Úloha číslo Teorie Praktikumzelektroniky Měření vlastností pasivních polovodičových dvojpólů Cílem úlohy je experimentální zkoumání vlastností polovodičových pasivních dvojpólů, proměření jejich V-A charakteristik a ověření základních pojmů a principů elektroniky(statický a diferenciální odpor, náhradní schémata, jednoduchý převodník I/U) na: a) křemíkové diodě, b) germaniové diodě, c) Zenerově diodě, d) chottkyho diodě, e) luminiscenční diodě ále se ověří funkce jednoduchého obvodu diodového omezovače Polovodičová dioda je v podstatě přechod PN a její statické vlastnosti lze vystihnout voltampérovou charakteristikou, vyjadřující závislost proudu I procházejícího diodou na napětí U na diodě, tedy I = f(u) Tuto závislost lze vyjádřit graficky nebo přibližně vztahem I= I 0(T) ( e e kt U ), () kde I 0(T) jenasycenýprouddiodouvzávěrnémsměrupřidanéteplotě T, ejeelementárnínáboj(e=,602 0 9 C), kjeboltzmannovakonstanta(k=,38 0 23 J/K)aTjeabsolutníteplotapřechodu PN(nikolivteplotaokolí)Veličina kt e vexponenturovnice()mározměrnapětíanazýváseprototéž teplotnínapětí U T,tedy U T = kt e (2) Proteplotu T = 300K = 27 Cmáteplotnínapětí U T hodnotu26mvovněžproudvzávěrném směru I 0(T),tvořenýpřevážnětokemminoritníchnosičůnáboje,závisínateplotětak,žepřivzrůstu teplotyokaždých0 Csejehohodnotazvětšípřibližněnadvojnásobek(neboťvzrostevlastnívodivost polovodiče) Této teplotní závislosti lze využít pro měření teploty polovodičová dioda může pracovat ve funkci snímačeteploty,maximálnědo50 C,pakdojdekdestrukcipřechoduPřiměřeníV-Acharakteristik může však tato teplotní závislost ovlivnit přesnost měření Budeme-liuvažovat,žeteplota T=konst,pakzrovnice()jezřejmé,ževpropustnémsměru(U >0) roste proud diodou přibližně exponenciálně v závislosti na napětí U, kdežto v závěrném směru(u < 0) jeprodostatečněvelkouabsolutníhodnotu U výrazexp ( e kt U ),takžejejmůžemezanedbat adiodouprocházíjenmalýzávěrnýproud I I 0(T) PolovodičovádiodamátedynesymetrickouV-A charakteristiku a lze ji proto využít jak pro usměrňování střídavých proudů, tak i pro další aplikace využívající této vlastnosti Přesnost měření V-A charakteristiky může být rovněž ovlivněna vnitřními odpory použitých měřicích přístrojů Při měření V-A charakteristiky diody v závěrném směru je odpor diody velký a je proto vhodné použít zapojení jako při měření velkých odporů přímou metodou Naopak při měření V-A charakteristiky v propustném směru použijeme zapojení jako při měření malých odporů, neboť odpor diody v propustném směru je malý ruhy polovodičových diod V praxi se používá celá řada druhů diod Jedním z kritérií třídění je materiál diody, což je nejčastěji křemík a germanium iody z různých materiálů se liší především napěťovým úbytkem v propustném směru a dynamickým odporem, ale i dalšími parametry(frekvenční vlastnosti, průrazné napětí) Zenerova dioda nemá v závěrné oblasti vodorovný průběh, ale při určitém napětí U Z začnecharakteristikaprudceklesatvtétočásticharakteristikyivelkézměnyprocházejícího proudu vyvolávají jen malé změny napětí na diodě a Zenerova dioda je proto vhodným stabilizačním prvkem chottkyho dioda není tvořena PN přechodem, ale přechodem kov polovodič íky vysoké koncentraci elektronů v kovu a jejich vysoké pohyblivosti má tato dioda nižší úbytky napětí a lepší frekvenční vlastnosti(rychlejší dobu reakce) Luminiscenční dioda je vytvořena z takových materiálů, aby energetická šířka jejich zakázaného pásu odpovídala oblastem viditelného záření Během průchodu proudu pak taková dioda svítí odpovídající barvou; barevné vlastnosti jsou zpravidla zvýrazněny barevným krytem diody tatický a dynamický odpor V případě obyčejného rezistoru s odporem platí mezi proudem I a napětím U vztah I= U,atoprovšechnyhodnotynapětíaprouduVpřípaděnelineáníchsoučástek všakvztahpřestáváplatitamístonějplatínelineárnírovnice I= f(u)zvolíme-lisinějakýpracovní
bod P,budepřinapětí U P procházetprvkemproud I P Jejichpodílpakbudepředstavovatstatický odporprvkuvbodě P,tj P = U P I P, (3) který už však není konstantou jednoznačně prvek popisující, ale mění se v závislosti na poloze bodu P Tento odpor má význam např při řešení energetických poměrů v obvodech či při stanovení zatížení prvku Je však nevhodný, chceme-li popisovat chování prvku při malé změně podmínek(což je typická situace např u zesilovačů) Pro tyto aplikace je vhodné si představit, že v sériové kombinaci se statickým odporem je ještě jeden, dynamický odpor, který umožňuje reakci na malé změny ochází-li k malým změnámnapětíokolohodnoty U P,budesevýslednýproudměnittak,jakobysepohybovalpopřímce, upevněné v bodě P Hodnota směrnice této přímky(dynamického odporu) je opět závislá na poloze bodu P a určí se z nelineární závislosti prvku měřením diferencí nebo teoreticky výpočtem derivace dyn P = U f(u) = df(u) du (4) V případě experimentálních dat se často tečna, užívaná k určení dynamického odporu, nahrazuje sečnou tak, aby pracovní bod P ležel uprostřed vyznačeného intervalu I I U P β = arctg dyn P α = arctg P U Obrázek : tatický a dynamický odpor estavování lineárních modelů Když máme v pracovním bodě P určen dynamický odpor součástky, můžeme sestavit její náhradní linearizovaný model Linearizovaný model sestavujeme proto, abychom mohli při řešení elektrického obvodu aplikovat teorii lineárních obvodů, která je dobře propracovaná a mnohem jednodušší než řešení nelineárních obvodů Nesmíme však zapomínat, že výsledky platí jen pro malé změny signálů Lineární model sestává z takové seriové kombinace ideálního zdroje napětí a rezistoru, která dává pro malé změny napětí v okolí bodu P téměř shodné změny proudu jako původní součástka chráněný U 2 U 2 obvod U 2 U d U a) b) Obrázek 2: iodový omezovač a) zapojení, b) ideální přenosová charakteristika iodový omezovač Mnohé elektronické obvody mají omezení velikosti napětí, které lze přivést na jejich vstupy Přivedeme-li napětí větší, může dojít k poškození obvodu Proto se před citlivé vstupy zařazují omezovače napětí Když se podíváme na voltampérovou charakteristiku diody, uvidíme, že napětí nadioděvpropustnémsměrunepřesáhneznatelněprahovénapětí U d Můžemetedypoužítdiodukekonstrukci diodového omezovače tak, že paralelně ke chráněnému vstupu připojíme propustně polarizovanou dioduvpřípaděvstupníhonapětí U menšíhonež U d senapětíbezezměnypřenesenavstupchráněného obvodu,vpřípadě U > U d diodouzačneprotékatproud Itakový,žebudeplatit U = I U d To znamená,že přebytečná částnapětísesrazínaochrannémrezistoru(kterýomezujeprouddiodou)a navstupuchráněnéhoobvodubudepouze U d Uvedenýzpůsobvšakchránívstupjenpřijednépolaritě 2
