ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE
Elektrotechnická fakulta
Katedra Experimentálnej elektrotechniky
–––––––––––––––––––-––––––––––––––––––––––––
Návody na laboratórne cvienia z predmetu
Elektronika 1
Doc. Ing. Zdenk Dostál, CSc.
Ing. Miroslav ulík, PhD.
––––––––––––––––––––––––––––2011
Recenzenti: doc. Ing. Bohuslav Lakota, CSc.
doc. Ing. Zdenk Matouek, PhD.
Schválila ediná rada U vmerom . 30/S/2011
© Z. Dostál M. ulík, 2011
ISBN 978-80-554-0468-4
2
OBSAH
Predhovor ...............................................................................................................
4
Zoznam pouit
ch skratiek a symbolov .................................................................
5
Na úvod ..................................................................................................................
8
1. Meranie v obvode s diódami a stabilizátormi ...................................................
9
2. Meranie bipolárneho tranzistora .....................................................................
26
3. Meranie NF zosilovaa ..................................................................................
37
4. Meranie tranzistorového zosilovaa ..............................................................
48
5. Meranie tranzistora riadeného elektrick
m poom .........................................
52
6. Meranie zosilovaa so spätnou väzbou ..........................................................
59
7. Meranie operaného zosilovaa I ...................................................................
66
8. Meranie operaného zosilovaa II .................................................................. 78
9. Meranie AVCH tyristorov ................................................................................
83
10. Meranie RC oscilátora ...................................................................................... 89
Poadovaná truktúra protokolu .............................................................................
3
95
PREDHOVOR
Kadé strojné zariadenie, chemické linky ako aj elektrotechnické sústavy sú
v súasnosti doplnené elektronikou. Elektronické systémy plnia komunikanú a riadiacu
funkciu. Forma tohto elektronického riadiaceho systému je zvyajne realizovaná pomocou
procesorovej jednotky, asto aj pomocou osobného poítaa. Pouité súiastky sú
predovetk
m v podobe integrovan
ch obvodov, doplnen
ch relatívne mal
m potom
pasívnych prvkov. Ben
pouívate tieto prvky nemusí ani pozna. Avak kad
elektrotechnik by mal ma prehad o základn
ch elektricky aktívnych a pasívnych prvkoch.
Je potrebné si uvedomi, e vetky integrované obvody sú v podstate zostavené z tak
chto
elektricky aktívnych a pasívnych prvkov.
Vysokokolskí tudenti elektrotechnického zamerania sú od základnej koly, ale
najmä na strednej kole viac alebo menej oboznamovaní s elektrotechnick
mi súiastkami.
Na vysokej kole, najmä v predmete Elektrotechnika, si svoje znalosti o elektrotechnick
ch
prvkoch prehbia, ie by mali by schopní vykona stanovené základné merania. V
sledky
meraní tudenti spracujú do protokolu, ím by si mali overi získané znalosti a najmä sa
s prvkami oboznámi tak, aby ich boli schopní pouíva najskôr u jednoduchích, neskôr
zloitejích zapojení. Súasne by mali by schopní samostatne sa oboznamova s t
mito
prvkami hlbie ako aj s in
mi a nov
mi prvkami.
Skriptá sú urené pre tudentov 2. roníku bakalárskeho túdia elektrotechnického
zamerania. Majú napomôc oboznámi sa so základn
mi elektrotechnick
mi meraniami
v elektrotechnike najme pre t
ch tudentov, ktorí majú s elektrotechnikou malé praktické
skúsenosti zo strednej koly.
Pri príprave na laboratórne cvienie je potrebné, aby tudenti natudovali danú
problematiku, prezentovanú aj na prednákach a aby sa oboznámili s priebehom merania.
V laboratóriu potom s pomocou návodov môu by schopní úlohy odmera a spracova
protokol. V závere je potrebné strune vyhodnoti v
sledky, ku ktor
m meranie dospelo. Nie
je vhodné v závere opisova postupy alebo podmienky merania.
Autori
4
ZOZNAM POUITCH SKRATIEK A SYMBOLOV
A
A-meter
AI
AP
AU
AUdB
APdB
AFCH
AVCH
B
BE
CB
D
f
fd
fh
f0
fOP
F
FET
FFCH
G
Hz
IB
IC
ICmax
ID
IE
IG
I
IR
IS
IVST
IVST
Iprah
IZ
I1
I2
KSSU
KSUR
Kt
kn
k
mA
MOS
NF
NP prechod
NPN
zosilnenie priamej cesty zosilovaa
ampérmeter
prúdové zosilnenie
vkonové zosilnenie
napäové zosilnenie
pomerné napäové zosilnenie
pomerné vkonové zosilnenie
amplitúdovo frekvenná charakteristika
ampér-voltová charakteristika
írka frekvenného pásma
polovodiov prechod báza - emitor
polovodiov prechod kolektor - báza
zberná elektróda – drain
frekvencia
frekvencia dolná
frekvencia horná
frekvencia referenná, najastej
ie 1kHz
opakovacia frekvencia
vratn rozdiel
Field Effect Tranzistor – polom riaden tranzistor
fázovo frekvenná charakteristika
riadiaca elektróda – gate
hertz
prúd bázy
prúd kolektora
prúd kolektorovej straty bipolárneho tranzistora
prúd zbernej elektródy – drain
prúd emitora
prúd riadiacej mrieky – gate
prúd
závern prúd polovodiovej diódy
prúd emitujúcej elektródy – source
vstupn prúd
vstupn prúd
prahov prúd
Zenerov prúd
vstupn prúd
vstupn prúd
inite stabilizácie kolísaní vstupného napätia ku kolísaniu vstupného napätia
inite stabilizácie kolísaní vstupného napätia ku kolísaniu vstupného prúdu
asová stálos
koeficient nelineárneho skreslenia
kiloohm
miliampér
metal-oxid-semiconductor – polovodi s kovovm oxidom
nízkofrekvenn
styk polovodiovch truktúr typu N a typu P
typ truktúry bipolárneho tranzistora
5
OZ
PN prechod
PNP
PA
PAB
PB
PC
PCmax
P0
P1
P2
RC generátor
R
RB
RC
RE
RDS
RVST
RVST
RZ
S
SB
SC
SE
ST
SV
TOP
U
UB
UBE
UC
UCE
UCC
UDC
UDS
UGS
UT
UVST
UVST
U1
U2
UZ
U1
U2
V
VACH
VF
VVF
ZD
operan zosilova
styk polovodiovch truktúr typu P a typu N
typ truktúry bipolárneho tranzistora
pracovn bod tranzistora v triede A
pracovn bod tranzistora v triede AB
pracovn bod tranzistora v triede B
pracovn bod tranzistora v triede C
vkon kolektorovej straty bipolárneho tranzistora
kudov pracovn bod
vstupn vkon
vstupn vkon
generátor sínusového signálu s spätnou väzbou, tvorenou rezistormi a
kapacitormi
rezistor
bázov odpor
kolektorov odpor
emitorov odpor
odpor medzi elektródami drain – source
vstupn odpor
vstupn odpor
zaa
ovací rezistor
emitujúca elektróda – source
zapojenie tranzistora so spolonou bázou
zapojenie tranzistora so spolonm kolektorom
zapojenie tranzistora so spolonm emitorom
strmos charakteristiky
spätná väzba
opakovacia perióda
napätie
napätie na báze
napätie báza - emitor
napätie na kolektore
napätie kolektor – emitor
napájacie napätie
napätie drain – source
napätie drain – source
napätie gate – source
prahové napätie
vstupné napätie
vstupné napätie
vstupné napätie
vstupné napätie
Zenerovo napätie
zmena vstupného napätia
zmena vstupného napätia
volt
volt-ampérová charakteristika
vysokofrekvenn
vemi vysoko frekvenn
Zenerova dióda
6
μA
A
°C
zmena teploty
zosilnenie spätnej väzby zosilovaa
mikroampér
fáza, fázov uhol
fázov posun signálu priamej väzba zosilovaa
fázov posun signálu spätnej väzby zosilovaa
uhlová frekvencia
Ohm
stupe Celzia
7
NA ÚVOD
Základné rozdelenie charakteristík elektronickch obvodov:
1.
V-A
charakteristika:
popisuje
závislos
U = f (I )
spravidla
u jednotliv
ch
súiastok
elektronick
ch obvodov. Môe sa ale aj riei samostatne pre vstupné resp. v
stupné obvody
tvorbranov.
2.
A-V
charakteristika:
popisuje
závislos
I = f (U )
spravidla
u jednotliv
ch
súiastok
elektronick
ch obvodov. Môe sa ale aj riei samostatne pre vstupné resp. v
stupné obvody
tvorbranov.
3. Prechodová charakteristika: popisuje „odozvu“ elektronick
ch obvodov na jednotkov
impulz resp.
jednotkov
skok. Spravidla sa udáva ako závislos U = f (t ) resp. I = f (t ) .
u(t) [V]
Príklad:
t [s]
Obr. 1 Príklad prechodovej funkcie .....
4. Prenosová charakteristika: popisuje závislos vybraného parametra elektronick
ch obvodov (napr.
zosilnenia) od frekvencie vstupného signálu. Táto charakteristika môe by tzv. „Amplitúdovofrekvenná“ AU = f ( f ) , (potom AFCH) alebo „Fázovo-frekvenná“ = f ( f ) (potom FFCH).
5. Prevodová charakteristika: popisuje závislos vybraného v
stupného parametra elektronick
ch
obvodov od parametra na ich vstupe. Napr. U VYST = f (U VST )
u zosilovaov.
8
resp.
I VYST = f ( I VST )
1. Meranie v obvode s diódami a stabilizátormi
Teoretick rozbor
Usmerovacia dióda
Dióda je polovodiová elektronická súiastka, ktorá vedie elektrick
prúd len jedn
m
smerom. Hovoríme, e dióda prúd usmeruje. Ak prúd preteká cez diódu, je dióda zapojená
v priepustnom smere. V opanom, závernom smere, cez ideálnu diódu prúd neteie, reálna
dióda má ale tzv. závern
prúd IR, ktor
môeme u kremíkov
ch usmerovacích diód
povaova blízky 0 (IR 0). Táto jej vlastnos ju preduruje na pouitie v usmerovaoch,
ktoré slúia na usmernenie striedavého napätia na jednosmerné.
Obr. 1.1 Usmerovacia dióda
Schottkyho dióda
Schottkyho diódy vyuívajú usmerovacie vlastnosti priechodu kov - polovodi. Majú
mení úbytok napätia v priepustnom smere ako obyajné usmerovacie diódy. V závernom
smere sú schopné odoláva mením napätiam oproti normálnym diódam, ale sú vemi r
chle.
Tieto vlastnosti ich predurujú na usmerovacie aplikácie, napríklad v spínan
ch zdrojoch.
Obr. 1.2 Schottkyho dióda
Kapacitná dióda (varikap)
Kapacitná dióda alebo varikap je peciálna polovodiová dióda, ktorá slúi ako
napätím riaden
kondenzátor. Princíp varikapu je zaloen
na tom, e írka prechodu NP v
závernom smere závisí na pripojenom napätí. Tento efekt sa objavuje pri vetk
ch
polovodiov
ch diódach, ale varikap je pre tento úel peciálne prispôsoben
. Varikapy sa
pouívajú predovetk
m v laden
ch obvodoch a v obvodoch, vyadujúcich premennú
kapacitu. Varikapy sa v praxi vyuívajú ako „premenné“ kondenzátory.
9
Obr. 1.3 Kapacitná dióda
Zenerova dióda
Táto dióda zane v závernom smere prepúa elektrick prúd pri uritom presne
definovanom napätí (3V, 5V, 12V at.). Pri tomto napätí nastáva nedetruktívny prieraz
peciálne pre tento úel skontruovaného PN priechodu, ktor sa vyu
íva v aplikáciách najmä
na stabilizáciu napätia.
Obr. 1.4 Zenerova dióda
Tunelová dióda
Je to dióda, ktorá vykazuje na ampérovej-voltovej (AV) charakteristike oblas
záporného diferenciálneho odporu. Pri spätnom zapojení sa chová ako lineárny rezistor s
malm odporom. Oblas AV charakteristiky so zápornm dynamickm odporom vzniká
vplyvom tunelového javu. Tunelové diódy sa pou
ívajú v oscilátoroch a zosilovaoch a
do
vemi vysokch frekvencií.
Obr. 1.5 Tunelová dióda
Luminiscenná dióda
Luminiscenná dióda je polovodiová elektronická súiastka, ktorá vy
aruje svetlo vo
viditenom frekvennom pásme pri priechode elektrického prúdu v priepustnom smere.
Sveteln efekt je následkom rekombinácie elektrón-dierového procesu. Vlnová d
ka
vy
arovaného svetla závisí od truktúry materiálu polovodia a írky zakázaného pásu.
10
Obr. 1.6 Luminiscenná dióda
Teoretick rozbor– stabilizátory
Bloková schéma obvodu so stabilizátorom napätia je na Obr. 1.7:
Obr. 1.7 Stabilizátor napätia
Stabilizátory napätia sú elektronické obvody, ktoré sa pou
ívajú v napájacích zdrojoch.
Slú
ia na minimalizáciu vekosti zvlnenia jednosmerného napätia a na udr
anie jeho
kontantnej hodnoty.
Stabilizátory rozdeujeme na spojité (lineárne) alebo spínané. Spojité stabilizátory sa
delia na parametrické a spätnoväzobné. Parametrické stabilizátory vyu
ívajú na stabilizáciu
napätia vhodnú AV charakteristiku niektorch elektronickch súiastok (napr. Zenerovej
diódy, usmerovacej diódy, tlejivky a pod.) Spätnoväzobné stabilizátory vyu
ívajú riadenie
z vstupu a sú rieené ako zlo
itejie elektronické obvody.
Pre charakterizovanie vlastností stabilizátorov sa pou
ívajú parametre:
a) inite stabilizácie KSUU- udáva, kokokrát stabilizátor zmenuje pomerné
kolísanie napätia U2 na vstupe stabilizátora voi pomernému kolísaniu napätia
U1 na jeho vstupe. Udáva sa pri kontantnej vstupnej záa
i RZ.
(1.1)
11
b) inite stabilizácie KSUR - udáva, kokokrát stabilizátor zmenuje pomerné
kolísanie napätia U2 na vstupe stabilizátora voi pomernému kolísaniu prúdu
I2 na jeho vstupe.
(1.2)
c) asová stálos (drift) Kt sa udáva relatívnou zmenou vstupného napätia U2 za
urité asové obdobie, pri kontantnom vstupnom napätí U1, kontantnej záa
i
RZ a pri stálej teplote okolia.
(1.3)
d) Teplotná stálos K sa udáva relatívnou zmenou vstupného napätia U2, ktorá
sa vzahuje na zmenu okolitej teploty , uvedenej K (°C). Meria a udáva sa
pri kontantnom vstupnom napätí U1 a kontantnej záa
i RZ.
(1.4)
Typy stabilizátorov napätia
Poda spôsobu stabilizácie sa stabilizátory napätia delia na:
1) parametrické stabilizátory napätia (riadené zo vstupu),
2) spätnoväzobné stabilizátory napätia (riadené z vstupu).
Parametrické stabilizátory napätia
Parametrické stabilizátory napätia sa pou
ívajú na stabilizáciu napätia pri odoberanch
prúdoch rádovo jednotky a
desiatky mA. Pre realizáciu tchto typov stabilizátorov sa
pou
ívajú elektronické prvky s vhodnou VA charakteristikou. Dobrm príkladom sú
napríklad Zenerove diódy, ktoré sa pou
ívajú pre stabilizáciu napätí rádovo jednotiek Voltov.
Pre stabilizáciu napätí rádovo desiatok voltov sa pou
ívajú tlejivky.
