ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE Elektrotechnická fakulta Katedra ...dulik/SkriptaLC_E1.pdf · (1.2) c) asová stálos (drift) Kt sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U2

ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE Elektrotechnická fakulta

Katedra Experimentálnej elektrotechniky –––––––––––––––––––-––––––––––––––––––––––––

Návody na laboratórne cvi enia z predmetu

Elektronika 1

Doc. Ing. Zden k Dostál, CSc.

Ing. Miroslav ulík, PhD.

––––––––––––––––––––––––––––-

2011

2

Recenzenti: doc. Ing. Bohuslav Lakota, CSc.

doc. Ing. Zden k Matou ek, PhD.

Schválila edi ná rada U v merom . 30/S/2011

© Z. Dostál M. ulík, 2011

ISBN 978-80-554-0468-4

3

OBSAH

Predhovor ............................................................................................................... 4 Zoznam pou it 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 zosil ova a .................................................................................. 37 4. Meranie tranzistorového zosil ova a .............................................................. 48 5. Meranie tranzistora riadeného elektrick m po om ......................................... 52 6. Meranie zosil ova a so spätnou väzbou .......................................................... 59 7. Meranie opera ného zosil ova a I ................................................................... 66 8. Meranie opera ného zosil ova a II .................................................................. 78 9. Meranie AVCH tyristorov ................................................................................ 83 10. Meranie RC oscilátora ...................................................................................... 89 Po adovaná truktúra protokolu ............................................................................. 95

4

PREDHOVOR

Ka dé strojné zariadenie, chemické linky ako aj elektrotechnické sústavy sú

v sú asnosti doplnené elektronikou. Elektronické systémy plnia komunika nú a riadiacu funkciu. Forma tohto elektronického riadiaceho systému je zvy ajne realizovaná pomocou procesorovej jednotky, asto aj pomocou osobného po íta a. Pou ité sú iastky sú predov etk m v podobe integrovan ch obvodov, doplnen ch relatívne mal m po tom pasívnych prvkov. Be n pou ívate tieto prvky nemusí ani pozna . Av ak ka d elektrotechnik by mal ma preh ad o základn ch elektricky aktívnych a pasívnych prvkoch. Je potrebné si uvedomi , e v etky integrované obvody sú v podstate zostavené z tak chto elektricky aktívnych a pasívnych prvkov.

Vysoko kolskí tudenti elektrotechnického zamerania sú od základnej koly, ale najmä na strednej kole viac alebo menej oboznamovaní s elektrotechnick mi sú iastkami. Na vysokej kole, najmä v predmete Elektrotechnika, si svoje znalosti o elektrotechnick ch prvkoch preh bia, i e 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 pou íva najskôr u jednoduch ích, neskôr zlo itej ích zapojení. Sú asne by mali by schopní samostatne sa oboznamova s t mito prvkami hlb ie ako aj s in mi a nov mi prvkami.

Skriptá sú ur ené pre tudentov 2. ro níku 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 cvi enie je potrebné, aby tudenti na tudovali danú problematiku, prezentovanú aj na predná kach a aby sa oboznámili s priebehom merania. V laboratóriu potom s pomocou návodov mô u by schopní úlohy odmera a spracova protokol. V závere je potrebné stru ne vyhodnoti v sledky, ku ktor m meranie dospelo. Nie je vhodné v závere opisova postupy alebo podmienky merania.

Autori

5

ZOZNAM POU IT CH SKRATIEK A SYMBOLOV

A zosilnenie priamej cesty zosil ova a A-meter ampérmeter AI prúdové zosilnenie AP v konové zosilnenie AU napä ové zosilnenie AUdB pomerné napä ové zosilnenie APdB pomerné v konové zosilnenie AFCH amplitúdovo frekven ná charakteristika AVCH ampér-voltová charakteristika B írka frekven ného pásma BE polovodi ov prechod báza - emitor CB polovodi ov prechod kolektor - báza D zberná elektróda – drain f frekvencia fd frekvencia dolná fh frekvencia horná f0 frekvencia referen ná, naj astej ie 1kHz fOP opakovacia frekvencia F vratn rozdiel FET Field Effect Tranzistor – polom riaden tranzistor FFCH fázovo frekven ná charakteristika G riadiaca elektróda – gate Hz hertz IB prúd bázy IC prúd kolektora ICmax prúd kolektorovej straty bipolárneho tranzistora ID prúd zbernej elektródy – drain IE prúd emitora IG prúd riadiacej mrie ky – gate I prúd IR závern prúd polovodi ovej diódy IS prúd emitujúcej elektródy – source IVST vstupn prúd IV ST v stupn prúd Iprah prahov prúd IZ Zenerov prúd I1 vstupn prúd I2 v stupn prúd KSSU inite stabilizácie kolísaní v stupného napätia ku kolísaniu vstupného napätia KSUR inite stabilizácie kolísaní v stupného napätia ku kolísaniu vstupného prúdu Kt asová stálos kn koeficient nelineárneho skreslenia k kiloohm mA miliampér MOS metal-oxid-semiconductor – polovodi s kovov m oxidom NF nízkofrekven n NP prechod styk polovodi ov ch truktúr typu N a typu P NPN typ truktúry bipolárneho tranzistora