napětí Chceme-li obvod chránit při obou polaritách, musíme zapojit antiparalelně dvě diody Omezovač napětíjemožnocharakterizovatjehopřenosovoucharakteristikou,tjzávislostí U 2 = f(u ),kterájepro případ ideálního omezovače znázorněna na obrázku ealizace měření Pro měření voltampérové charakteristiky diody I = I(U) použijeme měřicí jednotku Analog igital ata Unit výukového systému µlab se softwarem rc2000 a příslušný modul Component BoardVýstupAnalogOutput,kterýběhemměřeníposkytuječasověproměnnénapětí U nap sloužící k postupnému proměřování V-A charakteristiky, připojte na sériovou kombinaci diody a převodníku proudunanapětíparalelněkvýstupuanalogoutputpřipojteivstupina Proudový vstupin B připojte k převodníku proudu na napětí a zvolte vhodnou hodnotu ense oplnění popisu programu pro měření V-A charakteristik: Cursor analýzadatpomocíkursorů(ukazatelů)měřínapětíaproudyvboděa2apočítá odpor jejichsměrnice;vpřípaděpolohtěsněblízkonulovéhonapětínemusíbýthodnotyzobrazeny, taktéž pro některé hodnoty napětí nemusí být kursor v grafu zobrazen Je-li jeden kurzor umístěn ve zvoleném pracovním bodě a druhý v nule, získáme hodnotu statického odporu Jsou-li oba kurzory blízko sebe, získáme dynamický odpor v daném bodě(kursory nefungují, je-li zvolena polarita Uni) Určení lineárního modelu o obvodu se zapojí nelineární prvek a v režimu equence se vykreslí jeho charakteristika ve zvoleném kvadrantu Z ní se pak ve zvoleném pracovním bodě P určí její dynamický odporvbodě PNyníprvekvypojímeamístonějzapojímesériovoukombinacidekádyapomocného zdroje(použijeme modul Programmable C upply) Na dekádě nastavíme hodnotu odpovídající dynamickému odporu a vykreslíme si průběh druhou barvou klon vykreslené přímky by měl odpovídat sklonu V-A charakteristiky v bodě P Pomocí změny napětí zdroje a opakovaného vykreslování charakteristikydocílímeshodyobouprůběhůvbodě PProlepšíshodumůžememírněupravitiodpordekády Výsledná hodnota odporu a napětí pak udává parametry linearizovaného modelu Poznámky k měření V měřicím obvodu je nutno pamatovat na proudové omezení a zařadit ochranný rezistor, jehož hodnota se musí zvolit s ohledem na vestavěnou proudovou ochranu(max 20 ma) a velikost napájecího napětí V případě, že proud překročí uvedenou hodnotu, rozsvítí se červeně dioda Fuse Odstraňte příčinu přetížení a obnovte činnost zdroje stiskem tlačítka Fuse 2 Program měří najednou propustný i závěrný směr, využívá tedy vždy jen jednu metodu přímého měření Je proto nutné předem zvážit, který směr je třeba měřit přesněji 3 bejte na shodné zapojování měřicích sond a shodnou orientaci všech diod v průběhu měření; pro změření závěrného směru diodu nepřevracejte 4 Při sestavování lineárního modelu se musí napětí měřit na kombinaci rezistoru se zdrojem napětí ovněž nezapomeňte přičíst 20 Ω k údaji na malé odporové dekádě 5 Přenosovou charakteristiku diodového omezovače změřte v režimu V-A charakteristik; rozdíl v jednotkách ignorujte Při nahrazování diod Zenerovými diodami pamatujte na skutečnost, že se Zenerovy diody používají opačně polarizované Použijte ochranný rezistor = 00 kω Zadání úlohy Nakreslete principiální elektrický obvod pro měření A-V charakteristiky polovodičové diody zapojené v propustném a závěrném směru(využijte poznatků z elektřiny a magnetismu) 2 Překreslete tato elektrická zapojení tak, že nahradíte ampérmetr vhodným jednoduchým lineárním převodníkem proudu na napětí, jelikož AU měří pouze napětí a neměří proudy(využijte znalostí z elektřiny a magnetismu) 3 estavte měřicí obvod podle překresleného schématu propojením AU s modulem Component Board a zapojením součástek 4 Změřte A-V charakteristiky křemíkové, germaniové, luminiscenční, Zenerovy a chottkyho diody Pokud je k dispozici více diod stejného typu, změřte více charakteristik do jednoho grafu 5 Určete v několika bodech charakteristik diod v propustném směru(i kvadrant) statický a dynamickýodpor,atotéžprojedenbodvzávěrnémsměru 3
6 Ve zvoleném(pracovním) bodě charakteristiky nahraďte diodu sériovou kombinací rezistoru(odporové dekády) a stejnosměrného zdroje napětí a nakreslete náhradní(lineární) model diody ve zvoleném pracovním bodě ohledem na vlastnosti odporové dekády využijte znalostí z předchozích měřeníazvoltediodu,kterámádiferenciálníodporvdanémboděvětšínež20ω 7 Zapojte diodový omezovač a změřte jeho přenosovou charakteristiku Ověřte si chování obvodu, pokud jednu a obě diody nahradíte Zenerovou diodou Použité přístroje a pomůcky počítač s programem rc2000, měřicí panel, zdroj napětí, AU, Component Board, přesný stavitelný zdroj Programmable C upply, sada rezistorů a propojek, odporová dekáda, křemíková dioda, germaniová dioda, luminiscenční dioda, chottkyho dioda, sada vodičů tudijní prameny přednášky z elektřiny a magnetismu a z elektroniky 4
Úloha číslo 2 Teorie Praktikumzelektroniky tudium vlastností usměrňovačů střídavého proudu Cílem úlohy je experimentální ověření vlastností jednocestných a dvoucestných diodových usměrňovačů střídavých proudů v oblasti síťových kmitočtů a sledování charakteru výstupního napětí po průchodu přídavnými bloky, které realizují vyhlazení a stabilizaci Měření je prováděno pro několik běžných diodových zapojení ozvodná síť i některé generátory poskytují střídavé napětí, které se periodicky mění tak, že se mění jeho polarita Mnoho zařízení však potřebuje napětí jen jedné polarity, a v některých případech i s přesně udržovanou hodnotou Usměrňovač je elektronický obvod, který umožňuje přeměnu střídavého napětí na stejnosměrné napětí Jeho konstrukce závisí na požadovaném výkonu a charakteru usměrněného proudu, podle toho se volí usměrňovací prvky i způsob jejich zapojení v obvodech Pro usměrňování střídavých napětí o frekvenci 50 Hz se většinou používají plošné polovodičové diody, neboť mohou usměrňovat poměrně velké proudy a kapacita přechodu PN při této frekvenci nenarušuje usměrňovací proces amotný usměrňovač mnohdy nesplňuje všechny naše požadavky, proto se doplňuje dalšími prvky, např vyhlazovacím členem a stabilizátorem napětí Blokové schema této sestavy je znázorněno na obr 3 2 3 4 5 u u 2 U t U st U 0 U zvl z Obrázek 3: Blokové schema usměrňovače Na vstupu usměrňovače bývá obvykle zařazen síťový transformátor(blok ), který má dvě funkce: transformujestřídavévstupnínapětíoefektivníhodnotě U natakovouhodnotu U 2,jejímžusměrněním obdržíme požadovanou hodnotu stejnosměrného napětí, 2 galvanicky odděluje obvod usměrňovače od síťového napětí, což zvyšuje bezpečnost práce s usměrněným napětím nebo se zařízením, které je tímto napětím napájeno třídavénapětízesekundárníhovinutítransformátoruoefektivníhodnotě U 2 aamplitudě U m2 = 2U2 jepřiváděnodousměrňovacíhočlenu(blok2)obsahujícíhopolovodičovédiody,kterézpůsobíjednocestné nebo dvoucestné usměrnění Pokud nebudou připojeny další bloky 3 a 4, dostaneme na výstupu bloku2sicestejnosměrné,avšakpulzující(tepavé)napětíomaximálníhodnotě U tm apopřipojenízátěže z (blok5)budeobvodemprocházetstejnosměrnýpulzujícíproudomaximálníhodnotě I tm Poněvadž vinutítranformátoruidiodymajíjistýodpor,jehožcelkovouhodnotumůžemeoznačit i,dojdepři průchoduproudutímtoodporemkúbytkunapětí i I tm natomtoodporuausměrněnénapětí U tm bude protomenšínežamplitudastřídavéhonapětí U m2 (U tm < U m2 ),neboťpodleiikirchhoffovazákona platí rovnice U tm = U m2 i I tm (5) Odtudjezřejmé,žepřizvětšováníodebíranéhoproudu I tm (tjpřizmenšování z )sebudehodnota usměrněnéhonapětí U tm zmenšovatpřipojíme-likzátěži z voltmetr(respzařadíme-lidoobvodu ampérmetr), ukáží nám tyto měřicí přístroje podle své konstrukce buď střední nebo efektivní hodnoty napětí U ts, U te (respproudu I ts, I te )Projednocestněusměrněnéharmonickéveličinyplatíprostřední a efektivní hodnoty vztahy U ts = U tm π, U te= U tm 2 2, I ts= I tm π, a pro dvoucestně usměrněné harmonické veličiny platí I te= I tm 2 2 (6) U ts =2 U tm π, U te= U tm 2, I ts =2 I tm π, I te= I tm 2 (7) 5