12
Obr. 1.8 Parametrick
stabilizátor napätia
Spätnoväzobné stabilizátory napätia
Spätnoväzobné stabilizátory rozdeujeme na sériové a paralelné. Súasami
spätnoväzobn
ch stabilizátorov napätia je regulan
len, zdroj referenného napätia, sníma
odch
lky a rozdielov
zosilova. Pri innosti stabilizátora je regulaná súiastka ovládaná
zosilnen
m napätím z rozdielového zosilovaa, ktoré vzniká v dôsledku odch
lky
v
stupného napätia U2 od referenného napätia.
Obr. 1.9 Spätnoväzobn
sériov
stabilizátor napätia
Literatúra
[1] KESL, J.: Elektronika I – analogová technika. BEN, Praha 2006.
[2] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981
[3] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981
[4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk
Mikulá, 2007
13
Laboratórne meranie
Zadanie
1)
2)
3)
Zmerajte AV charakteristiku polovodi
ovch diód.
Zmerajte odporov deli
a stabilizátor napätia so Zenerovou diódou.
Meranie integrovanch stabilizátorov napätia radu MA 78xx.
Postup merania
1. Meranie AV-charakteristiky reálnej polovodiovej diódy
Najskôr zapojte prípravok pre priepustn smer a postupne zmerajte priepustné asti
AVCH vetkch 3 diód.
Pracovisko zapojte poda schémy:
Obr. 1.10 Meranie AVCH diódy v priepustnom smere
Zapojte A-meter cez predradn odpor R=10k na meranie asti AVCH
v priepustnom smere s cieom zachyti as charakteristiky v rozsahu napätia 0 – 1 V. Dajte
pozor na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P1 na minimum, tj. do avej krajnej
polohy. Krátkym vodi
om prepojte zdierku B s anódou diódy, najskôr u diódy D1.
Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah 1A, rozsah V-metra V1 na
hodnotu asi 15V. Voltmeter V2 pouite s vysokm vstupnm odporom, o je elektrónkov
14
alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick
rozsah pre volty, alebo rozsah do 10V. Ak
by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Postupne nastavte 10 hodnôt U1 potenciometrom P1 a pre kadú hodnotu odítajte
údaje U2 a I. Hodnoty napätia U1 volte v rozsahu do 1V, na t
chto hodnotách budete meranie
vykonáva.
Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvyujte napätie poda V-metra V1.
Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapíte do tabuky 1.1 pre diódu D1 a priepustn
smer.
Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte analogicky pre diódu D2 a potom pre
diódu D3. Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapíte do tabuky 1.2 a 1.3.
alej zapojte prípravok pre meranie AVCH v závernom smere. Postupne zmerajte
AVCH vetk
ch 3 diód v závernom smere.
Pracovisko zapojte poda schémy:
Obr. 1.11 Meranie AVCH diódy v závernom smere
Zapojte A-meter cez predradn
odpor R=100 na meranie AVCH v závernom
smere. Dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P1 na minimum, tj. do avej
krajnej polohy. Krátkym vodiom prepojte zdierku B s anódou diódy, najskôr u diódy D1.
Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo mA, potom budete
postupne zniova rozsah na hodnoty rádovo μA. Rozsah V-metra V1 nastavte na hodnotu asi
15V. Voltmeter V2 pouite s vysok
m vstupn
m odporom, o je elektrónkov
alebo digitálny
V-meter, nastavte na automatick
rozsah pre volty, alebo rozsah do 15V. Ak by bolo potrebné
meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
15
Postupne nastavte 10 hodnôt U1 potenciometrom P1 a pre kadú hodnotu od
ítajte
údaje U2 a I. Hodnoty napätia U1 volte v rozsahu do 12V. Hodnoty napätia U1 zapíte do
tabuky 1.1.
Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvyujte napätie na zvolené hodnoty
poda voltmetra V1. Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapíte do tabuky 1.1 pre diódu
D1 v závernom smere.
Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte pre diódu D2 a potom pre diódu D3.
Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapíte do tabuky 1.2 a 1.3.
Tab. 1.1 Namerané hodnoty pre diódu D1
Priepustn smer – D1
Meranie
U1
I
U2
Meranie
íslo
[V]
[A]
[V]
íslo
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
Tab. 1.2 Namerané hodnoty pre diódu D2
Priepustn smer – D2
Meranie
U1
I
U2
Meranie
íslo
[V]
[A]
[V]
íslo
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
Tab. 1.3 Namerané hodnoty pre diódu D3
Priepustn smer – D3
Meranie
U1
I
U2
Meranie
16
Závern smer – D1
U1
I
[V]
[A]
U2
[V]
Závern smer – D2
U1
I
[V]
[A]
U2
[V]
Závern smer – D3
U1
I
U2
íslo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[V]
[A]
[V]
íslo
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
[V]
[A]
[V]
Z nameranch hodnôt zostrojte 3 grafy pre kadú diódu osobitne U2 = f(U1), I=f(U2).
Z AVCH vyhodnote prahové napätie UP.
V katalógu vyh
adajte charakteristické hodnoty priepustného prúdu IF a záverného
napätia UR pouitch diód a porovnajte ich s nameranmi hodnotami.
•
•
•
Poznámky:
Pouité typy Si diód sú: D1 – usmerovacia dióda KY130/80, D2 – Zenerova dióda
3NZ70, D3 – Schotkyho dióda 1N5819.
Meranie AV charakteristiky v priepustnom smere zbytone nepredlujte, nako
ko
dochádza k zahrievaniu diódy a potenciometra pretekajúcim prúdom.
Pre meranie prúdu v závernom smere pouite mikroampérmeter, napr. Metex P-10.
2. Meranie odporového delia a stabilizátora napätia so Zenerovou diódou.
Meranie odporového delia
Zmerajte závislosti UVYST = f(UVST) a IVST = f(UVST) odporového delia.
Najskôr zapojte prípravok pre meranie odporového delia. Pracovisko zapojte pod
a
schémy:
17
Obr. 1.12 Meranie odporového deli
a
Zapojte meracie prístroje a dbajte na správnu polaritu prístrojov. Nastavte
potenciometer P1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi
om prepojte zdierku
B s rezistorom 75.
Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo 1A, rozsah V-metra V1 na
hodnotu asi 15V. Voltmeter V2 pouite s vysokm vstupnm odporom, o je elektrónkov
alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre volty, alebo rozsah do 15V. Ak
by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Do tabuky 1.1 si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V1 v rozsahu napätia do 12V, na
ktorch budete meranie vykonáva. Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj.
Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvyujte napätie poda V-metra V1.
Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapíte do tabuky v asti pre potenciometer.
Vypnite napájanie obvodu.
Meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou
diódou.
Zmerajte závislosti UVYST = f(UVST) a IVST = f(UVST) pre stabilizátor so Zenerovou
Zapojte prípravok pre meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou.
Pracovisko zapojte poda schémy:
18
Obr. 1.13 Meranie stabilizátora so Zenerovou diódou
Zapojte meracie prístroje a dbajte na správnu polaritu prístrojov. Nastavte
potenciometer P1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi
om prepojte zdierku
B s katódou Zenerovej diódy D1. Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo
do 1A, rozsah V-metra V1 na hodnotu do 15V. Voltmeter V2 pouite s vysokm vstupnm
odporom, to je elektrónkov alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre
volty, alebo rozsah do 15V. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je
potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Do tabuky si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V1 v rozsahu do 12V, na ktorch
budete meranie vykonáva. Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj.
Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvyujte napätie poda V-metra V1.
Namerané hodnoty zapíte do tabuky v asti pre stabilizátor napätia so ZD.
Vypnite napájanie obvodu.
Tab. 1.4 Meranie odporového deli
a a stabilizátora napätia so ZD
Odporov deli
Stabilizátor napätia so ZD
Meranie
U1
I
U2
Meranie
U1
I
U2
íslo
[V]
[A]
[V]
íslo
[V]
[A]
[V]
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
19
Z nameran
ch hodnôt zostrojte 2 grafy pre odporov
deli aj pre stabilizátor napätia
so Zenerovou diódou: U2 = f(U1), I=f(U1).
V katalógu vyhadajte charakteristické hodnoty Zenerovho prúdu IZ a Zenerovho
napätia UZ pre zapojenú Zenerovu diódu a porovnajte ich s nameran
mi hodnotami.
•
Poznámky:
Pouit
typy Zenerovy diódy: D1 – 3NZ70.
3. Meranie integrovanch stabilizátorov napätia radu MA 78xx
Zmerajte prenosovú charakteristiku UVYST = f(UVST) kadého stabilizátora radu
MA78xx osobitne a prenosové charakteristiky UVYST4 = f(UVYST3) = f(UVYST2) = f(UVYST1) =
f(UVST) kaskády stabilizátorov. Meranie vykonajte v stave naprázdno, tj. pre IVYST4 = IVYST3 =
IVYST2 = IVYST1 = 0.
Na meranie prenosov
ch charakteristík t
chto stabilizátorov bol skontruovan
prípravok, ktor
umouje mera nielen na kadom stabilizátore osobitne, ale aj na kaskáde
t
chto stabilizátorov. Stabilizátory sú vyrábané ako integrované obvody a v praxi sa pomerne
asto vyuívajú.
Na obrázku prípravku kaskády stabilizátorov je v hornej asti uvedená schéma
regulovateného Greatzovho usmerovaa. Vstupné striedavé napätie môe by maximálne
do 31V. V
stupné napätie je jednosmerné, regulované potenciometrom P1. V spodnej asti sú
nakreslené dvojbrány, kadá predstavuje zapojenie integrovaného stabilizátora radu MA78xx.
Pod nákresom prípravku je schéma vnútorného zapojenia kadého stabilizátora napätia
a tabuka maximálnych vstupn
ch napätí pri menovitom v
stupnom napätí stabilizátora.
20
Obr. 1.14 Prípravok kaskády stabilizátorov
21
Obr. 1.15 Meranie stabilizátora kadého osobitne
Pripojte meracie prístroje k prípravku a dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte
potenciometer Greatzovho usmerovaa na minimum, tj. do avej krajnej polohy.
Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V1 , V2 a V3 na hodnotu minimálne 30V. Vmeter V1 je striedav
, V-meter V2 a V3 sú jednosmerné. Ak by bolo potrebné meni rozsah
meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Pre meranie prenosov
ch charakteristík zvote vdy minimálne 10 hodnôt napätia U2
v rozsahu, odporúanom pre meran
stabilizátor.
Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmerovaa zvyujte
napätie na zvolené hodnoty U2 . Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch
stabilizátotrov, aby neprekroilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U3 zapíte
do spolonej tabuky.
Vypnite napájanie obvodu.
Meranie opakujte pre alie tri stabilizátory. Prepojte napájanie a V-metre V1 a V2
analogicky pre druh
a tvrt
stabilizátor. Potenciometer Greatzovho usmerovaa vdy
nastavte do avej krajnej polohy, tj. na minimum.
Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmerovaa zvyujte
napätie na zvolené hodnoty U2 . Dbajte na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby
neprekroilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U3 zapíte do tabuky 1.5
a 1.6.
22
Tab. 1.5 Meranie stabilizátorov napätia radu MA78xx
Stabilizátor MA 7824
Stabilizátor MA 7815
Meranie
U1
U2
U3
Meranie
U1
U2
íslo
[V]
[V]
[V]
íslo
[V]
[V]
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
Tab. 1.6 Meranie stabilizátorov napätia radu MA78xx
Stabilizátor MA 7812
Stabilizátor MA 7805
Meranie
U1
U2
U3
Meranie
U1
U2
íslo
[V]
[V]
[V]
íslo
[V]
[V]
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
U3
[V]
U3
[V]
Z nameranch hodnôt zostrojte grafy U3=f(U2) pre kad stabilizátor. Grafy
nakreslite do spoloného obrázku.
Potom zapojte prípravok pre meranie iastkovch prenosovch charakteristík UVYST4
= f(UVYST3) = f(UVYST2) = f(UVYST1) = f(UVST) kaskády stabilizátorov napätia v stavu
nezaaenom, tj. IVYST1 = 0. K tomu pripojte na vstup prvého z ava stabilizátora, regulované
napätie z regulovaného Greatzovho usmerovaa.
Pracovisko zapojte poda schémy:
23
Obr. 1.16 Meranie kaskády stabilizátorov
Pripojte V-metre V1 a V2 v rámci tohto merania natrvalo na vstup a v
stup
regulovaného Greatzovho usmerovaa. Meranie na pozíciach V3, V4, V5, V6 môete
realizova jedn
m V-metrom postupne. Voltmetre V3, V4, V5, V6 zvote s vysok
m vstupn
m
odporom, aby ste nezaaovali jednotlivé stabilizátory.
Zapojte meracie prístroje a dbajte na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P1
regulovaného Greatzovho usmerovaa na minimum, tj. do avej krajnej polohy.
Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V1 , V2 a V3 na hodnotu minimálne 30V. Vmeter V1 je striedav
, V-meter V2 , V3 , V4, V5, V6 sú jednosmerné. Ak by bolo potrebné
meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Pre meranie charakteristík zvote minimálne 20 hodnôt napätia U2 v rozsahu,
odporúanom pre meran
stabilizátor a zapíte ich do tabuky.
Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom zvyujte napätie Greatzovho
usmerovaa na zvolené hodnoty napätia U2 . Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch
stabilizátotrov, aby neprekroilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty zapíte do
spolonej tabuky 1.7.
Z nameran
ch hodnôt zostrojte priebehy prenosov
ch charakteristík U3=f(U2),
U4=f(U2), U5=f(U2), U6=f(U2). Tieto charakteristiky zakreslite do spoloného obrázku.
24
Tab. 1.7 Meranie kaskády stabilizátorov radu MA78xx
7824
7815
U1
U2
U3
U4
Meranie
~
=
=
=
íslo
[V]
[V]
[V]
[V]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
•
7812
U5
=
[V]
7805
U6
=
[V]
Poznámka:
Ako stabilizané prvky sú pou
ité obvody MA7824, MA7815, MA7812, MA7805.
V závere porovnajte priebehy prenosovch charakteristík pri meraní ka
dého
stabilizátora napätia radu MA78xx osobitne a priebehy prenosovch charakteristík kaskády
tchto stabilizátorov. Zdôvodnite rozdiely v charakteristikách a vysvetlite mieru stabilizácie
u oboch druhov zapojení. Vimnite si zmeny stabilizovaného napätia pri minimálnom
a maximálnom napätí, pri ktorom obvod stabilizuje vstupné napätie. Rovnako si vimnite
mieru stabilizácie u kaskádového zapojenia.
Literatúra
1.
2.
3.
4.
STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov. ALFA,
Bratislava 1988.
5. LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
6. KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
7. LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007
25
2. Meranie bipolárneho tranzistora
Teoretick rozbor
Princíp innosti bipolárneho tranzistora objavili v závere roku 1947 dvaja americkí
fyzici John Bardeen a Walter Houser Brattain a neskôr ho vysvetlil Wiliam Bradford
Shockley. Zosilovanie slab
ch elektrick
ch signálov, ktoré sa dovtedy uskutoovalo vo
vyerpanej banke elektrónky, sa tranzistorom podarilo uskutoni v pevnej fáze hmoty. Nov
princíp v
znamne etril energiu a podstatne zmenil rozmery zosilovacieho prvku.
Základn princíp innosti bipolárnych tranzistorov
Bipolárny tranzistor, poda Obr. 2.1 je vhodne technologicky upravená
monokrytalická dotika, ktorá je dvomi rozhraniami rozdelená na tri vrstvy. Usporiadanie
vrstiev umouje vytvára dve modifikácie tranzistorov – PNP a NPN:
Obr. 2.1 Usporiadanie bipolárnych tranzistorov a) typ PNP, b) typ NPN
Princíp innosti NPN tranzistorov je nasledovn
:
Pre tranzistor typu NPN by bolo zapojené napätie medzi kolektorom a emitorom
(kladné napätie U je na kolektore C a záporné napätie U na emitore E) je prechod BE
v priepustnom smere a CB je závernom smere. V tomto prípade medzi emitorom a
kolektorom EC nepreteká prúd (preteká len minoritn
prúd). Ak priloíme na bázu B napätie
a cez prechod BE v priepustnom smere zane preteka prúd, elektróny zanú prúdi z emitora
cez bázu do kolektora. Tu hovoríme, e tranzistor sa zaína otvára. Pri kremíkov
ch
tranzistoroch treba na otvorenie 0,5 V a 0,7 V na prechode BE, pri germániov
ch
tranzistoroch je to okolo 0,25 V. Pri odpojení napätia z bázy B sa tranzistor opä vráti do
nevodivého stavu.
