ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ Ι∆ΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Ι. ΚΑΛΟΜΟΙΡΟΣ, Ν. ΧΑΣΤΑΣ, Θ. ΜΑΝΤΖΟΥ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ι. ΚΑΛΟΜΟΙΡΟΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΕΡΡΕΣ – 2010 i Πρόλογος Το τεύχος αυτό περιλαµβάνει δώδεκα βασικές εργαστηριακές ασκήσεις για το µάθηµα «Αναλογικά Ηλεκτρονικά», που διδάσκονται οι σπουδαστές του Τµήµατος Πληροφορικής και Επικοινωνιών του ΤΕΙ Σερρών στο τέταρτο εξάµηνο των σπουδών τους. Έχει ληφθεί µέριµνα, ώστε οι ασκήσεις να ακολουθούν τη δοµή και το πνεύµα των θεωρητικών διαλέξεων και να λειτουργούν συµπληρωµατικά. Η πρώτη άσκηση είναι εισαγωγική και έχει σκοπό να υπενθυµίσει βασικούς κανόνες µελέτης ηλεκτρικών κυκλωµάτων και να διδάξει τη χρήση πηγών και οργάνων µέτρησης του εργαστηρίου. Στη συνέχεια, τρεις ασκήσεις αναφέρονται στη δίοδο, τρεις ασκήσεις διδάσκουν την πόλωση του τρανζίστορ και τη χρήση του σε κυκλώµατα ενισχυτών και τρεις ασκήσεις επικεντρώνονται στους τελεστικούς ενισχυτές. Οι τελευταίες δύο ασκήσεις αναφέρονται στα φίλτρα και στους ταλαντωτές. Το δεύτερο µέρος περιλαµβάνει ασκήσεις µε τον προσοµοιωτή Tina-Pro. Οι ασκήσεις αυτές εκτελούνται κατ’ οίκον από τους σπουδαστές, µε σκοπό την προετοιµασία τους πριν προσέλθουν για άσκηση στο εργαστήριο. Στη σύνταξη και τον έλεγχο αυτών των ασκήσεων ήταν σηµαντική η βοήθεια της σπουδάστριας Χριστίνας Τερζή, που εργάστηκε µε τον προσοµοιωτή στο πλαίσιο της πτυχιακής της εργασίας. Αυτή η σειρά των ασκήσεων είναι δοκιµαστική και έχει σκοπό να εντοπίσει παραλείψεις και λάθη. Οι συγγραφείς προσκαλούν τις υποδείξεις των σπουδαστών και κάθε ενδιαφερόµενου, ώστε να βελτιωθεί µε τον καλύτερο τρόπο το αποτέλεσµα. Ι. Καλόµοιρος Σέρρες 2009 ii ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης. Εξοικείωση του σπουδαστή µε την δηµιουργία αναλογικών κυλωµάτων πάνω σε ηλεκτρονική πλακέτα (raster) χρησιµοποιώντας απλά ηλεκτρονικά εξαρτήµατα, όπως αντιστάσεις και πυκνωτές καθώς και η µέτρηση βασικών ηλεκτρικών µεγεθών, όπως η τάση στα άκρα µιας αντίστασης και η ένταση ρεύµατος, χρησιµοποιώντας πολύµετρο και παλµογράφο. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Χειρισµός παλµογράφου και πολύµετρου. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης και των εργαστηριακών σηµειώσεων χρήσης του παλµογράφου. 1.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.1.1. Ηλεκτρονική Πλακέτα ή raster Η ηλεκτρονική πλακέτα αποτελεί κατά κάποιο τρόπο ένα ηλεκτρονικό «πίνακα» πάνω στον οποίο µπορούµε να κατασκευάσουµε το κύκλωµα. Για τον λόγο αυτό παρέχει την δυνατότητα να συνδέσουµε ηλεκτρικά διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα, χωρίς να χρησιµοποιήσουµε καλώδια για τις συνδέσεις αυτές. Στο σχήµα 1.1 φαίνεται η δοµή της ηλεκτρονικής πλακέτας που θα χρησιµοποιηθεί στο εργαστήριο. Κάθε τελεία αποτελεί και µια θέση (οπή) ενώ οι γραµµές που συνδέουν µεταξύ τους τις θέσεις (οπές) αποτελούν αγώγιµες ηλεκτρικές συνδέσεις µεταξύ των οπών (βραχυκυκλώµατα) έτσι ώστε να µπορούµε να συνδέσουµε ηλεκτρικά διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία µεταξύ τους. Παρατηρούµε ότι στις δύο πρώτες και στις δύο τελευταίες οριζόντιες γραµµές όλες οι οπές είναι βραχυκυκλωµένες µεταξύ τους, γιατί συνήθως στις γραµµές αυτές συνδέονται οι δύο πόλοι της πηγής που χρησιµοποιούµε για την τροφοδοσία του κυκλώµατος. Οι κατακόρυφες γραµµές συνδέουν αγώγιµα πέντε οπές µεταξύ τους, ενώ υπάρχουν δύο σειρές κατακόρυφων γραµµών αποτελούµενες από πεντάδες βραχυκυκλωµένων θέσεων. +V -V Σχήµα 1.1: ∆ιάγραµµα ηλεκτρικών συνδέσεων ηλεκτρονικής πλακέτας (raster) 1 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η ηλεκτρονική πλακέτα αποτελείται από δύο ίδια τµήµατα όπως αυτό που φαίνεται στο σχήµα 1.1. Έτσι, υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης δύο ή περισσότερων διαφορετικών κυκλωµάτων ή ενός µεγάλου σε έκταση κυκλώµατος που απαιτεί µεγάλο αριθµό συνδέσεων. 1.1.2 Πολύµετρο Το πολύµετρο είναι το ηλεκτρονικό όργανο µε το οποίο µπορούµε να µετρήσουµε συνεχή και εναλλασσόµενη τάση, συνεχή ένταση ρεύµατος και ενεργό τιµή εναλλασσόµενου ρεύµατος. Επίσης, µπορούµε να µετρήσουµε αντίσταση καθώς και πολλά µεγέθη µη ωµικών στοιχείων, όπως για παράδειγµα τον συντελεστή ενίσχυσης ενός τρανζίστορ (τρανζιστορόµετρο). Η σύνδεση του πολύµετρου γίνεται σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα µε την χρήση του ως αµπεροµέτρου ή βολτοµέτρου αντίστοιχα, επιλέγοντας ταυτόχρονα και την κατάλληλη κλίµακα για την µέτρηση του µεγέθους που θέλουµε να µετρήσουµε. Το πολύµετρο έχει τρεις υποδοχές. Μία υποδοχή µαύρου χρώµατος (Common) η οποία αντιστοιχεί στο ηλεκτρόδιο χαµηλού δυναµικού και δύο κόκκινες οι οποίες χρησιµοποιούνται σαν ηλεκτρόδιο υψηλού δυναµικού. Η µία χρησιµοποιείται για την µέτρηση µικρών σχετικά τάσεων και αντιστάσεων (µε την ένδειξη V/Ω) και η άλλη (µε την ένδειξη 10Α) για µεγαλύτερες εντάσεις ρεύµατος. 1.1.3 Πηγή Εναλλασσόµενης Τάσης (AC Generator) και Πηγή Συνεχούς Τάσης (DC Generator) Στο εργαστήριο των διαφορετικές πηγές τάσης. Αναλογικών Ηλεκτρονικών θα χρησιµοποιηθούν δύο Α) Πηγή εναλλασσόµενης τάσης (AC Generator) η οποία στην έξοδό της παράγει µια εναλλασσόµενη τάση καθορίζοντας την µορφή της, το πλάτος της και την συχνότητά της. Η µορφή της εναλλασσόµενης τάσης µπορεί να είναι ηµιτονοειδής, τετραγωνική, τριγωνική ή παλµική. Για να εφαρµόσουµε την εναλλασσόµενη τάση της πηγής στο κύκλωµα χρησιµοποιούµε οµοαξονικό καλώδιο (BNC) του οποίου o κεντρικός αγωγός καταλήγει σε ένα κόκκινο ακροδέκτη (υψηλό δυναµικό) και ο εξωτερικός αγωγός καταλήγει σε ένα µαύρο ακροδέκτη (χαµηλό δυναµικό ή γείωση). Οι δύο ακροδέκτες συνδέονται στις υποδοχές της ηλεκτρονικής πλακέτας. Β) Πηγή Συνεχούς Τάσης (DC Generator) η οποία οποία στην έξοδό της παράγει µια συνεχή τάση, δηλαδή τάση σταθερής τιµής. Η έξοδος της πηγής οδηγείται σε δύο ακροδέκτες, ένα κόκκινο που αντιστοιχεί στο υψηλό δυναµικό και έναν µαύρο που αντιστοιχεί στο χαµηλό δυναµικό ή στην γείωση. Για την εφαρµογή της σταθερής τάσης της πηγής στο κύκλωµα χρησιµοποιούµε δύο καλώδια (συνήθως ένα κόκκινο και ένα µαύρο) τα οποία συνδέονται στις υποδοχές της ηλεκτρονικής πλακέτας. 1.1.4 Παλµογράφος (Oscilloscope) Ο παλµογράφος είναι ένα όργανο που µπορεί να µετρήσει τάση ως συνάρτηση του χρόνου. Στον κατακόρυφο άξονα µετράται η τάση και στον οριζόντιο άξονα µετράται ο 2 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις χρόνος. Η οθόνη του παλµογράφου είναι χωρισµένη σε τετράγωνα (divisions ή div) µε κατακόρυφες και οριζόντιες γραµµές, έτσι ώστε να είναι δυνατή η ακριβέστερη µέτρηση των δύο µεγεθών. Με τον παλµογράφο µπορούµε να µετρήσουµε συνεχή και εναλλασσόµενη τάση ενώ µετρώντας τον χρόνο µεταξύ δύο διαδοχικών σηµείων ίδιας τιµής εναλλασσόµενης τάσης µπορούµε να υπολογίσουµε την περίοδο άρα και την συχνότητα της τάσης που µετράται. Ο παλµογράφος έχει δύο κανάλια εισόδου, εποµένως υπάρχει η δυνατότητα ταυτόχρονης µέτρησης δύο τάσεων οποιασδήποτε µορφής. Για την µέτρηση κάθε τάσης χρησιµοποιούµε οµοαξονικό καλώδιο (BNC) το οποίο έχει την ιδιαιτερότητα ότι καταλήγει σε µια τσιµπίδα (probe) η οποία συνδέεται στο υψηλό δυναµικό και σε ένα µαύρο ακροδέκτη που συνδέεται στο χαµηλό δυναµικό ή στην γείωση. 1.1.5 Μέτρηση αντιστάσεων Η εύρεση της τιµής της αντίστασης ενός αντιστάτη γίνεται µε δύο τρόπους: Πίνακας Ι: Χρωµατικός κώδικας αντιστάσεων ΧΡΩΜΑ 1ο ή 2ο ή ο 3 Χρώµα Μαύρο Καφέ Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Μοβ Γκρι Άσπρο Χρυσό Ασηµί 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 4ο Χρώµα (Ανοχή) ± 1% ± 2% ± 5% ± 10% Σχήµα 1.2: Χρωµατικός κώδικας αντιστάσεων και η αντιστοίχηση των χρωµάτων στα αριθµητικά ψηφία της αντίστασης 3 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Α) Χρωµατικός κώδικας. Αντιστοιχώντας κάθε χρώµα των δακτυλίων που είναι τυπωµένοι επάνω στον αντιστάτη στα δύο πρώτα ψηφία ενός αριθµού που µας δίνει το µέγεθος της αντίστασης. Μία πραγµατική εικόνα ενός αντιστάτη µε τυπωµένους χρωµαττικούς δακτυλίους, καθώς και η σειρά των χρωµάτων φαίνονται στο σχήµα 1.2. Η αντιστοίχηση των χρωµάτων κάθε δακτυλίου µε τα ψηφία του αριθµού που αντιστοιχεί στην αντίσταση φαίνεται στον Πίνακα Ι. Η τιµή της αντίστασης βρίσκεται αν βάλουµε στην σειρά το πρώτο ψηφίο που αντιστοιχεί στο πρώτο χρώµα, το δεύτερο ψηφίο που αντιστοιχεί στο δεύτερο χρώµα και τον αριθµό των µηδενικών που αντιστοιχεί στο τρίτο χρώµα των χρωµατικών δακτυλίων και ονοµάζεται πολλαπλασιαστής. Ο τέταρτος δακτύλιος αντιστοιχεί στην ανοχή της τιµής της αντίστασης του αντιστάτη. Π.χ. Αν πάνω στον αντιστάτη υπάρχουν τυπωµένα οι χρωµατικοί δακτύλιοι Καφέ, Πράσινο, Πορτοκαλί και Χρυσό τότε η τιµή της αντίστασης ισούται µε: Καφέ 1 Πράσινο 5 Πορτοκαλί 000 Χρυσό ± 5% ∆ηλαδή η τιµή της αντίστασης είναι 1500 Ω ± 5% Β) Με πολύµετρο. Στην περίπτωση αυτή το πολύµετρο λειτουργεί σαν ωµόµετρο. Συνδέοντας παράλληλα την αντίσταση µε τους δύο ακροδέκτες του πολύµετρου (ανεξαρτήτως πολικότητας) διαβάζουµε απευθείας στην οθόνη την τιµή της αντίστασης. Η αντίσταση δεν πρέπει να είναι συνδεδεµένη στο κύκλωµα. 1.1.6 Μέτρηση διαφοράς δυναµικού ή τάσης Μπορούµε να µετρήσουµε την διαφορά δυναµικού ή πτώση τάσης σε µια αντίσταση ή σε ένα τµήµα ενός κυκλώµατος µε δύο τρόπους: Α) Με πολύµετρο. Το πολύµετρο στην περίπτωση αυτή λειτουργεί ως βολτόµετρο. Αν πρόκειται για κύκλωµα συνεχούς τάσης τότε η τάση που µετράµε θα έχει σταθερή τιµή. Συνδέοντας τον κόκκινο ακροδέκτη στο υψηλότερο δυναµικό και τον µαύρο ακροδέκτη στο χαµηλότερο δυναµικό τότε η ένδειξη του βολτοµέτρου θα είναι θετική. Αντίθετα, αν συνδέσουµε τον κόκκινο ακροδέκτη στο χαµηλότερο δυναµικό και τον µαύρο ακροδέκτη στο υψηλότερο δυναµικό τότε η ένδειξη του βολτοµέτρου θα είναι αρνητική. Συνήθως µας ενδιαφέρει η απόλυτη τιµή του βολτοµέτρου που είναι και η διαφορά δυναµικού που θέλουµε να µετρήσουµε. Αν πρόκειται για κύκλωµα εναλλασσόµενης τάσης το πολύµετρο µετράει την ενεργό τιµή της τάσης (Vεν ή Vrms) στα άκρα µιας αντίστασης ή µεταξύ δύο σηµείων ενός κυκλώµατος. Η ενεργός τιµή της τάσης σχετίζεται µε το πλάτος της τάσης µε την εξίσωση: Vεν = V0 (1.1) 2 B) Με παλµογράφο. Στην περίπτωση που µετράµε συνεχή τάση, η ένδειξη στην οθόνη του παλµογράφου θα είναι µια συνεχόµενη γραµµή παράλληλη στον οριζόντιο 4 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις άξονα, λόγω του ότι η συνεχής τάση δεν µεταβάλλεται µε τον χρόνο. Το σηµείο τοµής της ευθείας µε τον κατακόρυφο άξονα µας δίνει την τιµή της τάσης που µετράµε. Αν µετράµε εναλλασσόµενη τάση τότε στην οθόνη σχηµατίζεται η µορφή της εναλλασσόµενης τάσης, δηλαδή η µεταβολή της τάσης ως συνάρτηση του χρόνου µε την προυπόθεση ότι έχουν γίνει σωστά οι ρυθµίσεις των ενδείξεων του παλµογράφου. Με τον τρόπο αυτό υπολογίζουµε το πλάτος της τάσης και την περίοδό της, από τις οποίες µπορούµε στη συνέχεια να υπολογίσουµε την ενεργό τιµή της τάσης και την συχνότητά της, αντίστοιχα. 1.1.7 Μέτρηση εντάσης ρεύµατος Για να µετρήσουµε την ένταση ρεύµατος σε κλάδο ενός κυκλώµατος πρέπει να συνδέσουµε το πολύµετρο σε σειρά, δηλαδή να διακόψουµε το κύκλωµα σε κάποιο σηµείο και να παρεµβάλλουµε το πολύµετρο. Στην περίπτωση αυτή το πολύµετρο λειτουργεί ως αµπερόµετρο. Αν το κύκλωµα είναι συνεχούς τάσης τότε η τιµή της έντασης ρεύµατος είναι σταθερή, ενώ αν το κύκλωµα είναι εναλλασσόµενης τάσης τότε η τιµή που µας δείχνει το αµπερόµετρο είναι η ενεργός τιµή ρεύµατος. Αυτή συνδέεται µε το πλάτος της έντασης ρεύµατος µέσω της εξίσωσης: I εν = I0 2 (1.2) 1.1.8 Κανόνες Kirchhoff Οι κανόνες του Kirchhoff µας βοηθούν να υπολογίσουµε τις τάσεις στα άκρα κάθε ηλεκτρικού στοιχείου του κυκλώµατος και την ένταση ρεύµατος που διαρρέει κάθε κλάδο του κυκλώµατος. Για παράδειγµα, αν σε ένα κύκλωµα είναι γνωστές όλες οι διαφορές δυναµικού και οι αντιστάσεις, τότε µπορούµε εύκολα να επιλύσουµε το κύκλωµα δηλαδή να υπολογίσουµε τις εντάσεις ρεύµατος που διαρρέουν κάθε αντίσταση. Οι δύο κανόνες του Kirchhoff είναι οι εξής: Α) Πρώτος Κανόνας Kirchhoff Το άθροισµα των εντάσεων των ρευµάτων που πλησιάζουν σε ένα κόµβο ισούται µε το άθροισµα των εντάσεων των ρευµάτων που αποµακρύνονται από αυτόν. ∑Ι in = ∑ Ι out (1.3) Ο κανόνας αυτός προκύπτει από την αρχή διατήρησης του φορτίου. Β) ∆εύτερος κανόνας του Kirchhoff Το άθροισµα των διαφορών δυναµικού κατά µήκος ενός βρόγχου ενός κυκλώµατος ισούται µε µηδέν. ∑V = 0 Ο κανόνας αυτός προκύπτει από την αρχή διατήρησης της ενέργειας. 5 (1.4) Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 1.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 1.2.1 Μελέτη κυκλώµατος συνεχούς τάσης Κατασκεύαστε το κύκλωµα που φαίνεται στο σχήµα 1.3. ∆ίνονται οι τιµές: Vπηγής = 20V, R1 = 1KΩ, R2 = 2.2KΩ, R3 = 680 Ω, R4 = 1KΩ, R5 = 1.5KΩ. R5 R1 R3 R2 Vπηγής R4 Σχήµα 1.3: Κύκλωµα µε πηγή συνεχούς τάσης και δικτύωµα αντιστάσεων Μετρήστε µε το πολύµετρο την τάση στα άκρα κάθε αντιστάτη καθώς και την ένταση ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος και καταγράψτε τις τιµές στον Πίνακα ΙΙ. Πίνακας ΙΙ: Τιµές τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και έντασης ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος V1 (V) I1 (A) V2 (V) I2 (A) V3 (V) V4 (V) V5 (V) I3 (A) I4 (A) I5 (A) Α) Επαληθεύστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιο λόγο γίνεται αυτό. Β) Επαληθεύστε τον πρώτο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των εντάσεων των ρευµάτων που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιον λόγο γίνεται αυτό. 6 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Γ) Να µετρήσετε τις τιµές των αντιστάσεων χρησιµοποιώντας το πολύµετρο ως ωµόµετρο. Να συµπληρώσετε την Τρίτη στήλη του Πίνακα III. Συµπληρώστε την τελευταία στήλη, χρησιµοποιώντας τον χρωµατικό κώδικα. ∆) Σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος να υπολογίσετε την τιµή της αντίστασης, χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm. Να συµπληρώσετε την πρώτη στήλη του παρακάτω πίνακα (µπορεί να γίνει για εργασία στο σπίτι). Πίνακας ΙΙΙ Υπολογισµοί και µετρήσεις αντιστάσεων Υπολογισµός µε βάση τον νόµο του Ohm Κλάδος Μέτρηση της αντίστασης µε το πολύµετρο Χρήση του χρωµατικού κώδικα R1 R2 R3 R4 R5 1.2.2 Μελέτη κυκλώµατος εναλλασσόµενης τάσης Αντικαταστήστε την πηγή συνεχούς τάσης µε την πηγή εναλλασσόµενης τάσης και αλλάξτε την σύνδεση της αντίστασης R5 όπως φαίνεται στο σχήµα 1.4. Ρυθµίστε το πλάτος της τάσης της πηγής σύµφωνα µε τις υποδείξεις των διδασκόντων. R5 R1 R3 Vπηγής ~ R2 R4 Σχήµα 1.4: Κύκλωµα εναλλασσόµενης τάσης Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και µε το πολύµετρο την ένταση ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος και καταγράψτε τις τιµές στον Πίνακα ΙV. 7 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Πίνακας IV: Τιµές πλάτους τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και ενεργός τιµή έντασης ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος Μέτρηση µε Παλµογράφο V0,1 (V) V0,2 (V) V0,3 (V) V0,4 (V) V0,5 (V) Μέτρηση µε Πολύµετρο Ιεν,1 (Α) Ιεν,2 (Α) Ιεν,3 (Α) Ιεν,4 (Α) Ιεν,5 (Α) Α) Επαληθεύστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των πλατών των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιο λόγο γίνεται αυτό. Β) Επαληθεύστε τον πρώτο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των ενεργών τιµών των εντάσεων ρεύµατος που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιον λόγο γίνεται αυτό. 1.2.3 Μέτρηση περιόδου εναλλασσόµενου σήµατος Α) Ρυθµίστε την έξοδο της γεννήτριας ακουστικών σηµάτων του εργαστηρίου σε συχνότητα 1KHz, σύµφωνα µε τις ενδείξεις της γεννήτριας. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας µε την είσοδο του παλµογράφου. Ρυθµίστε το πλάτος του σήµατος στο 1V. Να καταγράψετε το σήµα που βλεέπετε στην οθόνη του παλµογράφου σε διάγραµµα µε βαθµονοµηµένους άξονες. Για την βαθµονόµηση των αξόνων να χρησιµοποιήσετε τις ενδείξεις του παλµογράφου (time/div και Volt/div). Μετρήστε την περίοδο του σήµατος και καταγράψτε την στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας V: Μέτρησης της περιόδου εναλλασσόµενου σήµατος µε παλµογράφο Συχνότητα σύµφωνα µε τις ενδείξεις της γεννήτριας 1ΚΗz 2KHz 3KHz 10KHz 100KHz Περίοδος Τ όπως µετράται µε τον παλµογράφο Συχνότητα f=1/T Β) Στη συνέχεια υπολογίστε τη συχνότητα, από την περίοδο που µετρήσατε, χρησιµοποιώντας τη σχέση f=1/T. Γ) Συµπληρώστε τον πίνακα V και για τις υπόλοιπες τιµές της συχνότητας. 8 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Στην γραπτή εργασία που θα παραδώσετε θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους αντίστοιχους πίνακες του φύλλου εργασίας. 2) Η επαλήθευση του πρώτου και δεύτερου κανόνα του Kirchhoff όπου αυτό ζητήθηκε καθώς και η αιτιολόγηση των αποκλίσεων από την θεωρία. 3) Χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm και τις τιµές της τάσης και έντασης ρεύµατος που καταγράψατε στον Πίνακα ΙΙ να υπολογίσετε τις τιµές της αντίστασης κάθε αντιστάτη του κυκλώµατος 1.3 (Πίνακας ΙΙΙ). Πόσο διαφέρουν οι τιµές αυτές από τις θεωρητικά αναµενόµενες τιµές που προκύπτουν από τον χρωµατικό κώδικα; 4) Από τα πλάτη των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που καταγράψατε στον Πίνακα ΙΙΙ να υπολογίσετε τις ενεργές τιµές τάσης σύµφωνα µε την εξίσωση 1.1, που αναφέρονται στο κύκλωµα του σχήµατος 1.4. 5) Χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm να υπολογίσετε τις τιµές της αντίστασης κάθε αντιστάτη του κυκλώµατος 1.4. Πόσο διαφέρουν οι τιµές αυτές από τις θεωρητικά αναµενόµενες τιµές που δόθηκαν ως δεδοµένα στην παράγραφο 1.2.2; 9 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 10 ΑΣΚΗΣΗ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΠΛΗΣ ∆ΙΟ∆ΟΥ P-N ΚΑΙ ∆ΙΟ∆ΟΥ ZENER Σκοπός της άσκησης. Συγκριτική µελέτη µεταξύ µιας απλής διόδου και µιας διόδου Zener στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της απλής διόδου και της διόδου Zener στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Μελέτη του κεφαλαίου 2 και της παραγράφου 3.4 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης 1 του Β’ µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων, µε τίτλο «Βοηθητικές εισαγωγικές σηµειώσεις στο Tina-Pro. Χαρακτηριστική της διόδου». Παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 2.