Hodnoty U tm a I tm můžemestanovitvýpočtemznaměřenýchhodnot U ts a I ts nebo U te a I te,neboje můžeme změřit pomocí osciloskopu Takové tepavé stejnosměrné napětí není vhodné pro napájení většiny elektronických zařízení a je použitelné jen v některých speciálních případech, např pro nabíjení akumulátorů Abychom potlačili tepavý charakter usměrněného napětí, zařazujeme mezi usměrňovací blok 2 a zátěž 5 vyhlazovací filtr(blok 3), obsahující kondenzátory, případně rezistory nebo cívky Vzhledem k tomu, že dnes vyráběné elektrolytické kondenzátory dosahují při poměrně malých rozměrech značných kapacit C, stačí pro většinu běžných aplikací použít pro vyhlazení tepavého napětí jediný kondenzátor o dostatečně velké kapacitě C, který se připojí paralelně k výstupním svorkám usměrňovače(blok 2) Je však třeba dbát na to, abychom elektrolytický(unipolární) kondenzátor nepřepólovali, protože by došlo k jeho zničení aobvykleikezničeníusměrňovačevývodelektrolytickéhokondenzátoruoznačený musíbýtvždy připojennakladnějšípotenciálnežvývodoznačený (býváspojenýsvnějšímpouzdremkondenzátoru, je-li vodivé) Pokud kondenzátor nemá označené vývody, jedná se o bipolární elektrolytický kondenzátor, u kterého přepólování nehrozí Není-likvyhlazovacímučlenupřipojenazátěž(nebo z ),obvodemneprotékáproudau tm = U m2 Vyhlazovacíkondenzátorseprotonabijenanapětí U v = U m2 Vpůlperiodě,kdypolovodičovádioda v usměrňovacím obvodu je pólována v závěrném směru, sčítá se napětí na vyhlazovacím kondenzátoru snapětímnasekundárnímvinutítransformátorumaximálníhodnotazávěrnéhonapětídiody U zavmax, udávanávýrobcem,musíbýtprotovětšínež2u m2 Připojíme-likvýstupnímsvorkámusměrňovačezátěž z,napětí U v navyhlazovacímkondenzátoruse zmenšívlivemúbytkunapětínaodporu i,takže U v < U m2 Totovyhlazenénapětínenízcelaneproměnné sčasemalzejejrozložitnaustálenéstejnosměrnénapětívelikosti U 0 amaloustřídavousložkunazývanou zvlnění U zvl Totozvlněníjezpůsobenotím,ževdobě,kdyusměrňovacímidiodamineprocházíproud (jsoupóloványvzávěrnémsměru),jeprouddozátěže z dodávánznabitéhovyhlazovacíhokondenzátoru, kterýsepřesodpor z vybíjíanapětínajehosvorkáchprotoklesájakmilesediodyotevřou(kdyžnapětí nasekundárnímvinutítransformátoruje u 2 > U v ),kondenzátorseznovunabijeanapětínaněmvzroste nahodnotu U tm Velikostzvlnění U zvl závisíjaknavelikostikapacity C,takinavelikostizátěže z,neboťpokles napětípřivybíjeníkondenzátoruzávisínačasovékonstantěobvodu τ= z CČímvětšíje τ,tímmenší jezvlnění U zvl Velikostzvlnění U zvl můžemezměřitnapřpomocíosciloskopuavyjadřujemejeobvykle vprocentechustálenéhonapětí U 0,čímždostanemečinitelzvlnění p= U zvl U 0 (8) Přizměnáchzátěže z seměnívelikostprouduobvodemavlivemúbytkunapětínavnitřnímodporu usměrňovače i docházíikezměnámustálenéhostejnosměrnéhonapětí U 0 Totonapětísemůžerovněž měnitpřizměnáchvstupníhostřídavéhonapětí U Častojetřebapronáročnějšíaplikacezcelaodstranit jakzvlnění U zvl,takikolísánínapětí U 0 přizměnáchzátěže z nebozměnáchvstupníhostřídavého napětívtěchtopřípadechmeziusměrňovačazátěž z zařazujemeještěstabilizátornapětí(blok4),na jehožvýstupudostanemenezvlněnénapětí U st konstantnívelikosti Nejjednodušším stabilizačním obvodem je parametrický stabilizátor, využívající nelineární voltampérové charakteristiky některých elektronických prvků s malým dynamickým odporem v pracovní oblasti (doutnavka, Zenerova dioda) Měřítkem kvality stabilizátoru je činitel stabilizace daný vztahem s= U 0 U 0 U st = U 0 U st, (9) U U st U 0 st vyjadřujícím poměr relativních změn napětí na vstupu a výstupu stabilizátoru Cílem činnosti každého stabilizátoru je zachovávat konstantní hodnotu výstupní veličiny při změnách vstupní veličiny a proto by mělbýtpoměr U 0 / U st conejvětší(atedyičinitelstabilizace sconejvětší) JednoduchýstabilizátornapětíseZenerovoudiodouZaspřipojenouzátěží z jenaobr4podle hodnoty požadovaného stabilizovaného napětí volíme takový typ Zenerovy diody, aby její Zenerovo napětí U Z bylorovnopožadovanéhodnotěstabilizovanéhonapětí U Z U st ProkaždýtypZenerovydiodyudává výrobcevkatalogumaximálníztrátovývýkon P Zmax = U Z I Zmax Odtudmůžemevypočítatmaximální přípustný proud Zenerovou diodou I Zmax = P Z max U Z (0) Abystabilizátorsprávněpracoval,musíbýtnapětí U 0 navstupustabilizátoruvětšínež U Z Vpraxi sevolí U 0 =(2až3)U Z =(2až3)U st Odpojíme-liodvýstupustabilizátoruzátěž,budecelýproud I 6
protékatzenerovoudiodou,nesmívšakpřekročithodnotu I Zmax ohledemnatentopožadavekvolíme hodnotu odporu ve stabilizátoru podle vztahu = U 0 U Z I Zmax, () neboťnapětínarezistoru je U 0 U Z = U 0 U st Připojíme-likvýstupustabilizátoruzátěž z,bude zátěžíprocházetproud I z = U st / z aproudzenerovoudiodou I Z sezmenší,neboťpodleikirchhoffova zákonamusíplatit I= I Z I z Zmenší-liseproudZenerovoudiodou I Z podhodnotu0,i Zmax,dostane se pracovní bod do ohbí voltampérové charakteristiky Zenerovy diody a stabilizátor přestává stabilizovat Proto by měl proud zátěží splňovat podmínku I z <0,9I Zmax atedy z > U st 0,9I Zmax (2) Vpraxisepřikonstrukcistabilizátorůskonstantnízátěží z častovolípřísnějšípodmínka I z 0,5I Zmax I U 0 Z U st z I Z I z Obrázek 4: tabilizátor se Zenerovou diodou ealizace měření Pro měření vlastností usměrňovačů použijeme měřicí jednotku Analog igital ata Unit výukového systému µlab se softwarem rc2000(v režimu Oscilloscope) a příslušný modul Component Board pro zapojení usměrňovače, modul Function Generator pro vytváření střídavého signálu a modul Voltmeter C AC M pro měření(pravé) efektivní hodnoty stejnosměrných napětí Vzhledem k použití generátoru funkcí v režimu sinusového signálu není potřeba na vstup zařazovat síťový transformátor Při měření stejnosměrných napětí je třeba pamatovat na skutečnost, že napětí má tepavý charakter a je tedy třeba použít měřidlo, které získává skutečné střední či efektivní hodnoty výpočtem z průběhu, nikoliv jen vynásobením maximální hodnoty nějakým koeficientem(tento způsob je použitelný jen pro přesně definovaný průběh napětí, zpravidla harmonický) Vstupní napětí z generátoru přiveďte na vstup In A měřicí jednotky, na vstup In B přivádějte postupně vyšetřované usměrněné napětí Nastavte spouštěcí signál(trigger na vstup A a vhodně zvolte úroveň) K usměrňování použijte obyčejné křemíkové diody, hodnoty odporu si zvolte sami tak, aby nedošlo k přetížení proudové ochrany modulů(max 20 ma) Není-li řečeno jinak, použijte vstupní napětí s amplitudou 5 V Nejjednodušší jednocestný usměrňovač(obr 5a) používá jen jednu diodu a odpor (volte kω), ze kterého se odebírá usměrněné napětí Případný vyhlazovací kondenzátor se připojuje paralelně k odporu U dvoucestných usměrňovačů je zapotřebí nejméně dvou diod, které se zapojí tak, aby v různých půlperiodách byly různě pólovány To je možné provést u síťového transformátoru, který má vyvedenu střední odbočku, která slouží diodám jako společný vodič U běžného transformátoru používáme můstkové zapojení diod(obr 5b), u nichž během jedné půlperiody prochází proud vždy dvěma diodami tak, aby prostředním(diagonálním) rezistorem proud procházel stále v jednom směru IN A 2 IN B C A z IN A 2 IN B 3 4 a) b) Obrázek 5: Usměrňovač a) jednocestný, b) dvoucestný můstkový 7