6

OZ opera n zosil ova PN prechod styk polovodi ov ch truktúr typu P a typu N PNP typ truktúry bipolárneho tranzistora PA pracovn bod tranzistora v triede A PAB pracovn bod tranzistora v triede AB PB pracovn bod tranzistora v triede B PC pracovn bod tranzistora v triede C PCmax v kon kolektorovej straty bipolárneho tranzistora P0 k udov pracovn bod P1 vstupn v kon P2 v stupn v kon RC generátor generátor sínusového signálu s spätnou väzbou, tvorenou rezistormi a kapacitormi R rezistor RB bázov odpor RC kolektorov odpor RE emitorov odpor RDS odpor medzi elektródami drain – source RVST vstupn odpor RV ST v stupn odpor RZ za a ovací rezistor S emitujúca elektróda – source SB zapojenie tranzistora so spolo nou bázou SC zapojenie tranzistora so spolo n m kolektorom SE zapojenie tranzistora so spolo n m emitorom ST strmos charakteristiky SV spätná väzba TOP opakovacia perióda U napätie UB napätie na báze UBE napätie báza - emitor UC napätie na kolektore UCE napätie kolektor – emitor UCC napájacie napätie UDC napätie drain – source UDS napätie drain – source UGS napätie gate – source UT prahové napätie UVST vstupné napätie UV ST v stupné napätie U1 vstupné napätie U2 v stupné napätie UZ Zenerovo napätie

U1 zmena vstupného napätia U2 zmena v stupného napätia

V volt VACH volt-ampérová charakteristika VF vysokofrekven n VVF ve mi vysoko frekven n ZD Zenerova dióda

7

zmena teploty zosilnenie spätnej väzby zosil ova a

μA mikroampér fáza, fázov uhol A fázov posun signálu priamej väzba zosil ova a fázov posun signálu spätnej väzby zosil ova a

uhlová frekvencia Ohm

°C stupe Celzia

8

NA ÚVOD

Základné rozdelenie charakteristík elektronick ch obvodov:

1. V-A charakteristika: popisuje závislos )(IfU = spravidla u jednotliv ch sú iastok

elektronick ch obvodov. Mô e sa ale aj rie i samostatne pre vstupné resp. v stupné obvody tvorbranov.

2. A-V charakteristika: popisuje závislos )(UfI = spravidla u jednotliv ch sú iastok

elektronick ch obvodov. Mô e sa ale aj rie i 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 )(tfU = resp. )(tfI = .

Príklad:

t [s]

u(t

)

[V]

Obr. 1 Príklad prechodovej funkcie .....

4. Prenosová charakteristika: popisuje závislos vybraného parametra elektronick ch obvodov (napr. zosilnenia) od frekvencie vstupného signálu. Táto charakteristika mô e by tzv. „Amplitúdovo-

frekven ná“ )( ffAU = , (potom AFCH) alebo „Fázovo-frekven ná“ )( ff= (potom FFCH).

5. Prevodová charakteristika: popisuje závislos vybraného v stupného parametra elektronick ch

obvodov od parametra na ich vstupe. Napr. )( VSTVYSTUfU = resp. )( VSTVYST

IfI =

u zosil ova ov.

