EKSAMEN Emnekode: ITD006 Emne: Fysikk og datateknikk Dato: 04. Mai 20 Eksamenstid: kl 9:00 til kl 3:00 Hjelpemidler: 4 sider (A4) (2 ark) med egne notater. Ikke-kummuniserende kalkulator. Gruppebesvarelse, som blir delt ut på eksamensdagen til de som har fått den godkjent Faglærer: Erling Strand Eksamensoppgaven: Oppgavesettet består av 4 sider med oppgaver og 2 sider vedlegg, totalt 6 sider. Kontroller at oppgaven er komplett før du begynner å besvare spørsmålene. Oppgavesettet består av 3 oppgaver. Alle oppgavene skal besvares. Alle oppgavene teller likt til eksamen. Sensurdato: 30. Mai 20 Karakterene er tilgjengelige for studenter på studentweb senest dagen etter oppgitt sensurfrist. Følg instruksjoner gitt på: http://www.hiof.no/index.php?id=7027 Alle utregninger må tas med i besvarelsen! Oppgave a) Gitt følgende krets: Spenningen U = 5,0 V, motstandene R =500 Ω (= K5) og R 2 =3300 Ω (=3K3). ) Hvor stor er spenningen U UT? Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side av 3
U UT = 5,0 V. U UT er den samme som U, fordi det er direkte forbindelse, uten motstander, mellom U UT og U 2) Hvor stor er strømmen I T? Regner først ut parallell-koblingen mellom R og R 2 : R P I R R2 500 3300 4950000 03 R R 500 3300 4800 U R 2 5,0 V 4, 03 8 T T ma b) Nå utvides kretsen i oppgave a, med motstanden R 3 : Den nye motstanden R 3 =K2. ) Hvor stor er totalstrømmen I T, som går gjennom motstanden R 3? I U R R 5,0 V 5,0 V 2, 03 200 223 2 T P 3 ma 2) Hvor stor er spenningen U 2? U 5,0 U 2 RP 03 R R 223 P 3 2,3 V c) Lag et Thevenin ekvivalentskjema av kretsen over (i oppgave b). Hva blir spenningen U T og motstanden R T i Thevenin ekvivalentskjemaet? U T er lik tomgangsspenningen på utgangen, U 2 i kretsen over. Derfor er U T =2,3 V R T er lik parallellkoblingen av R, R 2 og R 3 : R T RP R3 03200 237200 555 R R 03200 223 P 3 Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 2 av 3
d) En stavmagnet har en N (nordpol) og S (sydpol). Se figur under. I den figuren av ikke B- feltlinjene tegnet inn. Lag en tegning av denne stavmagneten, og tegn inn B-feltlinjene. Angi også retningen på de e) Beskriv virkemåten til en spole. En spole dannes ved at en ledning, oftest av kobber, er viklet opp som en sylinder. Ledningen er isolert, slik at viklingene ikke berører hverandre elektrisk. Når det går strøm gjennom en ledning, dannes det et B-felt rundt ledningen. Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 3 av 3
osv Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 4 av 3
Oppgave 2 a) Anta at du har temperatursensoren LM35. (Det er den samme dere brukte i prosjekt. Se datablad i vedlegg). Denne skal brukes til å måle temperatur mellom 0,0 ºC +50,0 ºC. Denne sensoren skal kobles til en ADC, som går fra 0,0 v til 5,0 V. Lag forsterkeren som skal plasseres mellom sensoren og ADC en. Ta med kretsskjema og alle utregnede verdier. Ut ifra databladet leser vi at sensoren har 0 mv/ ºC. Ved 0,0 ºC gir den ut 0,00 V, og ved +50 ºC gir den ut 0,50 V. Vi ønsker at spenningen inn på ADC skal være +5,0 V ved +50 ºC. Da må vi ha en forsterker på 0 ganger. Bruker en ikke-inverterende forsterker, slik som i figuren over. Her skal altså U 2 /U = 0. Temperatursensoren blir koblet inn på U. U U 2 R R 2 0 Det gir: R 2 = 9 R