Nom: Électrotechnique Mécatronique Examen de fin d études Composants électroniques SS2014 Mécatronique + électrotechnique Bachelor Date d examen: Examinateur: Outils de travail: 16.07.2014 (90 minutes) Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing. Frey calculatrice documents écrits Remarques générales: Vous pouvez commencer directement avec les exercices marqués d une *. Vérifiez que l examen soit bien complet en vous appuyant sur le nombre de pages indiqué. Inscrivez votre nom sur l examen et sur toutes les feuilles volantes que vous remettez. Éteindre et ranger les portables! Les solutions ne comportant pas de raisonnement apparent ne seront pas prises en considération. Bonne chance!
1. Condensateur et bobine La fiche technique d un condensateur électrolytique fournit les données suivantes : nominal value 100 µf self-inductance ESL 100 nh ESR (typical) 20 mω a) (*) Pourquoi un condensateur a-t-il une fréquence de résonance et où se situe-t-elle ici? b) (*) Inscrivez dans le diagramme l amplitude de la courbe d impédance pour le condensateur. Veuillez indiquer les valeurs spécifiques requises y compris les calculs. c) (*) La caractérisation métrologique d une bobine avec 47 µh a donné les valeurs suivantes: ESR = 6,28 mω, Q = 94. À quelle fréquence la mesure a-t-elle été effectuée? La fiche technique d une bobine SMD fournit les données suivantes: nominal value 100 µh Self-Resonant Frequency 3,18 MHz ESR (typical) 0,50 Ω d) (*) Quelle caractéristique de composant parasitaire de la bobine n est pas mentionnée dans le tableau? Calculez une valeur pour cette caractéristique. Seite 2/8
e) Dessinez sur le diagramme ci-dessous l amplitude de la courbe d impédance pour cette bobine SMD. Veuillez indiquer les valeurs spécifiques requises y compris les calculs. Expliquez aussi brièvement l origine/la signification de la formule inscrite sur le diagramme :. La bobine SMD est utilisée maintenant dans un circuit, qui diminue de 6 V à 2 V le niveau d une source de tension. C est au-dessus de la bobine que la baisse de tension nécessaire de 4V doit être réalisée. f) (*) La baisse de tension pourrait aussi se faire par l intermédiaire d une résistance. Quelque avantage voyez-vous en utilisant la bobine et quel désavantage présenterait la résistance? g) (*) La bobine est actionnée par un commutateur (image de droite). Au moment t 0, quand le commutateur est fermé, il n n y a pas de courant qui circule dans la bobine. Calculez le courant de bobine au moment t 0 + 10 µs. Remarque: les éléments parasitaires de la bobine ne jouent ici aucun rôle. En ouvrant le commutateur l augmentation du courant dans la bobine est limitée. h) (*) Le circuit ci-dessus est problématique pour le commutateur qui s ouvre. Expliquez le problème (mots-clés) et complétez votre réponse en ajoutant sur le schéma de branchement le composant approprié. i) (*) Justifiez brièvement pourquoi limiter l augmentation du courant est important pour l efficacité énergétique du circuit. Seite 3/8
2. Photodiode La courbe caractéristique d une diode pn sous l effet d une intensité de rayonnement calculée comme le montre le diagramme à droite. Le composant doit être utilisé comme photodiode. a été a) (*) Marquez la partie de la courbe caractéristique qui n est pas appropriée pour le but recherché. b) (*) Marquez sur le diagramme la partie pertinente de la courbe caractéristique qui résulte d une intensité de rayonnement double. Remarque: il y a un rapport linéaire entre le courant photoélectrique rayonnement. c) (*) Pour faire fonctionner la photodiode une source de tension et une résistance sont à disposition. Complétez la photodiode dans le circuit (attention à l orientation). d) (*) Quelle doit être la grandeur maximale de, si vous voulez mesurer des intensités de