9

1. Meranie v obvode s diódami a stabilizátormi

Teoretick rozbor

Usmer ovacia dióda

Dióda je polovodi ová elektronická sú iastka, ktorá vedie elektrick prúd len jedn m smerom. Hovoríme, e dióda prúd usmer uje. Ak prúd preteká cez diódu, je dióda zapojená v priepustnom smere. V opa nom, závernom smere, cez ideálnu diódu prúd nete ie, reálna dióda má ale tzv. závern prúd IR, ktor mô eme u kremíkov ch usmer ovacích diód pova ova blízky 0 (IR 0). Táto jej vlastnos ju predur uje na pou itie v usmer ova och, ktoré slú ia na usmernenie striedavého napätia na jednosmerné.

Obr. 1.1 Usmer ovacia dióda

Schottkyho dióda

Schottkyho diódy vyu ívajú usmer ovacie vlastnosti priechodu kov - polovodi . Majú men í úbytok napätia v priepustnom smere ako oby ajné usmer ovacie diódy. V závernom smere sú schopné odoláva men ím napätiam oproti normálnym diódam, ale sú ve mi r chle. Tieto vlastnosti ich predur ujú na usmer ovacie aplikácie, napríklad v spínan ch zdrojoch.

Obr. 1.2 Schottkyho dióda

Kapacitná dióda (varikap)

Kapacitná dióda alebo varikap je peciálna polovodi ová dióda, ktorá slú i ako napätím riaden kondenzátor. Princíp varikapu je zalo en na tom, e írka prechodu NP v závernom smere závisí na pripojenom napätí. Tento efekt sa objavuje pri v etk ch polovodi ov ch diódach, ale varikap je pre tento ú el peciálne prispôsoben . Varikapy sa pou ívajú predov etk m v laden ch obvodoch a v obvodoch, vy adujúcich premennú kapacitu. Varikapy sa v praxi vyu ívajú ako „premenné“ kondenzátory.

10

Obr. 1.3 Kapacitná dióda

Zenerova dióda

Táto dióda za ne v závernom smere prepú a elektrick prúd pri ur itom presne definovanom napätí (3V, 5V, 12V at .). Pri tomto napätí nastáva nede truktívny prieraz peciálne pre tento ú el skon truovaného 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 mal m odporom. Oblas AV charakteristiky so záporn m dynamick m odporom vzniká vplyvom tunelového javu. Tunelové diódy sa pou ívajú v oscilátoroch a zosil ova och a do ve mi vysok ch frekvencií.

Obr. 1.5 Tunelová dióda

Luminiscen ná dióda

Luminiscen ná dióda je polovodi ová elektronická sú iastka, ktorá vy aruje svetlo vo vidite nom frekven nom 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 polovodi a a írky zakázaného pásu.

11

Obr. 1.6 Luminiscen ná 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 ve kosti zvlnenia jednosmerného napätia a na udr anie jeho kon tantnej hodnoty.

Stabilizátory rozde ujeme na spojité (lineárne) alebo spínané. Spojité stabilizátory sa delia na parametrické a spätnoväzobné. Parametrické stabilizátory vyu ívajú na stabilizáciu napätia vhodnú AV charakteristiku niektor ch elektronick ch sú iastok (napr. Zenerovej diódy, usmer ovacej diódy, tlejivky a pod.) Spätnoväzobné stabilizátory vyu ívajú riadenie z v stupu a sú rie ené ako zlo itej ie elektronické obvody.

Pre charakterizovanie vlastností stabilizátorov sa pou ívajú parametre:

a) inite stabilizácie KSUU- udáva, ko kokrát stabilizátor zmen uje pomerné kolísanie napätia U2 na v stupe stabilizátora vo i pomernému kolísaniu napätia U1 na jeho vstupe. Udáva sa pri kon tantnej v stupnej zá a i RZ.

(1.1)

12

b) inite stabilizácie KSUR - udáva, ko kokrát stabilizátor zmen uje pomerné kolísanie napätia U2 na v stupe stabilizátora vo i pomernému kolísaniu prúdu I2 na jeho vstupe.

(1.2)

c) asová stálos (drift) Kt sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U2 za ur ité asové obdobie, pri kon tantnom vstupnom napätí U1, kon tantnej zá a i RZ a pri stálej teplote okolia.

(1.3)

d) Teplotná stálos K sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U2, ktorá sa vz ahuje na zmenu okolitej teploty , uvedenej K (°C). Meria a udáva sa pri kon tantnom vstupnom napätí U1 a kon tantnej zá a i RZ.

