Examen de fin d`études Composants électroniques SS2014

Nom:_____________________________________
Électrotechnique
Mécatronique
Examen de fin d’études
Composants électroniques
SS2014
Mécatronique + électrotechnique Bachelor
Date d’examen:
16.07.2014 (90 minutes)
Examinateur:
Prof. Dr.-Ing. Großmann, Prof. Dr.-Ing. Frey
Outils de travail:
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!
ELBAU
SS14
Fr, Gr
1. Condensateur et bobine
La fiche technique d’un condensateur électrolytique fournit les données suivantes :
nominal value
self-inductance ESL
ESR (typical)
100 µF
100 nH
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
Self-Resonant Frequency
ESR (typical)
100 µH
3,18 MHz
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
ELBAU
SS14
Fr, Gr
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 t0, 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 t0 + 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
ELBAU
SS14
Fr, Gr
2. Photodiode
La courbe caractéristique d’une diode pn sous l’effet d’une intensité de rayonnement
a été
calculée comme le montre le diagramme à droite.
Le composant doit être utilisé comme
photodiode.
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
et l’intensité de
.
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
?
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
ELBAU
SS14
Fr, Gr
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
ELBAU
SS14
Fr, Gr
30 V
3. Amplificateur FET
15 Ω
1 MΩ
Un signal audio (tension alternative uQ)
est amplifié et émis par un haut-parleur
(résistance ohmique RL = 15 Ω ).
100 Ω
uQ
Tout d’abord le point de
fonctionnement doit être
UDS = 15 V und ID = 1 A.
470 µF
1 µF
iL
~
R2
RL
15 Ω
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 R2.
d) (*) Quelle est la grandeur de
l’amplification uL/uQ? De plus estimez la
pente de transmission S du FET au point
de fonctionnement à partir de la courbe
caractéristique.
e) (*) Quelle est iL (courant à travers haut-parleur)?
Seite 6/8
uL
ELBAU
SS14
Fr, Gr
f) (*) Quelle est l’amplitude maximale de uQ 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 (UGS, UDS, ID) en résulte-t-il maintenant ?
Est-il approprié pour amplifier uQ (brève explication)?
i) (*) Pour un troisième point de fonctionnement il en résulte le schéma d’équivalence courant
alternatif ci-dessous.
Calculez les fréquences limites (f1 und f4) de l’amplification uL/uQ.
Remarque: les fréquences limites f2 et f3 sont supprimées, puisqu’il n’y a pas de RS.
100 Ω
uQ
1 µF
~
G
cgs
60 Ω
500 pF
20 pF
D
7.5 Ω
cgd
uL
S = 0.7S
Seite 7/8
ELBAU
SS14
Fr, Gr
4. Commutateur FET
5V
Avec le circuit de droite un signal logique Ust inversé doit être
généré comme UA.
2 kΩ
UA
a) (*) Dessinez la droite de charge dans le diagramme.
RL
Ust
b) Quelle est la grandeur de UA pour Ust = 5 V?
UGS = 5V
UGS = 3.5V
c) Quelle puissance le transistor reconvertit-il
alors?
UGS = 2V
UGS = 1.5V
d) (*) Quelle doit être la grandeur minimum de
Ust pour que UA ≤ 0.8 V (logique 0) ?
1
2
3
4
5
e) (*) Pour RL → ∞: Quelle doit être la grandeur maximum de Ust pour que UA ≥ 2.4 V (logique
1) ?
f) (*) Pour Ust = 0: quelle valeur doit avoir RL, pour que UA ≥ 2.4 V (logique 1)?
Seite 8/8