Zadání úlohy Zapojte jednocestný usměrňovač podle schematu na obr 5a Jako zdroj usměrňovaného napětí použijte blok Function Generator, v režimu vytváření sinusového signálu s frekvencí 00 Hz a amplitudou A = 2 V Zobrazte časový průběh tepavého usměrněného napětí na výstupních svorkách usměrňovačeledujtezměnuprůběhusezměnouofsetu A of generovanéhosignáluavysvětlete měřenípři A of > AVyzkoušejtečinnostusměrňovačepromalouamplitudu A=300mVanulový ofset 2 Kvýstupnímsvorkám,2připojtezátěž z,realizovanouodporovoudekádouzměnouodporu z vrozmezí450ωaž9kωnastavujterůznéhodnotyvýstupníhoproudu I te aměřtestředníhodnoty napětí U te Zvýsledkůpaksestavtezávislost U te = f(i te )Zdůvodněte,pročměřenáhodnota U te selišíodhodnotyurčenépomocí U tm avztahu(6) 3 Na výstup usměrňovače připojte vyhlazovací kondenzátor C = 0 µf a připojte modul Voltmeter CACMproměřeníustálenéhostejnosměrnéhonapětí U 0 Změnouodporu z regulujte proudzátěží I z astanovtezávislostustálenéhostejnosměrnéhonapětí U 0 naodebíranémproudu, tj U 0 = f(i z )atakézávislostčinitelezvlnění p=f(i z ) 4 Mezivýstupjednocestnéhousměrňovačeazátěž z zařaďtejednoduchýstabilizátornapětísezenerovoudiodouzměnouodporu z (realizujteinekonečnouhodnotuodpojením)regulujteprotékající proudapomocíměřenínapětí U 0 a U st stanovtečinitelstabilizace s 5 Zapojte dvoucestný usměrňovač v můstkovém provedení dle obr 5b a zopakujte obdobná měření jako v bodech 3 Vysvětlete původ plochých oblastí mezi vlnami Jaký výsledek dostanete, pokud zobvoduvytáhnete a 4? 6 V předchozím zapojení nahraďte obyčejné diody luminiscenčními, snižte frekvenci na 0,4 Hz a napětí zvyšte na 5 V ledujte průběh činnosti diod a na jeho základě popište proces usměrňování 7 Odhadněte, jaké hodnoty by vycházely pro stejnosměrná napětí v případě pouhého přepočtu z maximální hodnoty rovnejte údaj z Voltmeter C AC M a digitálního multimetru při měření stejného napětí Vysvětlete, proč s použitým vybavením nerealizujeme dvoudiodový dvoucestný usměrňovač Použité přístroje a pomůcky počítač s programem rc2000, měřicí panel, zdroj napětí, AU, Component Board, sada rezistorů, propojek, diod a kondenzátorů, odporová dekáda, Function Generator, Voltmeter C AC M, sada vodičů, digitální multimetr tudijní prameny přednášky z elektřiny a magnetismu a z elektroniky 8
Úloha číslo 3 Teorie Praktikumzelektroniky Bipolární tranzistor a jednostupňový zesilovač Cílem úlohy je experimentální studium statických vlastností bipolárního tranzistoru a seznámení se s jeho linearizovanými modely Získané hodnoty parametrů se použijí k návrhu jednoduchého tranzistorového zesilovacího stupně v zapojení se společným emitorem a proměří se jeho frekvenční charakteristiky Bipolární tranzistor je součástka, která mění svůj odpor mezi dvěma elektrodami v závislosti na napájení třetí elektrody Tranzistor je založen na principu injekce a extrakce nosičů náboje skrz PN přechod, přičemž vedení proudu v bipolárním tranzistoru se uskutečňuje oběma typy nosičů, tj elektrony i dírami truktura tranzistoru je třívrstvá(dva PN přechody), krajní vrstvy se stejným typem vodivosti se nazývají emitor(označení E) a kolektor(označení C), mezi nimi je tenká vrstva báze(označení B), která má opačný typ vodivosti Z principiálního hlediska je struktura symetrická, v praxi však jsou vlastnosti emitoru a kolektoru odlišné díky technologii výroby Podle uspořádání vrstev rozlišujeme tranzistory typu PNP a NPN Principiálně jsou jejich činnosti stejné, liší se jen v polaritě napájecích napětí a proudů a v některých vlastnostech, které jsou závislé na fyzikálních vlastnostech elektronů či děr V této úloze se věnujeme tranzistoru typu NPN Každá vrstva tranzistoru má jeden vývod, proto je tranzistor trojpólem, vlivem PN přechodů však nelineárním V aplikacích však vždy musí být jeden vývod společný pro vstup i výstup a lze tedy tranzistor považovat za čtyřpól(je to výhodné také proto, že teorie čtyřpólů je dobře propracována, ovšem pouze pro lineární prvky) Podle toho, který vývod je společný, rozlišujeme zapojení tranzistoru se společnou bází(b), se společným emitorem(e) a se společným kolektorem(c) Protože tranzistor je nelineární prvek, byla by jeho obecná analýza složitá Často jej proto v daném pracovním bodě P linearizujeme, což můžeme provést několika způsoby, v závislosti na předpokládném užití Linearizace se provádí tak, že ve zvoleném bodě nahradíme nelineární závislost lineární funkcí dvou proměnných, přičemž koeficienty lineární funkce budou(teoreticky) dány první parciální derivací původní funkce podle dané proměnné Často se užívají dva způsoby linearizace, a to admitanční nebo hybridní Admitančníparametry y ij svýznamemvodivosti(obecněkomplexní)sezavádějípomocívztahů I = y U y 2 U 2, (3) I 2 = y 2 U y 22 U 2, (4) a jsou funkcí jak polohy pracovního bodu P, tak dalších parametrů(např frekvence) Hybridní(smíšené) parametry h ij majírůznéfyzikálníjednotky,jsouzpravidlareálnéazavádějísevztahy U = h I h 2 U 2, (5) I 2 = h 2 I h 22 U 2 (6) Protože parametry závisejí i na způsobu zapojení, doplňují se ještě indexem označujícím společnou elektrodu Například obecně definovaný proudový zesilovací činitel ( ) I2 h 2 = (7) I U 2=konst splňujepodmínku h 2b <prozapojeníbah 2e >prozapojeníe Porovnáme-li jednotlivá zapojení podle jejich vlastností, zjistíme, že obecně nejvýhodnější vlastnosti má zapojení se společným emitorem E, a proto se používá nejčastěji Jedině zde se dosahuje napěťového a zároveň proudového zesílení, a tím i výkonového zesílení Také rozdíl mezi velikostí vstupního a výstupního odporu je v zapojení E nejmenší, což usnadňuje spojování několika zesilovacích stupňů v jednom zesilovači vě další zapojení se používají jen ve speciálních aplikacích V této úloze se budeme zabývat jen zapojením E Výše uvedené čtyřpólové parametry vystihují vlastnosti tranzistoru jen v okolí pracovního bodu P Chování tranzistoru ve větším rozsahu napětí a proudu popisují(při pomalých změnách veličin) nejlépe statické charakteristiky, které se znázorňují graficky a vyjadřují vždy závislost dvou veličin, přičemž třetí veličinaseuvažujejakoparametrzečtyřveličin U, U 2, I a I 2 lzesestavit4!=24různýchsoustav charakteristikpropraxijsouvšakdůležitéjenčtyřiznich,atovždyjenvjednomkvadrantuprotose často všechny čtyři zakreslují do jednoho grafu(obr 6) tak, že každá zabírá jeden kvadrant V takovém tvaru bývají charakteristiky uváděny také v katalogu výrobce Čtveřice používaných charakteristik je 9