Pri vek
ch bázov
ch prúdoch sa báza správa ako N-polovodi. Z tranzistora sa stane
akoby jeden N-blok, t.j. úplne sa otvorí. Ke sa v tomto prípade bude stále zvyova bázov
prúd, kolektorov
prúd sa u alej zvyova nebude. Tento stav naz
vame saturácia. Pri
zmene napájacích napätí sa bude saturovan
tranzistor zatvára. Na zr
chlenie procesu
26
vypínania tranzistor sa vo VF obvodoch pridáva do tranzistora medzi kolektor a bázu CB ete
tzv. antisatura
ná dióda.
Zapojenie bipolárnych tranzistorov
Existujú tri spôsoby zapojenia bipolárnych tranzistorov - zapojenie so spolo
nou bázou
(SB), so spolo
nm emitorom (SE) a zapojenie so spolo
nm kolektorom (SC).
.
Obr. 2.2 Zapojenie bipolárnych NPN tranzistorov: a) so SB, b) so SE, c) so SC.
Naj
astejie sa pouíva zapojenie so spolo
nm emitorom, pretoe ním mono
dosiahnu prúdové i napäové zosilnenie.
Zapojenie so spolo
nm kolektorom sa vyzna
uje predovetkm vemi vekm
vstupnm odporom, ale napäové zosilnenie je blízke 1. Vysok vstupn a nízky vstupn
odpor tohto zapojenia sa vyuíva najviac. Zapojenie SC sa ale vyzna
uje aj vekm
prúdovm zosilnením.
Zapojenie SB je ale prúd emitora len o málo vä
í ako prúd v kolektore. V zapojení so
spolo
nou bázou je moné dosiahnu len zosilnenie napätia, preto sa tento spôsob pouíva
málo.
Pri rôznych zapojeniach s tranzistormi sa merajú nasledujúce charakteristiky:
•
•
•
vstupné charakteristiky – III. kvadrant, závislos IB = f ( UBE ),
vstupné charakteristiky – I. kvadrant, závislos IC = f ( UCE ),
prevodové charakteristiky – II. kvadrant, závislos IC = f ( IB ).
27
Na základe tchto charakteristík je potom moné uri, ako sa v danom zapojení bude
tranzistor správa - tzn. aké prúdy a napätia budú na jednotlivch vvodoch tranzistora.
Obr. 2.3 Zobrazenie charakteristík tranzistora
Literatúra
[1] HOTTMAR, V. 2005.Analógové obvodové systémy I Predná
ky 1-EDIS,
2005. U, ISBN 80-8070-449-X.
[2] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983
[3] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990
[4] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981
[5] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá
, 2007
28
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Zmerajte vstupnú AVCH bipolárneho tranzistora IC = f(UCE) pri IB = kont. v zapojení
so SE.
2) Zmerajte vstupnú charakteristiku bipolárneho tranzistora UBE = f(IB) pri UCE = kont.
v zapojení so SE.
3) Zmerajte prevodnú AVCH bipolárneho tranzistora IC = f(IB) pri UCE = kont. v zapojení
so SE.
4) Z nameranej siete jednosmernch charakteristík urite pre polohu pracovného bodu
dvojbránové “hik“ parametre v zapojení so SE.
Postup merania
Meranie vstupnch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE
Meracie prístroje zapojte poda zodpovedajúcej schémy, obrázok 2.4:
Obr. 2.4 Meranie vstupnch AVCH bipolárneho tranzistora
Pripojte zdroje jednosmerného napätia UDC1, UDC2 s polaritou poda druhu
tranzistora NPN. Pre tranzistor typu NPN by bol zapojen analogicky, avak s odpovedajúcou
polaritou pripojeného vstupného a kolektorového napätia.
Potenciometre P1 a P2 nastavte na minimum, to je do avej krajnej polohy.
Na meracích prístrojoch nastavte predpokladané maximálne rozsahy hodnôt.
Zapojenie si nechajte prekontrolova
!
29
Zapnite napájanie zdroje.
Potenciometrom P1 nastavujte prúd IB na hodnotu poda tabuky nameranch hodnôt
a udrujeme ju kontantnú. Potom potenciometrom P2 nastavujte hodnoty napätia UCE
v rozsahu 2 ÷ 11V. Merajte hodnoty prúdu IC , I C = f (U CE ) pre IB=kont. Namerané
hodnoty IC zapisujte do tabuky 2.1.
Tab. 2.1 Meranie vstupnch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE
IB [μA]
.Namerané hodnoty IC = f(UCE) pri IB = kont.
UCE [V]
10
2
3
4
5
7
9
11
2
3
4
5
7
9
11
2
3
4
5
7
9
11
2
3
4
5
7
9
11
2
3
4
5
7
9
11
IC [mA]
UCE [V]
30
IC [mA]
UCE[V]
50
IC[mA]
UCE[V]
80
IC[mA]
UCE[V]
100
IC[mA]
Pre meran tranzistor vypo
ítajte hodnoty PCmax a hodnoty ICmax pre zadané UCE.
Vypo
ítané hodnoty zapíte do tabuky 2.2.
Tab. 2.2 Vpo
et hodnoty PCmax a hodnoty ICmax pre zadané UCE
UCE
[V]
ICmax[m
A]
PCmax[W
]
2
3
4
5
7
9
11
Z nameranch hodnôt zostrojte grafy pre vetky IB : I C = f (U CE ) pre IB=kont.
Z vypo
ítanch hodnôt zostrojte grafy: PC max = f (U CE ) , I C max = f (U CE ) .
30
Meranie vstupnch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE
Meracie prístroje zapojte poda schémy zapojenia, obrázok 2.4.
Meraná charakteristika U BE = f ( I B ) pre U CE = konst.
•
•
•
•
•
Na meranie pouite zapojenie so SE.
Potenciometrom P2 nastavte postupne kontantné hodnoty UCE v rozsahu 1 ÷ 11V.
Potenciometrom P1 mete prúd bázy IB poda hodnôt v alej uvedenej tabuke a na
elektrónkovom voltmetri odítajte napätie bázy UBE . POZOR! V podstate meriate AVCH
diódy v priepustnom smere. Aby ste charakteristiku zmerali o najpresnejie, musíte
vemi citlivo nastavova prúd IB.
Pre hodnoty IB = 2 ÷ 50μA merajte so zaraden
m odporom RB = 10k, pre hodnoty IB>
50μA merajte bez zaradeného odporu RB.
Namerané hodnoty zapíte do tabuky 2.3.
Tab. 2.3 Meranie vstupn
ch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE
UCE [V]
1
Namerané hodnoty UBE = f(IB) pri UCE = kont.
IB [μA]
2
5
10
20
50
100
200
2
5
10
20
50
100
200
2
5
10
20
50
100
2
5
10
20
50
2
5
10
20
50
500
UBE [V]
2
IB[μA]
UBE[V]
5
IB[μA]
UBE[V]
9
IB[μA]
UBE[V]
11
IB[μA]
UBE[V]
Meranie prúdovch prenosovch charakteristík v zapojení so SE
Meracie prístroje zapojte poda schémy (zapojenie z predchádzajúcej úlohy
merania).
I C = f ( I B ) pre U CE = konst.
(2.1)
31
•
•
•
Potenciometrom P2 nastavte zadané napätie UCE poda hodnôt v alej uvedenej tabuke.
Potenciometrom P1 nastavujte stanovené mete prúd bázy IB a odítajte odpovedajúce
hodnoty prúdu IC . Nastavené a namerané hodnoty zapíte do tabuky 2.4.
Pre hodnoty IB = 2 ÷ 50μA merajte so zaradenm odporom RB , pre hodnoty IB> 50μA
merajte bez zaradeného odporu RB.
Tab. 2.4 Meranie prúdovch prenosovch charakteristík v zapojení so SE
UCE [V]
1
Namerané hodnoty IC = f(IB) pri UCE = kont.
IB [μA]
10
20
50
100
150
200
10
20
50
100
150
200
10
20
50
100
150
10
20
50
80
10
20
50
70
IC [mA]
2
IB[μA]
IC[mA]
5
IB[μA]
IC[mA]
9
IB[μA]
IC[mA]
11
IB[μA]
IC[mA]
Rieenie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora
Meracie prístroje zapojte poda schémy, obrázok 2.4.
32
Obr. 2.4 Rieenie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora
Tranzistor je zapojen ako NF jednostupov zosilova.
Takto tranzistorov obvod mô
eme opísa tyrmi nezávislmi rovnicami pre
premenné IB, UBE, IC, UCE a ich rieením uri hadané hodnoty pre pracovn bod PA.
• Rovnice vstupnch charakteristík:
I C = h22 U CE pre I B = konst.
•
(2.2)
Rovnica kolektorového obvodu (zostavená poda 2. Kirchhoffovho zákona):
U DC 2 = RC I C + U CE + RE (I B + I C )
(2.3)
Rieením dostaneme zaa
ovaciu priamku a prenesením prieseníku s vstupnmi
charakteristikami dostaneme závislos IC = f(IB) v II. Kvadrante charakteristík.
•
Rovnica vstupnch charakteristík:
U B = h11 I B pre U CE = konst.
•
(2.4)
Rovnica obvodu bázy (odvodená analogicky ako rovnica kolektorového obvodu):
U DC1 = RB I B + U BE + RE (I B + I C )
(2.5)
Rieením tejto rovnice dostaneme sie priamok v III. kvadrante charakteristík, ktoré
pretínajú vstupnú charakteristiku. Nakoko sú tieto priamky pre rôzne prúdy IC 0, potom
prenesením tchto prieseníkov do II. kvadrantu charakteristík dostaneme opä funknú
závislos IC = f(IB). Prieseník s krivkou IC = f(IB) je hadanm pracovnm bodom P0.
Prenesením pracovného bodu P0 po rovnobe
kách do I. a III. kvadrantu charakteristík je
mo
né na osiach odíta zodpovedajúce hodnoty IC, UCE, IB, UBE .
33
Príklad
Je dan obvod poda schémy pre NF jednostupov zosilova, zapojen poda
obrázku 2.4, s hodnotami: UC = 15V, UB = 4V, RC = 680, RE = 200, RB = 20k.
Vypoítajte dva body pre kontrukciu zaa
ovacej priamky, vypoítajte hodnotu prvkov
vstupného obvodu pre nastavenie pracovného bodu v triede A. Vypoítajte hiKE parametre pre
vypoítan pracovn bod tranzistora.
Rieenie:
1) V prvom kroku vypoítame prúd IC rieením rovnice vstupného obvodu UDC2 =
RCIC+UCE+RE(IB+IC)
bod A:
IC = 0
IB = 0
UDC2 = UCE = 15V
bod B:
UCE = 0
IB = 0
IC =
U DC 2
15
=
= 0,017 A
RC + RE 880
(2.6)
Body A a B vyneste na osi UCE a IC vstupnej charakteristiky tranzistora a spojte ich.
Vznikne zaa
ovacia priamka. Prieseníky s charakteristikami preneste do II. kvadrantu ako
závislos IC = f(IB) a vykreslite ich.
2) V alom kroku riete rovnicu vstupného obvodu. Poítajte prúd IB pre zadané
hodnoty prúdu IC.
UDC1 = RBIB+UBE+RE(IC+IB)
bod C:
bod D:
IC = 0
IC = 0
UBE = 0
(2.7)
IB =
U DC1
4
=
= 198μA
RB + RE 20200
(2.8)
IB – zvoli o osi mení ako bolo vypoítané, napr. 180μA
UBE = UB-(RB+RE)IB = 4 – 3,6 = 0,4V
(2.9)
Vyneste body C a D a zakreslite priamku pre IC = 0 . alie priamky sa zostrojujú
takto: Prúd IC treba voli z radu napr. 2, 4, 6, ....... mA a a vypoítajte IB pre IC = 2mA pri UBE
=0.
bod E:
IB =
U DC1 RE I C 4 0,4
=
= 178μA
RE RB
20200
Pri zmene IC o 2mA sa potom zmení IB o 20μA.
Potom pre: IC = 4mA
bude: IB = 158μA
34
(2.10)
IC = 6mA
IC = 8mA
IC = 10mA
IC = 12mA
IC = 14mA
bude: IB = 138μA
bude: IB = 118μA
bude: IB = 98μA
bude: IB = 78μA
bude: IB = 58μA at.
Hodnoty IB sa vynesú na os IB a zakreslia sa rovnobeky s priamkou pre IC = 0 .
Vzniknú priese
níky so vstupnou charakteristikou pre UCE = 7V a tieto sa prenesú do II.
kvadrantu ako funkcia IC = g(IB). Priese
ník s IC = f(IB) je hadan pracovn bod so
súradnicami:
UCE = 7V
P0 { IC = 9mA;
IB = 70μA; UBE = 600mV} .
3) V tomto pracovnom bode je moné vypo
íta hiKE parametre:
h11E =
U BE
40.10 3
=
= 0,4.10 3 = 400
6
I B
100.10
pre U CE = konst.
(2.11)
h12 E =
U BE 120.10 3
=
= 19,3.10 3
U CE
6,2
pre I B = konst.
(2.12)
pre U CE = konst.
(2.13)
pre I B = konst.
(2.14)
h21E
I C 10,1.10 3
=
=
= 0,166.10 3 = 166
6
I B
60.10
h22 E =
I C
0,75.10 3
=
= 0,75.10 4 S
U CE
10
Úlohy na zapracovanie do protokolu:
•
•
•
•
•
Do protokolu uvies podmienky, za ktorch meranie prebiehalo (teplota, atmosférick
tlak).
Z nameranch hodnôt zostroji sie vstupnch charakteristík pre zadané hodnoty IB , IC =
f(UCE) pri IB = kont. , popísa súradnicové osy, vyzna
i medzné hodnoty pre meranie
(ICmax, UCEmax, PCmax) pre tranzistor KF508 a vynies krivku kolektorovej straty PCmax =
UCE . IC .
Z nameranch hodnôt analogicky zostroji sie prenosovch IC = f(IB) pri UCE = kont.
a vstupnch UBE = f(IB) pri UCE = kont. charakteristík pre zadané hodnoty UCE .
V sieti statickch charakteristík vy
íta pre katalógov pracovn bod dan hodnotami UCE
a IC , parametre h11E , h12E , h21E , h22E tak, aby bolo na prv pohad vidno, odkia boli
od
ítané iastkové delty (IC , UCE , IB , UBE ) a porovna ich s katalógovmi
hodnotami.
Vyhodnoti spôsoby merania tranzistora z hadiska pouitenosti v elektrickom obvode.
35
V závere vyjadrite, ako sú uvedené spôsoby merania tranzistora potrebné pre
praktickú aplikáciu tranzistora do elektrického obvodu.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn
. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
36
3. Meranie NF zosilovaa
Teoretick rozbor
Nízkofrekvenn
(NF) zosilova je zosilova, ktorého úlohou je zosilni ak
kovek
nízkofrekvenn
signál pre jeho alie spracovanie. Príkladom ich zapojenia je napr.
v
konov
zosilova, napäov
zosilova at. NF zosilovae sa delia na:
1) Predzosilovae, ktor
ch úlohou je zosilni signál vemi nízkej úrovne,
získan
napríklad z napäov
ch snímaov. Vetky takéto signály sa zosilujú
napäovo.
2) V
konové zosilovae, ktoré zosilujú vetky signály napäovo a prúdovo.
Základné parametre NF zosilovaov
Základné parametre, ktoré charakterizujú NF zosilovae, sú:
1) V
konové zosilnenie:
(3.1)
2) Prúdové zosilnenie:
(3.2)
3) Napäové zosilnenie:
(3.3)
4) Zisk: udáva sa v dB, priom môe by napäov
, v
konov
alebo prúdov
:
(3.4)
(3.5)
(3.6)
37
5) Amplitúdovo-frekvenná charakteristika, ktorá vyjadruje závislos zosilnenia
NF zosilovaa od frekvencie. Priom: fd, fh - hraniné (medzné) frekvencie, f0
- stredná frekvencia.