rayonnement allant jusqu à? et l intensité de e) (*) Dessinez dans le champ de la courbe caractéristique en haut la droite de charge pour le résultat de d). Indiquez les calculs dont vous avez besoin pour un tracé logique. Remarque: si vous n avez pas fait d), utilisez ici. f) (*) est choisi maintenant de sorte que, par l intensité de rayonnement, une baisse de tension de -3,0 V a lieu par l intermédiaire de la diode. Quelle baisse de tension résulte alors d un courant de photodiode de -20 µa. Remarque: résolvez cet exercice graphiquement sur le diagramme du haut. Seite 4/8
Pour pouvoir traiter les exercices partiels suivants vous avez besoin éventuellement des constantes suivantes: 11,9 et des données du fabricant concernant la diode pn : passage pn abrupt avec:, surface de diode carrée avec une longueur de côté de. Le comportement de la diode doit être analysé quand l intensité de rayonnement double subitement (fonction discontinue). A cet effet les points de fonctionnement correspondants (AP) sont pris en considération: pour : AP1 = (-3,0 V; -10 µa ) et pour : AP2 = (-2,0 V; -20 µa ). g) (*) La capacité des diodes change lors du passage de AP1 à AP2. Expliquez-en la raison et indiquez à quel point de fonctionnement la capacité est plus grande. Le changement de capacité doit être maintenant calculé, alors que la capacité en AP1 a déjà été définie métrologiquement:. h) (*) Pour calculer la capacité en AP2 définissez d abord la tension de diffusion de la photodiode. Remarque:. i) (*) Quelle est la grandeur maintenant du changement de capacité en doublant l intensité de rayonnement? Remarque: si vous n avez pas fait h), utilisez ici. j) Estimez la durée du passage de AP1 à AP2. Remarque: utilisez. Seite 5/8
3. Amplificateur FET 30 V Un signal audio (tension alternative u Q ) est amplifié et émis par un haut-parleur (résistance ohmique R L = 15 Ω ). 100 Ω 1 MΩ 1 µf 15 Ω 470 µf Tout d abord le point de fonctionnement doit être U DS = 15 V und I D = 1 A. u Q ~ R 2 R L 15 Ω i L u L a) (*) Cochez les caractéristiques correctes du FET: MOSFET depletion selbstleitend n-kanal JFET enhancement selbstsperrend p-kanal b) (*) Dessinez la droite de charge dans le champ de la courbe caractéristique de sortie. c) (*) Calculez la résistance nécessaire R 2. d) (*) Quelle est la grandeur de l amplification u L /u Q? De plus estimez la pente de transmission S du FET au point de fonctionnement à partir de la courbe caractéristique. e) (*) Quelle est i L (courant à travers haut-parleur)? Seite 6/8
f) (*) Quelle est l amplitude maximale de u Q autorisée? Maintenant on choisit pour R2 = 110 kω. g) (*) Dans quelles séries E trouve-t-on la norme 110 kω? h) (*) Quel point de fonctionnement (U GS, U DS, I D ) en résulte-t-il maintenant? Est-il approprié pour amplifier u Q (brève explication)? i) (*) Pour un troisième point de fonctionnement il en résulte le schéma d équivalence courant alternatif ci-dessous. Calculez les fréquences limites (f 1 und f 4 ) de l amplification u L /u Q. Remarque: les fréquences limites f 2 et f 3 sont supprimées, puisqu il n y a pas de R S. u Q ~ 100 Ω 1 µf G c gs 20 pf c gd D 7.5 Ω u L 60 Ω 500 pf S = 0.7S Seite 7/8
4. Commutateur FET Avec le circuit de droite un signal logique U st inversé doit être généré comme U A. 5 V 2 kω U A a) (*) Dessinez la droite de charge dans le diagramme. U st R L b) Quelle est la grandeur de U A pour U st = 5 V? U GS = 5V c) Quelle puissance le transistor reconvertit-il alors? U GS = 3.5V U GS = 2V U GS = 1.5V d) (*) Quelle doit être la grandeur minimum de U st pour que U A 0.8 V (logique 0)? 1 2 3 4 5 e) (*) Pour RL : Quelle doit être la grandeur maximum de U st pour que U A 2.4 V (logique 1)? f) (*) Pour U st = 0: quelle valeur doit avoir R L, pour que U A 2.4 V (logique 1)? Seite 8/8