Výstupní charakteristika naprázdno I C = f(u CE ), I B =konst Vstupní charakteristika nakrátko I B = f(u BE ), U CE =konst Proudová převodní charakteristika nakrátko I C = f(i B ), U CE =konst Zpětná napěťová převodní charakteristika naprázdno U BE = f(u CE ), I B =konst I C U CE převodní výstupní I B I B U CE vstupní zpětné I B U BE Obrázek 6: tatické charakteristiky bipolárního tranzistoru U bipolárního tranzistoru se výrazně projevuje vliv teploty na průběh charakteristik Můžeme ho tedy považovat i za součástku řízenou teplotou Zpravidla však tuto vlastnost považujeme za parazitní, neboť se s teplotou mění i poloha nastaveného pracovního bodu a je proto třeba při praktických aplikacích používat stabilizaci pracovního bodu Proto při měření charakteristik se snažíme udržovat stálou teplotu a nenecháváme tranzistorem protékat velké proudy po dlouhou dobu Zesilovač je aktivní čtyřpól, který je sestaven tak, aby malý vstupní signál vytvářel velkou změnu napětí na výstupu zesilovače a tím vstupní signál zesiloval Zesílení se pak děje na úkor energie napájecího zdroje zesilovače Pro malé signály lze zpravidla zesilovač uvažovat jako lineární čtyřpól, jehož parametry však závisí na poloze pracovního bodu V případě lineárního zesilovače má smysl zavést frekvenčně závislé zesílení napětí  u,kteréjeobecněkomplexníavystihujepoměrkomplexněvyjádřenéhovýstupního napětíkukomplexněvyjádřenémuvstupnímunapětízcelaobdobnělzezavéstzesíleníproudu Âi či výkonu ÂpMámetedydefiničnívztahy  u = û2 û,  i = î2 î,  p =ˆp 2 ˆp (8) Protože velikost zesílení se může měnit i v rozmezí několika řádů, používá se zpravidla jeho logaritmu, který se označuje jako zisk, a u =20log û 2 û, a î 2 i=20log, a p=0log ˆp 2 ˆp (9) Takto vyjádřená veličina se udává v jednotkách decibel(db) a nenese žádnou informaci o fázi zesílení Pro posouzení vlastností zesilovačů se zpravidla kreslí frekvenční charakteristiky zisku a fáze(obr 7) Ideální zesilovač by měl mít rovnou frekvenční charakteristiku, reálná charakteristika však na straně nízkých i vysokých kmitočtů klesá s určitou strmostí(jednoduchá zapojení mají strmost 20 db/dek, což znamená, že při vzrůstu frekvence o jeden řád poklesne zesílení o 20 db) Hraniční body, při kterých frekvenční charakteristika poklesne o 3 db vzhledem ke svému maximu, se označují jako mezní frekvence, î 0
0a [db] atodolní f d ahorní f h ozdíl B= f h f d definuješířkupásmazesilovačevespeciálníchaplikacích (např ekvalizéry) se zesilovač doplňuje frekvenčně závislými prvky, které rovnoměrnou charakteristiku přetvářejí do požadovaného tvaru 3 20 db/dek Šířka pásma 20 db/dek f d f h log f [Hz] Obrázek 7: Amplitudová frekvenční charakteristika zesilovače Tranzistorový zesilovací stupeň je nejjednodušší realizovatelný zesilovač, zpravidla je tvořen jedním tranzistorem v zapojení se společným emitorem Obvod(obr 8) je doplněn několika rezistory, které slouží knastavenípracovníhobodu(, 2 )akjehostabilizaci( 3, 4 )Kondenzátory C a C 2 jsouvazební kondenzátory, které slouží k odstranění stejnosměrné složky, která by ovlivňovala nastavení pracovního bodujejichhodnotysepohybujívjednotkáchaždesítkách µfodpor 4 sezařazujeprokompenzaci teplotníchzměn U BE Zvyšuje-liseteplota,zmenšujeseodporpřechodubáze emitoratímrosteiproud I B,kterýnáslednězvyšuje I C aposouvápracovníbodzvýšenýkolektorovýproudtranzistorzahříváa efektselavinovitězesilujezapojíme-li 4,budenaněmsrůstem I C růstinapětí U 4 = U E,cožpři stálém U B = U 2 působíprotiteplotnízměně U BE acelýobvodsetímstabilizuje,alezacenupoklesu zesíleníprotosezařazujekondenzátor C 4,kterýodpor 4 provyššífrekvence zkratuje avoblasti nenulovýchfrekvencísepakodpor 4 neprojeví K výpočtu zesílení daného stupně je zapotřebí nahradit tranzistor některým z jeho modelů Protože se v zapojení vyskytují frekvenčně závislé prvky, je třeba sestavit přibližné náhradní modely pro nízké, střední a vysoké frekvence a určit v nich zesílení zvlášť Např na středních frekvencích lze všechny kondenzátory nahradit zkraty a pak odvodit zesílení ve tvaru A 0 = h 2e h e ( h 22e 3 z ), (20) kde symbol značí paralelní kombinaci odporů Je vidět, že zapojení E obrací fázi signálu U CC 3 I B I C U CE C 2 i C 2 U BE u 2 u 4 C 4 z u 0 Obrázek 8: Jednostupňový zesilovač Podle způsobu nastavení pracovního bodu se zesilovače řadí do několika kategorií V úloze se budeme zabývat kategorií A, která má pracovní bod umístěn přibližně uprostřed prvního kvadrantu, v oblasti, kde jsou převodní charakteristiky téměř přímkové, takže dochází k nejmenšímu zkreslení signálu
ealizace měření Pro měření vlastností tranzistoru použijeme měřicí jednotku Analog igital ata Unit výukového systému µlab se softwarem rc2000 a příslušný modul Transistor Bipolar pro zapojení tranzistoru a modul Programmable C upply pro přesná nastavení parametrických napětí či proudů Měření budeme provádět v režimu V-A Characteristics vždy pro několik hodnot parametru, některé parametrybudememěřitexternímmultimetrem(parametr I B )TranzistorsedomoduluTransistor BipolarzapojujevlevonahoředozdířekCBE(shodněseznačenímnatranzistoru)Zdířkyc,bpodním slouží k vyřazení ochrany tranzistoru před přetížením a je nutné je zkratovat Při sestavování zesilovače je rozpojte, až ověříte jeho funkčnost, tak je zase spojte, aby ochranné odpory neovlivňovaly výpočty IN A 3 2 3 00 Ω ( kω) IN B 3 2 3 = 4 IN B 0 kω 2 IN B 4 A 4 IN A 2 IN A 4 4 = 2 3 Obrázek 9: chema pro měření vlastností tranzistoru Čísla až 4 ukazují, co je třeba zapojit při měření úlohyaž4,analogoutputpřipojtenamístozdrojesesymbolempily V některých úlohách(např 2) v případě sepnutí elektronické pojistky(fuse) nahraďte odpor 00 Ω odporemkωnapětí U CE bysesprávněmělopřivádětpřímonasvorkukolektoru,alebezpečnějšíje připojení přes ochranný odpor 00 Ω Pak je napětí udávané na displeji Programmable C upply jenpřibližněnapětím U CE,přesnouhodnotuzískátepřipojenímdigitálníhomultimetrunebomodulu VoltmeterCACM(namísto,kdesevúlozepřipojíInA) Při určování hybridních parametrů by se měly určovat hodnoty ze směrnice tečny Abychom snížili vliv nejistot, zvláště u téměř vodorovných průběhů ve výstupních charakteristikách, budeme je určovat ze sklonu sečen Po změření charakteristiky v režimu ingle proto nastavte jeden kursor na konec průběhu a druhý co nejblíž k nule tak, aby ještě stále ležel v přímkové oblasti Nezapomeňte, že program určuje pouze odpory, takže příslušné parametry budete muset přepočítat Program rc2000 je určen jen pro měření V-A charakteristik v prvním a třetím kvadrantu, a to s pevně danými proudovými a napěťovými osami Proto musíte i vstupní charakteristiky vykreslit do prvního kvadrantu, ačkoliv je potřeba je mít ve třetím a otočené Překreslení musíte provést externím programem(editorem rastrových obrázků) Horší situace nastává v případě převodních/zpětných charakteristik, protože zde potřebujeme mít obě osy proudové/napěťové To bohužel nelze provést, takže získané hodnoty i stupnice v grafu musíte přepočítat V případě převodních charakteristik zapojte na osu x signál zbázovéhoodporu0kωazískanéúdajepřepočtětepodlevztahu x [µa] =0 4 x [V] Proudováosaby vpřípaděsprávnéhonastaveníensemělabýtvpořádkupakplatí h 2 =0 4 /,kde jehodnota, kterou program udává jako dynamický odpor mezi polohami a 2 V případě zpětných charakteristik nastavteensenahodnotuaproudovéúdajebertepřímojakonapětí Pro měření vlastností zesilovače použijeme externí generátor pro vytváření střídavého signálu, výstup budeme měřit klasickým osciloskopem(program rc2000 zde nebudeme využívat) Vzhledem k zesílení vřádustovekaomezenínapětína ±2Vnelzevstupnínapětízgenerátorupřivéstpřímo,protožemá minimální amplitudu asi 00 mv Proto na modelu Component Board zapojíme odporový dělič tvořený odpory d =0kΩa d2 =kω,najehovstuppřipojímegenerátoranapětízodporu d2 přivedeme na vstup zesilovače Tentýž signál připojíme na vstup A osciloskopu, na vstup B budeme přivádět výstup zesilovače Pro spojení použijte tři kabely, které mají z jedné strany BNC konektory Vlastní měření se provádí ve frekvenčním rozsahu Hz až MHz nastavením požadované frekvence a odečtením amplitudy vstupního i výstupního signálu Při návrhu zesilovače počítejte s dispozicí pouze dvou odporových dekád, zbylé dva rezistory volte dle dostupných prvků Přesné hodnoty mění pouze velikost zesílení, samotná funkce zesilovače jimi příliš ovlivněna není Zesilovač se zesílením v řádu stovek lze realizovat(pro podmínky dané úlohou 6) s orientačnímihodnotami =50kΩ, 2 =kω, 3 =000Ω, 4 =500Ω, C =3,3 µf, C 2 = µf a C 4 =00 µfkonkrétníhodnotyvšakzávisejínaparametrechtranzistoruvzhledemkvlastnostem 2