Obr. 3.1 Amplitúdovo-frekvenná charakteristika NF zosilovaa
6) Fázovo-frekvenná charakteristika vyjadruje závislos fázového posunu
v
stupného signálu NF zosilovaa od frekvencie:
Obr. 3.2 Fázovo-frekvenná charakteristika NF zosilovaa
7) Lineárne skreslenie vzniká vplyvom frekvenn
ch závislostí vlastn
ch
súiastok a prejavuje sa zmenou tvaru v
stupného signálu, vzhadom na signál
vstupn
. Skreslenie je spôsobené odch
lkami v amplitúde a vo fáze. Pre
neskreslen
prenos musí plati, e zosilnenie je kontantné v celom rozsahu
frekvencií.
38
8) Nelineárne skreslenie sa prejavuje prítomnosou vyích harmonick
ch
zloiek, ktor
ch frekvencia môe by celistv
m násobkom základnej
frekvencie, napr. frekvencie siete. Nelineárne skreslenie vzniká vplyvom
zapojen
ch nelineárnych súiastok a je dané koeficientom nelineárneho
skreslenia kn:
(3.7)
kde: Ai je amplitúda i-tej harmonickej. A1 je amplitúda 1. harmonickej, U je
poet harmonick
ch.
9) Dynamick
rozsah D je uren
lineárnou asou amplitúdovej charakteristiky a
je definovan
vzahom:
(3.8)
kde: U1max je maximálna amplitúda vstupného napätia na lineárnej asti
amplitúdovej charakteristiky, U1min je minimálna amplitúda tohto napätia.
Triedy zosilovaov
Niektoré vlastnosti NF zosilovaov závisia od toho, v ktorom mieste v
stupnej
charakteristiky zosilovacieho prvku je umiestnen
tzv. kudov
pracovn
bod PO. Poda
toho rozliujeme 4 triedy zosilovaov: triedu A (PA), triedu B (PB), triedu AB (PAB) a triedu
C (PC).
Trieda A:
U zosilovaa triedy A sa kudov
pracovn
bod PA nachádza v strede zaaovacej
priamky v
stupnej AV charakteristiky a uhol otvorenia zosilovacieho prvku je 360° (prúd
teie t
mto prvkom poas celej periódy vstupného signálu). Zosilova triedy A sa vyuíva
predovetk
m v aplikáciách, kde sa nekladie dôraz na zosilnenie a úinnos, ale vyaduje sa
malé skreslenie signálu.
39
Obr. 3.3 Charakteristiky NF zosilovaa triedy A
Trieda B:
U zosilovaa triedy B sa kudov
pracovn
bod PB nachádza v mieste minimálneho
kolektorového prúdu, na zaaovacej priamke zosilovacieho prvku a AV charakteristike pre
prúd IB = 0. Uhol otvorenia je 180° (prúd teie t
mto prvkom len poas jednej pol periódy
vstupného signálu). V porovnaní so zosilovaom v triede A má toto zapojenie väiu
úinnos. Nev
hodou je vyie skreslenie v dôsledku neharmonického v
stupného signálu.
40
Obr. 3.4 Charakteristiky NF zosilovaa triedy B
Trieda AB:
U zosilovaa triedy AB sa k
udov pracovn bod PAB nachádza na zaaovacej
priamke v asti AV charakteristiky pre IB = (0 a 0,5IB max) a uhol otvorenia zosilovacieho
prvku je v intervale od 180 do 360 stupov. Parametre zosilnenia a skreslenia sú na hodnotách
medzi hodnotami pre zosilova triedy A a triedy B.
41
Obr. 3.5 Charakteristiky NF zosilovaa triedy AB
Trieda C:
U zosilovaa v triede C sa k
udov pracovn bod PC nachádza v inom kvadrante ako
u zosilovaov tried A, AB, B. Najastejie je to mimo 1. kvadrant, to je v 2. kvadrante. Uhol
otvorenia zosilovacieho prvku je v tomto prípade mení ako 180°. Nevhodou tohto
zapojenia je vysoké skreslenie.
Obr. 3.6 Charakteristiky NF zosilovaa triedy C
42
Literatúra
[1] KOTISA, Z. : NF Zesilova
e I,II,III,IV. Praha: BEN - technická literatúra, 2002.
[2] JURKOVI, K. – ZODL, J.: Príru
ka nízkofrekven
nej obvodovej techniky.
Bratislava, Alfa 1985.
[3]http://sk.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADzkofrekven%C4%8Dn%C3%BD_zosil%C
5%88ova%C4%8D
[4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007
43
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Zmerajte prenosovú amplitúdovo-frekvennú charakteristiku
zosilovaa u2 = f(f) a vypoítajte napäové zosilnenie Au = u2/u1.
2) Zmerajte závislosti v
stupného v
konu: P2 = f(UBC), P2 = f(u1).
predloeného
NF
Postup merania
Meracie prístroje zapojte poda schémy, obrázok 3.6.
Obr. 3.7 Zapojenie NF zosilovaa
Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu NF generátor na minimum. Na
osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik).
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Meranie prenosovej amplitúdovo-frekvennej charakteristiky
AdB = 20 log
u2
u1
pre: u1 = kont.
(3.9)
Pripojte napájacie napätie UCC = 15V. Skontrolujte, i je kudov
prúd zosilovaa <
50mA. (Ak je väí, nepokraova v meraní a skutonos oznámi vyuujúcemu.)
Nastavte v
stupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u1 = 10mV resp. f
= 1kHz a odítajte amplitúdu napätia u2 . Na osciloskope skontrolujte priebeh v
stupného
napätia, i nie je skreslen
. (V prípade skreslenia nastaví priebeh vyuujúci regulan
m
odporom vnútri prípravku.)
Vstupné napätie u1 udrujte po celú dobu merania kontantné.
44
Merajte amplitúdu napätia vstupného napätie u2 v závislosti od frekvencie
vstupného napätia u1. Frekvenciu tohto napätia nastavujte z radu 10, 20, 50, 100 ....... Hz
a desa a sto násobky základného radu. Namerané vsledky zapíte do tabuky 3.1.
Tab. 3.1 Hodnoty merania frekvennej charakteristiky NF zosilovaa
u1 = 50mV
f[Hz]
u2[V]
Au =
u2/u2(1kHz)
[-]
AUdB =
20log(u2/u1)
[dB]
AdB =
20log(u2/u2(1kHz))
[dB]
APdB=
10logP2/P1
[-]
10
20
50
100
200
500
1000
2000
4000
8000
16000
32000
64000
100000
Z nameranch hodnôt vypoítajte pomerné zosilnenie vstupného napätia u2 ku
vstupnému napätiu pri frekvencii 1kHz u2 1kHz , zosilnenie v decibeloch AUdB , pomerné
zosilnenie vstupného napätia k 1kHz v decibeloch AdB , vkonové zosilnenie v decibeloch
u2
APdB . Pou
ite vzahy: F ( f ) = 20 log
[dB] a AdB = 20 log u 2 [dB]
uI
u1(1kHz)
Namerané a vypoítané hodnoty vyneste do grafov: u2 = f ( f ), Au = f ( f ) ,
AUdB = f ( f ) , AdB = f ( f ), APdB = f ( f ) pri u1 = kont. V grafoch znázornite a vyhodnote
írku pásma pre pokles o 3dB.
Meranie vstupného vkonu
Meranie vkonu P2 = f(UB)
Pre meranie vstupného vkonu P2 = f(UB) zapojte zdroj napájacieho napätia
zosilovaa a nastavte napätie UCC = 15V.
Skontrolujte, i kudov prúd zosilovaa je 50mA. Pre meranie kudového prúdu
odpojte vstup NF zosilovaa (tj. vstup NF generátora)!
Nastavte vstupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u1 = 10mV resp. f
= 1kHz.
45
Na osciloskope skontrolujte priebeh v
stupného napätia u2, i nie je skreslen
.
Zníte napájacie napätie UCC na 0V, potom postupne zvyujte a do hodnoty UB =
15V, pritom odítajte prísluné napätie na zaaovacom odpore RZ = 8,4.
Namerané hodnoty zapíte do tabuky 3.2.
Tab. 3.2 Hodnoty merania kudového prúdu NF zosilovaa
P2 = f(UB), u1 = 10mV, f = 1kHz, RZ = 8,4
UCC[V]
u2[V]
i2[A]
P2[W]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Z nameran
ch hodnôt vypoítajte pomocou vzahov: prúd i2 = u2/RZ a v
stupn
v
kon P2 = u22/RZ .
Po dobu celého merania udriavajte kontantné vstupné napätie u1 = 10mV
a frekvenciu f = 1kHz.
Vypoítané hodnoty vyneste do grafu P2 = f(UCC) .
Meranie vkonu P2 = f(u1)
Pre meranie v
stupného v
konu P2 = f(u1) zapojte zdroj napájacieho napätia
zosilovaa poda obrázku 3.6 a nastavte napätie UCC = 15V.
Nastavte frekvenciu NF generátora na frekvenciu f = 1kHz.
Postupne zvyujte vstupné napätie z u1 = 0V a do u1 = 100mV poda hodnôt,
uveden
ch v tabuke 3.3.
Napätia, namerané na rezistore RZ = 8,4 zapíte do tabuky 3.3.
Tab. 3.3 Meranie v
stupného v
konu P2
46
P2 = f(u1), UCC = 15V, f = 1kHz, RZ = 8,4
u1[mV]
u2[V]
P2[W]
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Z nameranch hodnôt vypoítajte vstupn vkon opä pomocou vzahu: P2 =
u22/RZ . Vypoítané hodnoty vyneste do grafu P2 = f(u1).
Úlohy na zapracovanie do protokolu:
•
•
•
Do protokolu uvete podmienky, za ktorch meranie prebiehalo (teplota, vlhkos,
atmosférick tlak).
Z nameranch a vypoítanch hodnôt zostrojte v
etky poadované charakteristiky pre
v
etky iastkové merania. Vhodné je pouitie logaritmickej stupnice frekvennej osi.
V grafe urite írku prená
aného pásma B meraného zosilovaa na úrovni poklesu o 3dB.
V závere vyhodnote, ako sa mení vstupn vkon P2 zosilovaa v závislosti na
vekosti UCC a u1 a o z toho vyplva pre pracovn reim zosilovaa.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
[7]LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá
, 2007
47
4. Meranie tranzistorového zosilovaa
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Vypoítajte základné vlastnosti predloeného tranzistorového NF zosilovaa pre
napájacie napätie UCC = 9V a zaaovací odpor RZ = 10k. Vypoítané vlastnosti
overte meraním vlastností tohto zosilovaa.
Postup merania
Najskôr zmerajte hodnoty odporov R1, R2, RC a RE (na prípravku) pri odpojenom
napájacom zdroji.
Pomocou grafu charakteristík tranzistora urite hodnoty parametrov k
udového
pracovného bodu P0 = PA ( pre UCE, IC, IB, UBE). Prúd bázy IB má by zvolen tak, aby
zosilova pracoval v triede A (s vyuitím nákresu zaaovacej priamky a dynamickej
prevodnej charakteristiky v grafe charakteristík tranzistora, obrázok 3.3 ).
Pre zvolen k
udov pracovn bod P0 a zmerané hodnoty odporov RC a RE
vypoítajte potrebnú ve
kos odporov R1, R2, graficky urite maximálnu amplitúdu
vstupného napätia a napäové zosilnenie zosilovaa AU = u2/u1 .
Niektoré vzahy 4.1 a 4.3, potrebné pre popis pomerov na prípravku zosilovaa:
U Rc + U CE + U Re = U B
U Rc = RC I C
(4.1)
U Re = RE (I B + I C )
U R1 + U BE + U Re = U B
(4.2)
I R1 = I B +
U BE + U Re
R2
(4.3)
Zapojte prípravok pod
a schémy na obrázku 4.1.
Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu na NF generátore na minimum. Na
osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik)
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
48
Obr. 4. 1 Zapojenie prípravku s tranzistorov
m NF zosilovaom
Nastavte na v
stupu NF generátora signál o frekvencii f0 = 1kHz a amplitúde 0,1V.
Zvyovaním amplitúdy vstupného napätia zosilovaa z minimálnej hodnoty overte
maximálnu hodnotu vstupnej amplitúdy pri ktorom nedôjde ku skresovaniu (orezávaniu)
v
stupného napätia. Na zobrazenie pouite osciloskop. Porovnajte s vypoítan
mi hodnotami.
Pomocou osciloskopu zmerajte amplitúdu vstupného a v
stupného napätia
zosilovaa. Dbajte, aby potenciometer prepínaa vertikálneho zosilnenia Y bol v polohe
„Kaliber“, v opanom prípade neplatí nastavené merítko prepínaa (V/dielik). Namerané
hodnoty zapíte do tabuky 4.1.
Vypoítajte napäové zosilnenie AU = u2/u1 , porovnajte ho s vypoítan
m (pre f =
1kHz).
Tab. 4.1 Meranie zosilnenia tranzistorového NF zosilovaa
f0 = 1kHz
u1[mV]
u2[V]
AU[-]
AU[dB]
10
Zmerajte dynamiku zosilovaa u2 = f(u1). Postupne mete napätie v rozsahu hodnôt,
uveden
ch v tabuke 4.2. Namerané hodnoty zapíte do tabuky 4.2.
Zmerajte AFCH charakteristiku NF tranzistorového zosilovaa AU = f(f). Postupne
mete frekvenciu f pri kontantnej amplitúde vstupného napätia zosilovaa u1 v rozsahu
hodnôt, uveden
ch v tabuke 4.3. Namerané hodnoty zapíte do tabuky 4.3. Zosilnenie
zosilovaa vypoítajte poda vzahu: AU = u2/u1 .
49
Tab. 4.2 Meranie dynamiky z tranzistorového NF zosilovaa
Dynamika zosilovaa u2 = f(u1)
u1[mV]
u2[V]
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tab. 4.3 Meranie AFCH charakteristiku NF tranzistorového zosilovaa
AFCH charakteristika NF zosilovaa AU = f(f)
f [Hz]
u1[mV]
100
30
200
30
500
30
1000
30
2000
30
5000
30
10000
30
20000
30
50000
30
100000
30
200000
30
500000
30
u2[V]
50
AU[-]
Úlohy na zapracovanie do protokolu:
•
•
•
•
•
•
Vypoítajte a zmerajte parametre kudového pracovného bodu P0.
Vypoítajte a zmerajte napäové zosilnenie a maximálnu amplitúdu vstupného a
vstupného signálu zosilovaa pre frekvenciu f0 = 1kHz.
Spracujte graf AFCH charakteristiky NF zosilovaa AU = f(f).
Spracujte prenosové charakteristiky (dynamika zosilovaa) u2 = f(u1).
Na základe nameranch charakteristík vyhodnote dolné a horné medzné frekvencie (fd
a fh) zosilovaa (pre pokles zosilnenia na úrove 0,707 AU max ) a vyznate írku
prenáaného frekvenného pásma.
Z grafu vyhodnote prenosové charakteristiky, maximálnu amplitúdu vstupného a
vstupného signálu, zdôvodnite, na om závisí.
V závere vyhodnote a porovnajte pre dan zosilova vypoítané a namerané
hodnoty na zosilovai.
Literatúra
[1] STRÁNSK
, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK
, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
[7] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007
51
5. Meranie tranzistora riadeného elektrickm poom
Teoretick rozbor
Dôleitou a perspektívnou elektronickou súiastkou je aj tranzistor riaden poom
(FET - Field Effect Transistor). Tranzistory FET patria medzi unipolárne tranzistory, kde je
elektrick prúd zaloen len na toku nosiov náboja jednej polarity - na kladnch dierach
alebo na zápornch elektrónoch.
