Övningsuppgifter i Elektronik

Transkript

1 1 Svara på följande frågor om halvledarkomponenter. Övningsuppgifter i Elektronik a) Vad är utmärkande för ett halvledarmaterial? b) Vad innebär egenledning och hur kan den förhindras? c) edogör för dopning av halvledare. d) Hur är en diod uppbyggd och hur fungerar den? e) Hur är en bipolartransistor uppbyggd och hur fungerar den? f) eskriv skillnaden mellan en NPN-transistor och en PNP-transistor. g) Hur är en fototransistor uppbyggd och hur fungerar den? h) Vad är skillnaden mellan en optokopplare och en läsgaffel. i ) Vad är fördelen med att använda en optokopplare. 2 Figuren visar hur en lysdiod kopplas in till en spänningskälla. Lysdioden har framspänningsfallet 1,6 V. Vilken resistans skall resistorn ha för att lysdioden skall få strömmen 10 ma? 5 V 3 Figuren visar en koppling med bipolartransistor av NPN-typ. När brytaren är sluten bottnar transistorn och när brytaren är öppen är transistorn strypt. a) Hur stor blir strömmen genom transistorn när den är bottnad? b) Hur stor basström måste man minst ha för att transistor skall bottna om är 150? c) Hur stor kan högst vara för att transistorn skall bottna? 1,2 kohm C 10 V

2 4 Dimensionera b så att U CE blir 5 V då är 200. b 1 kω 12 V 5 eräkna potentialen i punkten A. A 15 ma 680 ohm V - GND ( ground )

3 6 Figuren visar en koppling med läsgaffel. a) Vilken resistans skall 1 ha för att strömmen genom lysdioden skall bli 10 ma om U F 2,5 V? b) Vilken resistans skall 2 ha för att strömmen genom fototransistorn maximalt skall bli 14 ma? c) Vad kommer voltmetern att visa när lysdioden lyser på fototransistorn? Ledning: Spänningen över voltmetern är en spänningsdelning av 24 V mellan fototransistorn och 2. d) Vad kommer voltmetern att visa om man för in ett föremål i läsgaffeln så att inte lysdioden kan lysa på fototransistorn. 24 V 24 V 1 + U F - 2 V

4 7 Figuren visar hur man styr ingången till ett styrsystem med en brytare. ngången på styrsystemet består av en optokopplare. Punkten A kopplas sedan vidare in i styrsystemet. esistorn 100 kohm kallas pulldown-resistor och är till för att förhindra att störningar påverkar ingången. esistorn kopplar ner störningar till jord. Framspännigsfallet över lysdioden är 2,0 V A) rytaren är öppen: a) Angiv strömmen genom lysdioden. b) Angiv strömmen genom fototransitorn. c) Angiv potentialen i punkten A. ) rytaren är sluten: a) Angiv strömmen genom lysdioden. b) Angiv strömmen genom fototransitorn. c) Angiv potentialen i punkten A. 24 V 24 V Styrsystem 2,4 kohm 1,8 kohm A 100 kohm

5 8 Figuren visar en läsgaffel till vänster och en optokopplare till höger. Optokopplaren sitter på ingången på styrsystem för att förhindra att överspänningar på ingången skall förstöra styrsystemet. Framspänningsfallet över lysdioderna är 2,0 V A) Det finns inte något föremål i läsgaffeln: a) Angiv strömmen genom lysdioden i läsgaffeln. b) Angiv strömmen genom lysdioden i optokopplaren. c) Angiv potentialen i punkten A. ) Det finns ett föremål i läsgaffeln: a) Angiv strömmen genom lysdioden i läsgaffeln. b) Angiv strömmen genom lysdioden i optokopplaren. c) Angiv potentialen i punkten A. Styrsystem 24 V 24 V 24 V 820 ohm 820 ohm 820 ohm A

