator er bestemt av måten en kondensator er laget på. En rulleblokkondensator vil ikke være så godt egnet. Fysisk størrelse og lengde på beina vil avgjørende for induktivitetet. I et grovt overslag for beregning av tilledninger kan vi regne nh/mm. Overflatemonterte kondensatorer vil være å foretrekke. Avhengig av hva kondensatoren skal brukes til, vil vi legge vekt på ulike egenskaper. For en avkoblingskondensator vil ikke toleransen bety så mye, heller ikke temperaturstabilitet. Skal vi derimot bruke kondensatoren som en frekvensbestemmende komponent, må driften være lav og toleransene bør også være liten. Plastkondensatorer, glimmerkondensatorer og keramiske kondensatorer vil vanligvis være brukbare, men egenskapene må sjekkes i databladet. c) Vi har en utlading (ESD) i nærheten av ei sløyfe på et kretskort. Tegn en skisse som viser hvordan utladning vil gi maksimal induksjon i sløyfa (sted/orientering). Tegn ev. feltlinjer. Den utladning som skjer i sløyfplanet parallelt med lengste leder rett på utsiden av sløyfa vil ha størst virkning. Sløyfe utladning d) Motstander har støy. En type støy er uunngåelig. Hva er formelen for den? En del motstander har tilleggsstøy. Hvordan oppgis denne støyen (benevning)? Hvilken type motstander støyer mest. Gi korte svar. Termisk støy er uunngåelig. Formelen for termisk støy er U = 4kTBR hvor k =Boltzmanns konstant, T = temperatur, B = båndbredde og R = motstandsverdi. Mange motstander har tilleggsstøy. Denne er avhengig av spenningen over motstanden og den oppgis i [µv/v]. Karbonmassemotstander er den typen som støyer mest. Det var det