Kon
trukcia FET tranzistora je tvorená polovodiovou truktúrou kanálu typu P (alebo
N) medzi opanmi polovodiovmi truktúrami typu N (alebo P) s vvodmi alebo
elektródami Source (angl. zdroj, emitor u bipolárneho tranzistora) a Drain (angl. odtok,
odvod, kolektor u bipolárneho tranzistora). Tok nosiov a teda elektrick prúd v kanále DrainSource je ovplyvovan elektrickm potenciálom, privedenm na riadiacu elektródu Gate
(angl. brána, hradlo), ktorá je tvorená bu polovodiom (JFET) alebo kovom.
Existujú dva základné typy FET tranzistorov. Kad z nich sa vyskytuje v dvoch
prevedeniach s rôznou polaritou (N - kanálov, podobne ako NPN u bipolárnych tranzistorov
a P - kanálov, o je obdoba PNP u bipolárnych tranzistorov):
•
•
JFET (oznaenie z anglického junction) - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou
PN prechodom,
MOSFET - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou izolanou vrstvou SiO2 (metaloxid-semiconductor).
Obr. 5.1 truktúra FET tranzistora
52
Charakteristiky FET tranzistorov
Rovnako ako pri bipolárnom, tak aj pri unipolárnom tranzistore sa merajú vstupné,
vstupné a prevodové charakteristiky. Merania sa vykonávajú poda zapojenia, ktoré je
znázornené na obrázku 5.2.
Obr. 5.2 Meranie charakteristík MOS FET tranzistora
Vstupné charakteristiky
Vstupné charakteristiky FET tranzistora vyjadrujú závislos
IG = f(UGS) pri UDS =
kont.
Vstupné charakteristiky
Vstupné charakteristiky znázorujú závislos
prúdu ID = f (UDS), pri UGS = kont.
Obr. 5.3 Vstupné charakteristiky FET tranzistora
53
Prenosové charakteristiky
Prenosové charakteristiky FET zobrazujú závislos prúdu ID = f (UGS), priom UT, je
tzv. prahové napätie, pri ktorom zaína tiec prúd ID.
Obr. 5.4 Prenosové charakteristika FET tranzistora
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn
. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
54
Laboratórne meranie
Zadanie
1) U zadaného typu FET tranzistora zmerajte a graficky spracujte sie jednosmern
ch
v
stupn
ch charakteristík: ID = f (UDS), pri UGS = kont.
2) U zadaného typu FET tranzistora zmerajte a graficky spracujte sie jednosmern
ch
prenosov
ch charakteristík: ID = f (UGS).
3) V zadanom pracovnom bode urite strmos ST a hodnotu v
stupnej vodivosti GDS .
4) Zo siete v
stupn
ch charakteristík odvote priebeh závislosti odporu vodivého kanálu
RDS = 1/ GDS
Postup merania
Najskôr sa oboznámte s vlastnosami a parametrami MOS FET tranzistora (aj poda
katalógu) aby ste vedeli vysvetli innos MOS FET tranzistora v elektrickom obvode.
Obvod zapojte poda schémy, obrázok 5.5.
Obr. 5.5 Meranie charakteristík FET tranzistora
Pred zapnutím nastavte potenciometre P1 a P2 na minimum, to je do avej krajnej
polohy. Na meranie napätia UDS pouite voltmeter s vek
m vnútorn
m odporom (Ri 1M). Na meranie prúdu ID a UGS poui ubovon
mA-meter a V-meter. V-metre nastavte
na rozsah minimálne =15V, A-meter nastavte na rozsah minimálne =300mA.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
55
Meranie vstupnch charakteristík
Nastavte potenciometrom P1 napätie UGS = 0V. Potenciometrom P2 zvyujte napätie
UDS2 od hodnoty 0V po 12V, poda tabuky 5.1. Pre kadú hodnotu UDS odmerajte prúd ID.
Namerané hodnoty zapíte do tabuky 5.1.
Meranie opakujte pre alie napätia UGS .
Pri UDS asi 10V pracuje tranzistor v nastenom stave. Dbajte, aby ste neprekro
ili
hodnotu PDmax! Toto platí rovnako pre UGS = 12, 8, 4V.
Tab. 5.1 Meranie vstupnch charakteristík FET tranzistora
UGS [V]
UDS [V]
12
8
4
0
-4
-8
ID [mA]
0.5
1
1,5
2
4
6
8
10
12
Z nameranch hodnôt vyneste do grafu sadu vstupnch charakteristík ID = f (UDS),
pri UGS = kont.
Do grafu vstupnch charakteristík zostrojte krivku vkonovej straty PDmax
meraného tranzistora. Priebeh krivky PDmax vypo
ítajte pre 7 zvolench hodnôt napätia UDS
a odpovedajúcich prúdov IDS.
Pre zadan pracovn bod M (UDS = 9V) zostrojte doty
nice k vstupnej
I D
[mS ]
charakteristike. Z prírastkov na doty
niciach vyhodnote strmos ST : S T =
U GS
I D
[mS ]
a vodivos GDS : G DS U DS
V bode UDS = 5V zostrojte rovnobeku s osou ID a v priese
níkov so sieou
vstupnch charakteristík zostrojte doty
nice ku krivkám. Zistite hodnoty RDS a vypracujte
graf závislosti RDS = f(UGS) pri UDS = 5V ( RDS = UDS/IDS pre UGS ).
56
Tab. 5.2 Meranie závislosti RDS = f(UGS) pri UDS = 5V
UDS = 5V
UGS[V]
ID[mA]
RDS[]
Meranie prenosovch charakteristík
Nastavte potenciometrom P2 napätie UDS = 4V. Potenciometrom P1 mete napätie
UGS od hodnoty 12V po -12V. Vdy odmerajte prúd ID. Namerané hodnoty zapíte do tabuky
5.3.
Meranie opakujte pre alie napätia UDS .
Tab. 5.3 Meranie prenosovch charakteristík
UDS [V]
UGS[V]
4
6
8
10
ID[mA]
12
10
8
6
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
Z nameranch hodnôt v tabuke 5.3 zostrojte sadu vstupnch charakteristík
I D = f (U G ) pre: U DS = konst.
57
V zadanom pracovnom bode M (UGS = 9V) zostrojte dotynice k prevodovej
I D
[mS ]
charakteristike. Z prírastkov na dotyniciach vyhodnote strmos ST : S T =
U GS
I D
[mS ]
a vodivos GDS : G DS U DS
Vyhodnotenie priebehu závislosti odporu vodivého kanálu RDS
Nastavte potenciometrom P2 napätie UDS = 5V. Potenciometrom P1 nastavte napätie
UDS na zvolené hodnoty. V
dy odmerajte prúd ID. Namerané hodnoty zapíte do tabuky 5.4.
Meranie opakujte pre alie napätia UGS .
Tab. 5.4 Meranie priebehu závislosti odporu vodivého kanálu RDS
UDS = 5V
UGS[V]
ID[mA]
RDS[]
GDS[S]
-4
0
4
12
Z nameranch hodnôt vypoítajte odpor RDS : RDS = UDS/IDS pre UGS . Vypoítajte
tie
vodivos GDS : GDS = 1/RDS pre UGS = kont.
Z nameranch hodnôt zostrojte grafy závislosti RDS = f (U DS ) a G DS = f (U DS ) .
V závere vyhodnote namerané a vypoítané hodnoty, porovnajte ich s dostupnmi
katalógovmi hodnotami.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
58
6. Meranie zosilovaa so spätnou väzbou
Teoretick rozbor
Spätnou väzbou rozumieme takú elektrickú väzbu na zosilovai alebo medzi
stupami zosilovaa, pri ktorej sa as energie zosilneného signálu z v
stupu zosilovaa
vedie spä na jeho vstup. V závislosti od vekosti fázového posunu medzi pôvodn
m
signálom a signálom priveden
m z v
stupu sa v
sledn
prenos zmenuje alebo zväuje.
•
•
Ak sa v
sledn
prenos zmenuje, vtedy sa jedná o zápornú spätnú väzbu. Záporná spätná
väzba zmenuje harmonické, frekvenné aj fázové skreslenie, vekos ruivého napätia a
zmenuje citlivos zosilovaa na zmenu parametrov tranzistora.
Ak sa v
sledn
prenos zväuje, jedná sa o kladnú spätnú väzbu. Kladná spätná väzba
pôsobí na spomínané parametre zosilovaa vo väine prípadov opane ako záporná
spätná väzba. Zväuje harmonické, frekvenné aj fázové skreslenie, zväuje ruivé
napätie a zvyuje citlivos zosilovaa na zmenu parametrov tranzistora. Navye za
urit
ch podmienok mení zosilova na oscilátor.
Pretoe spätná väzba je frekvenne závislá, môe ma zosilova v uritom pásme
frekvencií zápornú spätnú väzbu a v inej frekvennej oblasti kladnú spätnú väzbu. Pri
zosilovai so spätnou väzbou, najmä kladnou spätnou väzbou, je najväím problémom jeho
stabilita, t.j. odolnos proti vzniku samoinného kmitania.
Zapojenia spätnej väzby
Existujú tyri rôzne zapojenia spätnej väzby. Kadé zapojenie má spoloné znaenie,
priom: A – blok zosilnenia a – blok spätnej väzby, obrázok 6.1, U1 je vstupné napätie, U2
v
stupné napätie a U0 napätie na vstupe zosilovaa, U napätie na v
stupe spätnej väzby. Ivst
a Iv
st sú vstupné a v
stupné prúdy celého zosilovaa v rátanie spätnej väzby.
U0
A
U2
U1
U
A
U1
I
a)
b)
Obr. 6.1 Spätná väzba: a) sériová, b) paralelná
59
U2
U1
A
U1
Ivst
A
I
S2
RZ
RZ
I
a)
b)
Obr. 6.2 Spätná väzba: a) prúdová, b) napäová
O sériovej a paralelnej väzbe hovoríme pre zapojenie na vstupe zosilovaa.
O prúdovej a napäovej spätnej väzbe hovoríme o väzbách na v
stupe zosilovaa.
alej pre uvedené zapojenia platí:
(6.1)
(6.2)
priom A je vekos zosilnenia pre blok zosilnenia a
je prenos (inite) spätnej väzby.
Existujú rôzne typy spätnej väzby v závislosti od toho, aké hodnoty nadobúda v
raz pre
vratn
rozdiel
, kde F > 1, potom sa jedná o zápornú väzbu. V prípade, e 0 < F
< 1, ide o kladnú spätnú väzbu.
Na obrázkoch 6.3 a 6.4 sú uvedené v praxi pouívané spätné väzby.
60
Obr. 6.3 Sériová prúdová spätná väzba RE
Sériová spätná väzba je prezentovaná rezistorom RE. Priechodom prúdu IE cez rezistor
RE dochádza k úbytku napätia na tomto rezistore a potenciál emitora aj kolektora tranzistora
sa posunie ku kladnému napätiu napájacieho zdroja +UCC. Táto poloha je daná nastavením
pracovného bodu pomocou rezistora RB. Ak dôjde, napríklad vplyvom teploty, ku zveniu
prúdi IC a IE, zven pretekajúci prúd IE spôsobí zvenie úbytku napätia na rezistore RE
a potenciál emitora a kolektora sa zvi a priblíi ku potenciálu napätia zdroja +UCC.
Kontantn prúd IB spôsobí privretie tranzistora, pokles prúdu IE a opä pokles potenciálu na
kolektore a emitore tranzistora. Sériová spätná väzba tak bude stabilizova pracovn bod
tranzistora pri zmene teploty tranzistora. Pri ochladení tranzistora bude innos prebieha
analogicky, ale v opa
nom zmysle.
Obr. 6.4 Paralelná napäová spätná väzba RB
61
Paralelná napäová väzba je prezentovaná rezistorom RB . Rezistory RC a RB tvoria
napäov deli napätia medzi napájacím napätím +UCC a potenciálom zeme, ktor tvorí
otvoren prechod báza-emitor. Tento pretekajúci prúd iastone otvorí tranzistor, o závisí na
hodnotách rezistorov. Ak dôjde, napríklad vplyvom teploty, ku zveniu prúdi IC a IE,
zven pretekajúci prúd IE spôsobí pokles potenciálu na kolektore tranzistora, tak sa zníi
prúd cez rezistor RB a tranzistor sa mierne zatvorí. Paralelná napäová spätná väzba tak bude
stabilizova pracovn bod tranzistora pri zmene teploty tranzistora. Pri ochladení tranzistora
bude innos prebieha analogicky, ale v opanom zmysle.
Vyuitie spätnch väzieb
Spätná väzba má iroké pouitie v elektrickch obvodoch:
a) Minimalizácia vplyvu zmeny teploty na innos obvodu. V tomto prípade sa do
obvodu pridá teplotne závisl prvok, ktor zmenou teploty zmení svoje vlastnosti,
o spôsobí opan vplyv na innos a obvodu, ako je vplyv zmenou teploty.
Dôsledkom môe by rovnaká innos obvodu pri zmenench teplotnch
podmienkach.
b) Odstránenie kmitania obvodu. Takáto spätná väzba sa zavádza vtedy, ke je
zosilova na rozhraní, kedy môu zaa kmita. Spätná väzba v tomto prípade
bráni vzniku kmitania.
c) Vytvorenie kmitania obvodu. Spätná väzba udriava podmienky vzniku kmitov
oscilátora. Vplyvom zmeny teploty by mohlo dôjs ku zmene podmienok na
obvode a utlmenie kmitov. Spätná väzby tieto zmeny môe kompenzova
a podmienky oscilácií sú udrané.
Literatúra
[1] Mikula, J.,
tefl, J., Viktorin, J.: Teorieobvodú II. Lineární obvody. VVT
-SSP, 1984.
[2] http://www.alzat.szm.com
62
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Zmerajte amplitúdovú frekvennú charakteristiku zosilovaa bez spätnej väzby, so
zápornou a kladnou spätnou väzbou.
2) Z nameranch hodnôt urite: zosilnenie zosilovaa na strednej frekvencii, hornú a dolnú
medznú frekvenciu a írku prenáaného pásma zosilovaa.
Postup merania
Meranie vykonajte najskôr pre zosilova bez spätnej väzby (SV), nasledovne
s kladnou SV a potom so zápornou SV. Pre meranie bez SV rozpojte prepoj medzi svorkami a
– b na prípravku, obrázok 6.5.
Zapojte prípravok pod
a schémy, obrázok 6.5.
Obr. 6.5 Schéma zapojenia prípravku zosilovaa s volite
nou spätnou väzbou
Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu RC generátora na minimum. Na
osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik)
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
63
Meranie amplitúdovej frekvennej charakteristiky
Pre meranie bez spätnej väzby (SV) zrute prepojenie svorky a – b, ím sa rozpojí
SV. Vstupné napätie nastavte tak, aby nedolo ku skresleniu vstupného signálu (u1 = 4mV).
Frekvenciu vstupného signálu mete v rozmedzí 20Hz ÷ 3kHz a osciloskopom zmerajte
vstupné napätie u2.
Namerané hodnoty zapísa do tabu
ky 6.1.
Pre meranie s kladnou SV prepojte svorky a – b, ím sa zapojí SV.
Pri u1 = 1,5mV nastavte potenciometrom R8 maximálne zosilnenie bez skreslenia
vstupného napätia u2. Frekvenciu vstupného signálu mete v rozmedzí 20Hz ÷ 1kHz
a merajte vstupné napätie u2.
Namerané hodnoty zapíte do tabu
ky 6.1.
Pre meranie so zápornou SV ponechajte prepojené svorky a – b. Potenciometrom R8
nastavte najväiu SV, to je maximálne zosilnenie bez skreslenia vstupného napätia u2.
Vstupné napätie nastavte tak, aby nedolo ku skresleniu vstupného signálu (u1 = 0,2V).
Frekvenciu vstupného signálu mete v rozmedzí 20Hz ÷ 300kHz a merajte vstupné napätie
u2. Namerané hodnoty zapíte do tabu
ky 6.1.