6 Lösningar: Lösning 1 a) Ett halvledarmaterial som kisel och germanium är att det har fyra elektroner i yttersta skalet. b) Egenledning innebär att man vid rumstemperatur eller belysning får fria elektroner och hål som kan leda strömmen. Egenledning kan förhindras genom att kyla materialet och baka in det i svart plast. c) Genom att sätta till atomer med fem elektroner i yttersta skalet får man N-dopning vilket gör att man får svagt bundna elektroner. Sätter man till atomer med tre elektroner i yttersta skalet får man P-dopning och fritt rörliga hål som kan ses som fritt rörliga positiva laddningar. d) En diod består av en halva P-dopat material och en halva N-dopat material. Dioden leder endast från P-sidan till N-sidan. e) En transistor kan vara dopad NPN eller PNP. Det är en liten basström som styr den stora kollektorrströmmen. lir basströmmen tillräckligt stor bottnar transistorn och man kan se den som en strömbrytare som är till. f) NPN-transistorn leder strömmen från kollektor till emitter och PNP-transistorn leder strömmen från emitter till kollektor. g) Fototransistorn kan belysas så att när ljus faller på den så blir den ledande. h) En läsgaffel är en optokopplare där man kan föra in ett föremål mellan lysdiod och fototransistor. i ) Med en optokopplare kan man skilja två kretsar elektriskt för att förhindra att överspänningar förs vidare från en krets till en annan. Lösning 2 Spänningen över resistorn måste vara spännigskällans spänning minus spänningen över lysdioden. Med ohms lag får man då resistorns resistans. Lösning , 001. Ω 340 Ω a) När transistorn är bottnad kan man se den som en strömbrytare som är till. Ohms lag på resistorn 1,2 kohm ger kollektorströmmen. C 10 A 8,33 ma 1200 b) Strömförstärkningsfaktorn ger oss basströmmen. C C 0,00833 A 55 µ A 150 c) Kirchhoffs spännigslag på baskretsen ger: kω 6 0,7 0

7 Lösning 4 Om U CE är 5 V blir spänningen över 1 kohm ( 12-5) V 7 V. Kollektorströmmen blir då asströmmen blir då Kirchhoffs lag på baskretsen ger: A 7mA ma 35 µ A b kω b 0,7 0 Lösning 5 Spänningen över resistorn får man med ohms lag. U 680 0,015 V 10,2 V Lägger man ihop spänningen över resistorn och spänningen över lysdioden får man potentialen i A. V A ( 10, ) V 12,4 V Lösning 6 a) Spänningen över resistorn U ( 24 2,5) V 21,5 V Ohms lag ger: 1 21,5 Ω 2150 Ω 0,01 b) Ohms lag ger: ,014 Ω 1714 Ω c) Eftersom fototransistorn då har resistansen 0 ohm får vi spänningen 24 V över voltmetern och 2. d) Då blir fototransistorn ett avbrott med oändlig resistans. Voltmetern kommer då att visa 0 V.

8 Lösning 7 A a) Strömmen blir noll. Det finns ingen spänning. b) Transistorn är inte belyst. strömmen blir noll. c) Om strömmen är noll genom 1,8 kohm blir det inget spänningsfall över den. Potentialen i punkten A blir då 24 V. a) Strömmen beräknas med Ohms lag A 9,17 ma 2400 b) Transistorn leder. Ohms lag ger strömmen. 24 A 13. 3mA 1800 c) Transistorn leder. Punkten A är kopplad till jord. Potentialen är noll. Lösning 8 A a) Ohms lag ger strömmen A 26,8 ma 820 b) Fototransistorn i läsgaffeln leder A 26,8 ma 820 c) Fototransistorn i optokopplaren är belyst. Då blir potentialen i punkten A noll. a) Ohms lag ger strömmen A 26,8 ma 820 b) Fototransistorn i läsgaffeln leder ej. strömmen blir noll. c) Fototransistorn i optokopplaren är ej belyst och leder ej. Det blir ingen ström genom resistorn och heller inget spänningsfall över den. Potentialen i punkten A blir 24 V.