(1.4)

Typy stabilizátorov napätia

Pod a spôsobu stabilizácie sa stabilizátory napätia delia na:

1) parametrické stabilizátory napätia (riadené zo vstupu), 2) spätnoväzobné stabilizátory napätia (riadené z v stupu).

Parametrické stabilizátory napätia

Parametrické stabilizátory napätia sa pou ívajú na stabilizáciu napätia pri odoberan ch prúdoch rádovo jednotky a desiatky mA. Pre realizáciu t chto typov stabilizátorov sa pou ívajú elektronické prvky s vhodnou VA charakteristikou. Dobr m 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.

13

Obr. 1.8 Parametrick stabilizátor napätia

Spätnoväzobné stabilizátory napätia

Spätnoväzobné stabilizátory rozde ujeme na sériové a paralelné. Sú as ami spätnoväzobn ch stabilizátorov napätia je regula n len, zdroj referen ného napätia, sníma odch lky a rozdielov zosil ova . Pri innosti stabilizátora je regula ná sú iastka ovládaná zosilnen m napätím z rozdielového zosil ova a, ktoré vzniká v dôsledku odch lky v stupného napätia U2 od referen ného napätia.

Obr. 1.9 Spätnoväzobn sériov stabilizátor napätia

Literatúra [1] KESL, J.: Elektronika I – analogová technika. BEN, Praha 2006. [2] STRÁNSK , J. - a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [3] STRÁNSK , J. - a kol.: Polovodi ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá , 2007

14

Laboratórne meranie

Zadanie

1) Zmerajte AV charakteristiku polovodi ov ch diód. 2) Zmerajte odporov deli a stabilizátor napätia so Zenerovou diódou. 3) Meranie integrovan ch stabilizátorov napätia radu MA 78xx.

Postup merania

1. Meranie AV-charakteristiky reálnej polovodi ovej diódy Najskôr zapojte prípravok pre priepustn smer a postupne zmerajte priepustné asti

AVCH v etk ch 3 diód. Pracovisko zapojte pod a 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 cie om 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 pou ite s vysok m vstupn m odporom, o je elektrónkov

15

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 ka dú hodnotu od ítajte

údaje U2 a I. Hodnoty napätia U1 volte v rozsahu do 1V, na t chto hodnotách budete meranie vykonáva .

Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvy ujte napätie pod a V-metra V1. Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapí te do tabu ky 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 zapí te do tabu ky 1.2 a 1.3.

alej zapojte prípravok pre meranie AVCH v závernom smere. Postupne zmerajte AVCH v etk ch 3 diód v závernom smere.

Pracovisko zapojte pod a 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 vodi om prepojte zdierku B s anódou diódy, najskôr u diódy D1.

Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo mA, potom budete

postupne zni ova rozsah na hodnoty rádovo μA. Rozsah V-metra V1 nastavte na hodnotu asi 15V. Voltmeter V2 pou ite 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 !

16

Postupne nastavte 10 hodnôt U1 potenciometrom P1 a pre ka dú hodnotu od ítajte údaje U2 a I. Hodnoty napätia U1 volte v rozsahu do 12V. Hodnoty napätia U1 zapí te do tabu ky 1.1.

Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvy ujte napätie na zvolené hodnoty pod a voltmetra V1. Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapí te do tabu ky 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 zapí te do tabu ky 1.2 a 1.3. Tab. 1.1 Namerané hodnoty pre diódu D1

Priepustn smer – D1 Závern smer – D1 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

Tab. 1.2 Namerané hodnoty pre diódu D2


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

Tab. 1.3 Namerané hodnoty pre diódu D3


17

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

Z nameran ch hodnôt zostrojte 3 grafy pre ka dú diódu osobitne U2 = f(U1), I=f(U2). Z AVCH vyhodno te prahové napätie UP. V katalógu vyh adajte charakteristické hodnoty priepustného prúdu IF a záverného

napätia UR pou it ch diód a porovnajte ich s nameran mi hodnotami. Poznámky:

• Pou ité typy Si diód sú: D1 – usmer ovacia dióda KY130/80, D2 – Zenerova dióda 3NZ70, D3 – Schotkyho dióda 1N5819.

• Meranie AV charakteristiky v priepustnom smere zbyto ne nepredl ujte, nako ko dochádza k zahrievaniu diódy a potenciometra pretekajúcim prúdom.

• Pre meranie prúdu v závernom smere pou ite mikroampérmeter, napr. Metex P-10.