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1.1 Απλή ∆ίοδος Η απλή δίοδος κατασκευάζεται δηµιουργώντας σε έναν ενδογενή ηµιαγωγό όπως το πυρίτιο (Si) ή το γερµάνιο (Ge) δύο εξωγενείς ηµιαγωγούς p- και n-τύπου, προσθέτοντας προσµίξεις τρισθενούς ή πεντασθενούς στοιχείου αντίστοιχα. Στην πλευρά τύπου p οι φορείς πλειονότητας είναι οι οπές ενώ στην πλευρά τύπου n οι φορείς πλειονότητας είναι τα ηλεκτρόνια. Όταν γίνει η προσθήκη των προσµίξεων στις δύο πλευρές του ενδογενούς ηµιαγωγού γίνεται µετακίνηση οπών προς τον ηµιαγωγό τύπου n και ηλεκτρονίων προς τον ηµιαγωγό τύπου p, η οποία προκαλείται λόγω της µεγάλης διαφοράς συγκέντρωσης οπών και ηλεκτρονίων στις δύο πλευρές του ηµιαγωγού. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται «διάχυση ηλεκτρονιών και οπών». Αποτέλεσµα αυτού του φαινοµένου είναι η δηµιουργία µιας λεπτής περιοχής στην νοητή ένωση των δύο εξωγενών ηµιαγωγών. Ολόκληρη αυτή η περιοχή, που εκτείνεται εκατέρωθεν της επαφής µεταξύ των δύο ηµιαγωγών, ονοµάζεται περιοχή απογύµνωσης ή εκκένωσης (Depletion region). Στην περιοχή απογύµνωσης δεν υπάρχουν πλέον ελεύθεροι φορείς, λόγω του φαινοµένου της επενασύνδεσης (recombination) µεταξύ ηλεκτρονίων και οπών κατά την µετακίνησή τους από την µια περιοχή στην άλλη. Αντίθετα, στην περιοχή αυτή παραµένουν τα στατικά ιόντα του πλέγµατος, που είναι θετικά στην περιοχή τύπου n και αρνητικά στην περιοχή τύπου p. Έτσι, δηµιουργείται ένα εσωτερικό πεδίο στην περιοχή της επαφής και συνακόλουθα υπάρχει µια διαφορά δυναµικού, που σταδιακά εµποδίζει τη διάχυση των φορέων. Το φαινόµενο της διάχυσης σταµατάει όταν η διαφορά δυναµικού στην επαφή αποκτήσει τέτοια τιµή ώστε είναι αδύνατον να συνεχιστεί η µετακίνηση ηλεκτρονίων και οπών από την µια πλευρά του ηµιαγωγού στην άλλη. Αυτή η διαφορά δυναµικού ονοµάζεται φράγµα δυναµικού ή τάση κατωφλίου V0 ή VD. Σε δίοδο πυριτίου το φράγµα δυναµικού είναι 0.7V. Σχ. 2.1 ∆ίοδος ΡΝ (α) και 11 το σύµβολο της (β) Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Στο σχήµα 2.2 φαίνονται τα ιόντα του πλέγµατος, καθώς και τα ηλεκτρόνια και οι οπές σε δίοδο pn. Η απλή δίοδος pn έχει σαν κύριο χαρακτηριστικό λειτουργίας ότι επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος µόνο κατά την µία φορά. Για να κατανοήσουµε καλύτερα την λειτουργία της διόδου πρέπει να κατανοήσουµε τους δύο διαφορετικούς τρόπους πόλωσης της διόδου. Όταν συνδέσουµε τον ακροδέκτη υψηλού δυναµικού στον ηµιαγωγό τύπου p και τον ακροδέκτη χαµηλού δυναµικού στον ηµιαγωγό τύπου n, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.2, τότε έχουµε πολώσει την δίοδο ορθά (ορθή πόλωση, Forward bias). Με αυτόν τον τρόπο µειώνουµε το φράγµα δυναµικού µε αποτέλεσµα την ευκολότερη µετακίνηση των οπών από τον p-τύπου ηµιαγωγό στον n-τύπου ηµιαγωγό και αντίστροφα. Στην ορθή πόλωση της διόδου, όταν η τάση της πηγής ξεπεράσει την τιµή του φράγµατος δυναµικού, η ένταση του ρεύµατος αυξάνεται εκθετικά σαν συνάρτηση της τάσης. Για τις διόδους πυριτίου το φράγµα δυναµικού είναι περίπου 0.7V ενώ γενικότερα το φράγµα δυναµικού εξαρτάται από τον τρόπο κατασκευής της διόδου, όπως η συγκέντρωση προσµίξεων, το είδος του ηµιαγωγού και από άλλους παράγοντες. Σχήµα 2.2: Συνδεσµολογία πηγής συνεχούς τάσης για την ορθή πόλωση µιας απλής διόδου pn. V<V0 (α) και V>V0 (β). Αν συνδέσουµε αντίθετα τα ηλεκτρόδια της πηγής συνεχούς τάσης µε µια απλή δίοδο, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.3, τότε η δίοδος πολώνεται ανάστροφα (Reverse bias). Σχήµα 2.3: Συνδεσµολογία πηγής συνεχούς τάσης για την ανάστροφη πόλωση µιας απλής διόδου pn 12 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις Στην περίπτωση αυτή η δίοδος διαρρέεται από πολύ µικρή ένταση ρεύµατος (σχεδόν µηδενική) µέχρις ότου η τάση γίνει τόσο µεγάλη που η δίοδος φτάνει στα όρια αντοχής της και καταρρέει. Η τάση αυτή ονοµάζεται τάση κατάρρευσης. Η τάση κατάρρευσης εξαρτάται κυρίως από την κατασκευή της διόδου. Η χαρακτηριστική καµπύλη µιας απλής διόδου στην ορθή και στην ανάστροφη πόλωση φαίνεται στο σχήµα 2.4. Είναι εύκολα κατανοητό ότι η απλή δίοδος pn δεν πρέπει να πολώνεται σε µεγάλες τιµές ανάστροφης τάσης για να µην φτάσει στην κατάρρευση και εποµένως πάψει να λειτουργεί ως κανονική δίοδος. Ι (Α) Oρθή Πόλωση Τάση Κατάρρευσης V0 ή VD Φράγµα ∆υναµικού ή Τάση Κατωφλίου V (Volts) Aνάστροφη Πόλωση Σχήµα 2.4: Χαρακτηριστική καµπύλη τάσης – ρεύµατος απλής διόδου pn 2.1.2 Ευθεία φόρτου Εφαρµόζοντας τον δεύτερο νόµο του Kirchhoff για ένα απλό κύκλωµα που περιλαµβάνει πηγή, µία αντίσταση προστασίας και µια απλή δίοδο pn, όπως το σχήµα 2.5 (α) προκύπτει η εξίσωση: Vπηγής = VR + VD (2.1) Αν αντικαταστήσουµε την τάση στα άκρα της αντίστασης µε IR, από τον νόµο του Ohm, και λύσουµε την εξίσωση ως προς VD προκύπτει η εξίσωση: VD = Vπηγής – IR (2.2) Η εξίσωση αυτή αντιστοιχεί σε µια ευθεία γραµµή από την οποία προκύπτει η ένταση του ρεύµατος που διαρρέει την δίοδο σαν συνάρτηση της τάσης στα άκρα της. Η ευθεία αυτή ονοµάζεται ευθεία φορτίου (ή ευθεία φόρτου). Αν στην ίδια γραφική παράσταση σχηµατίσουµε την ευθεία φόρτου και την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου στην ορθή πόλωση, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.5, τότε το σηµείο τοµής των δύο καµπυλών θα µας 13 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου δώσει το σηµείο λειτουργίας Q της διόδου. Οι συντεταγµένες του σηµείου λειτουργίας αντιστοιχούν στο ρεύµα που διαρρέει την δίοδο και την τάση στα άκρα της. Ι (Α) Vπηγής / R Q ID VD Vπηγής V (Volts) Σχήµα 2.5: (α) Κύκλωµα. (β) Ευθεία φορτίου και σηµείο λειτουργίας 2.1.3 ∆ίοδος Zener Η δίοδος Zener µοιάζει µε την απλή δίοδο ως προς την κατασκευή της, αλλά λειτουργεί σε διαφορετικές συνθήκες πόλωσης σε σχέση µε την απλή δίοδο. Στην ορθή πόλωση έχει την ίδια συµπεριφορά µε την απλή δίοδο, δηλαδή η ένταση του ρεύµατος είναι σχεδόν µηδέν µέχρι η τάση στα άκρα της να φτάσει την τιµή του φράγµατος δυναµικού και αυξάνεται εκθετικά όταν η τάση στα άκρα της ξεπεράσει το φράγµα δυναµικού. Η διαφορά µεταξύ της απλής διόδου pn και της διόδου Zener είναι η συµπεριφορά της στην ανάστροφη πόλωση. Όταν η τάση ανάστροφης πόλωσης στην δίοδο Zener γίνει ίση µε µια χαρακτηριστική τιµή που ονοµάζεται τάση Zener, τότε η τάση στα άκρα της διόδου παραµένει σχεδόν σταθερή ενώ η ένταση του ρεύµατος που τη διαρρέει αυξάνεται πολύ απότοµα. Αποτέλεσµα αυτού του φαινοµένου (φαινόµενο Zener) είναι η σταθεροποίηση της τάσης στα άκρα της διόδου, γεγονός που εκµεταλλευόµαστε στις εφαρµογές των διόδων Zener, όπως στο κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης που θα µελετηθεί στην εργαστηριακή άσκηση 4. Η δίοδος Zener συµβολίζεται όπως φαίνεται παρακάτω. 14 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις 2.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.2.1 Χαρακτηριστική καµπύλη απλής διόδου pn Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 2.6. Χρησιµοποιείστε πηγή συνεχούς τάσης ρυθµιζόµενη από 0-40V. Η τιµή της αντίστασης R1 είναι 220Ω. H δίοδος πρέπει να είναι απλή δίοδος πυριτίου, όπως η 1N4001. Σε σειρά µε την δίοδο (διακόπτοντας το κύκλωµα) συνδέστε ένα µιλλιαµπερόµετρο ( πολύµετρο για τη µέτρηση ρεύµατος ), ώστε να µπορείτε να µετράτε το ρεύµα για κάθε τιµή της τάσης της πηγής. Χρησιµοποιήστε ένα δεύτερο πολύµετρο συνδεδεµένο παράλληλα µε τη δίοδο, ώστε να µπορείτε να µετράτε τις µεταβολές της τάσης πάνω στη δίοδο. Σχήµα 2.6: Κύκλωµα ορθής πόλωσης απλής διόδου Μεταβάλλετε την τάση της πηγής Vπηγής ώστε να λαµβάνετε στο µιλλιαµπερόµετρο διαδοχικά τις τιµές του ρεύµατος που αναγράφονται στον Πίνακα Ι. Μετρήστε µε το πολύµετρο την τάση στα άκρα της διόδου VD, για κάθε ρύθµιση της τάσης της πηγής. Συµπληρώστε τις τιµές της τάσης για τις αντίστοιχες τιµές του ρεύµατος στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας Ι: Τιµές ρεύµατος και τάσης για την ορθή πόλωση της απλής διόδου Ι(mA) 1 2 3 4 5 8 10 12 14 16 18 20 VD (V) Vπηγ Υπενθυµίζεται πως η απλή δίοδος δεν άγει κατά την ανάστροφη πόλωση άρα και το ρεύµα που διαρρέει τη δίοδο και κατά επέκταση το κύκλωµα είναι σχεδόν µηδέν. A) Να σχεδιάσετε σε µιλιµετρέ χαρτί την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου και να τη σχολισετε . 15 22 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 2.2.2 Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου Zener Αντικαταστήστε την απλή δίοδο µε µια δίοδο Zener (VZ = 4.7 V) όπως φαίνεται στο σχήµα 2.7. Επαναλάβετε τα προηγούµενα πειράµατα µεταβάλλοντας την τάση της πηγής όπως φαίνεται στους Πίνακες ΙΙ και ΙΙΙ για την ορθή και ανάστροφη πόλωση της διόδου Zener αντίστοιχα. Καταγράψτε τις τιµές της τάσης στα άκρα της διόδου Zener µετρώντας την µε το πολύµετρο για την ορθή VZ και ανάστροφη πόλωση VZ-R της διόδου στους Πίνακες ΙΙ και IΙΙ αντίστοιχα. Για να εφαρµόσουµε αρνητικές τιµές τάσης στην πηγή αντιστρέφουµε την συνδεσµολογία των καλωδίων της πηγής πάνω στην ηλεκτρονική πλακέτα (raster). Σχήµα 2.7: Κύκλωµα ορθής πόλωσης διόδου Zener Πίνακας IΙ: Τιµές ρεύµατος και τάσης για την ορθή πόλωση της διόδου Zener ΙΖ(mA) 1 2 3 4 5 8 10 12 14 16 18 20 VΖ (V) Vπηγ Πίνακας ΙΙΙ: Τιµές τάσης της πηγής για την ανάστροφη πόλωση της διόδου Zener Vπηγής(V) -0.5 -1 -1.5 -2 -5 VΖ-R (V) IΖ-R (mA) 16 -7 -10 -12 -15 -20 22 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις A) Να σχεδιάσετε σε µιλιµετρέ χαρτί την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου Zener. Β) Υπολογίστε προσεγγιστικά το φράγµα δυναµικού της διόδου από τις πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους Πίνακες ΙΙΙ και VΙ. Στην γραπτή εργασία θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους αντίστοιχους πίνακες του φύλλου εργασίας. 2) Εφαρµόστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff στο κύκλωµα του σχήµατος 2.6 και εξάγετε την εξίσωση της ευθείας φόρτου. Να βρείτε τα δύο σηµεία τοµής της ευθείας φόρτου µε τους άξονες της γραφικής παράστασης ρεύµατος – τάσης. 3) Σχεδιάστε σε κοινό διάγραµµα την χαρακτηριστική καµπύλη της απλής διόδου και την ευθεία φόρτου. Να δείξετε το σηµείο τοµής της ευθείας φόρτου µε τη χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου το οποίο ονοµάζεται και σηµείο λειτουργίας Q της διόδου. 4) Σχεδιάστε σε κοινό διάγραµµα τις γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών καµπυλών της απλής διόδου και της διόδου Zener. Ποιες είναι οι οµοιότητες και ποιες οι διαφορές µεταξύ των δύο γραφικών παραστάσεων; 5) Υπάρχει διαφορά στην τιµή που προσεγγιστικά υπολογίσατε µεταξύ του φράγµατος δυναµικού της απλής διόδου και της διόδου Zener; ∆ικαιολογήστε την απάντησή σας σε κάθε περίπτωση. 6) Ποια είναι η τάση Zener όπως προκύπτει από την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου Zener στην ανάστροφη πόλωση; 7) Πως θα αλλάξει το σηµείο λειτουργίας Q αν αντικαταστήσουµε την αντίσταση R1 µε µία άλλη αντίσταση µεγαλύτερης ή µικρότερης τιµής; ∆ικαιολογήστε την απάντησή σας. 17 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 18 ΑΣΚΗΣΗ 3 ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΗΣ – ∆ΙΠΛΗΣ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης. Μελέτη της απλής και διπλής ανόρθωσης εναλλασσόµενης τάσης µε χρήση διόδων. Μελέτη της επίδρασης πυκνωτή στην εξοµάλυνση της ηµιανορθωµένης ή διπλά ανορθωµένης τάσης. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της απλής διόδου στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Μελέτη των παραγράφων 4.1–4.5 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο (A. P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, 2007). Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης προσοµοίωσης 2 µε τίτλο «Απλή-πλήρης ανόρθωση», του Β’ µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων και παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 3.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.1.1 Απλή Ανόρθωση Η βασική ιδιότητα της απλής διόδου είναι ότι επιτρέπει τη διέλευση του ρεύµατος µόνο προς την µία κατεύθυνση, όταν η δίοδος είναι ορθά πολωµένη. Αντίθετα, όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη το ρεύµα έχει πολύ µικρή τιµή µε αποτέλεσµα να θεωρούµε ότι το κύκλωµα δεν διαρρέεται από ρεύµα. Η ιδιότητα αυτή καθιστά την δίοδο βασικό στοιχείο των κυκλωµάτων απλής ανόρθωσης. Απλή ανόρθωση ονοµάζουµε την κατά το ήµισυ ανόρθωση µιας εναλλασσόµενης τάσης. Το κύκλωµα του σχήµατος 3.1 είναι ένα κύκλωµα απλής ανόρθωσης. Αποτελείται από ένα µετασχηµατιστή τάσης, ο οποίος λειτουργεί σαν µια πηγή εναλλασσόµενης τάσης υποβιβάζοντας την τάση από τα 220V στην τάση του δευτερεύονοτς πηνίου, από µία απλή δίοδο και µια αντίσταση φορτίου RL. D1 Vπηγής RL Σχήµα 3.1: Κύκλωµα απλής ανόρθωσης µε δίοδο pn. 19 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η εφαρµοζόµενη εναλλασσόµενη τάση στην έξοδο του µετασχηµατιστή τάσης είναι ηµιτονοειδής και περιγράφεται από την εξίσωση: V = V0 sin ωt (3.1) Η µορφή της τάσης στην έξοδο του µετασχηµατιστή αποτελεί την τάση εισόδου του κυκλώµατος και φαίνεται στο σχήµα 3.2(α). Η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου RL αποτελεί την τάση εξόδου του κυκλώµατος και έχει την µορφή που φαίνεται στο σχήµα 3.2(β). Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος είναι ορθά πολωµένη, οπότε επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος µέσα από αυτήν. Το αποτέλεσµα είναι ότι η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης φορτίου είναι της ίδιας µορφής µε την τάση εισόδου του κυκλώµατος. Κατά την αρνητική ηµιπερίοδο η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη, οπότε δεν επιτρέπει το ρεύµα να διέλθει από αυτήν µε αποτέλεσµα η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης φορτίου να είναι σχεδόν µηδενική. V (V) V0 V (V) V0 – 0.7 t (s) t (s) - V0 Σχήµα 3.2: (α) Ηµιτονοειδής τάση εισόδου (β) Ηµιανορθωµένη τάση εξόδου Όπως φαίνεται στο σχήµα 3.2(β) η τάση εξόδου, που ονοµάζεται ηµιανορθωµένη τάση, δεν παίρνει αρνητικές τιµές, ενώ οι θετικές τιµές της παραµένουν σχεδόν ανεπηρέαστες σε σχέση µε την τάση εισόδου. Το µέγιστο της ηµιανορθωµένης τάσης δεν ισούται µε το µέγιστο της τάσης εισόδου V0 αλλά µε V0 – 0.7 καθώς η πτώση τάσης στα άκρα της διόδου είναι 0.7 V, ίση µε το φράγµα δυναµικού της διόδου. Προσθέτοντας τον πυκνωτή χωρητικότητας C παράλληλα στην αντίσταση φόρτου RL το κύκλωµα µετατρέπεται σε κύκλωµα εξοµάλυνσης της ηµιανορθωµένης τάσης (σχήµα 3.1 µε την προσθήκη του πυκνωτή C). Στο σχήµα 3.3 φαίνεται η εξοµαλυµένη τάση εξόδου του κυκλώµατος µετά την προσθήκη του πυκνωτή. Κατά την θετική ηµιπερίοδο όσο η τάση εισόδου αυξάνεται µέχρι να φτάσει στην µέγιστη τιµή της, η δίοδος είναι ορθά πολωµένη επιτρέποντας την διέλευση ηλεκτρικού ρεύµατος µε αποτέλεσµα να φορτίζεται ο πυκνωτής, καθώς η τάση στα άκρα του ισούται µε την τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Η µέγιστη τάση στα άκρα του πυκνωτή είναι ίση µε την µέγιστη τιµή της ηµιανορθωµένης τάσης V0 – 0.7. Όταν η τάση της πηγής µειώνεται τείνοντας να µηδενιστεί µειώνεται η τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου άρα και του πυκνωτή. Ο φορτισµένος πυκνωτής εκφορτίζεται µέσω της αντίστασης φορτίου, µε αποτέλεσµα η µείωση της τάσης στα άκρα της αντίστασης να είναι πιο αργή από την µείωση της τάσης εισόδου της πηγής και να µην ακολουθεί την ίδια µορφή. Ας θυµηθούµε ότι στην 20 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις εκφόρτιση του πυκνωτή παίζει ρόλο η σταθερή χρόνου του κυκλώµατος RLC. Η εκφόρτιση του πυκνωτή συνεχίζεται και κατά την διάρκεια της αρνητικής ηµιπεριόδου της τάσης εισόδου της πηγής στην διάρκεια της οποίας η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη. Στην επόµενη θετική ηµιπερίοδο της τάσης εισόδου, όταν η τάση εισόδου γίνει ίση µε την παραµένουσα τάση στα άκρα του πυκνωτή, η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου αυξάνεται και πάλι, µέχρι να φτάσει την µέγιστη τιµή της ηµιανορθωµένης τάσης. Αυτή η εξοµαλυµένη τάση τείνει να γίνει συνεχής. Αν ανορθώσουµε ( χωρίς πυκνωτή ), µια τιµή συνεχούς τάσης, τότε αυτή θα δίνεται από την εξίσωση: V DC = V0 π = 0.318V0 (3.2) Η τιµή αυτή είναι µια µέση τιµή της εξοµαλυµένης τάσης και είναι η τιµή που θα µετρήσουµε µε ένα πολύµετρο στα άκρα της αντίστασης φόρτου σε κλίµακα DC. Η παραµένουσα τιµή της τάσης στα άκρα του πυκνωτή, µεταξύ των δύο θετικών ηµιπεριόδων της τάσης εισόδου, εξαρτάται από την τιµή της χωρητικότητας του πυκνωτή C. Ίδια θα είναι και η τιµή της τάσης στην αντίσταση φορτίου. Όσο µεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα τόσο πιο αργή είναι η µείωση της τάσης εξόδου, λόγω της βραδύτερης εκφόρτισης του πυκνωτή µέσω της αντίστασης φορτίου RL. H σταθερά χρόνου εκφόρτισης του πυκνωτή ισούται µε: τ = RL C (3.3) Η σταθερά χρόνου πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερη συγκρτικά µε την περίοδο T της τάσης εισόδου, ώστε να έχουµε βραδύτερη εκφόρτιση του πυκνωτή. ∆ηλαδή θα πρέπει να ισχύει τ >> Τ. V (V) V0 – 0.7 t (s) Σχήµα 3.3: Εξοµάλυνση ηµιανορθωµένης τάσης 21 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 3.1.1 ∆ιπλή ή Πλήρης Ανόρθωση Η διπλή ή πλήρης ανόρθωση είναι µια δεύτερη πολύ σηµαντική εφαρµογή της απλής διόδου. Το κύκλωµα πλήρους ή διπλής ανόρθωσης φαίνεται στο σχήµα 3.4. Το κύκλωµα αυτό επιτυγχάνει την πλήρη ανόρθωση της εναλλασσόµενης τάσης χρησιµοποιώντας γέφυρα διόδων, δηλαδή µια διάταξη τεσσάρων απλών διόδων οι οποίες είναι συνδεδεµένες σε σειρά ανά δύο µε την ίδια πολικότητα. Κατά την θετική ηµιπερίοδο οι δίοδοι D2 και D3 είναι ορθά πολωµένες, οπότε το ρεύµα διέρχεται µέσα από αυτές, ενώ οι δίοδοι D1 και D4 είναι ανάστροφα πολωµένες και δεν επιτρέπουν την διέλευση του ρεύµατος. Εποµένως, η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου θα ακολουθεί την τάση εισόδου, µε το ρεύµα να έχει την φορά που φαίνεται στο σχήµα 3.4. Κατά την αρνητική ηµιπερίοδο οι δίοδοι D1 και D4 είναι ορθά πολωµένες οπότε το ρεύµα διέρχεται µέσα από αυτές, ενώ οι δίοδοι D2 και D3 είναι ανάστροφα πολωµένες και δεν επιτρέπουν την διέλευση του ρεύµατος. Vπηγής I D1 D2 D3 D4 RL C Σχήµα 3.4: Κύκλωµα διπλής ή πλήρους ανόρθωσης µε γέφυρα διόδων V (V) V0 V (V) V0 – 1.4 t (s) t (s) - V0 Σχήµα 3.5: (α) Τάση εισόδου (β) Πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου 22 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Η τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου θα ακολουθεί και πάλι την τάση εισόδου, αλλά λόγω του ότι η φορά του ρεύµατος που διέρχεται από την αντίσταση φόρτου δεν αλλάζει, η τάση στα άκρα της θα έχει και πάλι θετικό πρόσηµο. Στο σχήµα 3.5(α) φαίνεται η ηµιτονοειδής τάση εισόδου του µετασχηµατιστή και στο σχήµα 3.5(β) φαίνεται η τάση εξόδου του κυκλώµατος στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Η τάση αυτή ονοµάζεται πλήρως ή διπλά ανορθωµένη τάση. Παρατηρούµε ότι η τάση εξόδου έχει πάντα θετικό πρόσηµο. Συνδέοντας πυκνωτή χωρητικότητας C παράλληλα στην αντίσταση φόρτου επιτυγχάνεται η εξοµάλυνση της πλήρως ανορθωµένης τάσης, η οποία φαίνεται στο σχήµα 3.6. Ο µηχανισµός εκφόρτισης του πυκνωτή µέσω της αντίστασης φορτίου είναι και πάλι ο ίδιος, µε την διαφορά ότι στην πλήρως ανορθωµένη τάση το πρόσηµο της τάσης εξόδου είναι πάντα θετικό για όλες τις ηµιπεριόδους και τα χρονικά διαστήµατα µεταξύ των µεγίστων τιµών τάσης είναι µικρότερα συγκρτικά µε την ηµιανορθωµένη τάση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να επιτυγχάνουµε ευκολότερα εξοµάλυνση της πλήρως ανορθωµένης τάσης. Η τιµή της συνεχούς τάσης που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση ισούται µε: V DC = 2V0 π = 0.636V0 (3. 4) Γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η τιµή της συνεχούς τάσης VDC, που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση είναι διπλάσια από την τιµή της συνεχούς τάσης VDC της ηµιανορθωµένης τάσης. Όσον αφορά στην σταθερά χρόνου εκφόρτισης του πυκνωτή, αυτή ισούται µε: τ = RL C και πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερη από την περίοδο T της τάσης εισόδου. Σχήµα 3.6: Εξοµάλυνση διπλά ανορθωµένης τάσης 23 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η µεταβολή της εξοµαλυµένης τάσης εξόδου µεταξύ των δύο ακραίων τιµών της ονοµάζεται ονοµάζεται τάση κυµάτωσης και δίνεται από την εξίσωση: Vκ = Ι DC fC (3.5) όπου f η συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης της πηγής, C η χωρητικότητα του πυκνωτή και IDC το αντίστοιχο συνεχές ρεύµα της εξοµαλυµένης τάσης. 2.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 3.2.1 Απλή ανόρθωση και εξοµάλυνση ηµιανορθωµένης τάσης Ακολουθήστε τα παρακάτω βήµατα: 1. Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 3.7 χωρίς να συνδέσετε τον πυκνωτή. Η τιµή της αντίστασης φόρτου RL είναι 1.5KΩ. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση στα άκρα του µετασχηµατιστή (Vπηγής) και βρείτε το πλάτος της εναλλασσόµενης τάσης και την συχνότητά της. V0,πηγής = .................. fπηγής = ................... 2. Κατόπιν, µετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου. D1 Vπηγής RL C Σχήµα 3.7: Κύκλωµα απλής ανόρθωσης V0,L = ………… Να συγκρίνετε το πλάτος της τάσης εισόδου µε το πλάτος της τάσης εξόδου. Τι παρατηρείτε; Να δικαιολογήσετε την παρατήρησή σας. 24 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 3. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου: VDC = ……….. Υπολογίστε την συνεχή τάση εξόδου που αντιστοιχεί στην ηµιανορθωµένη τάση VDC χρησιµοποιώντας την εξίσωση (3.2). V DC = V0 π = 0.318V0 = ........ Τι παρατηρείτε; ∆ικαιολογήστε την απάντησή σας. 4. Συνδέστε πυκνωτή χωρητικότητας C1 = 47 µF παράλληλα στην αντίσταση φόρτου RL. Μετρήστε την τάση VDC στα άκρα της αντίστασης φόρτου µε το πολύµετρο: VDC = ………….. Να συγκρίνετε τις τιµές συνεχούς τάσης που µετρήσατε στα άκρα της αντίστασης φόρτου πριν συνδέσετε τον πυκνωτή και µετά την σύνδεσή του. Τι παρατηρείτε; Εξηγήστε που οφείλεται η διαφορά. 5. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης Vκ στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Μεγεθύνετε όσο µπορείτε την κυµάτωση, κάνοντας τις κατάλληλες ρυθµίσεις στον παλµογράφο. Vκυµάτωσης1 = .................... 6. Αντικαταστήστε τον πυκνωτή χωρητικότητας C2 = 47 µF µε έναν άλλο χωρητικότητας C = 470 µF. Μετρήστε πάλι την τάση κυµάτωσης. Vκυµάτωσης2 = .................... 7. Υπολογίστε την τάση κυµάτωσης και για τις δύο τιµές χωρητικότητας του πυκνωτή C1 και C2 από την εξίσωση (3.5). Vκ 1 = Ι DC = .......... fC Vκ 2 = Ι DC = .......... fC Υπάρχει διαφορά µεταξύ της τάσης κυµάτωσης Vκυµάτωσης1, Vκυµάτωσης2 και της τάσης κυµάτωσης που υπολογίσατε από την σχέση (3.5); ∆ικαιολογήστε την παρατήρησή σας. 25 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 3.2.2 Πλήρης ή διπλή ανόρθωση και εξοµάλυνση πλήρως ανορθωµένης τάσης Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 3.8 χωρίς να συνδέσετε τον πυκνωτή. Η τιµή της αντίστασης φόρτου RL παραµένει 1.5KΩ. Χρησιµοποιήστε και πάλι τον µετασχηµατιστή ως πηγή εναλλασσόµενης τάσης (Vπηγής). Χρησιµοποιήστε ως δεδοµένες τις ίδιες τιµές πλάτους, τάσης και συχνότητας που µετρήσατε στο προηγούµενο πείραµα της απλής ανόρθωσης. Vπηγής D1 D2 D3 D4 RL C Σχήµα 3.8: Κύκλωµα πλήρους ή διπλής ανόρθωσης Κατόπιν, ακολουθήστε τα εξής βήµατα: 1. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου, στα άκρα της αντίστασης φορτίου. V0,L = ………… Να συγκρίνετε το πλάτος της τάσης εισόδου µε το πλάτος της τάσης εξόδου. Τι παρατηρείτε; Να δικαιολογήστε την παρατήρησή σας. 2. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φόρτου. VDC = ……….. 3. Υπολογίστε την συνεχή τάση εξόδου VDC που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση που δίνεται από την εξίσωση (3.4). V DC = 2V0 π = 0.636V0 = ............... Να συγκρίνετε την τιµή που µετράτε µε αυτήν που µετρήσατε στο βήµα 2. 4. Συνδέστε τον πυκνωτή χωρητικοτήτας C1 = 47 µF παράλληλα στην αντίσταση φόρτου RL. Μετρήστε την τάση VDC στα άκρα της αντίστασης φορτίου µε το πολύµετρο. 26 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις VDC1 = ………….. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης Vκ στα άκρα της αντίστασης φόρτου, µεγεθύνοντας την κυµάτωση στον παλµογράφο. Vκυµάτωσης1 = .................... 5. Αντικαταστήστε τον πυκνωτή χωρητικότητας C2 = 47 µF µε έναν άλλο χωρητικότητας C = 470 µF. Μετρήστε την συνεχή συνιστώσα της τάσης VDC. VDC2 = ………….. Μετρήστε την τάση κυµάτωσης µε τον παλµογράφο. Vκυµάτωσης2 = .................... 6. Συγκρίνετε µεταξύ τους την τάση κυµάτωσης και την DC συνιστώσα που µετρήσατε στα βήµατα 4 και 5. Τι παρατηρείτε; Που οφείλονται οι διαφορές; 7. Υπολογίστε την τάση κυµάτωσης Vκ που δίνεται από την εξίσωση (5) και για τις δύο τιµές χωρητικότητας των πυκνωτών που συνδέσατε: Vκ 1 = Ι DC = ............. fC Vκ 2 = Ι DC = ............. fC Υπάρχει διαφορά στις τιµές της τάσης κυµάτωσης Vκυµάτωσης1 και Vκυµάτωσης2 και σε αυτές που υπολογίσατε θεωρητικά; ∆ικαιολογήστε την απάντησή σας. Στην γραπτή εργασία θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στα αντίστοιχα πειράµατα του φύλλου εργασίας. 2) Να σχεδιαστούν σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινή γραφική παράσταση η τάση εισόδου, η ηµιανορθωµένη τάση εξόδου πριν συνδέσουµε τον πυκνωτή και η εξοµαλυµένη ηµιανορθωµένη τάση εξόδου µετά την παράλληλη σύνδεση του πυκνωτή C1 στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Να δοθεί έµφαση στην αρίθµηση των αξόνων καθώς και στην αποτύπωση των µεγίστων τιµών των τάσεων και της τάσης διακύµανσης. 3) Να σχεδιαστούν σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινή γραφική παράσταση η τάση εισόδου, η πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου πριν συνδέσουµε τον πυκνωτή και η πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου µετά την παράλληλη σύνδεση του πυκνωτή C1 στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Να δοθεί έµφαση στην αρίθµηση των αξόνων καθώς στην αποτύπωση των µεγίστων τιµών των τάσεων και της τάσης διακύµανσης. 27 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 28 ΑΣΚΗΣΗ 4 ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ∆ΙΟ∆Ο ZENER, ΚΥΚΛΩΜΑ ΨΑΛΙ∆ΙΣΤΗ ΚΑΙ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ Σκοπός της άσκησης. Μελέτη της σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener, του ψαλιδιστή και του πολλαπλασιαστή τάσης. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της διόδου Zener στην ανάστροφη πόλωση. Μελέτη των παραγράφων 3.5, 4.7 και 4.8 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο (A. P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, Εκδόσεις Τζιόλας 2007). Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης 3 του Β’ µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων, µε χρήση του προσοµοιωτή. Παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 4.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 4.1.1 Σταθεροποίηση τάσης µε δίοδο Zener Στην εργαστηριακή άσκηση 3 µελετήθηκε το κύκλωµα της πλήρους ή διπλής ανόρθωσης µε γέφυρα διόδων. Η τάση εξόδου του κυκλώµατος της πλήρους ανόρθωσης µπορεί να εξοµαλυνθεί συνδέοντας ένα πυκνωτή (C1) παράλληλα στην αντίσταση φόρτου. Ακόµη όµως και η εξοµαλυµένη τάση δεν µπορεί να θεωρηθεί αυστηρά συνεχής, δηλαδή τάση σταθερής τιµής ανεξάρτητης του χρόνου, λόγω της διακύµανσης που παρουσιάζει. Η διακύµανση αυτή, παρόλο που είναι µικρή, δεν µας επιτρέπει να χρησιµοποιήσουµε το κύκλωµα σε εφαρµογές όπου η σταθερότητα της τάσης παίζει κρίσιµο ρόλο. Επίσης η σταθερότητα της τάσης είναι επιθηµητή για την ελαχιστοποίηση του ηλεκτρονικού θορύβου, που δηµιουργεί προβλήµατα στην λειτουργία και στην απόδοση των κυκλωµάτων. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα σε κυκλώµατα µε τρανζίστορ που λειτουργούν ως ενισχυτές. Rs Vπηγής D1 D2 RL C1 D3 Z D4 Σχήµα 4.1: Κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener 29 C2 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η σταθεροποίηση της τάσης επιτυγχάνεται µε τα κυκλώµατα σταθεροποίησης όπως αυτό που φαίνεται στο σχήµα 4.1. Το κύκλωµα αυτό είναι ένα κύκλωµα εξοµάλυνσης της πλήρως ανορθωµένης τάσης, όπως µελετήθηκε στην άσκηση 3, µε την διαφορά ότι έχει προστεθεί µία αντίσταση σε σειρά Rs για προστασία του κυκλώµατος και µια δίοδος Zener παράλληλα στην αντίσταση φόρτου. Πάντοτε βέβαια στο κύκλωµα υπάρχει και η αντίσταση φόρτου RL στα άκρα της οποίας µπορούµε να µετρήσουµε την τάση εξόδου. Η αντίσταση φορτίου αντιπροσωπεύει τον καταναλωτή, τον οποίο θέλουµε να τροφοδοτήσουµε µε τάση. Από το σχήµα 4.1 φαίνεται ότι η δίοδος Zener είναι ανάστροφα πολωµένη. Γνωρίζουµε ήδη ότι όταν η τάση στα άκρα της διόδου Zener γίνει ίση µε την τάση Zener τότε παραµένει σχεδόν σταθερή ενώ το ρεύµα που την διαρρέει µεταβάλλεται απότοµα. Η ιδιότητα αυτή της διόδου Zener την καθιστά κατάλληλη για την χρησιµοποίησή της σε κυκλώµατα σταθεροποίησης τάσης. Η τάση στα άκρα της διόδου Zener, άρα και της αντίστασης φόρτου, είναι σχεδόν σταθερή. Όµως, παρουσιάζει και πάλι µια µικρή διακύµανση, η οποία είναι µικρότερη από αυτή του κυκλώµατος πλήρους ανόρθωσης. 4.1.2 Κυκλώµατα ψαλιδιστών Οι ψαλιδιστές είναι κυκλώµατα που χρησιµοποιούνται για την αποκοπή ενός µέρους µιας εναλλασσόµενης τάσης (σήµατος) πάνω ή κάτω από µια ορισµένη τιµή. Οι ψαλιδιστές χρησιµοποιούνται σε κυκλώµατα όπου η εναλλασσόµενη τάση δεν θέλουµε να υπερβαίνει µια συγκεκριµένη τιµή είτε για λόγους προστασίας είτε για λόγους µορφοποίησης του σήµατος. Τα κυκλώµατα ψαλιδιστών κατασκευάζονται χρησιµοποιώντας απλές διόδους ή διόδους Zener ή συνδυασµό αυτών. Στο σχήµα 4.2 φαίνεται ένα τέτοιο κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή. Οι δύο δίοδοι Zener είναι αντίθετα συνδεδεµένες έτσι ώστε η πόλωση της µιας να είναι αντίθετη από την πόλωση της άλλης. Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος Ζ1 είναι ορθά πολωµένη µε την τάση στα άκρα της να ισούται µε το φράγµα δυναµικού (περίπου 0.7V) ενώ η δίοδος Ζ2 είναι ανάστροφα πολωµένη. Το ρεύµα εποµένως που διαρρέει τις δύο διόδους είναι µηδενικό µε αποτέλεσµα η τάση στα άκρα των δύο διόδων που αποτελεί και την τάση εξόδου του κυκλώµατος να µεταβάλλεται σύµφωνα µε την τάση εισόδου της πηγής εναλλασσόµενης τάσης. RS Vπηγής Ζ1 ~ Ζ2 Σχήµα 4.2: Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή τάσης µε διόδους Zener 30 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Όταν η τάση της πηγής γίνει ίση µε το άθροισµα της τάσης Zener της διόδου Ζ2 και του φράγµατος δυναµικού της διόδου Ζ1 τότε η δίοδος Ζ2 θα διατηρήσει σταθερή την τάση στα άκρα της ανεξάρτητα από την τάση της πηγής. Άρα η τάση εξόδου θα σταθεροποιηθεί στην τιµή: Vout = 0.7 + VZ 2 (4.1) όπου VZ2 η τάση Zener της διόδου Ζ2. Στην αρνητική ηµιπερίοδο η δίοδος Ζ1 θα είναι ανάστροφα πολωµένη ενώ η δίοδος Ζ2 ορθά πολωµένη. Εποµένως η τάση εξόδου θα ισούται µε: Vout = 0.7 + VZ 1 (4.2) όπου VZ1 η τάση Zener της διόδου Ζ1. Στο σχήµα 4.3 φαίνεται η τάση εισόδου και η τάση εξόδου για το κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή του σχήµατος 4.2. Αν υποθέσουµε ότι η τάση Zener και των δύο διόδων είναι 10V και το πλάτος τάσης της πηγής είναι 15V τότε η τάση εξόδου θα είναι ψαλιδισµένη πάνω από τα 10V στις θετικές τιµές και κάτω από -10V στις αρνητικές τιµές. Για αυτόν τον λόγο το κύκλωµα αυτό ονοµάζεται διπλός ψαλιδιστής. Μπορούµε εύκολα να τροποποιήσουµε την τάση εξόδου χρησιµοποιώντας τις κατάλληλες διόδους έτσι ώστε να περιορίσουµε την τάση εξόδου µέσα στο επιθυµητό εύρος. Σχήµα 4.3: Τάση εισόδου (διακεκοµµένη γραµµή) και τάση εξόδου (συνεχής γραµµή) ενός διπλού ψαλιδιστή µε διόδους Zener (VZ = 10V) 4.1.3 Κύκλωµα διπλασιαστή Πολλαπλασιαστές ονοµάζονται τα κυκλώµατα που παράγουν στην έξοδό τους µια συνεχή τάση πολλαπλάσια της εναλλασσόµενης τάσης εισόδου. Στην άσκηση αυτή θα µελετήσουµε το κύκλωµα του διπλασιαστή όπως φαίνεται στο σχήµα 4.4. 31 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου C1 Vπηγής D2 D1 C2 Σχήµα 4.4: Κύκλωµα διπλασιαστή Το συγκεκριµένο κύκλωµα αποτελείται από δύο ανορθωτές που σχηµατίζονται από µία απλή δίοδο και ένα πυκνωτή. Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος D2 είναι ανάστροφα πολωµένη και η δίοδος D1 ορθά πολωµένη. Το ρεύµα διαρρέει την δίοδο D1 ενώ ταυτόχρονα ο πυκνωτής C1 φορτίζεται και η τάση στα άκρα του ισούται µε την µέγιστη τάση της πηγής, ενώ ο πυκνωτής C2 παραµένει αφόρτιστος. Όταν η τάση της πηγής µειώνεται η δίοδος D1 πολώνεται ανάστροφα λόγω της τάσης του πυκνωτή C1 που εκφορτίζεται. Αντίθετα η δίοδος D2 πολώνεται ορθά µε αποτέλεσµα να επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος. Ο πυκνωτής C2 φορτίζεται και η µέγιστη τάση στα άκρα του θα ισούται µε το άθροισµα της τάσης εισόδου της πηγής και της τάσης του πυκνωτή C1: VC2 = V0sinωτ + VC1 (4.3) Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα µετά από λίγες περιόδους η τάση στα άκρα του πυκνωτή C2 να αποκτήσει µια µέγιστη σταθερή τιµή που είναι διπλάσια του πλάτους της τάσης εισόδου της πηγής VC2=2V0. Όταν ο πυκνωτής αποκτήσει τάση στα άκρα του ίση µε 2V0 η δίοδος D2 παραµένει ανάστροφα πολωµένη όπως επίσης και η δίοδος D1. Εποµένως, στην έξοδο του κυκλώµατος η τάση εξόδου είναι διπλάσια του πλάτους της τάσης εισόδου της πηγής. 32 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 4.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 4.2.1 Σταθεροποίηση τάσης µε δίοδο Zener OSC1 Rs=470Ω Rs 220,0 RL 1,5k Z1 1N2804 TR1 C1 47,0u VG1 GR1 1N1183 + Ch1 - C1=470µF Σχήµα 4.5: Κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener 1. Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 4.5. Η τιµή της αντίστασης Rs είναι 220Ω, η αντίσταση φόρτου είναι RL = 1.5KΩ, η τάση Zener της διόδου είναι VZ = 4,7V ο πυκνωτής C1 έχει χωρητικότητα 470µF. 2. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης στα άκρα της πηγής και υπολογίστε την συχνότητά της. V0,πηγής = .................. fπηγής = ................... 3. Κατόπιν µετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση στα άκρα του πυκνωτή C1. Σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. 4. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης Vκ στα άκρα του πυκνωτή C1. Για το σκοπό αυτό ρυθµίστε τον παλµογράφο σε λειτουργία AC και µεγεθύνετε την κυµάτωση, ώστε να τη µετρήσετε µε ακρίβεια. VκυµάτωσηςC1 = ……….. 5. Στη συνέχεια µετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου και σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. Μετρήστε την τάση κυµάτωσης πάνω στην αντίσταση φορτίου. Για το σκοπό αυτό ρυθµίστε τον παλµογράφο σε λειτουργία AC και µεγεθύνετε την κυµάτωση, ώστε να τη µετρήσετε µε ακρίβεια. VκυµάτωσηςRL = ………… Υπάρχει διαφορά στην µορφή της τάσης στα άκρα του πυκνωτή C1 και στα άκρα της αντίστασης φορτίου; Περιγράψτε τις διαφορές. Πως διαφέρει από αυτές τις δύο τάσεις η τάση της πηγής; 33 + Ch2 - Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 6. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης RL. VRL = ……….. ∆ικαιολογήστε την τιµή της τάσης στην αντίσταση φορτίου. Τι θα γίνει αν αλλάξετε τη δίοδο zener και βάλετε στη θέση της κάποια άλλη µε διαφορετικό δυναµικό zener; 7. Να αλλάξετε τον πυκνωτή C1 και να βάλετε στη θέση του πυκνωτή 10µF. Να µετρήσετε πάλι την τάση κυµάτωσης πάνω στην αντίσταση φορτίου. Ποιες αλλαγές παρατηρείτε; 4.2.2 Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή µε διόδους Zener RS Vπηγής Ζ1 ~ Ζ2 Σχήµα 4.6: Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή τάσης µε διόδους Zener Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 4.6. Η τιµή της αντίστασης Rs είναι 4.7KΩ, η τάση Zener των διόδων είναι VZ = 4.7V, η τάση της πηγής είναι Vπηγής = 20 Vp-p και η συχνότητά της f = 50 Hz. Καταγράψτε µε τον παλµογράφο την τάση εισόδου στα άκρα της πηγής και σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. Μετρήστε το πλάτος της τάσης εισόδου: V0,εισόδου = .................. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου στα άκρα των διόδων. V0,εξόδου = .................. Να σχεδιάσετε σε κοινή γραφική παράσταση τις τάσεις εισόδου και εξόδου. 34 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 4.2.3 Κύκλωµα διπλασιαστή - Vπηγής C1 D2 + D1 + C2 RL - Σχήµα 4.7: Κύκλωµα διπλασιαστή 1. Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 4.7. Η τιµή της αντίστασης φορτίου είναι RL = 10KΩ, ο πυκνωτής C1 έχει χωρητικότητα 10µF και ο πυκνωτής C2 έχει την ίδια χωρητικότητα 1µF. Χρησιµοποιείστε τους µετασχηµατιστές του εργαστηρίου για να λάβετε τάση πηγής. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης στα άκρα της πηγής. V0,εισόδου = .................. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την DC τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Vεξόδου = .................. Συγκρίνετε το πλάτος της τάσης εισόδου µε την DC τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Τι παρατηρείτε; Στην γραπτή εργασία θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στα αντίστοιχα πειράµατα του φύλλου εργασίας. 2) Σχεδιάστε σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινό διάγραµµα την τάση εισόδου και εξόδου του κυκλώµατος σταθεροποίησης τάσης του σχήµατος 4.5. Να δείξετε µε λεπτοµέρεια την τάση κυµάτωσης Vκυµάτωσης2 που µετρήσατε στα άκρα του πυκνωτή C2. 3) Σχεδιάστε σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινό διάγραµµα τις γραφικές παραστάσεις της τάσης εισόδου και εξόδου του ψαλιδιστή. 4) Εξηγήστε την µορφή της τάσης εξόδου του ψαλιδιστή περιγράφοντας την λειτουργία του. 5) Εξηγήστε την µορφή της τάσης εξόδου του διπλασιαστή περιγράφοντας την λειτουργία του. Είναι αναµενόµενο στην έξοδο του διπλασιαστή να παίρνουµε συνεχή τάση ενώ στην είσοδο εφαρµόζεται εναλλασσόµενη; 35 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 36 ΑΣΚΗΣΗ 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Σκοπός της άσκησης. Γνωριµία µε το διπολικό τρανζίστορ. Μέτρηση του β του τρανζίστορ. Μελέτη της άµεσης πόλωσης του τρανζίστορ και ευθεία φορτίου. Μελέτη του τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη. Προαπαιτούµενες γνώσεις: DC πόλωση και λειτουργία του τρανζίστορ (κόρος, αποκοπή, ενεργός περιοχή) Ενδεικτικό πρόγραµµα µελέτης: Μελέτη του κεφαλαίου 5 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο και του αντίστοιχου κεφαλαίου των διδακτικών σηµειώσεων. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία: Εκτέλεση της άσκησης 5 του Β΄ µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων και παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 5.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 5.1.1 Αναγνώριση και χαρακτηριστικά του τρανζίστορ Η αναγνώριση ενός τρανζίστορ γίνεται µε τη βοήθεια της χαρακτηριστικής του ονοµασίας, που αναγράφεται στο περίβληµα και ανατρέχοντας στα φύλλα δεδοµένων (data sheets) του εξαρτήµατος. Τα φύλλα δεδοµένων µπορούν να βρεθούν πολύ εύκολα στο διαδίκτυο. Σ’ αυτά, δίνονται ο τύπος (NPN ή PNP), τα βασικά τεχνικά χαρακτηριστικά του τρανζίστορ, το διάγραµµα ακροδεκτών και οι προβλεπόµενες τιµές του β. Η αναγνώριση των ακροδεκτών του τρανζίστορ είναι βασική προϋπόθεση ώστε να συνδεθεί µε ορθό τρόπο το τρανζίστορ στο κύκλωµα. Σχ. 5.1 ∆ιάγραµµα ακροδεκτών των τρανζίστορ BC546 (αριστερά) και 2N2219. 37 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Κάθε τρανζίστορ συνοδεύεται από τα παρακάτω τεχνικά χαρακτηριστικά. Οι τυπικές τιµές που παρέχονται αφορούν στο τρανζίστορ πυριτίου BC546. 1. Ενίσχυση ρεύµατος µικρού σήµατος. Είναι το β του τρανζίστορ. Τυπικές τιµές είναι από 50 έως 500. 2. Τάση µεταξύ συλλέκτη και εκποµπού VCE. Τυπικές µέγιστες και ελάχιστες τιµές είναι VCE=50V στην αποκοπή και VCE=0.2 V στον κόρο. 3. Τάση µεταξύ βάσης και εκποµπού στην ενεργό περιοχή. Τυπική περιοχή VBE=0.7V 4. Μέγιστη τάση µεταξύ συλλέκτη-βάσης VCΒ. Τυπική µέγιστη τιµή VCB=50V. 5. Μέγιστη κατανάλωση ισχύος PDmax. Τυπική τιµή 500mW. 6. Μέγιστη συχνότητα λειτουργίας fT. Τυπική τιµή 100MHz. Όταν το τρανζίστορ λειτουργεί παραβιάζοντας τα παραπάνω τεχνικά χαρακτηριστικά, τότε δηµιουργούνται βλάβες, όπως βραχυκυκλώµατα, ανοιχτά κυκλώµατα, µεγάλα ρεύµατα διαρροής, ελάττωση του β κ. ά. 5.1.2 Μέτρηση του β Αν και γενικά η ενίσχυση ρεύµατος του τρανζίστορ διαφέρει λίγο στο συνεχές και στο εναλλασσόµενο, κατά προσέγγιση θα θεωρούµε ότι ισχύει: β≅hfe Το β του τρανζίστορ µετριέται µε τη βοήθεια ειδικού οργάνου που λέγεται τρανζιστορόµετρο, το οποίο είναι ενσωµατωµένο στα περισσότερα ψηφιακά πολύµετρα. Το τρανζιστορόµετρο φέρει ειδικές υποδοχές όπου συνδέονται οι ακροδέκτες B, C, E του τρανζίστορ. Οι υποδοχές αυτές είναι άλλες για τα τρανζίστορ τύπου NPN και άλλες για τα τρανζίστορ τύπου PNP. Στη φωτογραφία του Σχ. 5.2 φαίνεται το τρανζιστορόµετρο. Ένας πρώτος έλεγχος του τρανζίστορ για τη διαπίστωση της καλής λειτουργίας του γίνεται µε τη µέτρηση του β. Η µέτρηση αυτή πρέπει να αποδώσει ένα β µέσα στην περιοχή τιµών που προβλέπονται από τα φύλλα δεδοµένων για το συγκεκριµένο τρανζίστορ. Σχ. 5.2 Το τρανζιστορόµετρο του ψηφιακού πολυµέτρου για τη µέτρηση του β (hFE). 5.1.3 DC Πόλωση του τρανζίστορ Με τον όρο dc πόλωση του τρανζίστορ εννοούµε την εφαρµογή εξωτερικών συνεχών τάσεων (dc), που είναι κατάλληλες για να προκαλέσουν ένα επιθυµητό ρεύµα συλλέκτη. 38 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Η πόλωση του τρανζίστορ γίνεται εφαρµόζοντας εξωτερική τάση πόλωσης Vcc και µε τη σύνδεση κατάλληλων αντιστάσεων στη βάση και στον συλλέκτη. Σ’ αυτήν και στην επόµενη άσκηση θα εξετάσουµε τους δύο βασικούς τρόπους πόλωσης, που είναι η άµεση πόλωση (αυτοπόλωση του τρανζίστορ) και η πόλωση µε διαιρέτη τάσης. Η γενική ιδέα στα κυκλώµατα πόλωσης είναι να πολώνεται ορθά η επαφή βάσης-εκποµπού, ενώ η επαφή συλλέκτη-βάσης να πολώνεται ανάστροφα, για λειτουργία του τρανζίστορ στην ενεργό περιοχή. Όταν µελετάµε την dc πόλωση του τρανζίστορ θεωρούµε ότι δεν εφαρµόζεται κανένα εναλλασσόµενο (ac) σήµα στην είσοδο. 5.1.3.1 Άµεση πόλωση (αυτοπόλωση) Στο κύκλωµα του σχήµατος 5.3 (α) η αντίσταση RΒ πολώνει ορθά την επαφή βάσηςεκποµπού και ελέγχει το ρεύµα της βάσης, που δίνεται από τον τύπο: IB = VCC − VBE VCC − 0.7 . = RB RB (5.1) Σχ. 5.3 Κύκλωµα άµεσης πόλωσης (α) και dc γραµµή φορτίου (β) Όπως είναι προφανές, όταν η επαφή βάσης-εκποµπού πολώνεται ορθά, η τάση VBE θα έχει µια τιµή περίπου 0.7V. Το ρεύµα ΙΒ προκαλεί µε τη σειρά του ένα ρεύµα στον συλλέκτη. Στην ενεργό περιοχή το ρεύµα ΙC και το ρεύµα IB συνδέονται µεταξύ τους µε τη σχέση: I C ≈ βI B (5.2) Το ρεύµα του συλλέκτη προκαλεί µια πτώση τάσης στην αντίσταση συλλέκτη RC, η οποία σύµφωνα µε τον νόµο του Ohm ισούται µε ICRC. Έτσι, από τον δεύτερο κανόνα του Kirchoff προκύπτει ότι η τάση συλλέκτη-εκποµπού είναι: VCE = VCC − I C RC . (5.3) Για ένα συγκεκριµένο κύκλωµα πόλωσης οι τιµές VCC και RC είναι σταθερές. Η εξίσωση (5.3) είναι µια γραµµική εξίσωση µε δύο µεταβλητές (VCE, IC). Η εξίσωση αυτή 39 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου παριστάνει µια ευθεία γραµµή στο επίπεδο VCE-IC, όπως φαίνεται στο σχ. 5.3 (β), η οποία ονοµάζεται dc γραµµή φορτίου. Κάθε σηµείο της γραµµής φορτίου αντιστοιχεί σε ένα ζεύγος (VCE, IC). Τα ζεύγη αυτά παριστάνουν όλα τα σηµεία όπου µπορεί να λειτουργεί ένα τρανζίστορ στο συνεχές (dc), εφόσον τα στοιχεία πόλωσης VCC, RC και RB δεν αλλάζουν. Κάθε φορά που βάζουµε στο κύκλωµα ένα νέο τρανζίστορ, µε λίγο διαφορετικά χαρακτηριστικά, το σηµείο λειτουργίας θα αλλάζει, αλλά θα βρίσκεται πάντα πάνω στην ίδια γραµµή φορτίου. Η dc γραµµή φορτίου ορίζεται από δύο σηµεία τοµής: Το πρώτο σηµείο είναι η τοµή µε τον κατακόρυφο άξονα των ρευµάτων, όπου το ρεύµα λαµβάνει τη µέγιστη τιµή VCC/RC. To άλλο σηµείο είναι η τοµή µε τον οριζόντιο άξονα των τάσεων, όπου VCE=VCC. 5.1.3.2 Κόρος και αποκοπή Τα δύο ακραία σηµεία της ευθείας φορτίου παριστάνουν τις δύο ακραίες καταστάσεις λειτουργίας του τρανζίστορ, τον κόρο και την αποκοπή. Tο σηµείο όπου η dc γραµµή φορτίου τέµνει την χαρακτηριστική IB=0 είναι γνωστό µε τον όρο «σηµείο αποκοπής» (σχ. 5.3 β). Στο σηµείο αυτό το ρεύµα βάσης είναι µηδέν και το ρεύµα του συλλέκτη είναι εξαιρετικά µικρό. Στην αποκοπή, η επαφή του εκποµπού παύει να είναι ορθά πολωµένη και κατά συνέπεια παύει και η κανονική λειτουργία του τρανζίστορ. Με τον όρο «κόρος» χαρακτηρίζεται το σηµείο τοµής µε τη χαρακτηριστική καµπύλη, στο επάνω άκρο της dc γραµµής φορτίου. Σ’ αυτό το σηµείο η επαφή του συλλέκτη τείνει να µην είναι πλέον πολωµένη ανάστροφα, οπότε το ρεύµα του συλλέκτη γίνεται µέγιστο. Το ρεύµα αυτό ονοµάζεται ρεύµα κόρου IC(sat) και ισχύει I c( sat ) ≈ VCC . RC (5.4) 5.1.3.3 Ενεργός περιοχή και σηµείο ηρεµίας του τρανζίστορ Όλα τα σηµεία της dc γραµµής φορτίου ανάµεσα στην αποκοπή και στον κόρο αποτελούν την ενεργό περιοχή. Στην ενεργό περιοχή η επαφή βάσης-εκποµπού είναι πολωµένη ορθά και η επαφή του συλλέκτη ανάστροφα. Συνήθως ένας σχεδιαστής επιλέγει τα στοιχεία του κυκλώµατος έτσι ώστε να έχει το σηµείο λειτουργίας Q του τρανζίστορ κοντά στο µέσο της γραµµής φορτίου. Το σηµείο λειτουργίας Q δίνεται από τις συντεταγµένες VCEQ και ICQ, που αντιστοιχούν στην τάση συλλέκτη-εκποµπού και στο ρεύµα του συλλέκτη, όταν δεν υπάρχει ac σήµα στην είσοδο. Γι’ αυτό το σηµείο Q λέγεται και σηµείο ηρεµίας του τρανζίστορ. 5.1.4 Το τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη Το τρανζίστορ χρησιµοποιείται κυρίως στη γραµµική του περιοχή (ενεργό περιοχή), που είναι και η χρήσιµη όταν λειτουργεί σε κυκλώµατα ενισχυτών. Όµως σε ορισµένες εφαρµογές εκµεταλλευόµαστε την περιοχή κόρου και την περιοχή αποκοπής. Έτσι, το τρανζίστορ λειτουργεί ως ηλεκτρονικός διακόπτης, που βρίσκεται σε κατάσταση ON όταν το τρανζίστορ λειτουργεί στον κόρο και στην κατάσταση OFF όταν το τρανζίστορ είναι 40 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις στην αποκοπή. Όπως αναφέρθηκε, αυτές οι δύο καταστάσεις αντιστοιχούν σε λειτουργία στα άκρα της γραµµής φορτίου. Η εναλλαγή ανάµεσα στις δύο καταστάσεις γίνεται µε το ρεύµα της βάσης. Όταν η βάση διαρρέεται από ρεύµα πάνω από µια ορισµένη κρίσιµη τιµή, τότε το τρανζίστορ οδηγείται στον κόρο (ΟΝ). Όταν η βάση δεν διαρρέεται από ρεύµα, τότε το τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή (OFF). Ας σηµειωθεί ότι λόγω της ενισχυτικής του ικανότητας σε ρεύµα το τρανζίστορ µπορεί να οδηγηθεί στον κόρο ακόµη και µε µικρό ρεύµα στη βάση του. Στο σχήµα 5.4 (α) φαίνεται ένα απλό κύκλωµα όπου το τρανζίστορ χρησιµοποιείται ως διακόπτης για το ρεύµα του φορτίου RC. Στο σχήµα 5.4 (β) φαίνεται η ευθεία φορτίου, καθώς και οι περιοχές κόρου και αποκοπής. Στο ίδιο σχήµα εµφανίζονται οι χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ, τις οποίες τέµνει η γραµµή φορτίου. Κάθε ρεύµα βάσης µεγαλύτερο από το ΙBmin οδηγεί το τρανζίστορ στον κόρο. Το ελάχιστο ρεύµα βάσης που απαιτείται για να έρθει το τρανζίστορ στον κόρο υπολογίζεται από τον δεύτερο κανόνα του Kirchoff για τον βρόγχο εξόδου του κυκλώµατος του σχήµατος 5.4 (α): I B min = 1 β I C ( sat ) = VCC − VCE ( sat ) (5.4) βRC Η τάση VCC στα άκρα του τρανζίστορ, όταν αυτό λειτουργεί στον κόρο, είναι περίπου VCE(sat)=0.2V (για τρανζίστορ πυριτίου). VCC Switch Rc 2N2219 Rb NPN Σχ. 5.4 Κύκλωµα του τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη (α). Ευθεία φορτίου και χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ, όπου φαίνονται τα σηµεία κόρου και αποκοπής Το τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη βρίσκει εφαρµογές σε κυκλώµατα αυτοµατισµών, δειγµατοληψίας και κυρίως στα ψηφιακά κυκλώµατα όπου απαιτούνται µόνο δύο καταστάσεις λειτουργίας. 41 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 5.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ: Τρανζίστορ 2N2222 (2+2), ψηφιακό πολύµετρο, τροφοδοτικό 0-40V DC, αντιστάσεις, LED. 5.2.1 Αναγνώριση του τρανζίστορ και µέτρηση του β 1. Συγκρίνετε τα τρανζίστορ που σας δόθηκαν από τον διδάσκοντα, µε τα τρανζίστορ του σχήµατος 5.1 και αναγνωρίστε τους ακροδέκτες. 2. Χρησιµοποιήστε το τρανζιστορόµετρο του ψηφιακού πολυµέτρου προκειµένου να µετρήσετε το β των τρανζίστορ. Συµπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: 3. Πίνακας 5.1: Μέτρηση του β TR 2N2219 (1) TR 2N2219 (2) 5.2.2 Άµεση πόλωση της βάσης. Τάσεις και ρεύµατα στο τρανζίστορ 1. Να υλοποιήσετε στο ράστερ το κύκλωµα του παρακάτω σχήµατος 5.5. Να χρησιµοποιήσετε ένα τρανζίστορ BC546, του οποίου το β έχετε µετρήσει παραπάνω. VCC=15V Rb=470K Rc=1K BC546 NPN Σχ. 5.5 Κύκλωµα άµεσης πόλωσης, µε το τρανζίστορ BC546 και τάση τροφοδοσίας 15V. 2. Με τη βοήθεια των σχέσεων (5.1), (5.2), (5.3) να υπολογίσετε θεωρητικά τις τιµές των µεγεθών που φαίνονται στην πρώτη στήλη του πίνακα (5.2). Στη συνέχεια να χρησιµοποιήσετε το πολύµετρο, ώστε να µετρήσετε τα µεγέθη της δεξιάς στήλης του πίνακα. 42 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Πίνακας 5.2 Θεωρητικοί υπολογισµοί τάσεων-ρευµάτων και µετρήσεις ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ β= V BE = V − V BE I B = CC = RB V BE = I C = βI B = IC = VCE = VCC − I C RC = VCE = IB = 3. Να χαράξετε την dc ευθεία φορτίου για τα κύκλωµα πόλωσης που υλοποιήσατε παραπάνω, υπολογίζοντας τα ακραία σηµεία της γραµµής στους άξονες. Να τοποθετήσετε πάνω στη γραµµή το σηµείο λειτουργίας Q (VCEQ, ICQ), µε βάση τις µετρήσεις του πίνακα 5.2. 4. Στο σηµείο αυτό θα αλλάξετε λίγο το κύκλωµα πόλωσης, µεταβάλλοντας την αντίσταση RB, ώστε να φέρετε το σηµείο ηρεµίας όσο πιο κοντά γίνεται στο µέσο της γραµµής φορτίου. Πρώτα, θα υπολογίσετε την αντίσταση RB, ώστε το σηµείο λειτουργίας του τρανζίστορ µε το οποίο εργάζεστε να αντιστοιχεί στη µέση της ευθείας φορτίου. Για τον σκοπό αυτό χρησιµοποιήστε το διάγραµµα της γραµµής φορτίου που χαράξατε προηγουµένως και βρείτε το ρεύµα IC(new) που αντιστοιχεί σε τάση VCC/2. Σηµειώστε την τιµή που βρήκατε: Ρεύµα ΙC(new) =………………… 5. (για τάση στον οριζόντιο άξονα VCE=VCC/2) Στη συνέχεια, επιλύστε την εξίσωση (5.1) ως προς RB: IB = I C ( new ) β = VCC − 0.7 RB ή RB = ( VCC − 0.7 )β I C ( new ) RB =…………………………. 6. Χρησιµοποιήστε µια µεταβλητή αντίσταση ή ένα συνδυασµό αντιστάσεων, ώστε να έχετε µια αντίσταση όσο γίνεται πιο κοντά στην τιµή που υπολογίσατε παραπάνω και τοποθετήστε την στη θέση της RB. Στη συνέχεια µετρήστε µε το πολύµετρο τις τιµές VCE στα άκρα C, E του τρανζίστορ και το ρεύµα του συλλέκτη IC. Τοποθετήστε το νέο σηµείο ηρεµίας πάνω στη γραµµή φορτίου. 7. Πόσο κοντά στη µέση της γραµµής φορτίου βρίσκεται το νέο σηµείο ηρεµίας; Που οφείλονται οι αποκλίσεις; 8. Τι θα γίνει κατά τη γνώµη σας αν στο κύκλωµα πόλωσης που υλοποιήσατε αλλάξετε το τρανζίστορ; ∆ικαιολογήστε την απάντησή σας. 43 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 5.2.2 Το τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη 1. Στην άσκηση αυτή θα υλοποιήσουµε ένα κύκλωµα µε τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη, το οποίο θα οδηγεί ένα φορτίο, µε το ρεύµα του συλλέκτη. Το φορτίο είναι µία δίοδος LED. Όπως γνωρίζουµε, σε λειτουργία διακόπτη το τρανζίστορ λειτουργεί σε δύο καταστάσεις, στον κόρο και στην αποκοπή. Όταν ο διακόπτης στη βάση είναι κλειστός, το τρανζίστορ θα πρέπει να διαρρέεται από το ρεύµα κόρου IC(sat). Αντίθετα, όταν ο διακόπτης είναι ανοιχτός, το ρεύµα της βάσης είναι µηδέν και το τρανζίστορ βρίσκεται στην αποκοπή. Στην περίπτωση αυτή το ρεύµα µέσω του φορτίου είναι αµελητέο. 2. Για να έχουµε κανονική λειτουργία της LED, αυτή πρέπει να διαρρέεται από ένα ρεύµα περίπου 10mA. Άρα ορίζουµε ότι το ρεύµα κόρου του τρανζίστορ πρέπει να είναι IC(sat)=10mΑ. Η πτώση τάσης που κρατάει η LED όταν λειτουργεί κανονικά είναι VLED=1.8V. Στοιχεία καλής λειτουργίας του φορτίου VLED 1.8V IC(sat) 10mA VCC=10V Rc Switch LED 2N2219 NPN Rb Σχ. 5.6 Κύκλωµα του τρανζίστορ σε λειτουργία διακόπτη για την οδήγηση διόδου LED 3. Θα υλοποιήσουµε το κύκλωµα του σχ. 5.6. Ας προσέξουµε ότι στο πείραµα αυτό χρησιµοποιούµε το τρανζίστορ 2N2219, οπότε θα πρέπει στους υπολογισµούς να χρησιµοποιήσουµε το β που υπολογίσαµε στην παράγραφο 5.2.1 γι’ αυτό το τρανζίστορ. Θα πρέπει όµως πρώτα να υπολογίσουµε τις αντιστάσεις RB και RC ώστε να έχουµε το ρεύµα κόρου που επιθυµούµε: I B(min) = 1 β I C ( sat ) = ... 44 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις RB = RC = VCC − VBE VCC − 0.7 = = ... I B(min) I B(min) VCC − V LED − VCE ( sat ) I C ( sat ) = VCC − 1.8V − 0.2V = ... I C ( sat ) Θυµίζουµε ότι η τάση VCE στον κόρο είναι VCE(sat)=0.2V. 4. Με βάση τις παραπάνω τιµές υλοποιήστε το κύκλωµα του σχήµατος 5.6. Προσέξτε να συνδέσετε σωστά την άνοδο και την κάθοδο της διόδου LED. Ανοιγοκλείνοντας τον διακόπτη προσέξτε πως οδηγείται το φορτίο σε καταστάσεις ΟΝ και OFF. 5. Μετρήστε τα ρεύµατα ΙΒ και ΙC: I B = .... I C = .... 6. Συγκρίνετε τα ρεύµατα µε τις θεωρητικές τιµές τους. Σχολιάστε το αποτέλεσµα. ………………………………………………………………………………………………….. 7. Συγκρίνετε το ρεύµα της βάσης µε το ρεύµα του συλλέκτη Προσέξτε ότι µε µικρό ρεύµα βάσης οδηγούµε ένα φορτίο που διαρρέεται από ένα µεγάλο ρεύµα συλλέκτη. Πως µπορούµε να αξιοποιήσουµε αυτήν την παρατήρηση πρακτικά; ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΡΟΣ ΠΑΡΑ∆ΟΣΗ: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά που θα περιλαµβάνει α) Σύντοµο θεωρητικό µέρος β) τα σχέδια των κυκλωµάτων που υλοποιήσατε, τις µετρήσεις που κάνατε και τα διαγράµµατα γ) τις δικαιολογηµένες απαντήσεις στα ερωτήµατα της άσκησης. 45 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 46 ΑΣΚΗΣΗ 6 ΠΟΛΩΣΗ ΤΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΜΕ ∆ΙΑΙΡΕΤΗ ΤΑΣΗΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ Σκοπός της άσκησης. Μελέτη της πόλωσης του τρανζίστορ µε διαιρέτη τάσης. Τοποθέτηση του σηµείου λειτουργίας στο µέσο της dc γραµµής φορτίου. Εισαγωγική µελέτη του ενισχυτή κοινού εκποµπού. Προαπαιτούµενες γνώσεις: DC πόλωση και λειτουργία του τρανζίστορ, πόλωση µε διαιρέτη τάσης. Ανάλυση του ενισχυτή κοινού εκποµπού. Ενδεικτικό πρόγραµµα µελέτης: Μελέτη της παραγράφου 5-6 και του κεφαλαίου 6 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο (Βασική Ηλεκτρονική, Malvino). Μελέτη των σελίδων 56-67 των διδακτικών σηµειώσεων. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία: Εκτέλεση της άσκησης 6 του Β΄ µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων και παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 6.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 6.1.1 Πόλωση µε διαιρέτη τάσης 6.1.1.1 Εισαγωγικές σχέσεις Τα κυκλώµατα µε τρανζίστορ που λειτουργούν στην ενεργό περιοχή ονοµάζονται γραµµικά. Στα γραµµικά κυκλώµατα το τρανζίστορ δεν οδηγείται ποτέ στον κόρο ή στην αποκοπή. Στην πόλωση των γραµµικών κυκλωµάτων µε τρανζίστορ χρησιµοποιείται κυρίως η πόλωση µε διαιρέτη τάσης (σχ. 6.1), διότι διατηρεί το σηµείο λειτουργίας Q στο µέσο της dc γραµµής φορτίου, ανεξάρτητα από τις µεταβολές του β. Η dc γραµµή φορτίου για το κύκλωµα πόλωσης µε διαιρέτη τάσης φαίνεται στο σχήµα 6.1 (β). Ακόµη και σε τρανζίστορ του ίδιου τύπου, το β µεταβάλλεται εξαιτίας διαφόρων παραγόντων, όπως η θερµοκρασία και ο τρόπος κατασκευής, µε αποτέλεσµα να παίρνει τιµές από 50 έως 350. Η πόλωση µε διαιρέτη τάσης δηµιουργεί την κατάλληλη τάση στα άκρα της R2, η οποία πολώνει ορθά την επαφή του εκποµπού, και προκαλεί ένα ρεύµα στον συλλέκτη σχεδόν ανεξάρτητο του β. Η σταθερότητα του σηµείου λειτουργίας που εξασφαλίζεται µ’ αυτόν τον τρόπο πόλωσης αποτελεί και τη βασική διαφορά από την αυτοπόλωση. Σχήµα 6.1 Κύκλωµα πόλωσης µε διαιρέτη τάσης (α) και dc γραµµή φορτίου (β) 47 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Αναφερόµενοι στο σχήµα 6.1 (α) κάνουµε τις εξής παρατηρήσεις. Το ρεύµα της βάσης ΙΒ είναι πολύ µικρό. Μπορούµε να το θεωρούµε τουλάχιστο 10 φορές µικρότερο από το ρεύµα που διαρρέει τις αντιστάσεις R1 και R2. Άρα, θεωρούµε τον κλάδο των R1R2 ως έναν ανεξάρτητο διαιρέτη τάσης, αγνοώντας τη µικρή διαρροή προς τη βάση. Τότε, η τάση στα άκρα της R2 µπορεί να γραφεί V2 = VCC R2 R1 + R2 (6.1) Για το dc ρεύµα του εκποµπού ισχύει IE = V E V2 − V BE = RE RE (6.2) Επειδή ισχύει ότι IC ≈ I E , (6.3) ο υπολογισµός του ρεύµατος του εκποµπού δίνει κατά προσέγγιση το ρεύµα του συλλέκτη. 6.1.1.2 Τοποθέτηση του σηµείου Q στο µέσο της dc γραµµής φορτίου Για την τοποθέτηση του σηµείου ηρεµίας στο µέσο της dc γραµµής φορτίου ακολουθούµε την παρακάτω διαδικασία: 1. Επιλέγουµε το dc ρεύµα ICQ του συλλέκτη. Τυπική τιµή για τους ενισχυτές µικρών σηµάτων είναι ICQ=2.5mA. Μετράµε το β του τρανζίστορ και επιλέγουµε την τάση τροφοδοσίας VCC. 2. Επιλέγουµε την τάση VE περίπου ίση µε το ένα δέκατο της τάσης τροφοδοσίας VCC (VE=0.1VCC). 3. Υπολογίζουµε την RE: V RE = E I CQ 4. Επιλέγουµε την αντίσταση RC ίση µε 4RΕ. 5. Προσθέτουµε 0.7V στο δυναµικό του εκποµπού VE για να βρούµε την τάση V2. 6. Υπολογίζουµε το ρεύµα της βάσης IB από τη σχέση I CQ IB = . β 7. Θεωρώντας ότι το ρεύµα στον κλάδο R1-R2 είναι 10ΙΒ, υπολογίζουµε τις αντιστάσεις R1, R2 από τις σχέσεις VCC V V + 0.7V . = 10I B και R2 = 2 = E R1 + R2 10I B 10I B 48 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 6.1.2 Ενισχυτής κοινού εκποµπού Το κύκλωµα πόλωσης που χρησιµοποιήσαµε παραπάνω χρησιµοποιείται συχνά στον ενισχυτή κοινού εκποµπού. Το κύκλωµα του ενισχυτή κοινού εκποµπού µε πόλωση µε διαιρέτη τάσης φαίνεται στο σχήµα 6.2. Έστω ότι στην είσοδο του κυκλώµατος του σχήµατος 6.2 εφαρµόζουµε µια µικρή εναλλασσόµενη τάση. Όπως φαίνεται στο σχήµα 6.3 (α) µια µικρή µεταβολή της τάσης εισόδου vbe προκαλεί µια µεγάλη µεταβολή του ρεύµατος βάσης ib. Κατά συνέπεια, αυτό προκαλεί µια µεγάλη µεταβολή του ρεύµατος του συλλέκτη ic. Η µεταβολή του ic µεταβάλλει τη θέση του σηµείου λειτουργίας Q πάνω στην ευθεία φορτίου και προκαλεί µια µεταβαλλόµενη τάση εξόδου vce, προφανώς µεγαλύτερη από την ac τάση στην είσοδο (σχήµα 6.3 (β)). Σχήµα 6.2 Ενισχυτής κοινού εκποµπού µε πόλωση µε διαιρέτη τάσης Στα παρακάτω θα δώσουµε τις βασικές σχέσεις για τις επιδόσεις του ενισχυτή αυτού, που προκύπτουν από την ac ανάλυση του κυκλώµατος. Η αντίσταση που βλέπει ένα ac σήµα όταν εφαρµόζεται στη βάση ενός τρανζίστορ µε γειωµένο τον εκποµπό, λέγεται σύνθετη αντίσταση εισόδου της βάσης και δίνεται από τη σχέση: z in ( base ) = βre , (6.4) Όπου re η ac αντίσταση της επαφής του εκποµπού, που ως γνωστό ισούται µε re = 25mV IE (6.5) H σύνθετη αντίσταση εισόδου του ενισχυτή δίνεται από τον παράλληλο συνδυασµό z in = R1 R2 βre , (6.6) Αφού η R1 στο εναλλασσόµενο θεωρείται γειωµένη µέσω της dc πηγής. 49 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχήµα 6.3 Μια µικρή µεταβολή της τάσης εισόδου προκαλεί µεγάλη µεταβολή του ρεύµατος της βάσης. Αυτή µε τη σειρά της προκαλεί ανάλογη µεγάλη µεταβολή του ρεύµατος του συλλέκτη, µε αποτέλεσµα τη µεγάλη µεταβολή της τάσης εξόδου vCE. Κέρδος τάσης Α του ενισχυτή λέγεται ο λόγος της ac τάσης εξόδου προς την ac τάση εισόδου. Ισχύει: A= Vout rL , = Vin re (6.7) Όπου rL η σύνθετη αντίσταση φορτίου, που δίνεται από τη σχέση: rL = RL RC . (6.8) Σηµειώνουµε ότι όπως φαίνεται από τη σχέση (6.7) η ενίσχυση τάσης Α ενός ενισχυτή κοινού εκποµπού εξαρτάται από το φορτίο και µάλιστα αυξάνει γραµµικά αυξανοµένης της αντίστασης φορτίου rL. 50 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 6.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ: Τρανζίστορ BC546, ψηφιακό πολύµετρο, τροφοδοτικό 0-40V DC, αντιστάσεις. 6.2.1 Πόλωση µε διαιρέτη τάσης Θα χρησιµοποιήσουµε ένα NPN τρανζίστορ 2N2222 για να υλοποιήσουµε το παρακάτω κύκλωµα πόλωσης µε διαιρέτη τάσης. Ακολουθήστε τα εξής βήµατα: 1. Μετρήστε το β του τρανζίστορ, χρησιµοποιώντας το τρανζιστορόµετρο του ψηφιακού πολυµέτρου. β =………………. 2. ∆ίνεται η τάση τροφοδοσίας VCC=12V. 3. Να κατασκευάσετε στο ράστερ το παρακάτω κύκλωµα. Επιλέξτε τιµές αντιστάσεων του εµπορίου τις πλησιέστερες σ’ αυτές που σας δίνονται. Καταχωρήστε τις τιµές που χρησιµοποιήσατε στην αντίστοιχη στήλη του πίνακα 6.1. Σχήµα 6.4 Το κύκλωµα που θα υλοποιήσετε στο ράστερ Πίνακας 6.1 Θεωρητικές τιµές αντιστάσεων πόλωσης β= R1 = R2 = RC = RE = Τιµές αντιστάσεων του εµπορίου 100KΩ 10+10=20ΚΩ 2.2ΚΩ 470Ω Σχήµα 6.4 Το κύκλωµα που θα υλοποιήσετε στο ράστερ 51 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 4. Να συµπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα. Στην αριστερή στήλη θα βάλετε τις τιµές των µεγεθών όπως αυτές υπολογίζονται θεωρητικά. Στην δεξιά στήλη θα βάλετε τις τιµές που µετράτε µε το πολύµετρο. Πίνακας 6.2 Υπολογισµοί ΙCQ = 2.5mA ΙΒ = ICQ /β= VE = VC = VCE = Μετρήσεις ICQ = ΙΒ = VE = VC = VCEQ = 5. Να σχεδιάσετε την dc γραµµή φορτίου και να τοποθετήσετε στο διάγραµµα το σηµείο λειτουργίας 6.2.2 Ενισχυτής κοινού εκποµπού Στο κύκλωµα πόλωσης που κατασκευάσατε στην προηγούµενη παράγραφο να τοποθετήσετε πυκνωτές C1=C2=4.7µF, C3=47µF, όπως φαίνεται στο παρακάτω κύκλωµα. Η αντίσταση φορτίου RL πρέπει να είναι αρχικά 10ΚΩ. Η τάση τροφοδοσίας θα είναι 12V. Σχ. 6.5 Κύκλωµα ενισχυτή κοινού εκποµπού µε διαιρέτη τάσης 1. Υπολογίστε θεωρητικά την απολαβή τάσης A από τη σχέση (6.7). 2. Συνδέστε στην είσοδο γεννήτρια ηµιτονικού σήµατος και ρυθµίστε την στο 1ΚΗz. Μετρήστε την κυµατοµορφή εισόδου στον παλµογράφο και βεβαιωθείτε ότι το πλάτος της κυµατοµορφής είναι 100mV. Στη συνέχεια µετρήστε την κυµατοµορφή εξόδου στον παλµογράφο και βρείτε την απολαβή της ενισχυτικής βαθµίδας. Συµπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: 52 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Θεωρητική Απολαβή Πειραµατική Απολαβή Α= Α= 3. Να τοποθετήσετε στη θέση της αντίστασης φορτίου RL τις παρακάτω αντιστάσεις: 1ΚΩ,10ΚΩ, 100ΚΩ. Για κάθε τιµή της αντίστασης φορτίου να µετρήσετε την απολαβή Α. Εργασία για το σπίτι 1. Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε όλα τα κυκλώµατα, τους υπολογισµούς, τις µετρήσεις και τα διαγράµµατα που µετρήσατε στο εργαστήριο. 2. Στο 4ο ερώτηµα της παραγράφου 6.2.2 µετρήσατε την απολαβή Α του ενισχυτή για διάφορες τιµές αντίστασης φορτίου. Να εκφράσετε την απολαβή σε dB από τη γνωστή σχέση Α(dB)=20logA. Στη συνέχεια να χαράξετε την καµπύλη που δείχνει την µεταβολή της απολαβής Α µε την αντίσταση φορτίου RL. Να σχολιάσετε το διάγραµµα. 53 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 54 ΑΣΚΗΣΗ 7 ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ∆ΥΟ ΒΑΘΜΙ∆ΩΝ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΜΕ ΑΝΑ∆ΡΑΣΗ Σκοπός της άσκησης: Η εξοικείωση των σπουδαστών µε τη σύνδεση ενισχυτικών βαθµίδων σε καταρράκτη. Εξοικείωση µε την έννοια και τα πλεονεκτήµατα της ανάδρασης σε ενισχυτές. Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των παραγράφων 6.4 (εξουδετέρωση της αντίστασης εκποµπού), 6.5 (Ενισχυτικές βαθµίδες σε σύνδεση καταρράκτη) και 11.2 (ανάδραση δύο βαθµίδων) από το διδακτικό εγχειρίδιο του A. P. Malvino (Βασική Ηλεκτρονική, Εκδόσεις Τζιόλα 2007). Μελέτη των σελίδων 69-76 από τις διδακτικές σηµειώσεις της θεωρίας του µαθήµατος. Μελέτη του θεωρητικού µέρους του εργαστηριακού φύλλου. 7.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 7.1.1 Σύνδεση ενισχυτικών βαθµίδων Η αύξηση της απολαβής ενός ενισχυτή επιτυγχάνεται µε τη σύνδεση ενισχυτικών βαθµίδων µεταξύ τους, σε καταρράκτη. Το σχήµα 7.1 δείχνει δύο βαθµίδες κοινού εκποµπού πολωµένες µε διαιρέτη τάσης σε µια τέτοια συνδεσµολογία. Οι πυκνωτές σύζευξης ανάµεσα στις βαθµίδες επιτρέπουν τη µετάδοση της ac τάσης από τη µια βαθµίδα στην άλλη και εµποδίζουν τη µετάδοση της dc τάσης πόλωσης. Έτσι, αποφεύγεται η αλλαγή του σηµείου ηρεµίας της κάθε βαθµίδας, εξαιτίας των τάσεων πόλωσης των άλλων βαθµίδων. Η συνολική απολαβή ενός ενισχυτή δύο βαθµίδων δίνεται από το γινόµενο των επιµέρους απολαβών: Av=Av1Av2 (7.1) Σχ. 7.1 Ενισχυτής δύο βαθµίδων 55 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Για τον υπολογισµό της απολαβής κάθε βαθµίδας χρησιµοποιούµε τη γνωστή σχέση που ισχύει για τον ενισχυτή κοινού εκποµπού: r Av 1 = L , re όπου rL η αντίσταση του φορτίου στο ac. Στον ενισχυτή δύο βαθµίδων η αντίσταση αυτή είναι ο παράλληλος συνδυασµός της αντίστασης του συλλέκτη RC και της αντίστασης εισόδου της επόµενης βαθµίδας: rL = RC z in (7.2) Η σύνθετη αντίσταση εισόδου zin είναι ο παράλληλος συνδυασµός των αντιστάσεων πόλωσης R1 και R2 και της αντίστασης της βάσης, σύµφωνα µε τη σχέση (6.6): z in = R1 R2 β re (7.3) Η σύνθετη αντίσταση του εκποµπού re δίνεται ως γνωστό από τη σχέση: re = 26mV . IE Συνεπώς το κέρδος τάσης είναι συνάρτηση των αντιστάσεων εισόδου των βαθµίδων. Όσο µικρότερη η αντίσταση εισόδου, τόσο µικρότερο το κέρδος τάσης. 7.1.2 Ανάδραση δύο βαθµίδων Σε ορισµένα κυκλώµατα ένα µέρος του σήµατος εξόδου επιστρέφει και εφαρµόζεται στην είσοδο του κυκλώµατος. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται ανάδραση ή ανασύζευξη και προσδίδει ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στη λειτουργία των κυκλωµάτων. Όταν το σήµα που επιστρέφει αφαιρείται από το αρχικό σήµα εισόδου, τότε το φαινόµενο ονοµάζεται αρνητική ανάδραση. Στην παράγραφο αυτή θα µελετήσουµε την επίδραση της αρνητικής ανάδρασης στα χαρακτηριστικά των ενισχυτών µε τρανζίστορ. Όπως θα δούµε, η αρνητική ανάδραση σταθεροποιεί την απολαβή, αυξάνει το εύρος ζώνης, και µεταβάλλει µε τον επιθυµητό τρόπο τις αντιστάσεις εισόδου και εξόδου. Ένας τρόπος για να έχουµε ανάδραση σε µία ενισχυτική βαθµίδα είναι η χρήση µιας επιπλέον αντίστασης rE στον εκποµπό του τρανζίστορ. Η αντίσταση rE ονοµάζεται αντίσταση εξουδετέρωσης. Στην περίπτωση αυτή επιτυγχάνουµε σταθεροποίηση της απολαβής του ενισχυτή, ώστε αυτή να µην επηρεάζεται από τις µεταβολές της θερµοκρασίας ή την αλλαγή του τρανζίστορ στο κύκλωµα. Η απολαβή τάσης σε βαθµίδα κοινού εκποµπού µε αντίσταση εξουδετέρωσης είναι: A= rL re + rE (7.4) Ένας άλλος τρόπος είναι να έχουµε ανάδραση σε κύκλωµα δύο βαθµίδων, όπως στο κύκλωµα του σχήµατος 7.2. Εδώ, η ανάδραση γίνεται µέσω του διαιρέτη τάσης, που 56 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις σχηµατίζεται από τις αντιστάσεις rF και rE. To σήµα της ανάδρασης εφαρµόζεται στον εκποµπό της πρώτης βαθµίδας. Σχ. 7.2 Ενισχυτής δύο βαθµίδων µε ανάδραση Στα κυκλώµατα µε ανάδραση ορίζουµε ως συντελεστή ανάδρασης τον λόγο βV = Vf (7.5) V0 δηλαδή το ποσοστό της τάσης εξόδου που επιστρέφει στην είσοδο. Στο κύκλωµα του σχήµατος 7.2 η ανάδραση γίνεται µέσω του διαιρέτη τάσης, οπότε ισχύει: Vf = rE rE V0 ή β V = rE + rF rF + rE (7.6) Η ύπαρξη της ανάδρασης τροποποιεί την απολαβή του ενισχυτή. Αν η απολαβή του ενισχυτή χωρίς ανάδραση είναι AV, τότε η απολαβή µε ανάδραση ή αλλιώς η απολαβή κλειστού βρόχου AVf δίνεται από τη σχέση: AVf = AV 1 + βV AV . (7.7) Οι αντιστάσεις εισόδου και εξόδου τροποποιούνται επίσης, εξαιτίας της ανασύζευξης. Η αντίσταση εισόδου του ενισχυτή µε ανάδραση γίνεται: Rif = Ri ( 1 + βV AV ) , (7.8) 57 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου ενώ η αντίσταση εξόδου δίνεται από τη σχέση: R0 f = R0i (7.9) 1 + βV Α V όπου Ri και AV η αντίσταση εισόδου και η απολαβή του ενισχυτή χωρίς ανάδραση και R0i η αντίσταση εξόδου του ενισχυτή χωρίς ανάδραση. 7.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Πηγή Vcc=12V, Τρανζίστορ BC2219, Πυκνωτές σύζευξης στην είσοδο και έξοδο των βαθµίδων C1=C2=C3=4.7µF. Γεννήτρια ηµιτονικού σήµατος πλάτους 100mV και συχνότητας 1ΚΗz. Οι αντιστάσεις θα είναι και στη πρώτη βαθµίδα και στη δεύτερη ίδιες και θα είναι ίδιες µε αυτές που υπολογίσαµε στην εργαστηρική άσκηση 6, ώστε να πολώσουµε τα τρανζίστορ στο µέσον της ευθείας φόρτου. Άρα έχουµε το παρακάτω πίνακα: Αντιστάεις πόλωσης R1 = 100KΩ R2 = 22ΚΩ RC = 2.2ΚΩ RE = 470Ω ( µία αντίσταση) rF= 2.2ΚΩ Σχ. 7.3 Ενισχυτής δύο βαθµίδων µε ανάδραση 58 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Ακολουθείστε τα παρακάτω βήµατα: 1. ∆ιαλέξτε δύο τρανζίστορ BC2219 και µετρήστε το β µε το τρανζιστορόµετρο. TR1 β1= TR2 β2= 2. Να υπολογιστούν οι αντιστάσεις πόλωσης R1, R2, RC, RE, για τις δύο βαθµίδες, για ρεύµατα συλλέκτη ICQ1=ICQ2=2.5 mA. Ακολουθείστε τη διαδικασία που περιγράφεται στην άσκηση 6. (Βάλτε τις τιµές των αντιστάσεων της άσκησης 6) 3. Να υλοποιήσετε µόνον την πρώτη βαθµίδα του ενισχυτή. 4. Βεβαιωθείτε ότι η πρώτη βαθµίδα λειτουργεί κανονικά, δίνοντας είσοδο (1KHz) µε τη γεννήτρια ηµιτονικού σήµατος και µετρώντας την έξοδο. Πρέπει να παρατηρείτε µια ενίσχυση περίπου 4-5. 5. Στην συνέχεια κατασκευάστε και τη δεύτερη βαθµίδα. Χρησιµοποιήστε τις τιµές των αντιστάσεων που υπολογίσατε στο βήµα 2. Συνδέστε τις δύο βαθµίδες µεταξύ τους, µε τον πυκνωτή C2. Να µην συνδέσετε ακόµη την αντίσταση ανάδρασης rF. 6. Εφαρµόστε είσοδο 1KHz στην πρώτη βαθµίδα και µετρήστε την έξοδο της πρώτης βαθµίδας στο σηµείο Α. Πόση είναι η απολαβή Av1 της πρώτης βαθµίδας; 7. Με την ίδια τάση εισόδου στην πρώτη βαθµίδα µετρήστε την έξοδο της δεύτερης βαθµίδας. Πόση είναι η απολαβή AV2 της δεύτερης βαθµίδας; Πόση είναι η συνολική απολαβή Α των δύο βαθµίδων, χωρίς ανάδραση; 6. Εξετάστε αν ισχύει η σχέση A=Av1Av2. 7. Στη συνέχεια συνδέστε την αντίσταση ανάδρασης rF. Χρησιµοποιήστε τιµή rF=220Ω. 8. Μετρήστε τώρα την απολαβή του ενισχυτή µε ανάδραση. Πως µεταβάλλεται η απολαβή, σε σχέση µε την απολαβή που µετρήσατε στο βήµα 6; Πως εξηγείται αυτή η µεταβολή; 9. Να υπολογίσετε τον συντελεστή ανατροφοδότησης βV. Να εξετάσετε αν ισχύει η σχέση (7.7) Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη γραπτή εργασία µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε όλους τους υπολογισµούς και τις µετρήσεις που ζητάει η άσκηση. 59 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 60 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟΝ ΤΕΛΕΣΤΙΚΟ ΕΝΙΣΧΥΤΗ (Τ.Ε.) ΜΗ ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Σκοπός της άσκησης: Εξοικείωση µε τα βασικά χαρακτηριστικά και τη συνδεσµολογία του τελεστικού ενισχυτή. Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των σελίδων 84-90 των σηµειώσεων της θεωρίας. Μελέτη της παραγράφου 16.1 του διδακτικού εγχειριδίου (Βασική Ηλεκτρονική, A.P. Malvino, εκδόσεις Τζιόλα, 2007). 8.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 8.1.1 Ο διαφορικός ενισχυτής Πολλές φορές ένας ενισχυτής σχεδιάζεται ώστε να αποκρίνεται στη διαφορά µεταξύ δύο σηµάτων εισόδου. Ένας τέτοιος ενισχυτής ονοµάζεται ενισχυτής διαφοράς ή διαφορικός ενισχυτής και αποτελεί τυπική βαθµίδα σε όλα σχεδόν τα συστήµατα µετρήσεων. Έχει δύο εισόδους και συνήθως χρειάζεται δύο τάσεις τροφοδοσίας, αντίθετης πολικότητας (Vcc και -VEE). Ο διαφορικός ενισχυτής αποτελεί την πρώτη βαθµίδα στους τελεστικούς ενισχυτές και σε όλους τους ενισχυτές µετρήσεων (οργανολογικούς ενισχυτές). Έχει τη δυνατότητα να ενισχύει µικρά dc σήµατα, όπως αυτά που βγάζουν πολλά αισθητήρια, π.