Tab. 6.1 Meranie AFCH zosilovaa s volite
nou SV
kladná SV
fVST[Hz]
bez SV
u1 = 4mV
u1 = 10mV
u2[V]
u2[V]
20
30
50
70
100
150
200
300
500
700
1000
1500
2000
3000
5000
7000
10000
15000
20000
30000
50000
70000
100000
150000
200000
300000
64
záporná SV
u1 = 0,2V
u2[V]
Z nameranch hodnôt zostrojte grafy priebehu vstupného napätia u2 = f(f) pre
zosilova bez SV, s kladnou SV a zápornou SV. Bude vhodné poui logaritmickú stupnicu
pre horizontálnu súradnicovú os frekvencie f. Logaritmická stupnica umoní zachyti v grafe
vä
í frekvenn rozsah a tie zmení tvar krivky. Vzostupné a zostupné úseky linearizuje.
Zosilnenie zosilovaa vypoítajte poda vzahu 6.1 na frekvencii f0 = 1kHz.
Medzné frekvencie zosilovaa urite pre pokles zosilnenia o -3dB, o odpovedá napäovej
alebo prúdovej úrovni 0,707Umax (0,707Imax). V grafoch amplitúdovch frekvennch
charakteristík zosilovaa urite hornú a dolnú medznú frekvenciu.
Z hodnôt medznch frekvencií pre kad typ zosilovaa urite írku prenosového
pásma B: B = fh – fd .
Zistené a vypoítané hodnoty zapísa do tabuky 6.2.
Tab. 6.2 Urenie írky pásma zosilovaa s pouitm typom SV
U1 = 5mV
Zosilova
fDOL [Hz]
f0 [Hz]
Bez SV
–
1kHz
S kladnou SV
–
1kHz
So zápornou SV
–
1kHz
fHOR [Hz]
B [Hz]
V závere analyzujte vekos zosilnenia zosilovaa vo vzahu k spätnej väzbe.
Vyhodnote vplyv spätnej väzby na vlastnosti zosilovaa.
Analyzujte a vyhodnote, ako sa zmení tvar vstupného signálu pri zavedení kladnej
a zápornej väzby.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
65
7. Meranie operaného zosilovaa I
Teoretick rozbor
Prv operan zosilova (OZ), zostrojen e
te s elektrónkami, skon
truoval v roku
1938 G.A. Philbrick. Elektrónky boli neskôr nahradené polovodiovmi súiastkami.
Zdokonalenie vrobnch postupov umonilo umiestni v
etky potrebné súiastky OZ na
kremíkovom plátku - vznikli integrované operané zosilovae. U v roku 1965 tvoria
operané zosilovae viac ne polovicu vyrábanch lineárnych integrovanch obvodov,
obvodov na spracovávanie analógového signálu.
Operan zosilova je analógov integrovan obvod, v ideálnom prípade s
nekonenm prúdovm a napäovm zosilnením. Operan zosilova je jednosmern
zosilova, reálne s vekm zosilnením a s malm vnútornm ru
ením, schopn stabilnej
innosti v uzavretej spätno-väzobnej sluke. Pôvodne bol uren na vytváranie lineárnych
matematickch operácií na analógovom poítai. Operané zosilovae umoujú realizova
aritmetické operácie - síta, odíta, meni znamienko, a al
ie operácie, ako napríklad
vytvára rôzne asové priebehy, tvarova signál. V oblasti analógovch elektronickch
obvodoch má OZ rovnako vznamnú úlohu, ako mikroprocesor v íslicovch systémoch.
Operané zosilovae sú urené na zosilnenie signálov, ktorch frekvenné spektrum vo
svojej dolnej asti zaha priebehy s malmi zmenami vrátane jednosmernej zloky. V
súasnej dobe sa pouívajú predov
etkm zosilovae s priamou väzbou medzi stupami. To
znamená, e v ich truktúre nie sú obsiahnuté väzobné kapacity. Pomerne veká zloitos ich
vnútornej truktúry preduruje ich realizáciu formou monolitickch integrovanch obvodov.
Operané zosilovae realizované ako monolitické integrované obvody obsahujú vo svojich
truktúrach tri alebo viac stupov, zosilovae napätia, napäové sledovae a vstupné
stupne. Nepárny poet stupov je dan jednou zo základnch podmienok OZ a to, e OZ
obracia fázu (posun fázy o 180°).
Základné vlastnosti ideálneho operaného zosilovaa
Vlastnosti ideálneho operaného zosilovaa:
1)
2)
3)
4)
5)
napäové zosilnenie Au =
,
vstupn odpor RVST = , (nulové vstupné prúdy)
vstupn odpor RVST = 0 ,
diferenciálny vstup s nekonenm potlaením sútového signálu,
nezávislos v
etkch parametrov od frekvencie a teploty.
66
Základné vlastnosti reálneho operaného zosilovaa
Vlastnosti reálneho operaného zosilovaa sa vlastnostiam ideálneho operaného
zosilovaa iba pribli
ujú. Vzhadom k dosahovanm parametrom vyrábanch operanch
zosilovaov mo
no vak u väiny, najmä jednoduchích aplikácií poíta s tm, e reálny
zosilova nemá ovea horie vlastnosti, ako idealizovan. Presné údaje nájdeme v katalógu,
orientane majú RVST = 50k ÷ 20M, RVST = 50 ÷ 150, zosilnenie Au = 104 ÷ 1014.
A) Statické parametre
1) Medzné napájacie napätie UCCmax je medzné napätie, pri ktorom operan
zosilova spoahlivo pracuje.
2) Medzn stratov vkon PTOT je povolen stratov vkon, pri ktorom sa integrovan
obvod neprehrieva.
3) Rozsah pracovnch teplôt udáva, pri akch okolitch teplotách operan zosilova
pracuje.
4) Medzné vstupné súhlasné napätie UImax je maximálna hodnota napätia na
invertujúcom a neinvertujúcom vstupe oproti zemniacej svorke, dovolená vrobcom.
Prekroenie tohto napätia mô
e vies k znieniu obvodu.
5) Medzné rozdielové (diferenné) napätie UIDmax je medzná vrobcom dovolená
hodnota napätia medzi invertujúcim a neinvertujúcim vstupom. Prekroenie tohto napätia
mô
e vies k znieniu obvodu.
6) Amplitúda vstupného napätia (maximálna) U0max – zodpovedá väinou hodnote
UCC zmenenej o saturané napätie tranzistora vo vstupnom stupni operaného zosilovaa.
B) Dynamické parametre
Dynamické obmedzenia sú dané rchlosou zmeny vstupného napätia signálu,
medznou frekvenciou fP, dobou ustálenia tS, dobou stabilizácie tU a dobou zotavenia tZ . Ide o
parametre vstupnej odozvy pre vek signál.
1) Rchlos priebehu strmosti S je definovaná ako zmena vstupného napätia
operaného zosilovaa za jednotku asu pri skokovej zmene vstupného napätia uI> 1V pri
A > 1.
(7.1)
67
2) Medzná frekvencia fP je frekvencia, pri ktorej dosiahne strmos sínusového
priebehu o amplitúde U0m rchlos priebehu S. Tu dochádza ku skresleniu asi 1%. Sínusov
priebeh má najvä
iu strmos pri prechode nulou. Platí:
(7.2)
(7.3)
kde U0m je amplitúda menovitého vstupného napätia.
3) Doba ustálenia tS je asov interval od prechodu signálu uritou úrovou 0,9U0 do
doby, v ktorej signál naposledy dosiahne úrove 0,1U0, ktorá sa lí
i od ustálenej hodnoty o = (0,01 ÷ 0,1U0).
4) Doba stabilizácie tU je asov interval od okamihu ureného elom vstupného
obdnikového napäového impulzu do okamihu, v ktorom vstupn signál naposledy
dosiahne úrove, ktorá sa lí
i od ustálenej hodnoty o hodnotu = (0,01 ÷ 0,1 U0).
5) Doba zotavenia tZ po prebudení operaného zosilovaa je schopnos obvodu
vyvies jeho vstup v uritom ase zo saturácie. Má vznam pre impulzové aplikácie
operaného zosilovaa.
Základné zapojenia operanch zosilovaov
Ideálny operan zosilova sa vyznauje nekonene vekm zosilnením (A ) a
nulovmi vstupnmi prúdmi (i+ = i- = 0). Nekonene veké zosilnenie je v
ak pre meracie
úely nepouitené. V meracej technike poadujeme známe a kon
tantné zosilnenie, preto
pomocou sériovej a paralelnej spätnej väzby musíme zosilnenie upravi.
alej budú uvedené základné zapojenia, ktoré sa v zapojení s OZ vyuívajú.
Invertujúci zosilova
R2
I
I
R1
OZ
+
Obr. 7.1 Invertujúci zosilova s OZ
68
U2
Predpokladajme, e vstupn odpor opera
ného zosilova
a RVST = , preteká
rezistormi R1 a R2 rovnak prúd I. Zosilnenie zosilova
a A i jeho stabilita sú definované len
rezistormi R1 a R2 a závisia iba od ich hodnôt a vlastností. Zosilnenie bude dané vzahom:
(7.4)
Záporné znamienko znamená, e vstupné napätie je oproti vstupnému fázovo
posunuté o 180°. Vstupn odpor invertujúceho zosilova
a sa rovná vekosti rezistora R1.
Neinvertujúci zosilova
Schéma neinvertujúceho zapojenia OZ je na obrázku 7.2. Za predpokladu, e vstupn
odpor opera
ného zosilova
a RVST = , zisk neinvertujúceho opera
ného zosilova
a bude
dan vzahom:
(7.5)
Vstupné napätie je vo fáze so vstupnm.
R2
OZ
+
U1
R1
U2
Obr. 7.2 Neinvertujúci zosilova
s OZ
Pomocou opera
nch zosilova
ov v invertujúcom a neinvertujúcom zapojení
môeme dosiahnu reálny zisk A 106.
69
Napäov sledova
V tomto prípade sa jedná o zosilova so ziskom A = 1. Jeho vstupn
odpor dosahuje
hodnotu rádovo desiatky M.
OZ
U2
U1
Obr. 7.3 Napäov
sledova s OZ
Diferenciálny zosilova
Jedn
m z najastejie pouívan
ch zapojení operaného zosilovaa je diferenciálny
zosilova:
Obr. 7.4 Operan
zosilova v diferenciálnom zapojení
Najastejie sa navrhuje ako symetrick
, t.j. pomer hodnôt R1 ÷ R4 sa volí tak, aby
platila rovnos zosilnení invertujúceho i neinvertujúceho vstupu, teda R1 = R3 a R2 = R4.
Jeho zisk je potom definovan
vzahom:
(7.6)
priom pre v
stupné napätie bude plati
70
(7.7)
Vlastnosti takchto monolitickch integrovanch zosilovaov sa pribli
ujú
vlastnostiam ideálneho operaného zosilovaa, tzn. majú vemi vysoké diferenciálne
zosilnenie (AUD ),), vemi malú vstupn odpor (RVST 0), vemi malú napäovú
nesymetriu (UI0 0).
Vstupn odpor (impedancia) operanch zosilovaov dosahuje v ideálnom prípade
hodnotu RVST = . V závislosti od nastaveného zisku so zmenou hodnôt rezistorov R1 a R2
dochádza i k zmene RVST. V dôsledku toho vstupn odpor máva hodnotu rádovo 107 a
1010 .
Prevodník prúdu na napätie
V systémoch na meranie malch prúdov sa pou
ívajú prevodníky prúdu na napätie s
operanmi zosilovami. Operan zosilova so slukou zápornej spätnej väzby plní úlohu
prevodníka prúdu na napätie, priom súasne zabezpeuje úlohu impedanného
prispôsobenia.
R
IX
OZ
+
Obr. 7.5 Elektronick ampérmeter s prevodníkom prúdu na napätie
Derivan zosilova (derivátor)
Derivátor vychádza zo zapojenia invertujúceho zosilovaa ale ako vstupná
impedancia je zapojen kondenzátor C. V tomto prípade je ale namiesto rezistora R je
zapojen kondenzátor C. Zapojenie tak získa vlastnosti obvodu s vekm vstupnm odporom
(pre jednosmern signál) a vstupnm odporom danm pou
itm operanm zosilovaom.
Pripojená záa
, alebo alí nasledujúci stupe, vlastnosti derivácie neovplyvujú.
71
Ic
Ic
R
C
OZ
+
Uvst
Uvst
Obr. 7.6 Derivan zosilova s OZ
Prúd kondenzátora je dan vzahom:
(7.8)
Analogicky ako u invertujúceho zosilovaa bude vstupné napätie:
(7.9)
Integran zosilova
Zámenou rezistora a kondenzátora získame integran zosilova (integrátor)
I
I
C
R
Uvst
OZ
+
Uvst
Obr. 7.7 Integran zosilova s OZ
Integrátor má mal vstupn odpor a jeho innos nie je ovplyvovaná charakterom
záae. Prúd i je dan vzahom:
(7.10)
a vstupné napätie:
72
(7.11)
pri UVST = U = kont. sa napätie na v
stupe mení lineárne s asom:
(7.12)
Sítací zosilova
Invertujúci zosilova mono vyui ako sumátor alebo sítací zosilova.
Obr. 7.8 Sumátor s OZ
Pretoe na vstupe zosilovaa je virtuálne uzemnenie, platí:
(7.13)
(7.14)
Ak je R1 = R2 = ... = RM = R, potom:
(7.15)
a v
stupné napätie je úmerné sútu vstupn
ch napätí.
73
Komparátor
Komparátor porovnáva dve vstupné napätia a v závislosti od ich vzájomnej vekosti
má vstupné napätie hodnotu, odpovedajúce hodnote napätia logickej jednotky alebo nuly.
Operan zosilova sa pou
íva bez spätnej väzby a preto i s minimálnymi hodnotami
koreknch prvkov, pokia je korekcia volitená.
R1
OZ
+
R2
U1
U2
Uvst
Obr. 7.9 Komparátor s OZ
Literatúra
[1] PEEL, J. 2002. Elektronika v kocke. Praha : BEN - technická literatúra.
80-86056-80-5.
[2] PUNOCHÁR, J. 2002. Operané zosilovae v elektronike. Praha : BEN technická literatúra. 80-7300-060-1
[3] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007
74
Laboratórne meranie I
Zadanie a cie merania
1) Zmera prevodovú charakteristiku u2 = f(u1) NF zosilovaa pre striedav
signál s
frekvenciou 1kHz.
2) Zmera frekvennú charakteristiku NF zosilovaa pre striedav
signál v rozsahu
20Hz a 30kHz.
Postup merania
Meranie prevodovej charakteristiky
Zapojte prípravok poda blokovej schémy, obrázok 7.10.
Obr. 7.10 Zapojenie prípravku NF zosilovaa s OZ
Schéma zapojenia pouitého prípravku je uvedená na nasledujúcom obrázku 7.11.
Obr. 7.11 Obvodové rieenie prípravku NF zosilovaa s OZ
75
Pred zapnutím nastavte amplitúdu RC generátora na minimum a frekvenciu na 1kHz.
Na osciloskope nastavte citlivos (5V/dielik).
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Zapnite napájanie prípravku (±15V).
Nastavte potenciometer spätnej väzby P1 najskôr na minimum, do avej krajnej
polohy.
Pri meraní prevodovej charakteristiky u2 = f(u1) postupne zvyujte napätie u1 v
intervale hodnôt 0,05 a 3 V. Namerané hodnoty zapíte do tabuky 7.1. Nakoko osciloskop
meria maximálnu hodnoty, je potrebné nameranú hodnotu amplitúdy prepoíta na efektívnu
u
hodnotu poda vzahu: u2 = u2ef = 2A .
2
Potom nastavte potenciometer spätnej väzby P1 na maximum, do pravej krajnej
polohy a meranie opakujte.
Tab. 7.1 Prevodová charakteristika NF zosilovaa OZ
Prevodová charakteristika NF zosilovaa, f = 1[kHz]
u2[V]
u1[V]
RP1 = 0
A [-]
RP1 = max
RP1 = 0
RP1 = max
0,05
0,1
0,2
0,5
1
1,5
2
2,5
3
Z nameran
ch hodnôt vypoítajte zosilnenie A pre minimálnu a maximálnu hodnotu
odporu potenciometra P1: A=u2/u1 .