2. Meranie odporového deli a a stabilizátora napätia so Zenerovou diódou.

Meranie odporového deli a Zmerajte závislosti UVYST = f(UVST) a IVST = f(UVST) odporového deli a. Najskôr zapojte prípravok pre meranie odporového deli a. Pracovisko zapojte pod a

schémy:

18

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 pou ite 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 ! Do tabu ky 1.1 si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V1 v rozsahu napätia do 12V, na

ktor ch budete meranie vykonáva . Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvy ujte napätie pod a V-metra V1.

Namerané hodnoty napätia U2 a prúdu I zapí te do tabu ky v asti pre potenciometer. Vypnite napájanie obvodu.

Meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou Zmerajte závislosti UVYST = f(UVST) a IVST = f(UVST) pre stabilizátor so Zenerovou

diódou. Zapojte prípravok pre meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou. Pracovisko zapojte pod a schémy:

19

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 pou ite s vysok m vstupn m 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 tabu ky si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V1 v rozsahu do 12V, na ktor ch

budete meranie vykonáva . Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P1 zvy ujte napätie pod a V-metra V1.

Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 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

20

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 vyh adajte charakteristické hodnoty Zenerovho prúdu IZ a Zenerovho napätia UZ pre zapojenú Zenerovu diódu a porovnajte ich s nameran mi hodnotami.

Poznámky:

• Pou it typy Zenerovy diódy: D1 – 3NZ70.

3. Meranie integrovan ch stabilizátorov napätia radu MA 78xx Zmerajte prenosovú charakteristiku UVYST = f(UVST) ka dého 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 skon truovan prípravok, ktor umo uje mera nielen na ka dom stabilizátore osobitne, ale aj na kaskáde t chto stabilizátorov. Stabilizátory sú vyrábané ako integrované obvody a v praxi sa pomerne asto vyu ívajú.

Na obrázku prípravku kaskády stabilizátorov je v hornej asti uvedená schéma regulovate ného Greatzovho usmer ova a. Vstupné striedavé napätie mô e by maximálne do 31V. V stupné napätie je jednosmerné, regulované potenciometrom P1. V spodnej asti sú nakreslené dvojbrány, ka dá predstavuje zapojenie integrovaného stabilizátora radu MA78xx. Pod nákresom prípravku je schéma vnútorného zapojenia ka dého stabilizátora napätia a tabu ka maximálnych vstupn ch napätí pri menovitom v stupnom napätí stabilizátora.

21

Obr. 1.14 Prípravok kaskády stabilizátorov

22

Obr. 1.15 Meranie stabilizátora ka dého osobitne Pripojte meracie prístroje k prípravku a dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte

potenciometer Greatzovho usmer ova a na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V1 , V2 a V3 na hodnotu minimálne 30V. V-

meter 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 zvo te v dy minimálne 10 hodnôt napätia U2

v rozsahu, odporú anom pre meran stabilizátor. Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmer ova a zvy ujte

napätie na zvolené hodnoty U2 . Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U3 zapí te do spolo nej tabu ky.

Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte pre al ie tri stabilizátory. Prepojte napájanie a V-metre V1 a V2

analogicky pre druh a tvrt stabilizátor. Potenciometer Greatzovho usmer ova a v dy nastavte do avej krajnej polohy, tj. na minimum.

Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmer ova a zvy ujte napätie na zvolené hodnoty U2 . Dbajte na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U3 zapí te do tabu ky 1.5 a 1.6.

23

Tab. 1.5 Meranie stabilizátorov napätia radu MA78xx Stabilizátor MA 7824 Stabilizátor MA 7815

Meranie U1 U2 U3 Meranie U1 U2 U3 íslo [V] [V] [V] íslo [V] [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 U3

íslo [V] [V] [V] íslo [V] [V] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9

10 10 Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy U3=f(U2) pre ka d stabilizátor. Grafy

nakreslite do spolo ného obrázku. Potom zapojte prípravok pre meranie iastkov ch prenosov ch charakteristík UVYST4

= f(UVYST3) = f(UVYST2) = f(UVYST1) = f(UVST) kaskády stabilizátorov napätia v stavu neza a enom, tj. IVYST1 = 0. K tomu pripojte na vstup prvého z ava stabilizátora, regulované napätie z regulovaného Greatzovho usmer ova a.