systému µlab nelze tyto parametry určit přímo v použitém pracovním bodě, ale můžeme předpokládat, žesemocneměníhodnotu C 2 voltetak,abydobřeodstranilastejnosměrnousložkupřisestavovánína modulutransistorbipolarpřipojtenapětí U CC navýstupzdrojenapětímetex Návrh tranzistorového zesilovače v zapojení E Postup navržení zesilovacího stupně při zadání napájecíhonapětí U CC,napětíkolektoru U CE,bázového I B akolektorového I C proudu,známýchparametrůtranzistoru(h, h 22, h 2, U BE 0,65V)azvolenéfrekvenčníoblasti: Pronapětívevětvikolektor emitorplatí U CC = U 3 U CE U 4 = I C 3 U CE U 4 Zhlediska stabilizacebymělbýt 4 conejvětší,alepaknaněmrosteztrátovývýkonprotosenapětí U 4 volí vrozmezí(0, 0,3)U CC,dálejejzvolíme0,2U CC Pozvolenímůžemeurčitodpor 4 = U 4 I C I B 2 Zezadanéhonapájecíhonapětí U CC a U CE určímenapětí U 3 = U CC U CE U 4 azněho 3 = U 3 I C Tímtojsouurčenyodpory 3 a 4 3 Proobvodnapěťovéhoděliče(sloužícíhoknastaveníklidovéhopracovníhobodu)platí U CC = U U 2 =(I I B ) I 2,kde I jeproudtekoucíděličem,kterýmusímezvolit(zobvodových rovnicneníjednoznačněurčen)zpravidlasevolí I =( 5)I B,cožjehodnota,kterázajišťuje dostatečnoutvrdostděličeazároveňumožní,abybyl 2 dostvelký(ovlivňujetotižvstupníodpor zesilovače a tím i zatížení budicího stupně, které by mělo být co nejmenší) 4 Prosmyčku 2 báze emitorplatí U 2 = I 2 = U BE U 4,znížlzeurčit 2 = U BEU 4 I 5 Zpodmínky U CC = U U 2 určíme U apak = U CC U BE U 4 I B I Nynímámeurčenyvšechny rezistory v obvodě 6 Vazebníkondenzátory C a C 2 musímeurčitzmezí,kteréjsmesistanoviliprofrekvenčnípásmo zesilovače Oba kondenzátory tvoří(s rezistory v obvodě) C články s časovými konstantami τ = f =2π ic,kde i jecelkovývstupní/výstupníodporzesilovače 7 Pro stanovení mezní dolní frekvence určíme nejprve vstupní odpor, který je dán paralelní kombinací odporůděliče, 2 avstupníhoodporutranzistoru vstt = h Tedy vst = 2 vstt Tento odpor pak s kondenzátorem tvoří hornofrekvenční propust Pro dolní mezní frekvenci budeme požadovat,abynanibylpoklespřenosutétopropusti3dbzevztahupropřenospakurčíme f d = 2πC vst C = 2πf d vst 8 Obdobněurčímevýstupníodporzkombinaceodporů(odpor 4 jeprovysokéfrekvencezkratován kondenzátorem C 4 aprotoneníuvažován) 3, z (zátěž)avýstupníhoodporutranzistoru výstt = h 22,tedy výst = h 22 3 z Pronezatíženýzesilovač( z )pak výst = h 22 3 Ze vztahuprodolnímeznífrekvencipakdostaneme C 2 = 2πf d výst 9 Poslednímkrokemjevolbakondenzátoru C 4 Tensezpravidlavolívetvaru C 4 h 2 C Popis ovládání přístroje Metex M-960 Tento univerzální přístroj v sobě spojuje čtyři jednotky Pro naše potřeby budeme využívat pouze dolní bloky Function Generator a Power upply V bloku napájecího zdroje jsou tyto prvky: Power zapnutí přístroje, dále je nutno zapnout vypínač Function Generator na zadní části přístroje Voltage nastavujevelikostnapětí nasvorkáchoznačených 0 30V,velikostnapětí se zobrazuje na displeji V/A slouží k přepíná zobrazení odebíraného napětí či proudu, je třeba nechat vypnuté V bloku generátoru funkcí jsou prvky: Output 50/600 Ω (spodní) BNC konektor pro výstup generovaného signálu Amp amplituda výstupního signálu Offset posunutí nulové úrovně signálu, používejte k vyrovnání na nulu ym symetrie některých průběhů(podíl sestupné a náběžné strany signálu) Function blok přepínačů k výběru tvaru signálu sinusový, obdélníkový nebo trojúhelníkový Frequency blok přepínačů určujících řád výstupní frekvence Frekvence se nastavuje otáčením kolečka vpravo od bloku tlačítek Frequency, skutečnou frekvenci získáme vynásobením čísla udaného na stupnici a čísla uvedeného nad stisknutým tlačítkem v bloku Frequency 3
Zadání úlohy Změřtevýstupnícharakteristikytranzistoruproněkolikhodnotproudu I B ozkmitanalogového výstupunastavtena5v,frekvenciasi00hzvpracovnímbodě U CE =3VaI B =30 µazcharakteristikurčetevýstupníodportranzistoru/h 22 2 Změřtevstupnícharakteristikutranzistorupronapětí U CE =3Vozkmitanalogovéhovýstupu nastavtena,6vvpracovnímbodě U CE =3VaI B =30 µazcharakteristikurčetevstupníodpor tranzistoru h 3 Změřteproudovoupřevodnícharakteristikupronapětí U CE =3Vozkmitanalogovéhovýstupu nastavtena,6vvpracovnímbodě U CE =3VaI B =30 µazcharakteristikurčeteproudový zesilovacíčinitel h 2 4 Změřtezpětnounapěťovoucharakteristikuproněkolikhodnotproudu I B ozkmitanalogového výstupunastavtena5v 5 využitím parametrů určených v předchozím bodě navrhněte jednostupňový tranzistorový zesilovač promalénapětí u Uvažujtenezatíženýzesilovačanulovýodporvstupníhogenerátoru,dolnímezní kmitočetvoltevrozmezí0až30hz,napájecínapětízvolte U CC =2V,pracovníbodnastavujte pro U CE =6V, I B =30 µaakolektorovýproudzvolte I C =5mA 6 Navržený zesilovací stupeň sestavte, ověřte jeho funkci, stanovte zesílení pro f = khz a srovnejte s teoretickou hodnotou 7 Změřte amplitudovou kmitočtovou charakteristiku zesilovače 8 Posuďtevlivkondenzátorů(jejichzměnou)azátěže z Pozn: tatické charakteristiky do protokolu uveďte ve formě jednoho grafu oma si udělejte předběžný návrh hodnot jednotlivých součástek zesilovače Katalogové parametry tranzistorubc546jsou(typicky) h =2700Ω, h 2 =,5 0 4, h 2 =220, h 22 =8 µ Použité přístroje a pomůcky počítač s programem rc2000, měřicí panel, zdroj napětí, AU, Transistor Bipolar, Component Board, sada rezistorů, propojek a kondenzátorů, odporové dekády, tranzistor, Programmable C upply, Voltmeter C AC M, generátor, osciloskop, sada vodičů, digitální multimetr tudijní prameny přednášky z elektřiny a magnetismu a z elektroniky 4