χ. τα θερµοζεύγη. Επιπλέον, δίνει υψηλό διαφορικό κέρδος, έχει µεγάλο λόγο απόρριψης κοινού σήµατος και παρουσιάζει µεγάλη αντίσταση εισόδου. Έτσι, είναι ιδανικός για προσαρµογή ανάµεσα σε βαθµίδες. Είναι βαθµίδα dc σύζευξης και έτσι είναι κατάλληλος για ολοκληρωµένα κυκλώµατα. +Vcc Rc1 Rc2 Vo A B Q1 Q2 POT V1 V2 Io -VEE Σχ. 8.1 Συµµετρικός ∆ιαφορικός Ενισχυτής 61 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Ο διαφορικός ενισχυτής δέχεται δύο εισόδους V1 και V2 και ενισχύει τη διαφορά τους V1-V2. Ένας τυπικός διαφορικός ενισχυτής µε τρανζίστορ φαίνεται στο παρακάτω σχήµα 8.1. Πρόκειται για έναν συµµετρικό ενισχυτή µε δύο όµοια τρανζίστορ, που έχουν περίπου το ίδιο β και κοινή θερµοκρασιακή συµπεριφορά. Οι αντιστάσεις στους συλλέκτες έχουν την ίδια ονοµαστική τιµή, ενώ οι εκποµποί είναι ενωµένοι. Ας υποθέσουµε τώρα, ότι στο κύκλωµα του σχήµατος δίνουµε είσοδο V1, ενώ θέτουµε τη δεύτερη είσοδο V2=0 V. Η είσοδος αυτή δηµιουργεί ένα ρεύµα iC1 στον πρώτο ενισχυτή κοινού εκποµπού και ένα ίσο και αντίθετο ρεύµα iC2 στον δεύτερο ενισχυτή κοινού εκποµπού. Αν αυξήσουµε τη V1 αυξάνει το iC1, άρα αυξάνει η πτώση τάσης στην RC1 και κατά συνέπεια µειώνεται το δυναµικό στο σηµείο Α. Αντίθετα, το iC2 µειώνεται, µε αποτέλεσµα να αυξάνεται το δυναµικό στο σηµείο Β, το οποίο είναι και το δυναµικό εξόδου Vo. Άρα, αύξηση της V1 προκαλεί αύξηση της εξόδου, ενώ µείωσή της προκαλεί αντίστοιχα µείωση της εξόδου. Επειδή είσοδος V1 και έξοδος Vo βρίσκονται σε φάση, η είσοδος V1 ονοµάζεται µη αναστρέφουσα είσοδος. Αντίθετα, η αύξηση της εισόδου V2 προκαλεί την µείωση της εξόδου Vo, αφού το ρεύµα iC2 αυξάνεται και κατά συνέπεια η πτώση τάσης στην RC2 αυξάνεται. Η είσοδος V2, ονοµάζεται λοιπόν, αναστρέφουσα είσοδος. Όταν δέχονται σήµα και οι δύο είσοδοι, V1 και V2, τότε προκύπτει ότι η έξοδος θα είναι ανάλογη προς τη διαφορά των δύο εισόδων: V0 = Ad ( V1 − V2 ) . (8.1) Ο παράγοντας Ad = V0 , V1 − V2 (8.2) είναι το διαφορικό κέρδος του ενισχυτή. Αν θέσουµε ίδια σήµατα στις εισόδους V1=V2, τότε θεωρητικά η έξοδος είναι µηδέν. Στην πράξη, εµφανίζεται µία µικρή έξοδος, αφού ο ενισχυτής δεν είναι ιδανικός. Άρα, µπορούµε να ορίσουµε τον λόγο της εξόδου προς την κοινή είσοδο Vi: Acm = V0 . Το πηλίκο αυτό λέγεται «Απολαβή κοινού τύπου» (ή κοινού τρόπου, ή Vi κοινού σήµατος). Ο λόγος αυτός στους διαφορικούς ενισχυτές είναι γενικά µικρός. Ο λόγος της διαφορικής ενίσχυσης Ad προς την ενίσχυση κοινού τύπου ονοµάζεται «Λόγος απόρριψης κοινού σήµατος» (ή κοινού τρόπου – Common Mode Rejection Rate): CMRR = Ad . Acm (8.3) Σε έναν καλό διαφορικό ενισχυτή ο λόγος αυτός είναι πολύ µεγάλος. Όσο µεγαλύτερος είναι ο λόγος απόρριψης κοινού σήµατος, τόσο καλύτερα αποσβένυνται 62 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις στην έξοδο του ενισχυτή σήµατα µε κοινή προέλευση που εµφανίζονται µε ίδιο τρόπο στις εισόδους. Τέτοια σήµατα είναι ο θόρυβος και οι διάφορες παρεµβολές. Η τάση εξόδου του διαφορικού ενισχυτή για µηδενική διαφορική είσοδο µπορεί να µηδενιστεί µε ρυθµίσεις που γίνονται πάνω στα στοιχεία του ενισχυτή. Οι κύριες πηγές σφαλµάτων είναι το ρεύµα µετατόπισης εισόδου Ios και η αντισταθµιστική τάση µετατόπισης εισόδου Vio. 8.1.2 Ο τελεστικός ενισχυτής Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένα ολοκληρωµένο κύκλωµα, το οποίο χρησιµοποιείται πολύ στις εφαρµογές των αναλογικών ηλεκτρονικών και των συστηµάτων µετρήσεων. Η είσοδος του κυκλώµατος είναι διαφορικός ενισχυτής, ενώ κατόπιν ακολουθεί µία ακόµη βαθµίδα διαφορικού ενισχυτή, µε σκοπό να αυξηθεί ο λόγος απόρριψης κοινού σήµατος, καθώς και η διαφορική ενίσχυση. Η βαθµίδα εξόδου είναι ένα κύκλωµα παροχής ρεύµατος και µικρής αντίστασης εξόδου, όπως είναι ο ενισχυτής κοινού συλλέκτη ή το push-pull. Ένα απλοποιηµένο διάγραµµα τελεστικού ενισχυτή φαίνεται στο σχ. 8.2 Στο σχ. 8.3 φαίνονται οι ακροδέκτες του πιο συνηθισµένου ολοκληρωµένου τελεστικού ενισχυτή, του LM741. Στο ίδιο σχήµα φαίνεται το κυκλωµατικό σύµβολο του τελεστικού ενισχυτή. Το κύκλωµα LM741 έχει οκτώ ακροδέκτες: την αναστρέφουσα και µη αναστρέφουσα είσοδο του διαφορικού ενισχυτή εισόδου (ακροδέκτες 2 και 3), την έξοδο (ακροδέκτης 6), την θετική και την αρνητική τροφοδοσία (ακροδέκτες 7 και 4) καθώς και δύο ακροδέκτες που χρησιµοποιούνται για τη µετατόπιση του µηδενός, ώστε να διορθωθούν τα σφάλµατα εξόδου εξαιτίας της µετατόπισης του συνεχούς (ακροδέκτες 8 και 1). Σχ. 8.2 ∆ιάγραµµα βαθµίδων του τελεστικού ενισχυτή 63 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχ. 8.3 ∆ιάγραµµα ακροδεκτών και κυκλωµατικό σύµβολο του Τ.Ε. LM741 Ο Τ.Ε. ο οποίος θα χρησιµοποιηθεί στο εργαστήριο είναι ο LM358, στον οποίο η αρνητική τάση τροφοδοσίας γειώνεται. Ο παραπάνω Τ.Ε. προτιµάται προς το παρόν για τις εργαστηριακές ασκήσεις µας, γιατί έχει τη δυνατότητα να δουλεύει µόνο µε θετική τάση τροφοδοσίας (12 Volts ). Το ολοκληρωµένο κύκλωµα LM358 περιλαµβάνει δύο ΤΕ. Το διάγραµµα ακροδεκτών φαίνεται στο Σχ. 8.4 Σχ. 8.4 ∆ιάγραµµα ακροδεκτών του Τ.Ε. LM358 µε µία τάση τροφοδοσίας (Vcc=+12V) Τα κυκλώµατα στα οποία βρίσκει εφαρµογή ο τελεστικός ενισχυτής είναι πολλά. Ενδεικτικά, αναφέρουµε µερικά κυκλώµατα που µπορούν να πραγµατοποιηθούν µε τελεστικούς ενισχυτές : Ενισχυτές, εξασθενητές, ταλαντωτές, φίλτρα, ισοσταθµιστές (equalizer), συγκριτές τάσης, ψαλιδιστές, κυκλώµατα µίξης ήχου κ.λ.π 64 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Χαρακτηριστικές ιδιότητες του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή. Οι βασικές ιδιότητες ενός ιδανικού τελεστικού ενισχυτή είναι : 1. Απολαβή ανοιχτού βρόχου άπειρη. Αντιστοιχεί στην απολαβή χωρίς ανάδραση. 2. Αντίσταση εισόδου άπειρη. 3. Αντίσταση εξόδου µηδέν. 4. Εύρος ζώνης διέλευσης συχνοτήτων άπειρο. 5. Λόγος CMRR άπειρος. Όπως αναφέραµε στην παράγραφο 8.1 για τον διαφορικό ενισχυτή, λόγος CMRR (Common Mode Rejection Rate) είναι ο λόγος απόρριψης κοινού σήµατος ή κοινού τρόπου και µετράει την ικανότητα ενός τελεστικού ενισχυτή να απορρίπτει ανεπιθύµητα σήµατα τα οποία είναι κοινά και στις δύο εισόδους. Τέτοια σήµατα συνήθως είναι θόρυβος. Στην πράξη, η συµπεριφορά του ΤΕ διαφέρει από την ιδανική. Έτσι, η απολαβή ανοιχτού βρόχου είναι µεγάλη αλλά όχι άπειρη, η αντίσταση εισόδου µεγάλη, η αντίσταση εξόδου µικρή, αλλά όχι µηδέν και το εύρος ζώνης συχνοτήτων χωρίς ανάδραση δεν ξεπερνά τα 10Hz. 8.1.3 Μη αναστρέφων ενισχυτής Όπως γνωρίζουµε, η αρνητική ανάδραση έχει ευεργετικά αποτελέσµατα στα χαρακτηριστικά των ενισχυτών. Στους τελεστικούς ενισχυτές, η λειτουργία τους σε κύκλωµα ανοιχτού βρόχου, χωρίς ανάδραση έχει ως αποτέλεσµα µη σταθερή απολαβή, εξαρτώµενη από τη θερµοκρασία και την τάση τροφοδοσίας και ελάχιστο εύρος ζώνης που δεν ξεπερνά τα 10 Hz. Για τον λόγο αυτό οι τελεστικοί ενισχυτές χρησιµοποιούνται στην πράξη µε βρόχο αρνητικής ανάδρασης, που σταθεροποιεί την απολαβή και αυξάνει το εύρος ζώνης. Ένα τυπικό τέτοιο κύκλωµα είναι ο µη αναστρέφων ενισχυτής. Η είσοδος εφαρµόζεται στη µη αναστρέφουσα είσοδο (+) ενώ το σήµα της ανάδρασης εφαρµόζεται στην αναστρέφουσα είσοδο µέσω του διαιρέτη τάσης R1, R2, όπως φαίνεται στο Σχ. 8.5. Η απολαβή του ενισχυτή µε ανάδραση αναφέρεται ως απολαβή κλειστού βρόχου ACL. Αποδεικνύεται ότι η απολαβή κλειστού βρόχου στον µη αναστρέφοντα ενισχυτή δίνεται από τη σχέση: ACL = 1 + R2 R1 (8.4) 65 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχ. 8.5 Μη αναστρέφων ενισχυτής Το εύρος ζώνης αυξάνεται στον µη αναστρέφοντα ενισχυτή, τόσο περισσότερο όσο µειώνεται η απολαβή ACL. Ισχύει µάλιστα η σχέση: ACL f CL = A0 f 0 L (8.5) Όπου Α0 είναι η απολαβή ανοιχτού βρόχου, f0L είναι η συχνότητα αποκοπής σε κύκλωµα ΤΕ ανοιχτού βρόχου και fCL είναι η συχνότητα αποκοπής κλειστού βρόχου. 8.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ 8.2.1 Μη αναστρέφων ενισχυτής 1. Να κατασκευάσετε στο ράστερ το παρακάτω κύκλωµα του µη αναστρέφοντα ενισχυτή, χρησιµοποιώντας τον τελεστικό ενισχυτή LM324, τα υπόλοιπα στοιχεία είναι, R1=10KΩ, R2=10KΩ, R3=22KΩ, R4= 1ΚΩ, R6=100ΚΩ, RL=10KΩ C1=C2=C3=C4=10µF, Vcc=12V, Vin=100mVp-p και f=1KHz. 66 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχήµα 8.6 Κύκλωµα µη αναστρέφοντα ενισχυτή µε είσοδο Vac και φορτίο 10Κ. 2. Να υπολογίσετε από τη σχέση (8.4) την ενίσχυση κλειστού βρόχου ACL. 3. Εφαρµόστε είσοδο ηµιτονικού σήµατος στην µη αναστρέφουσα είσοδο. Ρυθµίστε τη γεννήτρια σε συχνότητα 1KHz και πλάτος Vin(p-p)=100mV. Καταγράψτε σε κοινό διάγραµµα την ηµιτονική είσοδο και έξοδο του σήµατος. Για τον σκοπό αυτό απεικονίστε ταυτόχρονα το κανάλι εισόδου και το κανάλι εξόδου στην οθόνη του παλµογράφου. Υπάρχει διαφορά φάσης ανάµεσα στην είσοδο και στην έξοδο; 4. Μετρήστε την τάση εξόδου V0(p-p): V0(p-p)=………… Πόση είναι η µετρούµενη απολαβή; A = V0 =……. Vin Να συγκρίνετε τη θεωρητική τιµή της απολαβής που υπολογίσατε στο βήµα 2, µε αυτή που µετρήσατε στο βήµα 4. 67 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 5. Στο βήµα αυτό θα χαράξετε τη συχνοτική απόκριση του ενισχυτή. Ρυθµίστε τη συχνότητα της γεννήτριας διαδοχικά στις τιµές της πρώτης σειράς του Πίνακα 8.1, από 10Hz µέχρι 200ΚΗz. Φροντίστε να διατηρήσετε σταθερό το πλάτος της τάσης εισόδου Vin στα 100mV (p-p) σε κάθε ρύθµιση της συχνότητας. Συµπληρώστε τη δεύτερη γραµµή του Πίνακα 8.1 καταγράφοντας τις τιµές V0(p-p) της εξόδου. ΠΙΝΑΚΑΣ 8.1 Συχνοτική απόκριση για λόγο αντιστάσεων R2/R1=22, Vin=100mVp-p f V0 ACL Α(dB) 10 100 1KHz 2KHz 3KHz 5KHz 7KHz 10KHz 20KHz 50KHz 100KHz 150KHz Συµπληρώστε την τρίτη γραµµή του πίνακα υπολογίζοντας τον λόγο ACL=V0/Vin για κάθε τιµή της συχνότητας. 5. Να µετατρέψετε τις τιµές της απολαβής σε dB χρησιµοποιώντας τη γνωστή σχέση A( dB ) = 20 log V0 Vin (8.6) 6. Να χαράξετε σε ηµιλογαριθµικό διάγραµµα τη συχνοτική απόκριση θέτοντας στον λογαριθµικό οριζόντιο άξονα τις τιµές της συχνότητας και στον κατακόρυφο άξονα τις τιµές της απολαβής σε dB. 7. Να βρεθεί η συχνότητα αποκοπής του ενισχυτή. Αυτή ορίζεται ως η συχνότητα στην οποία η απολαβή πέφτει 3dB κάτω από τη µέγιστη τιµή ή 0.707ΑCL. 8. Λαµβάνοντας υπόψη ότι Α0=100000 και f0L=10Hz να εξετάσετε αν επαληθεύεται η σχέση (8.5) Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε αναλυτική παρουσίαση των µετρήσεων και των διαγραµµάτων της άσκησης. Επίσης, να απαντήσετε στα ερωτήµατα της άσκησης 68 200KHz ΑΣΚΗΣΗ 9 ΑΝΑΣΤΡΕΦΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΑΚΟΛΟΥΘΟΣ ΤΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης: Μελέτη του αναστρέφοντος ενισχυτή και του ακόλουθου τάσης. Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των σελίδων 91-93 των σηµειώσεων της θεωρίας. Μελέτη της παραγράφου 16.3 του διδακτικού εγχειριδίου (Βασική Ηλεκτρονική, A.P. Malvino, εκδόσεις Τζιόλα, 2007). 9.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 9.1.1 Ο αναστρέφων ενισχυτής Στην προηγούµενη άσκηση γνωρίσαµε τον µη αναστρέφοντα ενισχυτή. Εδώ, θα ασχοληθούµε µε ένα άλλο κύκλωµα µε τελεστικό ενισχυτή και αρνητική ανάδραση, τον αναστρέφοντα ενισχυτή. Το κύκλωµα του αναστρέφοντα ενισχυτή φαίνεται στο Σχ. 9.1. Όπως φαίνεται υπάρχει ένας κλάδος ανάδρασης που επιστρέφει µέρος της εξόδου προς την αναστρέφουσα είσοδο. Η είσοδος Vi δίνεται µέσω της αντίστασης Ri επίσης από την αναστρέφουσα είσοδο. Σχ. 9.1 Αναστρέφων ενισχυτής Στον αναστρέφοντα ενισχυτή η µη αναστρέφουσα είσοδος γειώνεται. Η απολαβή τάσης αποδεικνύεται ότι είναι ACL = Rf Ri , (9.1) δηλαδή, δίνεται από τον λόγο των αντιστάσεων ανάδρασης Rf και εισόδου Ri. Έτσι, η απολαβή εξαρτάται µόνον από την επιλογή των αντιστάσεων και µπορεί να ρυθµίζεται από τον σχεδιαστή. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου του κυκλώµατος ισούται µε την αντίσταση Ri: ri ( CL ) = Ri . (9.2) Η αντίσταση εξόδου είναι πολύ µικρή. 69 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 9.1.2 Ακόλουθος τάσης Το κύκλωµα του ακόλουθου τάσης φαίνεται στο Σχ. 9.2. Ο βρόχος ανάδρασης είναι από την έξοδο προς την αναστρέφουσα είσοδο. Το ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κυκλώµατος είναι η πολύ µεγάλη αντίσταση εισόδου, η πολύ µικρή αντίσταση εξόδου και η µοναδιαία απολαβή: ΑCL=1. (9.3) VCC=+12V 8 Vac 3 + 2 4 U?A 1 LM358N 100mV VCC=-12V Σχ. 9.2 Ακόλουθος τάσης Ο ακόλουθος τάσης έχει µεγάλη χρησιµότητα. Χρησιµοποιείται ως κύκλωµα προσαρµογής ανάµεσα σε ηλεκτρονικές βαθµίδες, καθώς η τάση που παράγει στην έξοδο είναι ίση µε την τάση εισόδου. Για τον λόγο αυτό ονοµάζεται ακόλουθος τάσης. 9.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ 9.2.1 Αναστρέφων ενισχυτής Να υλοποιήσετε το παρακάτω κύκλωµα αναστρέφοντα ενισχυτή χρησιµοποιώντας τα παρακάτω στοιχεία R1=1KΩ, R2=22KΩ, R3=10KΩ, R4=12ΚΩ, RL=10KΩ C1=C2= 10µF, Vcc=12V, Vin=100mVp-p και f=1KHz 70 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχ. 9.3 Αναστρέφων ενισχυτής στο ράστερ Να ακολουθήσετε την παρακάτω διαδικασία: 1. Στο κύκλωµα του σχήµατος 9.3 να υπολογίσετε την απολαβή του κυκλώµατος . 2. Να συνδέσετε στην είσοδο γεννήτρια ηµιτονικής τάσης, µε συχνότητα 1KHz και πλάτος Vin=100mVp-p. Να µετρήσετε την τάση εξόδου µε τον παλµογράφο. Να σχεδιάσετε σε κοινό διάγραµµα την κυµατοµορφή εισόδου και την κυµατοµορφή εξόδου. Να βαθµονοµήσετε κατάλληλα τους άξονες του διαγράµµατος. 3. Ποια η φάση της εξόδου σε σχέση µε την είσοδο; 4. Να υπολογίσετε την απολαβή: ACL = V0 =……. Vin 5. Να συνδέσετε στην έξοδο του αναστρέφοντα ενισχυτή µια βαθµίδα ακόλουθου τάσης, όπως φαίνεται στο παρακάτω κύκλωµα. 71 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχ. 9.4 Αναστρέφων ενισχυτής µε βαθµίδα ακόλουθου τάσης 6. Να µετρήσετε µε τον παλµογράφο την τάση (p-p) στα σηµεία Vout1 και Vout2 και να την καταγράψετε σε διάγραµµα. Να µετρηθεί η απολαβή της πρώτης βαθµίδας ACL1, η απολαβή της δεύτερης βαθµίδας ΑCL2 και η συνολική απολαβή Aολ. 7. Να αντικαταστήσετε την αντίσταση R2 ώστε η ενίσχυση του αναστρέφοντα ενισχυτή να γίνει θεωρητικά A=10. Στη συνέχεια, να επαναλάβετε το βήµα 6. 8. Τι συµπέρασµα βγάζετε για τη συµπεριφορά του ακόλουθου τάσης στο κύκλωµα; Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε αναλυτική παρουσίαση των µετρήσεων και των διαγραµµάτων της άσκησης. Επίσης, να απαντήσετε στα ερωτήµατα της άσκησης. 72 ΑΣΚΗΣΗ 10 ΑΝΑΣΤΡΟΦΟΣ ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ∆ΙΑΦΟΡΑΣ Σκοπός της άσκησης: Μελέτη και κατανόηση λειτουργίας του ανάστροφου ενισχυτή και του ενισχυτή διαφοράς Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των σελίδων 94-95 των σηµειώσεων της θεωρίας. Μελέτη της παραγράφου 17.1(σελ.504) του διδακτικού εγχειριδίου (Βασική Ηλεκτρονική, A.P. Malvino, εκδόσεις Τζιόλα, 2007). 10.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 10.1.1 Ο ανάστροφος αθροιστικός ενισχυτής Η έξοδος ενός ανάστροφου αθροιστικού ενισχυτή ,µας παρέχει το άθροισµα των σηµάτων εισόδων του µε µία βέβαια ενίσχυση. Ένας αθροιστικός ενισχυτής αναστροφής µε τρεις εισόδους δίνεται στο Σχ. 10.1. Σαν είσοδο στον ενισχυτή µπορούµε να έχουµε είτε DC είτε AC σήµα. Το δυναµικό στο σηµείο Χ µε βάση όσα προαναφέραµε για τους τελεστικούς ενισχυτές είναι ίσο µε µηδέν και εποµένως ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις. Σχ.10.1 Ανάστροφος Αθροιστικός Ενισχυτής Τα ρεύµατα που i1, i2, i3 διαρρέουν τις αντιστάσεις R1,R2,R3 είναι αντίστοιχα: u1 R1 u i2 = 2 R2 u i3 = 3 R3 i1 = i N ≅ 0, iF = (i1 + i2 + i3 ) 73 (10.1) (10.2) Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η τάση εξόδου, κάνοντας χρήση της σχέσης 10.1 και 10.2 είναι u o = −(i1 + i2 + i3 ) RF = −( RF R R u1 + F u 2 + F u 3 ) R1 R2 R3 (10.3) 10.1.2 Ο ενισχυτής διαφοράς Η έξοδος ενός ενισχυτή διαφοράς µας παρέχει τη διαφορά των σηµάτων εισόδων του, µε µία βέβαια ενίσχυση. Ένας ενισχυτή διαφοράς µε δύο εισόδους δίνεται στο Σχ. 10.2. Σαν είσοδο στον ενισχυτή µπορούµε να έχουµε είτε DC είτε AC σήµα. Το δυναµικό στο σηµείο Α µε βάση όσα προαναφέραµε για τους τελεστικούς ενισχυτές είναι ίσο το δυναµικό στο σηµείο Β και εποµένως ισχύουν οι παρακάτω σχέσεις. Α iA iA Β iB Σχ.10.2 Ενισχυτής ∆ιαφορών u1 − u o R1 + R2 u2 iB = R3 + R4 iA = (10.4) Τα δυναµικά στα σηµεία Α και Β είναι περίπου ίσα µε βάση όσα προαναφέραµε στην λειτουργία του τελεστικού ενισχυτή και εποµένως θα έχουµε τις παρακάτω σχέσεις. iA = u A − u o u1 − u o R2 = ⇔ uA = (u1 + u o ) R2 R1 + R2 R1 + R2 R4 uB = u2 R3 + R4 (10.5) Εξισώνοντας τα δυναµικά στα σηµεία Α και Β µε βάση τη σχέση 10.5 έχουµε για τη τάση εξόδου του ενισχυτή διαφορών R1 R R2 uo = 2 ( ⋅u − u ) R3 2 1 R1 1+ R4 1+ 74 (10.6) Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις και στην ειδική περίπτωση όπου R3 R1 = τότε η τάση εξόδου είναι η ενισχυµένη R4 R2 διαφορά των δύο τάσεων uo = R2 (u 2 − u1 ) R1 (10.7) 10.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ 10.2.1 Ο ανάστροφος αθροιστικός ενισχυτής Σχ.10.3 Ανάστροφος Αθροιστικός Ενισχυτής Με βάση το κύκλωµα του σχήµατος 10.3 να µετρηθεί η τάση στην έξοδο του αθροιστή. Σαν σήµα εισόδου θα χρησιµοποιήσουµε τη γεννήτρια. Οι τιµές τάσης εισόδου θα είναι αντίστοιχα u1=100mVp-p και u2=50mVp-p και θα λαµβάνονται µε τη χρήση ενός διαιρέτη τάσης. Οι τιµές των αντιστάσεων θα είναι RF=100ΚΩ και R1=10KΩ, R2=10KΩ. Να υπολογιστεί η θεωρητική τιµή µε βάση τη σχέση 10.3 Θεωρητική τιµή uo Πειραµατική τιµή uo 1. Που πιστεύετε ότι οφείλεται τυχόν απόκλιση ανάµεσα στη θεωρητική και την πειραµατική τιµή; 75 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 10.2.2 Ο ενισχυτής διαφοράς Σχ.10.4 Ενισχυτής ∆ιαφορών 2. Με βάση το κύκλωµα του σχήµατος 10.4 να µετρηθεί η τάση στην έξοδο του ενισχυτή διαφοράς. Σαν σήµα εισόδου θα χρησιµοποιήσουµε τη γεννήτρια. Οι τιµές τάσης εισόδου θα είναι αντίστοιχα u1=1Vp-p και u2=500mVp-p και θα λαµβάνονται µε τη χρήση ενός διαιρέτη τάσης. Οι τιµές των αντιστάσεων θα είναι RF=22ΚΩ και R1=10KΩ, R2=10KΩ. Να υπολογιστεί η θεωρητική τιµή µε βάση τη σχέση 10.7 Θεωρητική τιµή uo Πειραµατική τιµή uo 3. Που πιστεύετε να οφείλεται τυχόν απόκλιση ανάµεσα στη θεωρητική και την πειραµατική τιµή; Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε αναλυτική παρουσίαση των µετρήσεων της άσκησης. Επίσης, να απαντήσετε στα ερωτήµατα της άσκησης και να δώσετε επιστηµονικά αιτιολογηµένες απαντήσεις και επεξηγήσεις µε σαφήνεια . 76 ΑΣΚΗΣΗ 11 ΑΡΜΟΝΙΚΟΙ ΤΑΛΑΝΤΩΤΕΣ ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ ΓΕΦΥΡΑΣ WIEN ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ RC ΜΕ ΜΕΤΑΘΕΣΗ ΦΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης: Μελέτη και κατανόηση σχεδίασης και λειτουργίας των ταλαντωτών. Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των σελίδων 113-138 των σηµειώσεων της θεωρίας. 11.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 11.1.1 Εισαγωγή- Βασικές αρχές ταλαντωτών Ο ηλεκτρονικός ταλαντωτής είναι ένα κύκλωµα το οποίο δηµιουργεί µια έξοδο περιοδικού σήµατος χωρίς να εισάγεται σήµα στην είσοδο του ή µε άλλα λόγια έχουµε παραγωγή ΑC σήµατος από DC σήµα τροφοδοσίας. Ο αρµονικός ταλαντωτής, που συχνά ονοµάζεται και γραµµικός ταλαντωτής, είναι υποπερίπτωση των ηλεκτρονικών ταλαντώσεων οι οποίο δηµιουργούν στην είσοδο τους σήµα που είναι προσεγγιστικά ηµιτονικό. Βασικά, οι αρµονικοί ταλαντωτές χωρίζονται σε δύο µεγάλες κατηγορίες που είναι οι συντονιζόµενοι και µη συντονιζόµενοι ταλαντωτές. Οι συντονιζόµενοι αρµονικοί ταλαντωτές αποτελούνται από ένα δικτύωµα συντονισµού LC και ένα ενεργό στοιχείο (τρανζίστορ ή Τ.