Pracovisko zapojte pod a schémy:

24

Obr. 1.16 Meranie kaskády stabilizátorov

Pripojte V-metre V1 a V2 v rámci tohto merania natrvalo na vstup a v stup

regulovaného Greatzovho usmer ova a. Meranie na pozíciach V3, V4, V5, V6 mô ete realizova jedn m V-metrom postupne. Voltmetre V3, V4, V5, V6 zvo te s vysok m vstupn m odporom, aby ste neza a ovali jednotlivé stabilizátory.

Zapojte meracie prístroje a dbajte na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P1 regulovaného Greatzovho usmer ova a na minimum, tj. do avej krajnej polohy.

Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V1 , V2 a V3 na hodnotu minimálne 30V. V-meter 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 zvo te minimálne 20 hodnôt napätia U2 v rozsahu,

odporú anom pre meran stabilizátor a zapí te ich do tabu ky. Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom zvy ujte napätie Greatzovho

usmer ova a na zvolené hodnoty napätia U2 . Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty zapí te do spolo nej tabu ky 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 spolo ného obrázku.

25

Tab. 1.7 Meranie kaskády stabilizátorov radu MA78xx 7824 7815 7812 7805 U1 U2 U3 U4 U5 U6

Meranie ~ = = = = = íslo [V] [V] [V] [V] [V] [V] 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Poznámka:

• Ako stabiliza né prvky sú pou ité obvody MA7824, MA7815, MA7812, MA7805. V závere porovnajte priebehy prenosov ch charakteristík pri meraní ka dého

stabilizátora napätia radu MA78xx osobitne a priebehy prenosov ch charakteristík kaskády t chto stabilizátorov. Zdôvodnite rozdiely v charakteristikách a vysvetlite mieru stabilizácie u oboch druhov zapojení. V imnite si zmeny stabilizovaného napätia pri minimálnom a maximálnom napätí, pri ktorom obvod stabilizuje v stupné napätie. Rovnako si v imnite mieru stabilizácie u kaskádového zapojenia.

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 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

26

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. Zosil ovanie slab ch elektrick ch signálov, ktoré sa dovtedy uskuto ovalo vo vy erpanej banke elektrónky, sa tranzistorom podarilo uskuto ni v pevnej fáze hmoty. Nov princíp v znamne etril energiu a podstatne zmen il rozmery zosil ovacieho prvku.

Základn princíp innosti bipolárnych tranzistorov

Bipolárny tranzistor, pod a Obr. 2.1 je vhodne technologicky upravená monokry talická do ti ka, ktorá je dvomi rozhraniami rozdelená na tri vrstvy. Usporiadanie vrstiev umo uje 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 prilo íme na bázu B napätie a cez prechod BE v priepustnom smere za ne preteka prúd, elektróny za nú prúdi z emitora cez bázu do kolektora. Tu hovoríme, e tranzistor sa za ína 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 ve k 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 zvy ova bázov prúd, kolektorov prúd sa u alej zvy ova nebude. Tento stav naz vame saturácia. Pri zmene napájacích napätí sa bude saturovan tranzistor zatvára . Na zr chlenie procesu

27

vypínania tranzistor sa vo VF obvodoch pridáva do tranzistora medzi kolektor a bázu CB e te tzv. antisatura ná dióda.

Zapojenie bipolárnych tranzistorov

Existujú tri spôsoby zapojenia bipolárnych tranzistorov - zapojenie so spolo nou bázou (SB), so spolo n m emitorom (SE) a zapojenie so spolo n m kolektorom (SC).

.

Obr. 2.2 Zapojenie bipolárnych NPN tranzistorov: a) so SB, b) so SE, c) so SC.

Naj astej ie sa pou íva zapojenie so spolo n m emitorom, preto e ním mo no dosiahnu prúdové i napä ové zosilnenie.

Zapojenie so spolo n m kolektorom sa vyzna uje predov etk m ve mi ve k m vstupn m odporom, ale napä ové zosilnenie je blízke 1. Vysok vstupn a nízky v stupn odpor tohto zapojenia sa vyu íva najviac. Zapojenie SC sa ale vyzna uje aj ve k m prúdov m zosilnením.

Zapojenie SB je ale prúd emitora len o málo vä í ako prúd v kolektore. V zapojení so spolo nou bázou je mo né dosiahnu len zosilnenie napätia, preto sa tento spôsob pou íva málo.