Namerané hodnoty vyneste do grafov: u2 = f ( u1 ) pre P1min , u2 = f ( u1 ) pre P1max ,
A = f ( u1 ) pre P1min , A = f ( u1 ) pre P1max .
Meranie frekvennej charakteristiky
Nastavte poiaton
stav poda obrázku 7.10. Na RC generátore nastavte amplitúdu
signálu na hodnotu 1[V] a frekvenciu na 20[Hz]. Na osciloskope nastavte citlivos
(5V/dielik).
Nastavte potenciometer spätnej väzby P1 najskôr na minimum, do avej krajnej
polohy.
Na meranie frekvennej charakteristiky u2 = f( f ) postupne zvyujte frekvenciu v
intervale hodnôt 20Hz a 30kHz. Namerané hodnoty zapíte do tabuky 7.2. Nakoko
76
osciloskop meria maximálnu hodnoty, je potrebné nameranú hodnotu amplitúdu prepo
íta na
u
efektívnu hodnotu poda vzahu: u2 = u2ef = 2A
2
Potom nastavte potenciometer spätnej väzby P1 na maximum, do pravej krajnej
polohy a meranie opakujte.
Tab. 7.2 Modulová frekven
ná charakteristika NF zosilova
a s OZ
Modulová frekven
ná charakteristika NF zosilova
a
u1[V]
f0[Hz]
u2[V]
RP1 = 0
RP1 = max
1
20
1
50
1
70
1
100
1
200
1
300
1
500
1
700
1
1000
1
1200
1
1500
1
2000
1
3000
1
5000
1
10000
1
20000
1
30000
Namerané hodnoty vyneste do grafov: u2 = f ( f ) pre potenciometer na minime, u2 =
f ( f ) pre potenciometer na maxime.
V závere analyzujte vekos zosilnenia vzhadom na mieru spätnej väzby
(potenciometer na minime, potenciometer na maxime).
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi
ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi
ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodi
ové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
77
8. Meranie operaného zosilovaa II
Laboratórne meranie II
Zadanie
1) Zmerajte integranú dobu integrátora (OZ zapojen ako integrátor).
2) Zmerajte napäové zosilnenie a prenosovú charakteristiku U2 = f(U1) OZ v zapojení ako
invertujúci zosilova.
3) Zmerajte napäové zosilnenie a prenosovú charakteristiku U2 = f(U1) OZ v zapojení ako
neinvertujúci zosilova.
Postup merania
Zapojte prípravok pod
a blokovej schémy, obrázok 8.1.
Obr. 8.1 Zapojenie prípravku NF zosilovaa s OZ
Na vstupe regulovate
ného jednosmerného zdroja nastavte vstupnú amplitúdu na
minimum, V-metre nastavte na rozsah 15V. Pouite V-metre s vysokm vstupnm odporom,
napríklad digitálne prístroje.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Meranie integrátora
Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako integrátor do blokovej schémy na obrázku
8.1.
78
Obr. 8.2 OZ v zapojení ako integrátor
Zmerajte integra
nú dobu t pre vstupné jednosmerné napätie U1 . Pre meranie
integra
nej doby nastavte vstupné napätie U1 na zvolenú hodnotu (poda tabuky 8.1), zapnite
vstup a na stopkách merajte integra
nú dobu t , to je asov interval, pokia nedosiahne
vstupné napätie U2 hodnotu 13V, na ktorej sa ustáli.
Pred alím meraním je potrebné vybi kondenzátor integrátora C1 pri odpojenom
napájacom prívode! Vybitie realizujte vodi
om, krátko premostite svorky vvodov
kondenzátora.
Namerané vsledky zapísa do tabuky 8.1.
Tab. 8.1 Meranie integra
nej doby t
OZ ako integrátor
U1[V]
t [s]
1
2
3
5
8
10
12
15
Z nameranch hodnôt zostrojte graf t = f( U1 )
Meranie invertujúceho zosilovaa
Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako invertujúci zosilova
do blokovej schémy,
obrázok 8.1.
79
Obr. 8.3 OZ v zapojení ako invertujúci zosilova
Zmerajte v
stupné napätie U2 pri zmene hodnoty vstupného napätia U1 v rozsahu 0,5
a 10V. V
stupn
voltmeter zapojte poda inverznej polarity (pre meranie záporného
napätia)!
Namerané v
sledky zapísa do tabuky 8.2.
Tab. 8.2 Meranie zosilnenia invertujúceho zosilovaa
A [-]
U1 [V]
-U2 [V]
Zmerané
Vypoítané
0,5
1
2
5
6
7
10
Zostrojte prenosovú charakteristiku U2 = f ( U1 ).
Z nameran
ch hodnôt vypoítajte zosilnenie A:
vypoítajte zosilnenie z hodnôt súiastok zosilovaa: A =
A=
U2
U1
. Pre porovnanie
R3
. Vypoítané hodnoty zapíte
R1
do tabuky 8.2.
Meranie neinvertujúceho zosilovaa
Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako neinvertujúci zosilova do blokovej schémy,
obrázok 8.1.
80
Obr. 8.4 OZ v zapojení ako neinvertujúci zosilova
Zmerajte v
stupné napätie U2 pri zmene hodnoty vstupného napätia U1 v rozsahu
0,5 a 6V. V
stupn
voltmeter zapojte poda neinverznej polarity (pre meranie kladného
napätia)!
Namerané v
sledky zapísa do tabuky 8.3.
Tab. 8.3 Meranie zosilnenia neinvertujúceho zosilovaa
U1 [V]
U2 [V]
A [-]
Zmerané
Vypoítané
0,5
1
2
3
4
5
6
Zostrojte prenosovú charakteristiku U2 = f ( U1 ).
Z nameran
ch hodnôt vypoítajte zosilnenie A:
vypoítajte zosilnenie z hodnôt súiastok zosilovaa: A =
A=
U2
U1
. Pre porovnanie
R2 + R3
. Vypoítané hodnoty
R2
zapíte do tabuky 8.3.
V závere analyzujte monos pouitia integrátora, neinvertujúceho a invertujúceho
zosilovaa. Poda nameran
ch v
sledkov porovnajte neinvertujúci a invertujúci zosilova
poda prenosov
ch charakteristík a poda zosilnenia.
81
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojit
ch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
[7] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk
Mikulá, 2007
82
9. Meranie AVCH tyristorov
Teoretick rozbor
Tyristory sa pouívajú najmä ako riadené spínae v jednosmernch a striedavch
obvodoch.
Tyristor má tvorvrstvovú truktúru. V
etky tyri oblasti so striedajúcim sa typom
vodivosti sú vyhotovené na jednom základnom polovodiovom substrátu a tvoria sériovú
kombináciu troch na seba nadväzujúcich priechodov PN. Na jednu z vnútornch oblastí
tyristora, napr. s vodivosou P, sa pripevní elektróda. Prúdom privádzanm do tejto oblasti
mono ovplyvova spínací proces tyristora. Oblas s elektródou G sa nazva ovládacia
elektróda a tyristor s ovládacou elektródou P sa oznauje ako PNPN.
Princíp innosti tyristora
Tyristor je tvorvrstvov spínací prvok, ktor obsahuje tri prechody PN. V princípe je
to tvorvrstvová dióda s vyvedenou al
ou elektródou - riadiacou elektródou G. truktúru
tyristora, si podobne ako u tvorvrstvovej diódy, môeme predstavi spôsobom, uvedenom na
obrázku 9.1:
Obr. 9.1 truktúra tyristora
83
Ak nie je na riadiacej elektróde G pripojené iadne napätie, nachádza sa tyristor
v nepriepustnom stave. Preto má aj vek
odpor a je na om celé napätie zdroja. Ak priloíme
na elektródu G dostatoné veké riadiace napätie (v závislosti od typu tyristora kladné alebo
záporné), tyristor sa dostane otvorí do priepustného stavu – zane ním preteka prúd. Tento
prúd prestane prechádza a pri poklese prúdu medzi elektródami A a K na nulu, minimálne
na meniu hodnotu, ako je hodnota tzv. prídrného prúdu (danou opä typom tyristoru).
Príklad AV charakteristiky, na základe ktorej môeme odíta základné napätia
a prúdy, je na obrázku niie. Na obrázku je prúd anódy IA oznaen
ako IF, o b
va
oznaenie niektor
ch starích katalógoch.
Obr. 9.2 AV charakteristika tyristora
Pouitie tyristora
Tyristor sa pouíva na reguláciu elektrického v
konu. Jeho pouitie je vhodné
v obvodoch jednosmerného aj striedavého napätia.
Pre obvod so striedav
m napätím sa tyristor vdy pri poklese prúdu pod prahovú
hodnotu Iprah , o nastane poklesom napätia UAK k nule, automaticky vypne. Tyristor potom
aká na riadiaci impulz. Jediné, o je potrebné na reguláciu v
konu pomocou tyristorov, je
riadiaci impulz do riadiacej elektródy tyristora vo vhodnej fáze periódy striedavého napätia.
84
Je potrebné zdôrazni, e vypnutie tyristoru v jednosmernch obvodoch nie je mo
né
dosiahnu preruením prúdu do riadiacej elektródy. Vypnutie tyristora v jednosmernch
obvodoch je mo
né bu zmenením priepustného prúdu pod hodnotu prídr
ného prúdu Iprah ,
alebo krátkodobm prepojením anódového napätia do spätného smeru.
Pre objasnenie základnej funkcie tyristora si uvedieme základné zapojenie, obrázok
9.3, ktoré poslú
i ako príklad pre pochopenie práce tyristora:
Obr. 9.3 Zopnutie obvodu pomocou tyristora
Po zopnutí spínaa S1 sa krátkym zopnutím spínaa S2 privedie impulz na tyristor,
ktor sa otvorí do vodivého stavu. Následne zane celm obvodom preteka prúd, priom
spína S2 bude u
rozopnut. Na preruenie innosti je potrebné rozopnú spína S1,
poklesne napätie na elektródach A a K a pretekajúci poklesne pod prídr
nú hodnotu Iprah ,
v tomto prípade celkom na nulovú hodnotu.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
85
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Zmerajte AV charakteristiku tyristora IG = f(UG), AVCH v priepustnom smere IA =
f(UA) pri IG = kont., AVCH v závernom smere IR = f(UR) pri IG = kont.
Z charakteristík od
ítajte hodnoty: UBO, IH, IL, UT, pre dve hodnoty IG .
Postup merania
Meranie AVCH tyristora v priepustnom smere
Zapojte prípravok poda blokovej schémy, obrázok 9.4.
Obr. 9.4 Zapojenie prípravku na meranie tyristora v priepustnom smere
Na regulovatenom jednosmernom zdroji U1 nastavte vstupnú amplitúdu na
minimum, V-metre nastavte na rozsah 15V. Pouite V-metre s vysokm vstupnm odporom,
napríklad digitálne prístroje. A-meter (PU500) nastavte na hodnotu 0,5A, A-meter (P-10)
nastavte na 0,1A. Dbajte na správnu polaritu meracích prístrojov!
Prepína
Pr nechajte rozpojen. Potenciometer P1 nastavte na maximum,
potenciometer P2 na minimum.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Pripojte kontantné napätia U2 = 15V a U1 = 16V. Zapnite prepína
Pr.
Potenciometrom P2 nastavte napätie UGO a tm IG . Potenciometrom P1 zvyujte anódové
napätie UA , od
ítajte hodnoty prúdu riadiacej elektródy IG a anódové napätie UA tesne pred
zopnutím tyristora.
86
Namerané vsledky zapíte do tabuky 9.1.
Tyristor vypnite tak, e zníite napätie U2 potenciometrom P2 na minimum, zníite
napätie U1 potenciometrom P1 na minimum a preruíte anódov prúd IA krátkym stla
ením
tla
idla T .
Meranie opakujeme pre alie nastavenú hodnotu prúdu IG .
Tab. 9.1 Meranie AVCH tyristora v priepustnom smere
AVCH tyristora v priepustnom smere. UA = f(IG), IA = f(IG)
UA[V]
IG[mA]
3
5
8
10
12
15
Z nameranch hodnôt nakreslite AV charakteristiky tyristora v priepustnom smere
pre rôzne hodnotu prúdu IG , IA = f ( UA ) pri IG = kont. Prechod do otvoreného stavu a
hodnoty prúdu IA do otvoreného stavu zvote pribline poda hodnôt meracích prístrojov.
Meranie AVCH tyristora v závernom smere
Zapojte prípravok poda blokovej schémy, obrázok 9.5.
Obr. 9.5 Zapojenie prípravku na meranie tyristora v závernom smere
Pre regulovaten jednosmern zdroj U1 nastavte vstupnú amplitúdu na minimum,
V-metre nastavte na rozsah 15V. Pouite V-metre s vysokm vstupnm odporom, napríklad
digitálne prístroje. A-meter (PU500) nastavte na hodnotu 0,5A, A-meter (P-10) nastavte na
0,1A. Dbajte na správnu polaritu meracích prístrojov!
87
Prepína Pr nechajte rozpojen. Potenciometer P1 nastavte na maximum,
potenciometer P2 na minimum.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Pripojte kontantné napätia U2 = 15V a U1 = -30V. Zapnite prepína Pr.
Potenciometrom P2 nastavte napätie UG a tm IG . Potenciometrom P1 zvyujte anódové
napätie -UA , odítajte hodnoty zvykového prúdu -IA v závernom smere.
Namerané vsledky zapíte do tabuky 9.2.
Meranie opakujeme pre alie nastavenú hodnotu prúdu IG .
Tab. 9.2 Meranie AVCH tyristora v závernom smere
AVCH tyristora v závernom smere IA = f (UA) pre IG = kont.
UA [V]
IA [μA]
IG = 0[mA]
IG = 0,1[mA] IG = 0,2[mA] IG = 0,4[mA] IG = 0,6[mA]
-5
-10
-15
-20
-25
-30
Z nameranch hodnôt nakreslite AV charakteristiky tyristora v závernom smere pre
rôzne hodnotu prúdu IG , IA = f ( -UA ) pri IG = kont.
V závere vyhodnote namerané charakteristiky, porovnajte namerané hodnoty
a charakteristiky s katalógovmi. Zdôvodni ich rozdiely. Navrhnite mo
né aplikácie tyristora
s vyu
itím jeho vlastností.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojitch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
88
10. Meranie RC oscilátora
Teoretick rozbor
Oscilátory ( z latinského slova ostilatio = kmitanie, íta sa osciláció ) [1] sa naz
vajú
vetky zariadenia, ktoré vytvárajú za urit
ch podmienok periodicky premenlivé priebehy
fyzikálnych veliín. Kad
elektronick
oscilátor je charakterizovan
amplitúdou a tvarom
v
stupného napätia U, frekvenciou f a vnútorn
m odporom Ri , ktor
je lineárny pre urit
rozsah zaaovacích odporov Rz. Ke sa na elektronick
oscilátor pozrieme z hadiska
spotreby energie, môeme ho povaova za tvorpól, teda dvojbránu. Jeho vstupom sú
napájacie svorky, cez ktoré má príkon a jeho v
stupom sú v
stupné svorky, cez ktoré dodáva
do záae príslun
striedav
v
kon. Z uvedeného vypl
va, e môeme definova úinnos
elektronického oscilátora a to ako pomer medzi v
stupn
m striedav
m a vstupn
m
jednosmern
m príkonom.
Rozdelenie a základné vlastnosti oscilátorov
Oscilátory sa delia z viacer
ch hadísk. Uvedieme len niektoré základné delenia.
1. Delenie poda tvaru vstupného signálu
Oscilátory sú elektrické obvody, ktor
ch v
stupné napätie má harmonick
priebeh.
Tento tvar v
stupného napätia sa dá popísa jednoduchou funkciou sínus, prípadne kosínus,
o je funkcia sinus s fázov
m posunom 90°. Toto sa dá analyticky vyjadri:
u = U 0 sin(t + )
(10.1)
priom takéto oscilátory naz
vame harmonické oscilátory, alebo v technickej praxi
jednoducho oscilátory.