Ε.), ενώ οι µη συντονιζόµενοι αρµονικοί ταλαντωτές αποτελούνται από ένα ενεργό στοιχείο και ένα δικτύωµα RC Υπάρχουν διάφορες τεχνικές οι που µπορούν να κάνουν ένα σύστηµα ευσταθές ή ασταθές µε ενίσχυση Α σε έναν ταλαντωτή µε τη χρήση κατάλληλου δικτυώµατος ανάδρασης. Η ανάδραση δεν είναι τίποτα άλλο παρά η επαναφορά ενός µέρος του σήµατος εξόδου στην είσοδο. Αν το σήµα της ανάδρασης προστίθεται στο σήµα εισόδου έχουµε θετική ανάδραση και αν αφαιρείται (έχει αρνητικό πρόσηµο) έχουµε αρνητική ανάδραση. Σχήµα 11.1 Μπλοκ διάγραµµα ταλαντωτή µε θετική ανατροφοδότηση 77 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Παρατηρούµε πως το σύστηµα µας αποτελείται από έναν ενισχυτή τάσης (ενεργό στοιχείο) µε ενίσχυση Α, ένα δικτύωµα ανασύζευξης µε υποβιβασµό ή λόγο ανασύζευξης β και ένα σηµείο άθροισης. Οι σχέσεις που διέπουν το παραπάνω δοµικό διάγραµµα είναι xe = x s + x f xo = Axe (11.1) x f = β xo Τελικά η ενίσχυση του κλειστού συστήµατος υπολογίζεται ως: Af = xo A = xi 1 − β ⋅ A (11.2) Όπου Α η ενίσχυση χωρίς ανασύζευξη, Αf η ενίσχυση του κλειστού βρόχου και βΑ η ενίσχυση του ανοικτού βρόχου. Από τη σχέση 11.2 συνάγεται ότι αν βΑ=1, τότε Af = xo =∞. xi Αυτό σηµαίνει πως το σύστηµα θα παράγει έξοδο χο≠0 όταν χi=0, δηλαδή όταν λειτουργεί σαν ταλαντωτής. Η συνθήκη βΑ=1 είναι ικανή και αναγκαία για να έχουµε εκκίνηση ταλαντώσεις και καλείται συνθήκη Barkhausen. ( Να επισηµάνουµε πως τα µεγέθη στη παραπάνω σχέση είναι εν γένει µιγαδικά και η συνολική εξίσωση µιγαδική). Με τη χρήση των µαθηµατικών έχουµε από τη συνθήκη Barkhausen: βA = 1 φ = 0o (11.3) Στη γενική περίπτωση, οι κυµατοµορφές που δηµιουργούνται από έναν ταλαντωτή εξαρτώνται από τα στοιχεία του κυκλώµατος και εποµένως µπορεί να είναι ηµιτονικές, τετραγωνικές ή τριγωνικές κυµατοµορφές. Εξάλλου, η συχνότητα ταλάντωσης καθορίζεται βασικά από τα στοιχεία του δικτυώµατος ανασύζευξης. Η συνθήκη Barkhausen όπως την διατυπώσαµε παραπάνω δίνει τις κρίσιµες τιµές των στοιχείων, οι οποίες εξασφαλίζουν απλός και µόνο την εκκίνηση, (έναρξη των ταλαντώσεων). Στην πράξη, ταχύτατα, οι συνθήκες αυτές τείνουν να ανατραπούν, είτε γιατί οι τιµές των στοιχείων (R,L,C κ.α.) του κυκλώµατος αλλάζουν, λόγω της διέλευσης ρεύµατος ή λόγω της συνεπαγώµενης θέρµανσης του κυκλώµατος ή γιατί οι παράµετροι του ενεργού στοιχείου επηρεάζονται για τους ίδιους λόγους. Έτσι το β αλλά κυρίως το Α του ενισχυτή παύουν πλέον να ικανοποιούν τη συνθήκη Barkhausen. Για να υπερκεράσουµε αυτό το πρόβληµα και να εξασφαλίσουµε συντηρούµενες ταλαντώσεις δίνουµε πάντα ενίσχυση στον ενισχυτή του κυκλώµατος Α λίγο µεγαλύτερη από αυτή που απαιτεί η παραπάνω συνθήκη. 11.1.2 Ταλαντωτής γέφυρας Wien Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η κυκλωµατική υλοποίηση ενός ταλαντωτή γέφυρας Wien µε τη χρήση Τ.Ε. 78 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχήµα 11.2 Ταλαντωτής γέφυρας Wien Όπως είναι γνωστό, οι ταλαντωτές γέφυρας WIEN, χρησιµοποιούνται για την παραγωγή ηµιτονικών σηµάτων στις χαµηλές συχνότητες. Βασικά αποτελούνται από έναν ενισχυτή χαµηλών συχνοτήτων, στον οποίο δηµιουργείται θετική και αρνητική ανασύζευξη. Έναν απλοποιηµένο κύκλωµα γέφυρας WIEN βλέπουµε στο Σχήµα 11.2. Το δικτύωµα της θετικής ανασύζευξης ορίζει την συχνότητα ταλαντώσεων. Στην απλούστερη περίπτωση που χρησιµοποιούνται ίδιες αντιστάσεις και πυκνωτές, η συχνότητα ταλάντωσης είναι: fc = 1 2πRC (11.4) Η ενίσχυση της βαθµίδας ορίζεται από το δικτύωµα της αρνητικής ανασύζευξης και υπολογίζεται από την σχέση A= R A + RB RA (11.5) Για να διατηρηθούν οι ταλαντώσεις και συνχρόνως να µην παραµορφωθεί το σήµα εξόδου, η ενίσχυση της βαθµίδας πρέπει να είναι λίγο µεγαλύτερη από τον υποβιβασµό που δηµιουργεί το δικτύωµα της θετικής ανασύζευξης. Στην περίπτωση που χρησιµοποιούνται ίδιες τιµές αντιστάσεων και πυκνωτών στο κλάδο της θετικής ανάδρασης, η ενίσχυση πρέπει να είναι περίπου Α= 3, άρα RB=2RA. 11.1.3 Ταλαντωτής RC µε µετάθεση φάσης Στο παρακάτω σχήµα φαίνεται η κυκλωµατική υλοποίηση ενός ταλαντωτή RC µε τη χρήση Τ.Ε. 79 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχήµα 11.3 Ταλαντωτής µε µετάθεση φάσης Όπως παρατηρούµε στο παραπάνω κύκλωµα έχουµε έναν Τ.Ε. για την βαθµίδα ενίσχυσης και ένα δικτύωµα ανασύζευξης που συγκροτείται από τρία στοιχεία RC σε σειρά. Το δικτύωµα ανασύζευξης παρέχει όλη την απαιτούµενη τάση ανασύζευξης από την έξοδο την είσοδο. Ο Τ.Ε. χρησιµοποιείται σε συνδεσµολογία µη αναστρέφοντα ενισχυτή και εποµένως στην έξοδο το σήµα εµφανίζεται ενισχυµένο και µε διαφορά φάσης 1800. Η επιπλέον διαφορά φάσης που απαιτείται σύµφωνα µε τη σχέση 11.3 προέρχεται από το δικτύωµα ανασύζευξης. Η αναλυτική περιγραφή της συνθήκης έναρξης των ταλαντώσεων απαιτεί αρκετούς υπολογισµούς και δεν εµπίπτει στα πλαίσια ενός εισαγωγικού µέρους εργαστηρίου. Θα δώσουµε µόνο τις συνθήκες έναυσης των ταλαντώσεων. Με βάση την εισαγωγική θεωρία και για να ισχύει η συνθήκη Barckhausen, ώστε να έχουµε ταλαντώσεις θα πρέπει (εφόσον C1= C2= C3=C, R1= R2 =R3=R ). 1 2π 6 RC R A = 2 ≥ 29 R1 fc = (11.6) 11.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ 11.2.1 Ταλαντωτής γέφυρας Wien 1. Να υλοποιηθεί το κύκλωµα για του σχήµατος 11.2 R1=1KΩ, R2=10KΩ (ποτενσιόµετρο), R=68KΩ, C=1µF. 2. Να µεταβάλλεται σταδιακά το ποτενσιόµετρο (αντίσταση R2 ) από τα 0Ω έως την τιµή στην οποία θα έχουµε ταλαντώσεις. Να έχετε συνδεδεµένη την έξοδο στο παλµογράφο καθώς µεταβάλλετε το ποτενσιόµετρο ώστε να παρατηρήσετε πότε θα έχουµε ταλαντώσεις 3. Να µετρηθεί το πλάτος του σήµατος ειξόδου Vout(p-p) και να µετρηθεί η συχνότητα του fc των ταλαντώσεων. Να γίνει σύγκριση της πειραµατικής µε την θεωρητικά υπολογιζόµενη τιµή, σχέση 11.4. 80 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις fc(θεωρητική)= fc(πειραµατική)= 11.2.2 Ταλαντωτής µε µετάθεση φάσης 4. Να υλοποιηθεί το κύκλωµα του σχήµατος 11.3 µε στοιχεία για R1=15KΩ, C=100nF. 5. Υπολογίστε την R (R1= R2 =R3) έτσι ώστε να έχουµε συχνότητα ταλαντώσεων fc=500Ηz. ( Βλέπε σχέση 11.6) 6. Υπολογίστε την R2 ώστε να ισχύει η σχέση 11.6 και να έχουµε ταλαντώσεις (Προσοχή !!! Η αντίσταση R2 θα είναι µια αντίσταση σε σειρά µε ένα ποτενσιόµετρο, π.χ. µία αντίσταση 22ΚΩ σε σειρά µε ποτενσιόµετρο 10ΚΩ). 7. Με τη βοήθεια του παλµογράφου να µετρηθεί το πλάτος του σήµατος εξόδου p-p. 8. Να υπολογιστεί η ενίσχυση της βαθµίδας A = Vεξ Vεισ 9. Να µετρηθεί το πλάτος του σήµατος εισόδου Vout(p-p) και να µετρηθεί η συχνότητα του fc. Να γίνει σύγκριση της πειραµατικής µε την θεωρητικά υπολογιζόµενη τιµή. fc(θεωρητική)= fc(πειραµατική)= Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε αναλυτική παρουσίαση των µετρήσεων και των διαγραµµάτων της άσκησης. Επίσης, να απαντήσετε στα ερωτήµατα της άσκησης. 81 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 82 ΑΣΚΗΣΗ 12 ΧΑΜΗΛΟΠΕΡΑΤΟ ( ΒΑΘΥΠΕΡΑΤΟ) ΦΙΛΤΡΟ 1ου ΒΑΘΜΟΥ ΜΕ Τ.Ε. ΥΨΙΠΕΡΑΤΟ ΦΙΛΤΡΟ 1ου ΒΑΘΜΟΥ ΜΕ Τ.Ε. Σκοπός της άσκησης: Μελέτη και κατανόηση σχεδίασης και λειτουργίας των φίλτρων. Κατασκευή των συχνοτικών διαγραµµάτων και εξαγωγή των ιδιοτήτων του φίλτρου. Απαραίτητη προετοιµασία: Μελέτη των σελίδων 113-138 των σηµειώσεων της θεωρίας. Μελέτη της παραγράφου 17.4 του διδακτικού εγχειριδίου (Βασική Ηλεκτρονική, A.P. Malvino, εκδόσεις Τζιόλα, 2007). 12.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 12.1.1 Βασική θεωρία φίλτρων Φίλτρο είναι ένα δικτύωµα παθητικών ή ενεργών και παθητικών στοιχείων που ενεργεί επιλεκτικά και επιτρέπει ή εµποδίζει τη διέλευση ενός σήµατος σε µια ορισµένη συχνότητα ή σε µια ορισµένη περιοχή συχνοτήτων. Τα φίλτρα χρησιµοποιούνται στα ηλεκτρονικά συστήµατα για να δώσουν έµφαση σε σήµατα σε κάποιες περιοχές συχνοτήτων και να απορρίψουν σήµατα σε άλλες περιοχές συχνοτήτων. Η επιλεκτικότητα κάθε φίλτρου όσον αφορά την συχνότητα είναι ίσως η πιο συνήθης µέθοδος κατηγοριοποίησης. Οι τέσσερις βασικές κατηγορίες φίλτρων είναι τα βαθυπερατά (LP), τα υψιπερατά (HP), τα ζωνοπερατά ή ζωνοδιαβατά (BP) και τα ζωνοφρακτικά (BR). Επιπλέον εκτός από τις προηγούµενες κατηγορίες υπάρχουν και τα φίλτρα: βαθυπερατά σχισµής, υψιπερατά σχισµής και τα ολοδιαβατά. Οι τέσσερις πρώτες βασικές κατηγορίες φίλτρων επιτελούν τις εξής λειτουργίες: Τα βαθυπερατά φίλτρα αφήνουν να περάσουν απαραµόρφωτα τα σήµατα µέχρι µια oρισµένη συχνότητα αποκοπής ωc, (ζώνη διέλευσης), ενώ µηδενίζουν κάθε σήµα µε συχνότητα µεγαλύτερη της ωc (ζώνη φραγής). Τα υψιπερατά φίλτρα αντίθετα αφήνουν να περάσουν απαραµόρφωτα τα σήµατα από µια συχνότητα ωc και πάνω ενώ αποκόπτουν κάθε σήµα µε συχνότητα µικρότερη της ωc. Τα ζωνοδιαβατά φίλτρα αφήνουν να περάσουν απαραµόρφωτα τα σήµατα που περικλείονται σε µια ζώνη συχνοτήτων µε κάτω όριο την ωc1 και πάνω όριο την ωc2 ενώ αποκόπτουν κάθε άλλο σήµα έξω από αυτή την ζώνη. Τα ζωνοφρακτικά φίλτρα αντίθετα αποκόπτουν τα σήµατα που περικλείονται σε µια ζώνη συχνοτήτων µε κάτω όριο την ωc1 και πάνω όριο την ωc2 και αφήνουν να περάσουν απαραµόρφωτα όλα τα σήµατα έξω από αυτή την ζώνη. Παρακάτω παρουσιάζονται οι ιδανικές συναρτήσεις συστήµατος των βασικών αυτών ειδών φίλτρου. 83 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχήµα 12.1 Ιδανική συχνοτική απόκριση βαθυπερατού ή χαµηλοπερατού φίλτρου Σχήµα 12.2 Ιδανική συχνοτική απόκριση υψιπερατού φίλτρου Σχήµα 12.3 Ιδανική συχνοτική απόκριση ζωνοπερατού φίλτρου 84 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχήµα 12.4 Ιδανική συχνοτική απόκριση ζωνοφρακτικού φίλτρου Στην πράξη για την υλοποίηση των παραπάνω φίλτρων χρησιµοποιούµαι ενεργά στοιχεία τα οποία πάντα παρουσιάζουν µη γραµµικότητες, στοιχεία παραµόρφωσης αλλά και οι τιµές των στοιχείων πυκνωτών, πηνίων και αντιστάσεων δεν µπορούν να είναι επακριβώς οι ζητούµενες για την υλοποίηση ενός φίτρου. Στο παρακάτω σχήµα βλέπουµε την πρακτική προσέγγιση ενός ιδανικού βαθυπερατού φίλτρου. Σχήµα 12.5 Πρακτική καµπύλη συχνοτικής απόκρισης χαµηλοπερατού ή βαθυπερατού φίλτρου 12.1.2 Χαµηλοπερατό ή Βαθυπερατό φίλτρο 1ου βαθµού Στο σχήµα 12.6 δίνουµε την κυκλωµατική υλοποίηση ενός χαηλοπερατού φίλτρου 1ου βαθµού. Η κυκλωµατική ανάλυση είναι ίδια µε την ανάλυση που κάναµε και στα προηγούµενα κυκλώµατα µε Τ.Ε. µε τη διαφορά πως στη θέση της αντίστασης του πυκνωτή θα βάλουµε την ισοδύναµη του αγωγιµότητα στο χώρο των συχνοτήτων 1/Ζc=Cs=jCω. 85 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου ιο ιο Α Β ii Σχήµα 12.6 Τυπικό κύκλωµα υλοποίησης χαµηλοπερατού φίλτρου 1ου βαθµού Με βάση τη κυκλωµατική ανάλυση της παραπάνω διάταξης, η συνάρτηση µεταφοράς είναι: R1 V R1 + R f o ,V A = V B Zc Cs VB = V = V R + Z c i R + Cs i VA = R1 + R f Vout ( s ) R1 + R f 1 1 = ⋅ ⇔ A( f ) = ⋅ (12.1) f Vin ( s ) R1 1 + RCs R1 1+ j fc 1 όπου f c = και είναι η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου. ( Η ωc µε βάση όσα 2πRC A( s ) = προαναφέραµε ) • Όταν το σήµα εισόδου είναι ένα DC σήµα, τότε το s→0 και συνολική ενίσχυση A→ R1 + R f (12.2) R1 • Όταν το σήµα εισόδου είναι ένα ΑC σήµα πολύ υψηλής συχνότητας τότε s→∞ και συνολική ενίσχυση A → 0 Η συχνοτική απόκριση του φίλτρου είναι παρόµοια µε αυτή που παριστάνει το σχήµα 12.5 12.1.3 Υψιπερατό φίλτρο 1ου βαθµού Στο σχήµα 12.7 δίνουµε την κυκλωµατική υλοποίηση ενός υψιπερατού φίλτρου 1ου βαθµού. Η κυκλωµατική ανάλυση είναι ίδια µε την ανάλυση που κάναµε και στα προηγούµενα κυκλώµατα µε Τ.Ε. µε τη διαφορά πως στη θέση της αντίστασης του πυκνωτή θα βάλουµε την ισοδύναµη του αγωγιµότητα Ζc=Cs=jCω 86 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις A B ii Σχήµα 12.6 Τυπικό κύκλωµα υλοποίησης υψιπερατού φίλτρου 1ου βαθµού Με βάση τη κυκλωµατική ανάλυση της παραπάνω διάταξης, η συνάρτηση µεταφοράς είναι: R1 V R1 + R f o ,V A = V B R R VB = Vi = Vi R + ZC R + Cs VA = A( s ) = R1 + R f Vout ( s ) R1 + R f RCs = ⋅ ⇔ A( f ) = ⋅ Vin ( s ) R1 1 + RCs R1 όπου f c = • 1 1 1+ f j( ) fc (12.3) 1 και είναι η συχνότητα αποκοπής του φίλτρου. 2πRC Όταν το σήµα εισόδου είναι ένα DC σήµα, τότε το s→0 και συνολική ενίσχυση A→0 Όταν το σήµα εισόδου είναι ένα ΑC σήµα πολύ υψηλής συχνότητας τότε s→∞ και συνολική ενίσχυση A → R1 + R f (12.4) R1 Η συχνοτική απόκριση του φίλτρου είναι παρόµοια µε αυτή που παριστάνει το σχήµα 12.2. 87 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 12.2 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ∆ΙΑ∆ΙΚΑΣΙΑ 12.2.1 Χαµηλοπερατό ή βαθυπερατό φίλτρο 1. Να υλοποιηθεί το κύκλωµα για R1=1KΩ, Rf=10KΩ, R=2.2KΩ, C=1nF. 2. Μετρήστε τη τιµή της ενίσχυσης και συγκρίνατε µε τη θεωρητικά αναµενόµενη για ένα DC σήµα 0.5V. ( Θα πρέπει να βάλετε τώρα σαν σήµα εισόδου από το τροφοδοτικό DC σήµα 0.5V και µε το παλµογράφο ή µε το πολύµετρο να µετρηθεί η τάση εξόδου). 3. 4. Υπολογίστε τη συχνότητα αποκοπής (θεωρητικά). Για σήµα εισόδου Vin=0.5V(p-p) και συχνότητας ίση µε τη θεωρητικά υπολογιζόµενη συχνότητα αποκοπής βρείτε ποια η σχέση της ενίσχυσης, σε σχέση µε τη µέγιστη τιµή της ενίσχυσης. ( Η µέγιστη τιµή είναι όταν έχω DC σήµα). Η µέγιστη θεωρητικά τιµή µπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση 12.2 5. Να συµπληρωθεί ο παρακάτω πίνακας και να χαραχτεί η συχνοτική απόκριση του φίλτρου για σταθερή τιµή πλάτους σήµατος εισόδου Vin(p-p)=0.5V . ΠΙΝΑΚΑΣ Π1 f(KHz) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 150 200 300 400 500 Vοut(p-p) Volts A 6. Να χαραχτεί η συχνοτική απόκριση του φίλτρου στο παρακάτω διάγραµµα και να σηµειωθεί η συχνότητα αποκοπής και ποια η τιµής της απολαβής στις χαµηλές συχνότητες. Η συχνότητα αποκοπής είναι η συχνότητα κατά την οποία η τιµή της ενίσχυσης γίνεται το 0,707 της µέγιστης τιµής της. 88 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Α=Vout/Vin 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 f(KHz) 7. Να συγκριθούν οι θεωρητικές µε τις πειραµατικές τιµές για την ενίσχυση στις χαµηλές συχνότητες και για την συχνότητα αποκοπής. Σχολιάστε τα αποτελέσµατα. 12.2.2 Υψιπερατό φίλτρο 8. Να υλοποιηθεί το κύκλωµα για R1=1KΩ, Rf=10KΩ, R=2.2KΩ, C=1nF. 9. Μετρήστε τη τιµή της ενίσχυσης και συγκρίνατε µε τη θεωρητικά αναµενόµενη για ένα DC σήµα 0.5V. Θα πρέπει να βάλετε τώρα σαν σήµα εισόδου από το τροφοδοτικό DC σήµα 0.5V και µε το παλµογράφο ή µε το πολύµετρο να µετρηθεί η τάση εξόδου). 10. Υπολογίστε τη συχνότητα αποκοπής και βρείτε ποια η σχέση της ενίσχυσης για σήµα εισόδου µε συχνότητα ίδια µε τη συχνότητα αποκοπής, σε σχέση µε τη µέγιστη τιµή της ενίσχυσης. ( Μέγιστη τιµή ενίσχυσης έχω όταν βάλω πολύ µεγαλύτερη συχνότητα σήµατος εισόδου από αυτή της συχνότητας αποκοπής ). Η µέγιστη τιµή µπορεί να υπολογιστεί και θεωρητικά από τη σχέση 12.4 11. Να συµπληρωθεί ο παρακάτω πίνακας και να χαραχτεί η συχνοτική απόκριση του φίλτρου για σταθερή τιµή πλάτους σήµατος εισόδου Vin(p-p)=0.5V . 89 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου ΠΙΝΑΚΑΣ Π2 f(KHz) 5 10 30 50 70 90 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Vοut(p-p) Volts A 12. Να χαραχτεί η συχνοτική απόκριση του φίλτρου στο παρακάτω διάγραµµα και να σηµειωθεί και να υπολογιστεί η συχνότητα αποκοπής και ποια η τιµή της απολαβής για αυτή τη συχνότητα. Σχολιάστε το αποτέλεσµα Α=Vout/Vin 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 f(KHz) Γραπτή εργασία: Να παραδώσετε µια επιµεληµένη εργαστηριακή αναφορά µε σύντοµο θεωρητικό µέρος και µε αναλυτική παρουσίαση των µετρήσεων και των διαγραµµάτων της άσκησης. Επίσης, να απαντήσετε στα ερωτήµατα της άσκησης. 90 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΣΤΟ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΡΑΣΤΕΡ Α. Παλµογράφος (oscilloscope) Α1. Εισαγωγή Ο παλµογράφος είναι ένα από τα χρησιµότερα όργανα σε ένα εργαστήριο ηλεκτρονικών. Χρησιµοποιείται για την παρατήρηση και τη µέτρηση ορισµένων χαρακτηριστικών µεγεθών ενός ηλεκτρονικού κυκλώµατος. Μερικά από τα χαρακτηριστικά αυτά µεγέθη είναι: 1. 2. 3. 4. Η συχνότητα µιας κυµατοµορφής Η διαφορά φάσης µεταξύ δύο κυµατοµορφών Το σχήµα µιας κυµατοµορφής Το πλάτος µιας κυµατοµορφής Με τη βοήθεια του παλµογράφου κάθε ηλεκτρική πληροφορία µπορεί να παρασταθεί οπτικά σε µια οθόνη. Πλεονεκτεί από τα άλλα ηλεκτρονικά όργανα στην ταχύτητα και στην ακρίβεια των µετρήσεων. Τα κύρια µέρη του παλµογράφου είναι: 1. 2. 3. 4. Σύστηµα απεικόνισης (καθοδικός σωλήνας ή οθόνη υγρών κρυστάλλων) ∆υο ενισχυτές (κατακόρυφης και οριζόντιας απόκλισης) Τροφοδοτικό χαµηλής τάσης Γεννήτρια πριονωτής τάσης Σχ. Α.1 Καθοδικός σωλήνας Ο καθοδικός σωλήνας είναι η κεντρική διάταξη του παλµογράφου. Αποτελείται από ένα γυάλινο αερόκενο κυλινδρικό δοχείο που στο ένα άκρο ευρύνεται και καταλήγει σε µια σχεδόν επίπεδη φθορίζουσα επιφάνεια στην οθόνη. Σε σύγχρονους ψηφιακούς παλµογράφους αντικαθίσταται από οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD), όπως στις σύγχρονες τηλεοράσεις. 91 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Στην βάση του σωλήνα είναι τοποθετηµένο το σύστηµα παραγωγής και εκτόξευσης της ηλεκτρικής δέσµης (ηλεκτρονικό κανόνι). Η δέσµη κινούµενη ευθύγραµµα προσπίπτει σ’ ένα σηµείο στην οθόνη όπου διεγείρει τα µόρια φθορίζουσας ουσίας και εµφανίζει µια κηλίδα. Ο καθοδικός σωλήνας είναι εφοδιασµένος και µε ένα σύστηµα απόκλισης ή εκτροπής της ηλεκτρονικής δέσµης. Αυτό είναι ένα σύστηµα οριζοντίων και κατακόρυφων επίπεδων πλακιδίων Υ και Χ που είναι τοποθετηµένα έτσι ώστε η δέσµη να περνά ανάµεσα τους. Αν εφαρµόσουµε στα πλακίδια Χ µια συνεχή τάση, το ηλεκτρικό πεδίο που δηµιουργείται είναι οριζόντιο και προκαλεί µια οριζόντια απόκλιση της κηλίδας πάνω στην οθόνη. Η απόκλιση αυτή είναι ανάλογη της τάσης που εφαρµόζεται στα πλακίδια. Έτσι εάν βαθµολογήσουµε κατάλληλα την οθόνη µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τον παλµογράφο σαν βολτόµετρο. Αντίστοιχα η εφαρµογή µιας σταθερής τάσης στα οριζόντια πλακίδια Υ προκαλεί µια κατακόρυφη απόκλιση της κηλίδας. Εάν τώρα στα πλακίδια Υ ή Χ εφαρµόσουµε µια εναλλασσόµενη τάση η φωτεινή κηλίδα θα πηγαινοέρχεται πάνω-κάτω ή δεξιά-αριστερά αντίστοιχα. Εάν η συχνότητα είναι αρκετά µεγάλη (µεγαλύτερη των 25 Hz) το µάτι βλέπει µια γραµµή κατακόρυφη ή οριζόντια αντίστοιχα. Σχ. Α.2 πριονωτή τάση (σάρωση) Η πριονωτή τάση είναι µια περιοδική τάση της µορφής του σχ. 1.2. Εφαρµόζεται στα Χ πλακίδια (οριζόντιας απόκλισης) και προκαλεί µια µετατόπιση της κηλίδας από τα αριστερά προς τα δεξιά η οποία είναι συνάρτηση του χρόνου. Εάν εφαρµόσουµε στα πλακίδια της κατακόρυφης απόκλισης µια µεταβλητή τάση U=U(t) (π.