Hvis vi velger R =,0 KΩ, blir R 2 = 9,0 KΩ (Andre verdier kan også velges) b) Lag nå et komplett kretsskjema, fra temperatursensoren og inn til ADC. Din forsterker i forrige oppgave inngår i dette kretsskjema. Regn ut alle komponentverdier. (Du trenger ikke ta med de samme beregningen du gjorde i forrige oppgave). Det skal også være et LP filter, med grensefrekvens fg= 0 Hz, og det er viktig at inngangen inn til ADC en blir beskyttet. Temperatursensoren er LM35. U UT blir koblet til ADC. Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 5 av 3
Det kunne vært koblet inn en spenningsfølger til, mellom LP-filteret og beskyttelsen. Dette for at ikke belastningen i beskyttelsen skal påvirke grensefrekvensen. Nå er det slik at ved normale forhold, skal ikke beskyttelsen slå til, og vil derfor ikke være en belastning (under normale driftsforhold). Derfor er det ikke tegnet inn en spenningsfølger her. Imidlertid er en kretsskjema med inntegnet spenningsfølger, også mellom LP-filteret og beskyttelsen være like riktig. Har også brukt ubalanserte forsterkere, da det ikke står noe om krav til støy osv., og da det brukes LP-filter for å ta bort støy. Det er også like riktig å bruke en balansert forsterker på første del, forsterker-delen. Beregninger på LP-filter: f g 2 C R 3 0 Velger C = 0 μf, det gir: 3 R,6 0,6 K 6 3 6 2 0 C 20 0 0 K Beregning på beskyttelsen: Velger D til å være en 5,6 V Zenerdiode. En ADC som går til +5,0 V, tåler vansligvis spenninger inn fra -0,7V til + 5,6V. Da passer en 5,6 V Zenerdiode. Motstanden R 4 er der for å begrense strømmen gjennom D. Den minste verdien på R 4 kan regnes ut ved å gå ut ifra maks effekt som dioden tåler. Den største verdien på R 4 er gitt av motstanden på inngangen til ADC. Nå har vanligvis en ADC nesten uendelig stor motstand, slik at man kan da velge en forholdsvis stor motstand på R 4, uten at det forstyrrer signalet. Ser først på den minste verdien på R 4. Går ut ifra en 0,3 W diode. Største spenning på utgangen av spenningsfølgeren, er gitt av forsyningsspenningen, +2V eller -2V. Ved +2V blir spenningen over R 4 = +2-5,6 = 6,4V. Største tillatte strøm gjennom dioden er gitt av maks effekt den tåler. Ved en maks effekt P= 0,3 W, får vi: I maks = P/U = 0,3/5,6= 53,5 ma. Det gir R 4min =U/Imaks = 6,4V/53,5mA = 20 Ω Må velge R 4 større en det. Kan f.eks velge R 4 = K Ω Ved -2V ut blir I maks = P/U = 0,3/0,7= 428,6 ma. Det vil gi en mye mindre R 4min c) Det er en 2 bit ADC som brukes til å måle temperaturen. Hvilken nøyaktighet på temperaturen får du ved bruk av denne ADC? Oppgi svaret i +- X ºC. (X skal du finne) Vi har FSR= 50,0 ºC LSB= FSR/(2 2 -) = 50,0 ºC/4095 = 0,022 ºC Nøyaktigheten er +- ½LSB = +- 0,006 ºC Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 6 av 3
d) Hvilket tall lese fra ADC en, når temperaturen er + 20,0 ºC? Tallet fra ADC er X: 20,0/50,0 = X/4096 X= 638 Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 7 av 3