Oscilátory, ktor
ch v
stupné napätie má ubovone in
tvar ako sínusov
, napr.
obdnikov
, trojuholníkov
, pílovit
, impulzn
a pod, t.j. tvar v
stupného napätia sa nedá
popísa jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus. Na jeho popis musíme poui sústavu
sútov sínusov
ch a kosínusov
ch funkcií, t.j. Fourierov rozvoj. Takéto oscilátory naz
vame
neharmonické oscilátory, v technickej praxi skôr generátory neharmonick
ch signálov.
89
2. Delenie poda frekvencie vytváranch kmitov:
a) Nízkofrekvenné oscilátory
Frekven
n rozsah vytváranch kmitov je od
Hz po
Hz. Vznamné miesto v
tomto frekven
nom pásme majú signály akustické, t.j. po
utené, ktorch frekvencie leia od
16 Hz do 20 kHz. Je samozrejmé, e by sa dali spomenú aj alie podpásma hlavného
nízkofrekven
ného pásma, ako napr. infrazvuk a ultrazvuk, leiace hne veda podpásma
akustickch frekvencií. Infrazvuk je na niích frekvenciách a ultrazvuk na vyích
frekvenciách od podpásma akustickch frekvencií.
b)Vysokofrekvenné oscilátory
Frekven
n rozsah vytváranch kmitov je od
Hz. Z hora hranica nie je daná. Aj
toto frekven
né pásmo by sa dalo rozdeli na viacero frekven
nch podpásiem, napríklad na :
-pásmo metrovch a kilometrovch vn, kde sa v oscilátoroch pouívajú klasické
rezonan
né obvody.
- pásmo metrovch a decimetrovch vn, kde sa v oscilátoroch pouívajú rezonan
né
vedenia alebo dutinové rezonátory.
-pásmo centimetrovch a milimetrovch vn, kde sa v oscilátoroch pouívajú
vlnovodové alebo dutinové rezonátory.
3. Delenie poda druhu prvku urujúceho frekvenciu vytváranch kmitov
a) oscilátory LC
Sú to oscilátory v ktorch frekvenciu kmitov ur
uje rezonan
n obvod LC, i u
sériov alebo paraleln. Tento druh oscilátorov sa v elektronickch prístrojoch vyskytuje
naj
astejie. Oscilátory LC sa pouívajú ako laditené oscilátory v prijíma
och, vysiela
och,
meracích prístrojoch a pod. Stabilita frekvencie vytváranch kmitov sa pohybuje od
po
.
b) oscilátory riadené piezoelektrickm rezonannm prvkom, tzv. krytálovm
vbrusom (krytálom)
Tieto oscilátory majú vynikajúcu frekven
nú stabilitu vytváranch kmitov a to
a
. Pouívajú sa preto tam, kde sú prísne poiadavky na stabilitu frekvencie kmitov, napr.
vo frekven
nch normáloch. Oscilátory riadené krytálom je moné prelaova len v úzkom
rozsahu frekvencií, rádovo stovky a tisíce Hz.
c) oscilátory s elektromechanickm rezonannm prvkom ( rezonátory
magnetostrikné, prstencové, ladikové a pod.)
90
Podobne ako oscilátory riadené krytálovm vbrusom aj tieto oscilátory sa vyznaujú
za optimálnych podmienok dobrou frekvennou stabilitou vytváranch kmitov a to
a
. Mechanické chvenie rezonanného prvku, spôsobené vonkajími vplyvmi vak
zhoruje frekvennú ale aj amplitúdovú stabilitu vstupného signálu. Tomuto javu hovoríme
mikrofonickos obvodu. Na rozdiel od krytálového vbrusu sú elektromechanické
rezonanné prvky rozmernejie a potrebujú viacej doplujúcich elektronickch obvodov.
Preto sa u
v súasnosti skoro nepou
ívajú.
d) oscilátory s rezonannm vedením
Oscilátory v ktorch rezonann obvod tvorí úsek súosého alebo súmerného vedenia
d
ky /4 alebo /2, ktor sa vyznauje vysokm initeom kvality Q. Preto tieto oscilátory
majú za optimálnych podmienok dobrú frekvennú stabilitu, asi
a
. Podobne ako
elektromechanické rezonanné prvky sú citlivé na mechanické vplyvy. Oscilátory s
rezonannm vedením je vak mo
né prelaova v rozsahu niekoko jednotiek a
desiatok
kHz.
e) oscilátory RC, v ktorch je v obvode spätnej väzby zapojen frekvenne
selektívny obvod RC ( T–lánok, Wienov lánok a pod.)
Tieto oscilátory sú vhodné len pre oblas nízkych frekvencií. Stabilita vytváranch
. Oproti doposia spomínanm
kmitov je rôzna, zále
í od pou
itého RC lánku a je max.
oscilátorom majú vhodu v tom, e sú preladitené vo vekom rozsahu bez vraznejej zmeny
svojich vlastností. Pri správnom nastavení sa v nich dá dosiahnu vstupn signál sínusového
priebehu s vemi malm obsahom vyích harmonickch. Pou
ívajú sa hlavne v tónovch
oscilátoroch urench pre meracie úely.
Základné podmienky vzniku oscilácií
1. Amplitúdová podmienka
A( j ) ( j ) = 1
(10.2)
kde A( j ) je prenos bez spätnej väzby a ( j ) je prenos spätnej väzby.
Poda 1. podmienky bude oscilátor vytvára ustálené kmity len vtedy, ak súin
prenosu bloku spätnej väzby a zosilnenia sa bude rovna jednej. V praxi sa nastavuje tento
súin na hodnotu o nieo väiu jednej, ím sa zabezpeí spoahlivé rozkmitanie oscilátora.
2. Fázová podmienka
A + = 2k
( k je celé íslo)
(10.3)
91
kde A , sú fázy, ktoré dostaneme z komplexného tvaru zosilnenia Au a prenosu u..
Poda 2. podmienky bude oscilátor vytvára ustálené kmity len vtedy, ke súet
fázovch posunov bloku spätnej väzby a zosilnenia v sluke spätnej väzby bude 2k, kde k je
celé íslo.
Obr. 10.1 Bloková schéma spätnoväzbového oscilátora
Väina oscilátorov tohto druhu je realizovaná spätnoväzbovo, s kladnou spätnou
väzbou. Obsahujú tieto dve asti: pasívnu as urujúcu frekvenciu kmitov a aktívnu as,
ktorá nahrádza straty energie v pasívnej asti. Ako len sa najastejie vyu
íva:
•
•
•
rezonann LC oscilátor,
piezoelektrick vbrus (krytál) - skupina oscilátorov riadench krytálom,
RC selektívny lánok - skupina RC oscilátorov.
Pre oscilátory s vyími nárokmi na frekvennú stabilitu a malé skreslenie signálu sa
pou
íva kombinácia kladnej spätnej väzby s kombináciou zápornej spätnej väzby, o
zabezpeuje vznik kmitov.
Literatúra
[1] Ing. Alexander atkovi / http://alzat.spseke.sk/
92
Laboratórne meranie
Zadanie
1) Zmera frekvenciu RC oscilátora s kaskádnym tvorpólom v závislosti na napájacom
napätí porovnávacou metódou.
2) V medznom prípade vyhodnoti a zdôvodni neharmonick, prípadne polyharmonick
priebeh kmitov oscilátora.
3) Nastavi pracovn bod RC oscilátora.
Postup merania
Zapojte prípravok poda blokovej schémy, obrázok 10.2.
Obr. 10.2 Obvodové rieenie RC oscilátora
Nastavte amplitúdu napájacieho napätia UNAP (0 – 18V) na minimum. Nastavte
rozsah vstupnej citlivosti zosilovaa Y osciloskopu na 5V/dielik.
Zapojenie si nechajte prekontrolova !
Zapnite napájanie obvodu.
Postupne zvyujte napájacie napätie. V rozmedzí napájacieho napätia 6 ÷ 18V
zmerajte amplitúdu vstupného signálu a d
ku periódy vstupného signálu, zobrazeného na
osciloskope.
Namerané hodnoty zapíte do tabuky 10.1.
93
Tab. 10.1 Meranie v
stupnej frekvencie oscilátora
Meranie v
stupnej frekvencie oscilátora porovnávacou metódou
fo = f(UNAP)
UNAP[V]
UVYST[V]
TOP[ms]
fOP[Hz]
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Pre vyie hodnoty napájacieho napätia zakreslite a zdôvodnite neharmonick
,
prípadne polyharmonick
priebeh v
stupného signálu oscilátora.
Zdôvodnite konkrétne nastavenie pracovného bodu oscilátora. Navrhnite postup
nastavenia optimálnej polohy pracovného bodu oscilátora.
Vypoíta fOP z nameranej hodnoty TOP , fOP = 1 / TOP .
Vyhotovte graficky závislos frekvencie na napájacom napätí: UVYST = f (UNAP), fo =
f (UNAP).
V závere vyhodnote namerané charakteristiky, UVYST = f (UNAP), fo = f (UNAP).
Navrhnite interval napájacieho napätia UNAP pre optimálne nastavenie pracovného bodu
oscilátora.
Literatúra
[1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodiová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981.
[3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983.
[4] SEIFRT, M.: Polovodiové prvky a obvody na spracovanie spojit
ch signálov.
ALFA, Bratislava 1988.
[5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990.
[6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.
94
Poadovaná truktúra protokolu
Na titulnej stránke rozmiestnite údaje, ktoré aktualizujte poda kolského roku,
semestra, témy a názvu úlohy.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
ELEKTROTECHNICKÁ FAKULTA
ilinská univerzita v iline
Deta
ované pracovisko v Liptovskom Mikulá
i
==================================
kolsk rok: 2011/12
Semester: zimn
Protokol z LC
Elektronika E1
T1:
Meranie na stabilizátore napätia
Spracoval:
Skupina:
Dátum:
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Na nasledujúcej stránke uvete kapitoly, ktoré neíslujte:
Zadanie
Do zadania napí
te presne to, o je zadané na meranie úlohy.
Schéma
Schému pouite takú, ktorá je zadaná. Ak do
lo k úprave schémy poas merania
úlohy, upravte aj pouitú schému.
95
Postup merania
Strune opíte postup merania tak, aby in tudent dokázal meranie poda tohto
postupu zopakova.
Vzorov vpoet
V tejto asti uvete vzorce a príklad vpotu jednej sady vsledkov, poda ktorého
sú poítané hodnoty v tabukách.
Tabuky
Uvete tabuku nameranch hodnôt i s kolónkami pre dopoítané hodnoty.
V záhlaví tabuky uvete názov tabuky, i
e oznaenie, hodnoty akého merania
a vypoítané hodnoty sú v tejto tabuke. Poda potreby sem uvete aj alie potrebné
tabuky.
Pouité prístroje
Formou tabuky uvete prehad vetkch pou
itch prístrojov pri aktuálnej úlohe
merania. Tabuka musí obsahova:
Tab. 11.1 Pou
ité prístroje
Oznaenie Typ meracieho Vrobné íslo
meracieho
prístroja
prístroja
A1
DU 10
234 567
V2
DU 20
987 654 21
V4
Metex P10
Parametre a alie údaje
..........
6 300 , .......
multimeter
Oznaenie meracieho prístroja poda pou
itej schémy nemete. Typ prístroja je v
dy
vyznaen na prístroji. Vrobné íslo je uvedené alebo na stupnici prístroja, na elnom paneli
alebo na zadnej strane na kovovom títku. Iné ísla, ako sú evidenné ísla, neuvádza, mô
u
sa asom zmeni.
alie údaje a parametre prístroja sú údaje, doplujúce hlavné údaje. Patrí sem
oznaenie pre digitálne prístroje multimeter ap. Pre analógové prístroje treba uvies vetky
znaky zo stupnice prístroja o triede presnosti, vnútornom odpore, frekvenom rozsahu,
systému prístroja, druhu meranej veliiny (striedavá / jednosmerná) ap.
Grafy
Namerané a dopoítané údaje, zapísané v tabukách je potrebné poda zadania
vyjadri aj grafmi. Graf musí obsahova najmä: názov, opis a rozsah vertikálnej osi, opis
a rozsah horizontálnej osi, v prípade dvoch a viacerch priebehov aj legendu. Graf nemusí
by farebn, avak priebehy musia by identifikovatené.
Grafy je mo
né vyhotovi pomocou PC, najlepie v prostredí Excel, alebo inom.
Tie
je mo
né grafy vyhotovi na milimetrov papier rune, pri zachovaní vetkch
nále
itostí grafu a popisy musia by spravené technickm písmom.
Okrem grafov je potrebné nakresli aj obrázky, vyjadrujúce analyzované priebehy
signálov, poda po
iadaviek zadania úlohy.
Je mo
né protokol doplni o obrázky odfotenej obrazovky osciloskopu ap. Tieto
obrázky sú nepovinné, doplnkové a nenahrádzajú grafy alebo obrázky.
96
Podmienky merania
Ihne po ukon
ení merania si odpíte podmienky merania. Najmä tepotu
v laboratóriu, atmosférick tlak, vlhkos, ale ak je potrebné aj iné údaje, ktoré by mohli
ovplyvni meranie. Tieto podmienky sú v tom prípade merané profesionálnymi prístrojmi,
umiestnenmi v tomto laboratóriu.
Tab. 11.2 Podmienky merania
Meraná veli
ina
Teplota
Atmosférick tlak
Vlhkos
Aktuálna hodnota
19°C
1015hPa
65%
Záver
Posledná poloka v protokolu je záver. V závere neopakujte údaje, uvedené
v protokole. V závere musíte odpoveda na zadanie. Teda je potrebné porovna a vyhodnoti
vsledky merania, grafy priebehov hodnôt, vzájomné pôsobenie prvkov pri meraní.
Vyhodnote aj presnos merania, prípadne zdôvodnite mon dôvod vzniku odchlok a chb.
Ku protokolu je potrebné priloi merací list, parafovan vyu
ujúcim, aby bolo
moné zisti prípadné nezrovnalosti a chyby pri spracovávanie protokolu. Na merací list sa
nekladú iadne formálne poiadavky. Je potrebné, aby mal tudent v meracom liste
podchytené vetky potrebné údaje pre spracovanie protokolu.
Poznámky
Protokol musí po formálnej stránke dodriava stanovené okraje, zvy
ajne 2,5 cm na
vetkch okrajoch stránky, ktoré platia rovnako pre text, tabuky a grafy.
Na laboratóriu bvajú na nástenkách umiestnené vzorové protokoly, kadému na
nahliadnutie.
Odovzdan protokol je vaou vizitkou, nie je moné akceptova pre
iarkovanie,
rôzne machule, vpisy a iné korektúry. V prípade chyby je potrebné patri
né stránky protokolu
prerobi.
Protokol musí by v tejto kvalite odovzdan v
as, v stanovenom termíne. Nekvalitne
spracovan protokol, protokol s chybami, bude vráten na dopracovanie alebo prepracovanie.
Nízka kvalita, chyby a oneskorenie majú za následok zníené hodnotenie protokolu.
Odovzdanie vetkch protokolov je podmienkou na prijatie ku skúke z daného predmetu.
97
Za odbornú nápl tohto vydania zodpovedá odborná redaktorka doc. Ing. Marcela Koová,CSc.
Autori doc. Ing. Zdenk Dostál, CSc., Ing. Miroslav ulík, PhD.
Názov NÁVODY NA LABORATÓRNE CVIENIA Z PREDMETU ELEKTRONIKA 1
Vydala ilinská univerzita v iline v EDIS-vydavatestve U v decembri 2011 ako svoju 3166.
publikáciu
Vydanie prvé
Náklad 50 CD
AH/VH 6,20/6,59
ISBN 978-80-554-0468-4
Rukopis vo vydavatestve nepreiel jazykovou ani redaknou úpravou.
98
Download

Laboratórne meranie - Žilinská univerzita