χ µια ηµιτονοειδή τάση) και στα πλακίδια της οριζόντιας µια πριονωτή τάση τότε θα έχουµε : α) µια κατακόρυφη απόκλιση η οποία θα είναι ανάλογη της τάσης β) µια οριζόντια µετατόπιση η οποία είναι συνάρτηση του χρόνου Έτσι στην οθόνη του παλµογράφου παίρνουµε τη γραφική παράσταση της U=U(t). Ο παλµογράφος είναι εφοδιασµένος µε διάφορα ρυθµιστικά κουµπιά, µε τα οποία ρυθµίζουµε, την φωτεινότητα, την εστίαση, την θέση της κηλίδας, την ενίσχυση του σήµατος, την συχνότητα της πριονωτής τάσης κ.τ.λ. Α.2 Αναλυτική περιγραφή των συµβόλων του παλµογράφου HAMEG HM303-6 Παρακάτω γίνεται περιγραφή του παλµογράφου Hameg 303-6, που χρησιµοποιείται στο εργαστήριο Αναλογικών Ηλεκτρονκών. 92 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχ. Α.3 Ο παλµογράφος Hameg HM303-6 Α/Α 2 3 4 ΣΗΜΑΝΣΗ POWER ON/OFF POWER λυχνία INTENS FOCUS 5 ROTATION 6 VOLTS/DIV 7 VARIABLE 8 TIME/DIV 9 X-MAG x10 10 HOLD OFF 11 CH1 INPUT 12 CH2 INPUT 1 ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ Ο διακόπτης λειτουργίας του παλµογράφου. Ανάβει όταν ο παλµογράφος τεθεί σε λειτουργία. Ρυθµίζει την ένταση της δέσµης στην οθόνη. Εστιάζει τη δέσµη πάνω στην οθόνη. Επιτρέπει να ρυθµίσουµε µε ένα κατσαβίδι τη θέση του ίχνους της οριζόντιας δέσµης σε σχέση µε την οριζόντια διαγράµµιση της οθόνης . Περιστροφικοί διακόπτες 12 θέσεων, ένας για κάθε ενισχυτή κατακόρυφου.. Ποτενσιόµετρο για συνεχή µεταβολή του πλάτους. Αυξάνει την ευαισθησία όταν περιστρέφεται δεξιά. Περιστροφικός διακόπτης 20 θέσεων. ∆ίνει τη δυνατότητα για συνεχή µεταβολή του χρόνου σάρωσης. Όταν τραβηχτεί προς τα έξω πολλαπλασιάζει επί 10 την οριζόντια απόκλιση αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα σάρωσης 10 φόρες. Ακινητοποιεί στην οθόνη πολύπλοκα σήµατα. Ακροδέκτης για τη σύνδεση του σήµατος που πρόκειται να παρατηρηθεί. Όταν απεικονίζεται η σχέση δυο σηµάτων (X-Y MODE), το σήµα εφαρµόζεται στον Χ- άξονα. Το ίδιο µε το CH1, µόνο που το σήµα εφαρµόζεται στον Υάξονα όταν ο παλµογράφος λειτουργεί στο Χ-Υ MODE. 93 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 13 ∆ιακόπτης σύζευξης εισόδου (ACDC) 14 ∆ιακόπτης σύζευξης εισόδου (GND) 15 GROUND 16 ADD (17)(18) Y-POS 19 X-POS 20 21 22 DUAL LEVEL TRIG. EXT 23 INV 24 CH I/II 25 TRIG. MODE 26 Y-MAG x5 COMP. TESTER 27 28 0.2 VP-P 29 AT/NORM 30 ALT Θέση AC: Η θέση αυτή είναι χρήσιµη στις περιπτώσεις όπου η εναλλασσόµενη συνιστώσα του σήµατος είναι πολύ µικρότερη της συνεχούς. Αποµονώνοντας την συνεχή συνιστώσα µπορούµε να µετρήσουµε την εναλλασσόµενη µε πολύ µεγάλη ακρίβεια. Θέση DC: Το σήµα εισόδου εφαρµόζεται απευθείας στους ενισχυτές κατακόρυφης απόκλισης, µε αποτέλεσµα στην οθόνη του παλµογράφου να έχουµε απεικόνιση όλων των συνιστωσών του σήµατος. Η θέση αυτή χρησιµεύει για τον καθορισµό, στην οθόνη του παλµογράφου, της θέσης αναφοράς των τάσεων. Με κατάλληλη µετακίνηση της κηλίδας, όταν είναι πατηµένο το πλήκτρο GND, καθορίζουµε τη θέση της στάθµης αναφοράς. Σηµείο σύνδεσης για χωριστή γείωση. Απεικονίζεται στην οθόνη του παλµογράφου το αλγεβρικό άθροισµα των δύο σηµάτων εισόδου Ο διακόπτης Y-POS Ι, αφορά το πρώτο κανάλι του παλµογράφου και µας επιτρέπει να µετακινήσουµε το σήµα που εµφανίζεται στον παλµογράφο κατακόρυφα στην οθόνη Ο διακόπτης X-POS µας επιτρέπει να µετακινήσουµε το σήµα που εµφανίζεται στον παλµογράφο οριζόντια στην οθόνη. Επιλέγει την λειτουργία ή ενός ή και των δύο CH Ρυθµιστής του επιπέδου της τάσης σκανδαλισµού. Επιλογέας εσωτερικού – εξωτερικού σκανδαλισµού. ∆ιακόπτης µε τη βοήθεια του οποίου αντιστρέφεται η απεικόνιση του σήµατος του καναλιού Ι. Επιλογή του σήµατος σκανδαλισµού από το κανάλι Ι ή ΙΙ και επιλογή απεικόνισης του σήµατος του καναλιού Ι ή ΙΙ. Επιλογέας του τρόπου σύζευξης του σήµατος σκανδαλισµού. AC : ac σύζευξη, DC : dc σύζευξη, LF : παρεµβάλλεται ένα φίλτρο χαµηλών συχνοτήτων µε συχνότητα αποκοπής 1ΚHz. TV : Σύστηµα για την απεικόνιση της i-v χαρακτηριστικής καµπύλης ηλεκτρικών στοιχείων. Γεννήτρια τετραγωνικών παλµών πλάτους 0.2Volt +1% από κορυφή σε κορυφή και συχνότητας 1 ΚHz, για τον έλεγχο της ακρίβειας των επιλογέων κέρδους και βάσης χρόνου του οργάνου. Επιλογή σκανδαλισµού αυτόµατη/κανονική. Στη θέση AT ο σκανδαλισµός γίνεται αυτόµατα, χωρίς τη ρύθµιση του επιπέδου σκανδαλισµού. Στη θέση NORM ο σκανδαλισµός γίνεται µε τη βοήθεια του ρυθµιστή του επιπέδου σκανδαλισµού. Στη θέση αυτή, όταν δεν υπάρχει συγχρονισµός, δεν εµφανίζεται το σήµα στην οθόνη. Τα σήµατα που εφαρµόζονται στα CH1 και CH2 94 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 31 X-Y απεικονίζονται εναλλακτικά στην οθόνη του παλµογράφου σε κάθε σάρωση. Αυτή η θέση χρησιµοποιείται όταν η περίοδος σάρωσης είναι σχετικά µικρή. Στη θέση αυτή το κύκλωµα παραγωγής πριονωτής τάσης απενεργοποιείται και ο παλµογράφος χρησιµεύει στην απεικόνιση της σχέσης µεταξύ των δυο σηµάτων εισόδου. Α.3 Εµφάνιση τάσης στην οθόνη του παλµογράφου 1. Θέτουµε σε λειτουργία τον παλµογράφο κάνοντας χρήση του διακόπτη POWER (1), έχοντας όλους τους ευθύγραµµους διακόπτες στην επάνω θέση. 2. Θέτουµε όλα τα περιστροφικά κουµπιά στο µέσον τους, οπότε στην οθόνη του παλµογράφου εµφανίζεται µια ευθεία γραµµή. Ρυθµίζουµε την φωτεινότητα της δέσµης (INTENS) (3) ώστε να µην είναι πολύ έντονη διότι υπάρχει κίνδυνος να καταστραφεί η οθόνη του παλµογράφου. Ρυθµίζουµε την εστίαση της δέσµης (FOCUS) (4). 3. Με τους περιστροφικούς διακόπτες Y-POS και X-POS (17) και (18) µετακινούµε την δέσµη στην οθόνη οριζόντια ή κατακόρυφα. 4. Συνδέουµε στην είσοδο του καναλιού Ι (CH1 INPUT) (11) την τάση που θέλουµε να µετρήσουµε και τοποθετούµε τον διακόπτη (13) στη θέση : AC : Όταν θέλουµε να δούµε µόνο την εναλλασσόµενη τάση, DC : Όταν θέλουµε να δούµε τη συνεχή τάση. 5. Θέτουµε τον διακόπτη VOLTS/DIV (6) σε τέτοια θέση, ώστε να εµφανίζεται στην οθόνη η τάση που θέλουµε να µετρήσουµε. 6. Θέτουµε τα ποτενσιόµετρα ( ) και ( ) τέρµα δεξιά και τον περιστροφικό διακόπτη TIME/DIV (8) σε τέτοια θέση ώστε η κυµατοµορφή της τάσης να είναι ακίνητη στην οθόνη. Α.4 Μέτρηση συνεχούς (DC) τάσης 1. Συνδέουµε την άγνωστη τάση στην είσοδο CH1 INPUT (11) του παλµογράφου. 2. Εµφανίζουµε την τάση στην οθόνη του παλµογράφου σύµφωνα µε αυτά που αναφέρθηκαν στην παράγραφο 1.1.3. Για θετική τάση το σήµα µετατοπίζεται προς τα επάνω. Για αρνητική τάση το σήµα µετατοπίζεται προς τα κάτω. 3. Προτού µετρήσουµε την τάση µε τον παλµογράφο πρέπει να καθορίσουµε τον οριζόντιο άξονα. Αυτό γίνεται βάζοντας τον διακόπτη (14) στη θέση GROUND. Η οριζόντια γραµµή που εµφανίζεται στην οθόνη ορίζει τον οριζόντιο άξονα δηλ. τον άξονα του µηδενός. Μπορούµε να του αλλάξουµε θέση µε το κουµπί Y-POS ( ). 4. Στη συνέχεια βάζουµε τον διακόπτη (13) στη θέση DC οπότε συµβαίνει µετατόπιση του σήµατος. Μετρούµε τότε την κατακόρυφη µετατόπιση hDC του σήµατος σε τετράγωνα. Εάν το σήµα έχει βγει εκτός οθόνης, οπότε στην οθόνη δεν φαίνεται η δέσµη, περιστρέφουµε τον διακόπτη VOLTS/DIV (6) σε µεγαλύτερες τιµές, δηλ. προς τα αριστερά µέχρι να εµφανιστεί στην οθόνη το σήµα. Σηµειώνουµε τότε την ένδειξη του VOLT/DIV. Τέλος, πολλαπλασιάζουµε την κατακόρυφη µετατόπιση hDC µε την ένδειξη εν του VOLTS/DIV και παίρνουµε την τιµή της τάσης VDC, (VDC =hDC εν). 95 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σήµα Οριζόντιος άξονας Σχ. Α.4 Κατακόρυφη µετατόπιση hDC A5. Μέτρηση εναλλασσόµενης (ΑC) τάσης 1. Συνδέουµε την άγνωστη τάση στην είσοδο CH1 INPUT (11) του παλµογράφου. 2. Ρυθµίζουµε το VOLTS/DIV (6) ώστε η τάση να φαίνεται στην οθόνη. 3. Ρυθµίζουµε την σάρωση TIME/DIV (8) ώστε να εµφανιστούν µερικές περίοδοι του σήµατος στην οθόνη του παλµογράφου. 4. Μετρούµε το ύψος hΑC της τάσης από κορυφή σε κορυφή (Ρ-Ρ) σε τετράγωνα και πολλαπλασιάζουµε µε την ένδειξη εν του VOLT/DIV. Το αποτέλεσµα µας δίνει την τάση από κορυφή σε κορυφή VP-P, (VP-P =hΑC εν). VP-P Η σχέση µεταξύ VP-P και πλάτους V0 ή Vmax είναι : V0 = Vmax = 2 V0 Η σχέση πλάτους και ενεργού τιµής Vrms ή Vεν είναι : Vrms = Vεν = √2 Σχ. Α.5 Απεικόνιση του ύψους hΑC της τάσης από κορυφή σε κορυφή 1.1.1.1 Μέτρηση συχνότητας Όπως είναι γνωστό η περίοδος Τ είναι το αντίστροφο της συχνότητας. Έτσι εάν γνωρίζουµε την περίοδο µιας κυµατοµορφής µπορούµε να υπολογίσουµε τη συχνότητα. Για να µετρήσουµε την περίοδο µιας AC κυµατοµορφής την διαβιβάζουµε σε ένα από από τα κανάλια του παλµογράφου π.χ στο CH1 INPUT και ακολουθούµε τα παρακάτω βήµατα: 1.Ρυθµιζουµε το VOLTS/DIV (6) ώστε η τάση να φαίνεται στην οθόνη. 96 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 2.Μετράµε το µήκος της περιόδου d σε τετράγωνα και πολλαπλασιάζουµε τον αριθµό των τετραγώνων µε την ένδειξη ετ του TIME/DIV (8) και έτσι έχουµε την περίοδο της κυµατοµορφής Τ= d·ετ. Γνωρίζουµε ότι η συχνότητα f δίνεται από τη σχέση f=1/Τ. Έτσι βρίσκουµε τη συχνότητα f. 1.1.2 ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ (GENERATOR) Είναι η ηλεκτρονική συσκευή η οποία παρέχει στην έξοδο της εναλλασσόµενη τάση µεταβλητής τιµής πλάτους και συχνότητας. Επίσης η µορφή της κυµατοµορφής δύναται να είναι ηµιτονοειδής, τετραγωνική, τριγωνική ή και παλµική. Η έξοδος της γεννήτριας παρέχεται µε ένα οµοαξονικό καλώδιο το οποίο καταλήγει σε δύο ακροδέκτες (κροκοδειλάκια), ένα κόκκινο, το οποίο είναι η έξοδος του σήµατος, και ένα µαύρο, το οποίο είναι η γείωση του σήµατος. Το κόκκινο κροκοδειλάκι συνδέεται στην είσοδο του κυκλώµατος που θέλουµε να τροφοδοτήσουµε µε εναλλασσόµενη τάση και το µαύρο στη γείωση του κυκλώµατος. Σχ. Α.6 H γεννήτρια συχνοτήτων TTI TG550 Α/Α ΣΗΜΑΝΣΗ ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ 1 Επιλογή κυµατοµορφής σήµατος. 2 FUNCTION FREQUENCY RANGE 3 FREQUENCY Επιλογή συχνότητας. 4 AMPLITUDE Επιλογή πλάτους σήµατος. 5 DC OFFSET Επιλογή dc offset. 6 SYMMETRY Ρύθµιση συµµετρίας. 7 OUT Έξοδοι σήµατος. Επιλογή εύρους συχνοτήτων. 97 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 1.1.3 ΠΟΛΥΜΕΤΡΟ (MULTIMETER) Το πολύµετρο, είναι το πρώτο και απαραίτητο όργανο του ηλεκτρονικού. Με αυτό µετράµε τάσεις συνεχείς και εναλλασσόµενες, ρεύµατα καθώς και αντιστάσεις. Τα πολύµετρα χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: τα απλά πολύµετρα και τα ηλεκτρονικά. Το εργαστήριο µας διαθέτει απλά ψηφιακά πολύµετρα. Το σχ.1.6 δείχνει ένα φορητό ψηφιακό πολύµετρο, από τα πολλά που κυκλοφορούν σήµερα στην αγορά. Έχουν και αυτά µεταγωγούς/διακόπτες για την επιλογή της επιθυµητής κλίµακας και η ανάγνωση της µέτρησης γίνεται απ’ ευθείας αριθµητικά. Οι µετρήσεις µε τα όργανα αυτά γίνονται µε µεγαλύτερη ακρίβεια, γιατί έχουν µεγάλη αντίσταση εισόδου. Όσο περισσότερα ψηφία διαθέτουν, τόσο µεγαλύτερη ακρίβεια έχουν οι µετρήσεις τους. Χρειάζεται µεγάλη προσοχή στη σύνδεση τους στο κύκλωµα γιατί πολύ εύκολα µπορούν να τεθούν εκτός λειτουργίας. Επίσης, δεν επισκευάζονται εύκολα. Σχ. Α.7 Φορητό ψηφιακό πολύµετρο 1.1.6 Πίνακας συνδεσµολογιών τύπου bread-board Ο πίνακας συνδεσµολογιών τύπου bread-board περιέχει πολλές υποδοχές για τη συνδεσµολογία των διαφόρων εξαρτηµάτων. Όπως φαίνεται στο Σχ.1.7, οι υποδοχές αυτές είναι διατεταγµένες κατά σειρές µε 50 υποδοχές η κάθε µία και στήλες µε 5 υποδοχές η κάθε µία. Οι υποδοχές κάθε σειράς και κάθε στήλης είναι βραχυκυκλωµένες. Κάθε σειρά και κάθε στήλη είναι ανεξάρτητη από τη γειτονική της. 98 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Σχ. Α.8 Εργαστηριακό ράστερ Κανόνες συνδεσµολογίας Υπάρχουν ορισµένοι κανόνες που πρέπει να ακολουθήσετε κατά τη συνδεσµολογία ενός κυκλώµατος. 1. Πρέπει να έχετε πάντα δίπλα σας το σχεδιάγραµµα του κυκλώµατος που συνδεσµολογείτε. Εάν σας ζητηθεί να συνδεσµολογήσετε κύκλωµα που είναι σχεδιασµένο στον πίνακα θα πρέπει πρώτα να το σχεδιάσετε στο τετράδιό σας. 2. Πρέπει να τοποθετείτε τα εξαρτήµατα στον πίνακα συνδεσµολογιών, µε τον ίδιο τρόπο που είναι τοποθετηµένα στο σχεδιάγραµµα του κυκλώµατος, πχ η αντίσταση R1 σε κατακόρυφη θέση και πάνω αριστερά από τη βάση του τρανζίστορ Q1. 3. ∆ιαγράψτε από το σχεδιάγραµµά σας κάθε εξάρτηµα που συνδεσµολογείτε. 4. Αφού τελειώσετε τη συνδεσµολογία συνδέστε τα τροφοδοτικά και τις άλλες συσκευές. Προσοχή: Τα καλώδια συνδέσεων που καταλήγουν στον θετικό πόλο των συσκευών και των οργάνων πρέπει να είναι κόκκινα. Τα καλώδια που καταλήγουν στον αρνητικό πόλο των συσκευών και των οργάνων πρέπει να είναι µαύρα. Κώδικας χρωµάτων αντιστάσεων Τα χρώµατα που χρησιµοποιούνται σε αυτόν τον κώδικα έχουν τις παρακάτω τιµές: Μαύρο Καφέ Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο 0 1 2 3 4 Πράσινο Μπλε Μοβ Γκρι Άσπρο 5 6 7 8 9 Συνήθως οι αντιστάσεις έχουν τέσσερα χρώµατα όπως φαίνεται και στο σχ. . Το 4ο χρώµα συνήθως είναι χρυσό ή ασηµένιο και δείχνει την ανοχή της αντίστασης. Είναι: χρυσό=ανοχή ±5% και ασηµί=ανοχή ±10%. 99 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Σχ. Α.9 χρωµατικός κώδικας αντιστάσεων Εάν το τρίτο χρώµα είναι χρυσό, πολλαπλασιάζουµε τα δυο πρώτα νούµερα επί 0,1 ενώ αν είναι ασηµί επί 0,05. Η έλλειψη τέταρτου χρώµατος δηλώνει ανοχή ±20. Για να διαβάσετε την τιµή µιας αντίστασης, τοποθετείστε την αντίσταση έτσι ώστε το χρώµα της ανοχής να διαβάζεται τελευταίο. ∆ιαβάζοντας τώρα τα χρώµατα προς τα δεξιά, γράφετε τους αριθµούς που σας δείχνουν τα δυο πρώτα χρώµατα και τοποθετείτε τόσα µηδενικά όσα σας λεει το τρίτο χρώµα. Έτσι για να βρούµε την τιµή µιας αντίστασης µε χρώµατα: καφέ - µαύρο- κόκκινο- χρυσό, γράφουµε τους αριθµούς: 1 (για το καφέ), 0 (για το µαύρο) και προσθέτουµε 00 (δύο µηδενικά για το κόκκινο χρώµα). ∆ηλαδή η αντίσταση έχει τιµή 1000 Ω ή 1kΩ µε ανοχή ±5%.. Σκεφτόµενοι µε τον ίδιο τρόπο βρίσκουµε ότι µια αντίσταση µε κίτρινο, µοβ, µαύρο, ασηµί έχει την τιµή 47 Ω, µε ανοχή ±10 και η αντίσταση µε πορτοκαλί, µπλε, χρυσό έχει την τιµή 3,6 Ω µε ανοχή ±20. 100 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Β.1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ ΟΡΓΑΝΑ ΚΑΙ ΥΛΙΚΑ Πολύµετρο, Γεννήτρια Σηµάτων, Παλµογράφος, τροφοδοτικό Εργαστηριακή πειραµατική πινακίδα (breadboard), Σετ καλωδίων. DC, Αντιστάσεις, Β.1.1 ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟΣ ΚΑΙ ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΩΝ Άσκηση 1η Σκοπός: Η εκµάθηση της ρύθµισης της γεννήτριας σηµάτων και του παλµογράφου. 1. Καθίστε µπροστά στον παλµογράφο, ανάψτε τον και προσπαθήστε να βρείτε τη δέσµη στην οθόνη. 2. Προσπαθήστε να εξοικειωθείτε µε τα κουµπιά του παλµογράφου παρατηρώντας την επίδρασή τους στη δέσµη που φαίνεται στην οθόνη. 3. Παρατηρήστε προσεκτικά τη γεννήτρια του πάγκου σας και σιγουρευτείτε ότι γνωρίζετε τον ρόλο του κάθε ρυθµιστή. 4. Συνδέστε τη γεννήτρια στον παλµογράφο. Προσέξτε να συνδέσετε τον µαύρο ακροδέκτη του παλµογράφου στον ακροδέκτη της γεννήτριας που φέρει το σύµβολο του κοινού σηµείου (γείωσης). 5. Ρυθµίστε τη γεννήτρια για ηµιτονικό σήµα συχνότητας 1 kHz και πλάτους 500 mV. Σχεδιάστε το σήµα στον παρακάτω άξονα. V(mV) t(ms) 6. Ρυθµίστε τη γεννήτρια για ηµιτονικό σήµα συχνότητας 50 kHz και πλάτους 100 mV. Σχεδιάστε το σήµα στον παρακάτω άξονα. 101 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου V(mV) t(ms) 7. Συνδέστε στο άλλο κανάλι του παλµογράφου ένα τροφοδοτικό DC. Ρυθµίστε την έξοδο του στα 2 volts και µετρήστε τη στον παλµογράφο ακολουθώντας την πορεία των βηµάτων που αναφέρονται παραπάνω για τη µέτρηση µιας DC κυµατοµορφής. Σχεδιάστε την µε τα κατακόρυφα τετραγωνάκια που περιέχονται, σε βαθµολογηµένους άξονες όπως δείχνει το παρακάτω σχήµα. V(mV) t(ms) 102 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Άσκηση 2η Σκοπός: • Η απόκτηση οικειότητας µε την µέτρηση τάσεων σε ac κυκλώµατα. 1. Σχηµατίστε το κύκλωµα του Σχ. Β.1 στο εργαστηριακό ράστερ, µε τιµή για την R2 = 3 kΩ. R1 = 1 kΩ R2 Vin + V0 - Σχ. Β.1 Κύκλωµα 2. Συνδέστε την τάση Vin στο CH1 και την τάση V0 στο CH2 του παλµογράφου. (α) Ρυθµίστε το πλάτος της τάσης της γεννήτριας σηµάτων στα 8 V (0 V dc απόκλιση) για ηµιτονοειδές κύµα συχνότητας 50 Hz. Παρατηρείστε τις τάσεις Vin και V0 και σχεδιάστε τις σαν συναρτήσεις του χρόνου στη γραφική παράσταση που ακολουθεί µε κατάλληλα αριθµηµένους άξονες. 3.(α) Υπολογίστε το πλάτος της έντασης Iˆ που διαρρέει το κύκλωµα. Iˆ =…………….. 103 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Β.1.2 ΠΟΛΥΜΕΤΡΟ Σκοπός: • • Η εξοικείωση µε τις βασικές αρχές των ωµικών κυκλωµάτων καθώς και µε τη λειτουργία του πολύµετρου. Η κατανόηση της αρχής της διαίρεσης τάσης. Προσοχή: Πριν από κάθε αλλαγή στο κύκλωµα να βεβαιώνεστε ότι δεν υπάρχει τάση στο κύκλωµα. Η πηγή να είναι απενεργοποιηµένη. 1. Φτιάξτε το κύκλωµα του Σχ. Β.2, θέτοντας την dc τάση στα 10 V και την αντίσταση R2 στα 100 Ω. 2. Συνδέστε το πολύµετρο ως βολτόµετρο (παράλληλα µε την R2) και παρατηρήστε την τάση. 3. Συνδέστε το πολύµετρο ως αµπερόµετρο (σε σειρά µε την R2) για να µετρήσετε το ρεύµα που περνάει από την R2 και παρατηρήστε την τιµή του. R1 = 1 kΩ I0 Vin = 10 V + - R2 + V0 - Σχ. Β.2 Κύκλωµα µε µια πηγή dc και δύο αντιστάσεις 4. (i) Θέστε την R2 = 100 Ω. Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = …………………… Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = …………………..... Υπολογίστε την τάση εξόδου Vo Vo = …………………..... 104 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Μετρήστε την τάση εξόδου Vo Vo = ……………………. (ii) Θέστε την R2 = 1 kΩ Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = ……………………. Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = …………………....... Υπολογίστε την τάση εξόδου Vo Vo = …………………….. Μετρήστε την τάση εξόδου Vo Vo = ……………………… (iii) Θέστε την R2 = 10 kΩ. Υπολογίστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = …………………………… Μετρήστε το ρεύµα που περνά από την R2 Io = …………………………… Υπολογίστε την τάση εξόδου Vo Vo = …………………………... Μετρήστε την τάση εξόδου Vo Vo = …………………………… (iv) Εξηγήστε τη διαφορά µεταξύ των θεωρητικών υπολογισµών της Vo και των πειραµατικών τιµών της Vo που µετρήσατε. ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. (v) Εξηγήστε τη διαφορά µεταξύ των θεωρητικών υπολογισµών της Ιo και των πειραµατικών τιµών της Ιo που µετρήσατε. ……………………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… 105