Oppgave 3 a) Beskriv virkemåten til en NPN transistor. En NPN transistor består av to PN-overganger, hvor P-laget mellom dem er meget tynt. En PN-overgang består av en P-type halvleder, og en N-type halvleder, som er satt sammen. En p-type halvleder er en halvleder som er dopet med et materiale som har 3 elektroner i sitt ytterste skall. Her blir det altså manko på et elektron for at det ytterste skallet skal være fylt opp. Dette elektronet som mangler kan man se på som et positivt hull. Hvert fremmedatom vil altså inngå i bindingen og skape et hull, som er en positiv ladningstransportør. Vi får da mange frie hull i en p-type halvleder En n-type halvleder er en halvleder som er dopet med et materiale som har 5 elektroner i sitt ytterste skall. Her blir det altså et elektron for mye. Dette elektronet er fritt og kan bevege seg rundt omkring. Vi får da mange frie elektroner i en n-type halvleder. Når P og N settes sammen, vil det bli et skikt mellom de, hvor de frie elektronene i N- materialet fyller plassen til hullene i P-materialet. Vi får da en netto ladning i dette skiktet, som er positiv i N-materialet, og negativ i P-materialet. Dette kan illustreres slik:. osv Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 8 av 3
b) Gitt følgende krets: Inngang A har en av to logiske tilstander: A= 0 (0,0V) eller A= (5,0V). Hva er utgang X når A= 0 og deretter når A=. Ta med beskrivelse av strømmene i NPN-transistorene T og T2 i de to tilfellene (I B, I E og I C på henholdsvis T og T2). Bruk dette til å finne ut om X= 0 eller X=. Motstandene R og R2 er ikke oppgitt, da størrelsen av strømmene ikke skal beregnes. Du skal bare angi om det går strøm eller ikke, og retningene de går. Når A= 0 er X=, og når A= er X= 0 Forklaringen er som følger: Når A= 0 er spenningen på E (emitter) på T lik 0,0 V. Da vil det gå en basestrøm (I b ), og emitterstrøm (I e ) i T. Basestrømmen går her fra B til E på T. Spenningen på basen (B) på T2 vil ikke overstige 0 V, fordi B på T er 0,7 V. Det er egentlig også en PN-overgang, fra B til C på T. Vi har da 2 PN-overganger, BC på T og BE på T2, og det er kun 0,7 V over begge. Det er for lite til at det kan gå strøm der. Derfor vil ikke T2 lede. Dvs I B på T2 = 0, og da er I C på T2= 0. Da går det ingen strøm gjennom R2, og spenningen X er den samme som +U=5V, som er en logisk Når A= er spenningen på E, på T lik 5,0 V. Da vil det ikke gå strøm fra B til E på T. Imidlertid vil PN-overgangen BC i T lede. Denne strøm går videre ned i T2, og blir basestrøm fra B til E i T2. T2 vil da lede. Da vil det også gå en emitterstrøm og Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 9 av 3
collektorstrøm i T2. Da blir det et spenningsfall over R2, som gjør at spenningen på X blir tilnærmer 0. Dvs X= 0 c) Gitt følgende krets: AC-spenningen U går fra +5,0 til -5,0 V. Altså den har en U PP på 0,0 V. U R er spenningen over motstanden R, mellom punktene A og B. R =,5 KΩ (K5). Lag en tegning av spenningene U og U R. Ta med en hel periode på tidsskalaen (x-aksen). Spenningen U R ligger,4 V under U, fordi det er et spenningsfall på 0,7 V over hver diode. d) Gå ut ifra kretsen over, i oppgave c). ) Hvor stor er rms-verdien av U? (Altså U rms ) Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 0 av 3
U rms = U PP /2 2 = 0,0 V / 2 2 = 3,5 V 2) Hvor stort effekttap har vi i motstanden R? P = (U rms ) 2 /R = 3,5 2 / 500 = 8,3 mw Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side av 3
VEDLEGG Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 2 av 3
Eksamen i ITD006 Fysikk og datateknikk, 04/05-20 Side 3 av 3