Mosfet Schaltung Physik

Question

Hey Leute,

bräuchte wirklich eure Hilfe bei dieser Aufgabe. Auch Ansätze würden mir weiterhelfen!!!

Answer 1

 Hallo, hier die Lösung der Aufgabe.

Zu 1:

Bei MOSFET-Transistoren kann kein Gate-Strom fließen, da das Gate isoliert ist. Dadurch wird auch der Spannungsteiler R₁ ,R₂ nicht belastet. Mit dem Spannungsteilersatz lässt sich R₂ berechnen:

R₂ = R₁ • U_GS / (U_B - U_GS) = 100 KOhm

R_D = (U_B - U_GS)/I_D = 120 Ohm

Zu 2:

Der Maschenumlauf des Ausgangskreises liefert:

U_B = U_RD + U_DS   da   U_RD = I_D •  R_D   wird   U_B = I_D •  R_D + U_DS  diese Gleichung nach aufgelöst nach  I_D = f(U_DS )

I_D = - 1/R_D • U_DS + U_B/R_D   das ist die Gleichung einer Geraden, der sog. Lastgeraden

entsprechend  y = a•x + b   mit a = - 1/R_D   und   b = U_B/R_D  ; mit U_DS = 0  wird I_D,max = 0 + U_B/R_D  = 100 mA

mit I_D = 0 ergibt sich:   0 =  - 1/R_D • U_DS,max + U_B/R_D    U_DS,max = U_B = 12 V  Die Lastgerade ist rot im Kennlinienfeld eingezeichnet.

Zu 3:

Die blaue Kurve zeigt die Abschnürgrenzspannung. Links von der Linie befindet sich der Widerstandsbereich, rechts davon befindet sich der Transistor im Sättigungsbereich. Wenn U_GS < U_th kann kein Strom fließen, das ist der Sperrbereich, schwarz gekennzeichnet.

 

Zu 4. Der Arbeitspunkt ist mit A auf der Lastgerade gekennzeichnet und befindet sich im Sättigungsbereich.

Zu 5. Für den Sättigungsbereich gilt die Gleichung   I_D = 1/2 • β • (U_GS - U_th)² mit  I_D = 50 mA ; U_GS = 6 V

und U_th  = 1 V  wird  β = 4 mA/V² 

Zu 6. In Abhängigkeit von der Gate-Spannung kann sich der Arbeitspunkt nur entlang der Lastgeraden verschieben. Um den Arbeitspunkt in den Widerstandsbereich zu verlegen (linke der Abschnürgrenzspannung) muss die Gatespannung auf einen Wert ≥  ca. 6,25V vergrößert werden.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, die Betriebsspannung auf einen Wert ≤ 11 V zu verringern. Dadurch wird die Lastgerade parallel nach links unten verschoben und der Arbeitspunkt wandert entlang der 6V Parameterkennlinie in den Widerstandsbereich. Allerdings darf R_D  nicht verändert werden.

Zu 7. Bei U_GS = 7 V und U_DS = 2V befindet sich der Arbeitspunkt im Widerstandsbereich. Es gilt die Gleichung:

I_D = β • [U_DS • (U_GS - U_th) - 1/2•(U_DS)² ]  die Werte eingesetzt ergibt  I_D = 40 mA

eingezeichnet als Arbeitspunkt B