Pri rôznych zapojeniach s tranzistormi sa merajú nasledujúce charakteristiky:

• vstupné charakteristiky – III. kvadrant, závislos IB = f ( UBE ), • v stupné charakteristiky – I. kvadrant, závislos IC = f ( UCE ), • prevodové charakteristiky – II. kvadrant, závislos IC = f ( IB ).

28

Na základe t chto charakteristík je potom mo né ur i , ako sa v danom zapojení bude tranzistor správa - tzn. aké prúdy a napätia budú na jednotliv ch v vodoch 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.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [5] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá , 2007

29


Zadanie

1) Zmerajte v stupnú AVCH bipolárneho tranzistora IC = f(UCE) pri IB = kon t. v zapojení so SE.

2) Zmerajte vstupnú charakteristiku bipolárneho tranzistora UBE = f(IB) pri UCE = kon t. v zapojení so SE.

3) Zmerajte prevodnú AVCH bipolárneho tranzistora IC = f(IB) pri UCE = kon t. v zapojení so SE.

4) Z nameranej siete jednosmern ch charakteristík ur ite pre polohu pracovného bodu dvojbránové “hik“ parametre v zapojení so SE.

Postup merania

Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE

Meracie prístroje zapojte pod a zodpovedajúcej schémy, obrázok 2.4:

Obr. 2.4 Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora Pripojte zdroje jednosmerného napätia UDC1, UDC2 s polaritou pod a druhu

tranzistora NPN. Pre tranzistor typu NPN by bol zapojen analogicky, av ak 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 !

30

Zapnite napájanie zdroje. Potenciometrom P1 nastavujte prúd IB na hodnotu pod a tabu ky nameran ch hodnôt

a udr ujeme ju kon tantnú. Potom potenciometrom P2 nastavujte hodnoty napätia UCE v rozsahu 2 ÷ 11V. Merajte hodnoty prúdu IC , ( )CEC UfI = pre IB=kon t. Namerané

hodnoty IC zapisujte do tabu ky 2.1. Tab. 2.1 Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE

IB [μA] .Namerané hodnoty IC = f(UCE) pri IB = kon t.

UCE [V] 2 3 4 5 7 9 11 10

IC [mA]

UCE [V] 2 3 4 5 7 9 11 30

IC [mA]

UCE[V] 2 3 4 5 7 9 11 50

IC[mA]

UCE[V] 2 3 4 5 7 9 11 80

IC[mA]

UCE[V] 2 3 4 5 7 9 11 100

IC[mA]

Pre meran tranzistor vypo ítajte hodnoty PCmax a hodnoty ICmax pre zadané UCE.

Vypo ítané hodnoty zapí te do tabu ky 2.2. Tab. 2.2 V po et hodnoty PCmax a hodnoty ICmax pre zadané UCE

UCE [V]

2 3 4 5 7 9 11

ICmax[mA]

PCmax[W]

Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy pre v etky IB : ( )CEC UfI = pre IB=kon t.

Z vypo ítan ch hodnôt zostrojte grafy: ( )CEC

UfP =max

, ( )CEC

UfI =max

.

31

Meranie vstupn ch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE

Meracie prístroje zapojte pod a schémy zapojenia, obrázok 2.4. Meraná charakteristika )( BBE IfU = pre .konstU

CE=

• Na meranie pou ite zapojenie so SE. • Potenciometrom P2 nastavte postupne kon tantné hodnoty UCE v rozsahu 1 ÷ 11V. • Potenciometrom P1 me te prúd bázy IB pod a hodnôt v alej uvedenej tabu ke a na

elektrónkovom voltmetri od ítajte napätie bázy UBE . POZOR! V podstate meriate AVCH diódy v priepustnom smere. Aby ste charakteristiku zmerali o najpresnej ie, musíte ve mi 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 zapí te do tabu ky 2.3. Tab. 2.3 Meranie vstupn ch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE

UCE [V] Namerané hodnoty UBE = f(IB) pri UCE = kon t.

IB [μA] 2 5 10 20 50 100 200 500 1

UBE [V]

IB[μA] 2 5 10 20 50 100 200 2

UBE[V]

IB[μA] 2 5 10 20 50 100 5

UBE[V]

IB[μA] 2 5 10 20 50 9

UBE[V]

IB[μA] 2 5 10 20 50 11

UBE[V]

Meranie prúdov ch prenosov ch charakteristík v zapojení so SE

Meracie prístroje zapojte pod a schémy (zapojenie z predchádzajúcej úlohy merania).