Úloha číslo 4 Teorie Praktikumzelektroniky Operační zesilovač a jeho statické vlastnosti Cílem úlohy je seznámení se s vlastnostmi operačního zesilovače, způsobem řešení obvodů s OZ a s jednoduchými aplikacemi, u nichž rozhodují pouze statické vlastnosti OZ Měří se invertující, neinvertující a rozdílový zesilovač, komparátor a funkční tvarovač Operační zesilovač(oz) je elektronický prvek, který se vyznačuje velmi velkým zesílením diferenciálního signálu, vysokým vstupním a nízkým výstupním odporem, téměř nulovým výstupním napětím při nulovém napěťovém rozdílu na vstupu a velmi malým časovým zpožděním výstupu oproti vstupu Název operační pocházízprvníchaplikací,vnichžsevyužívalkrealizacizákladníchmatematickýchoperací (např součet či logaritmování) Operační zesilovač má tyto základní vstupy: kladný(neinvertující)signálovývstupsnapětím U, záporný(invertující)signálovývstupsnapětím U, výstup(obvykle jeden), dvanapájecívývodypronapájenízesymetrickéhozdroje ±U CC,tytosezpravidlaveschématech s operačním zesilovačem nezakreslují svorky pro napěťovou a kmitočtovou kompenzaci Všechna napětí, která se v obvodech s OZ uvažují, jsou vztažena k zemnící svorce symetrického zdroje napětíozdíl u d = U U seoznačujejakovstupnídiferenciálnínapětíaprávěonojeozzesilovánose zesílením A 0,tj U out = A 0 u d TeoretickyvýstupOZzávisípouzena u d bezohledunaabsolutníhodnoty U, U,vpraxitoneplatíadocházíknežádoucímuzesilovánísouhlasnéhonapětísezesílením A g 5 U CC = U CC u d = U U CC = U U out U U 2 3 4 C P 6 a) b) 7 8 CM C U CC = U out Obrázek 0: Operační zesilovač a) Značení vývodů, b) ochrana vstupu a výstupu Vnitřně je OZ řešen sériovou kombinací několika zesilovacích bloků Prvním blokem je vstupní rozdílovýzesilovač,kterýnapětí u d zesiluje000až0000krátjetvořendvěmaparalelněumístěnýmitranzistory T a T 2,kterésedělíokonstantníproud I E = i i 2 proudovéhozdrojevstupnínapětíse přivádínabáze T, T 2 avjejichkolektorovýchvětvíchjsouzapojenytranzistory T 3 a T 4 tvořícítzv proudovézrcadlo(vždyplatí I C3 = I C4 )ruhýmblokemjestřednízesilovacístupeňsezesílenímasi 00, tvořený tranzistory v arlingtonově zapojení, který zesiluje výstupní proud proudového zrcadla a impedančně odděluje vstupní zesilovač od koncového Koncový zesilovač má jednotkové zesílení a pouze dodává výstupní výkon Je-linaobouvstupechOZstejnénapětí,jsouproudyoběmatranzistorystejnéaproud i v odebíraný z výstupu proudového zrcadla je nulový, což vede k nulovému výstupnímu napětí OZ Pokud je jedno napětí větší, příslušný vstupní tranzistor se začne otevírat a bude jim protékat větší proud, což v důsledku povedekuzavřenídruhéhovstupníhotranzistorupakbudeplatit i v = ±I E,cožvedekotevření/uzavření tranzistorůvestřednímstupniaknapětí U max navýstupuoz(u max jenapájecínapětísníženéoúbytky napnpřechodech)navýstupuoztedymůžemedostatjentřiúrovněsignálu,cožjevsouladusideálním 5
nekonečnýmzesílenímvreálnýchaplikacích,kdepotřebujemevýstupsespojitou škálou výstupních úrovní, musíme OZ doplnit nějakým typem zpětné vazby Je však zřejmé, že výstup nemůže přesáhnout velikost napájecího napětí, zmenšeného o úbytky na PN přechodech, a proto může u velkých vstupních signálů dojít k saturaci OZ V praxi se obvod OZ zpravidla doplňuje ochrannými prvky diodami, které brání přepětí Mezi vstupy a separalelnězapojídvěobyčejnédiody,kterénedovolírozdílovémunapětípřesáhnout v absolutní hodnotě asi 0,7 V Ke kladnému vstupu se proti zemi připojí sériová kombinace opačně polarizovaných Zenerových diod, které zabrání velkému napětí vůči zemi o větví napájení OZ se zapojují diody, které zabrání poškození při špatné polaritě napájecího napětí a slouží i jako ochrana proti rušení alší dvě Zenerovy diody se připojují mezi výstup OZ a zem a brání poškození OZ indukovaným napětím, pokud by byla připojena zátěž s indukčním charakterem Na výstup se také zařazuje malý odpor bránící výkonovému přetížení Funkci, kterou bude v obvodu OZ vykonávat, definuje jeho zpětná vazba Obvod zpětné vazby může obsahovataktivníipasivníprvkyapropojujepřesozzdrojsignálu(u in, i in )sezátěžízpětnávazbase definuje pomocí své operační rovnice u out = f (u in, i in ), i out = f 2 (u in, i in ) (2) AnalýzazapojeníOZ Uvažujme,ževlastníOZmápřenosdiferenciálníhonapětí A 0 akněmupřipojenázpětnávazbamápřenos βbezzpětnévazbyplatí u out = A 0 u in Zvýstupníhonapětízpětnávazba přenesezpětnavstupnapětí u zv = βu out,kterésesečtesu in,tjmáme u vst = u in βu out Pozesílení setotonapětímusírovnatvýstupnímu,tedy A 0 (u in βu out )=u out Poúpraváchzískámezesíleníse zpětnou vazbou A= u out u in = A 0 βa 0, (22) kterévpřípaděideálníhooz(a 0 )jeurčovánojenparametryzpětnévazby, A id = β Vpřípadě, že zpětná vazba obsahuje frekvenčně závislé prvky, je zesílení obecně komplexní Obecné zapojení OZ s komplexními impedancemi je na obr Zpravidla se řeší v aproximaci ideálníhozesilovače,kterýmá in, out 0aA 0 Pakmusíbýtdiferenciálnínapětínulové, protoževýstupnínapětímusíbýtkonečnéalim A0 u d =lim uout A0 A 0 =0Protoževstupníodporje nekonečný, nemůže do vstupů téci proud a dle prvního Kirchhoffova zákona musí platit z čehož plyne I = I I zv = Ûin Ûin2 Ẑ Û out = Ûin ( Ẑzv Ẑ Tato rovnice se pak používá k řešení jednotlivých aplikací Ûout Ûin Ẑ zv =0, (23) ) Ẑ zv Ûin2 (24) Ẑ I zv Ẑ zv Ẑ I I in out Û in2 Û in û d Û Û = Û out Obrázek : Obecné zapojení operačního zesilovače Vpřípadě,že A 0 jekonečné,dojdemeobdobnýmpostupemkvýsledku Û out = ) Û in ( Ẑzv Ẑ Ûin2 Ẑ zv Ẑ ) (25) ( Ẑzv  0 Ẑ 6
Uvedený způsob řešení operačního zesilovače budeme dále aplikovat na některé speciální případy, a to za předpokladu ideálního zesilovače Invertující zesilovač Pro jeho zesílení platí A= zv A 0 ( zv ) A0 = zv (26) Výstupnísignáljetedyfázověposunuto80 vzhledemkevstupnímusignáluvolbou a zv lze měnitzesílenívširokémrozsahuodpor vsobězahrnujeivnitřníodporzdrojesignáluzároveň určujevstupníodporinvertoru,protožejevirtuálněuzemněn(u d =0)Výstupníodporzapojeníjeasi 00Ω Při volbě hodnot odporů je třeba respektovat omezující pravidla daná typem použitého OZ Zpětnovazební odpor by neměl překročit 0 MΩ, protože jinak vznikají problémy s nestabilitou a šumem OZ álejevelikostodporů zv a nutnévolittak,abyzesíleníinvertorubylopodstatněmenšínežzesílení A 0 použitéhooz Vlivemkonečnéhozesílení A 0 docházíkurčitéchybě,kterájedánavztahem ε = 00 βa 0 [%],kde β= zv avpřípadě zv pak β zv = A,zčehožplyne ε 00 A A 0 Zvláštnípřípadnastávápro =0,kdyjevýstuppřímoúměrnýproudu(podmínkazIKirchhoffova zákonamátvar I = Uout zv )aobvodpracujejakopřevodníkproudunanapětí zv zv U in U out U in U out U in U out a) b) c) Obrázek 2: Zesilovač a) invertující, b) neinvertující, c) napěťový sledovač Neinvertující zesilovač Má zesílení A= zv ( A 0 zv ) A0 = zv (27) Výstupní signál je nyní ve fázi se vstupním a nikdy nemůže být menší Vstupní odpor neinvertujícího zesilovačebývá0 9 až0 4 Ω,výstupníodporjeasi00Ω Vpřípadě,žeje zv =0a (tedyvýstupjenapojenpřímonainvertujícívstup,kterýneníodporem spojen se zemí), vychází zesílení A = a dostáváme napěťový sledovač, který na výstupu přesně kopíruje vstupní signál Vzhledem k vlastnostem OZ toto zapojení může sloužit k impedančnímu přizpůsobení velký vstupní odpor málo zatěžuje generátor signálu a malý výstupní odpor příliš neovlivňuje následující elektronické obvody Invertující sumátor Jeho výstupní napětí je dáno váženým součtem vstupních napětí na invertujícím vstupu, ( zv U out = U in ) N zv U in2 = zv U ink (28) 2 k Pokudplatí = 2 = = N = zv,jevýstuprovenzáporněvzatémusoučtuvšechnapětíje-li = 2 = = N = zv N,jevýstuparitmetickýmprůměrem, U out= N N k= U ink ozdílový zesilovač V případě jednoho kladného a jednoho záporného vstupu je výstupní napětí ( n U out = ) zv U in2 zv U in, (29) 2 n 7 k=0
zv 2 zv U in U in2 U in U out U in2 2 n U out a) b) Obrázek 3: a) Invertující sumátor, b) rozdílový zesilovač aspeciálněpro n / zv = 2 / jevýstupúměrnýrozdíluobounapětí, U out = zv (U in2 U in ) Funkční měniče Jde o taková zapojení, v nichž je výstupní napětí rovno předem nadefinované funkci vstupníhonapětí,tj U out = f(u in ),arealizujesepoužitímnelineárníoperačnísítěexistujídvazpůsoby vytváření funkčních měničů První z nich je aproximační funkční měnič, který využívá odporu závislého na napětí, pomocí něhož se zvolená funkce aproximuje lomenou čarou(funkční síť často obsahuje paralelníkombinacevětvísdiodamiaodpory přinízkémnapětíjediodauzavřenaapříslušnávětevmá nekonečný odpor, v zapojení se neprojeví; když se napětí zvýší nad prahové napětí diody, dioda začne vést a do funkční sítě připojí větev s daným odporem, který změní celkové zesílení OZ) ruhou skupinou jsou spojité funkční měniče, které modelují danou funkci přímo, přičemž využívají nelineárních V-A charakteristik nějakého elektronického prvku U in U out U in U out a) b) Obrázek 4: Zesilovač a) logaritmický, b) antilogaritmický Příkladem druhé skupiny může být logaritmický zesilovač, který v obvodu zpětné vazby obsahuje dioduprotožeproprouddiodypřibližněplatí I I 0 e eu kt,získávámezpodmínek U = U out, I in = Uin a I in I =0výsledek U out = kt ( ln U ) in e lni 0 (30) ioda však poskytuje jen malý dynamický rozsah, větší rozsah umožní zapojení tranzistoru Logaritmické zesilovačesečastopoužívalykrealizacinásobenísignálů,kdesevyužilovztahuln(xy)=lnxlnyoba signály se nejprve zlogaritmovaly, pak se sečetly a výsledek se odlogaritmoval(antilogaritmoval) Obdobně se realizuje dělení signálů U obou skupin platí, že přesunutím funkční sítě, realizující funkci F(x), z obvodu zpětné vazby do obvoduvstupulzezískatměničrealizujícíinverznífunkci F (x)jednouoperačnísítílzetedyrealizovat napřfunkce x 2 a x Přesný usměrňovač Všechny usměrňovače, které se studovaly v úloze 2, nebyly schopny usměrnit napětí menší než je prahové napětí diody Pokud taková napětí potřebujeme usměrňovat, můžeme využít zapojenísozje-linapětí U in kladné,jediodapolarizovánavpropustnémsměru,ozvyrovnávánapětí meziinvertujícímaneinvertujícímvstupemamusípro U = I platit U = U in Protojeivýstupní napětí U out = U in Je-linapětízáporné,jeobvodzpětnévazbypřerušenaodporem neprotékáproud (vstupozmánekonečnýodpor),aprotoje U out =0 Komparátor louží ke srovnání velikostí dvou signálů výstup OZ rozlišuje tři stavy: první signál jemenší,prvnísignáljevětšíasignályjsoushodnéjakužbylopsánodříve,totochováníodpovídá samotnémuozbezzpětnévazbyčastojejedenzesignálůpevněnastavennaurčitouhodnotu U ref a sleduje se překročení této úrovně, při kterém dojde k obrácení polarity výstupu 8
U in U ref Uout U in U out U in = U ref Uout 2 U pos = a) b) Obrázek 5: a) Usměrňovač, b) komparátor c) s hysterezí Uvedené zapojení překlápí polaritu výstupu okamžitě po dosažení zvolené úrovně Mnohdy je žádoucí, aby překlápění vykazovalo hysterezi, tj přechod mezi polaritami nastával při jiných napětích při vzrůstu apoklesusignálutoholzedocílitzařazenímodporovéhoděliče, 2 mezivýstupazem,jehožnapětí U ref = ±U 2 max 2 sloužíjakoreferenčnínapětíapřivádísenaneinvertujícívstuptímvznikákladná zpětná vazba, která způsobí na výstupu maximální velikost napětí K překlopení nedojde při nulové hodnotě,aleažpři U in = U ref,avzhledemktomu,že U ref jeodvozenozvýstupníhonapětí,kterépři překlopenízměníznaménko,vznikáhysterezeovelikosti2u ref Pokudnechceme,abykhysterezidocházelo vokolínuly,musímenapětíděličeposunoutpřídavnýmzdrojem U pos ealizace měření Pro měření zapojení operačního zesilovače použijeme měřicí jednotku Analog igital ata Unit výukového systému µlab se softwarem rc2000 v režimu Oscilloscope a Oscilloscope Generator a příslušný modul Operational Amplifier Jako zdroj signálu budeme používat buď výstup z Function Generator v případě sinusových a obdélníkových průběhů, nebo Analog Output vpřípadě ručně vytvářenýchprůběhůpomocnénapětído0vbudemezískávatzezdrojeintegrovaného v modulu Component Board pomocí odporového děliče KvýstupuOZpřipojímevstupInBapřípadněVoltmeterCACM,vstupInAbudeme připojovat na vhodný vstup OZ, v případě sumátoru a rozdílového zesilovače bohužel druhý vstupní signál nelzesledovatprůběhysledujtevčasovémrozvinutíviewytproodpory a 2,jejichžhodnotyse budou měnit, používejte přednostně odporové dekády Při měření komparátoru nepoužívejte výstup OZ přímo,alepřesochrannýodpor =500Ωkněmupřipojtediodovýomezovačnapětí(použijtemodul Component Board) Pro snažší srovnání průběhu můžete připojit svorky In B s opačnou polaritou Zadání úlohy Vytvořtesiveditorulibovolnýprůběhsignálu U in (t)auložtejej 2 Zapojte invertující zesilovač a ověřte graficky jeho funkci pro vstupní napětí sinusové, obdélníkové a U in (t)připojtenavstupprogrammablecupply,navýstupvoltmetercacm azměnouodporů a zv ověřtevzorec(26)prozesíleníinvertoru,ipropřípad A <Připojte navstupdigitálnímultimetrvefunkciampérmetru,nastavte =00Ω, zv =Ωaověřtefunkci převodníku proudu na napětí 3 Zapojte neinvertující zesilovač a ověřte graficky jeho funkci pro vstupní napětí sinusové, obdélníkové a U in (t)připojtenavstupprogrammablecupply,navýstupvoltmetercacm azměnouodporů a zv ověřtevzorec(27)prozesíleníinvertoruověřtefunkcinapěťového sledovače 4 Zapojte invertující sumátor a přiveďte na oba jeho vstupy stejný signál Ověřte graficky funkci sumátorupro = 2 a =2 zv PaknajedenzevstupůpřiveďtenapětízProgrammableC upply a sledujte reakci výstupu při změně jeho napětí Na první vstup přiveďte napětí z modulu Component Board a připojte k němu digitální multimetr v režimu voltmetru Na druhý vstup přiveďte napětí z Programmable C upply, k výstupu sumátoru připojte Voltmeter C ACMOvěřtečíselněfunkcisumátoruprorůznánapětíobouvstupůarůznéhodnoty, 2 a zv Ověřtefunkciprovelkázesílení 5 Zapojte rozdílový zesilovač a přiveďte na oba jeho vstupy stejný signál Ověřte graficky funkci rozdílovéhozesilovačeprorůznékombinaceodporůaspeciálněpro n zv = 2 Obdobnějakovpředchozí 9
úloze zapojte zdroj 0 V, digitální multimetr, Programmable C upply a Voltmeter C ACMaověřtečíselněfunkciprorůznéhodnoty, 2, n a zv 6 Vytvořte si napěťový průběh ve tvaru pily(tj pozvolný lineární nárůst následovaný strmým lineárnímpoklesem)samplitudou5vzapojtelogaritmickýzesilovačs =2kΩapřiveďtenajeho vstup vytvořený signál Ověřte graficky logaritmický průběh 7 Zapojte přesný usměrňovač a přiveďte postupně na jeho vstup sinusové napětí s amplitudou 2 a 0,3 V rovnejte získané průběhy s výsledky úlohy 2(tudium vlastností usměrňovačů střídavého proudu) 8 Vytvořte si napěťový průběh ve tvaru impulsů(tenkých obdélníků) s různou amplitudou Zapojte komparátoranastavte U ref = 0V pomocíprogrammable C upply ledujte průběh na osciloskopuapostupnězvyšujte U ref 9 Vytvořte si obdobný průběh jako v předchozí úloze, ale zvolte nyní širší pulsy a jejich rovné vrcholy nahraďtenerovnými(simulujtevlivšumunaimpuls)nastavtenapětí U ref tak,abyodpovídalo předchozí výšce pulsu a sledujte výstup komparátoru Pak zapojte komparátor s hysterezí a použijte U pos = U ref asledujtezměnuvýstupníhosignáluvzávislostinazměněvelikostihystereze(od nulové) U ref Obrázek 6: Způsob deformace impulsu Použité přístroje a pomůcky počítač s programem rc2000, měřicí panel, zdroj napětí, AU, Operational Amplifier, Component Board, sada rezistorů, propojek, kondenzátorů a diod, odporové dekády, Function Generator, Programmable C upply, Voltmeter C AC M, sada vodičů, digitální multimetr tudijní prameny přednášky z elektřiny a magnetismu a z elektroniky 20