)( BC IfI = pre .konstU

CE= (2.1)

32

• Potenciometrom P2 nastavte zadané napätie UCE pod a hodnôt v alej uvedenej tabu ke. • Potenciometrom P1 nastavujte stanovené me te prúd bázy IB a od ítajte odpovedajúce

hodnoty prúdu IC . Nastavené a namerané hodnoty zapí te do tabu ky 2.4. • Pre hodnoty IB = 2 ÷ 50μA merajte so zaraden m odporom RB , pre hodnoty IB> 50μA

merajte bez zaradeného odporu RB.

Tab. 2.4 Meranie prúdov ch prenosov ch charakteristík v zapojení so SE

UCE [V] Namerané hodnoty IC = f(IB) pri UCE = kon t.

IB [μA] 10 20 50 100 150 200

1 IC [mA]

IB[μA] 10 20 50 100 150 200

2 IC[mA]

IB[μA] 10 20 50 100 150

5 IC[mA]

IB[μA] 10 20 50 80

9 IC[mA]

IB[μA] 10 20 50 70

11 IC[mA]

Rie enie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora

Meracie prístroje zapojte pod a schémy, obrázok 2.4.

33

Obr. 2.4 Rie enie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora

Tranzistor je zapojen ako NF jednostup ov zosil ova . Tak to tranzistorov obvod mô eme opísa tyrmi nezávisl mi rovnicami pre

premenné IB, UBE, IC, UCE a ich rie ením ur i h adané hodnoty pre pracovn bod PA. • Rovnice v stupn ch charakteristík:

CECUhI =

22 pre .konstI

B= (2.2)

• Rovnica kolektorového obvodu (zostavená pod a 2. Kirchhoffovho zákona):

( )

CBECECCDCIIRUIRU +++=

2 (2.3)

Rie ením dostaneme za a ovaciu priamku a prenesením priese níku s v stupn mi

charakteristikami dostaneme závislos IC = f(IB) v II. Kvadrante charakteristík.

• Rovnica vstupn ch charakteristík:

BBIhU =

11 pre .konstU

CE= (2.4)

• Rovnica obvodu bázy (odvodená analogicky ako rovnica kolektorového obvodu):

( )

CBEBEBBDCIIRUIRU +++=

1 (2.5)

Rie ením tejto rovnice dostaneme sie priamok v III. kvadrante charakteristík, ktoré

pretínajú vstupnú charakteristiku. Nako ko sú tieto priamky pre rôzne prúdy IC 0, potom prenesením t chto priese níkov do II. kvadrantu charakteristík dostaneme opä funk nú závislos IC = f(IB). Priese ník s krivkou IC = f(IB) je h adan m pracovn m bodom P0. Prenesením pracovného bodu P0 po rovnobe kách do I. a III. kvadrantu charakteristík je mo né na osiach od íta zodpovedajúce hodnoty IC, UCE, IB, UBE .

34

Príklad

Je dan obvod pod a schémy pre NF jednostup ov zosil ova , zapojen pod a obrázku 2.4, s hodnotami: UC = 15V, UB = 4V, RC = 680 , RE = 200 , RB = 20k . Vypo ítajte dva body pre kon trukciu za a ovacej priamky, vypo ítajte hodnotu prvkov vstupného obvodu pre nastavenie pracovného bodu v triede A. Vypo ítajte hiKE parametre pre vypo ítan pracovn bod tranzistora.

Rie enie:

1) V prvom kroku vypo ítame prúd IC rie ením rovnice v stupného obvodu UDC2 = RCIC+UCE+RE(IB+IC)

bod A: IC = 0 IB = 0 UDC2 = UCE = 15V bod B: UCE = 0 IB = 0

ARR

UI

EC

DC

C017,0

880

152 ==+

= (2.6)

Body A a B vyneste na osi UCE a IC v stupnej charakteristiky tranzistora a spojte ich.

Vznikne za a ovacia priamka. Priese níky s charakteristikami preneste do II. kvadrantu ako závislos IC = f(IB) a vykreslite ich.

2) V al om kroku rie te rovnicu vstupného obvodu. Po ítajte prúd IB pre zadané hodnoty prúdu IC.

UDC1 = RBIB+UBE+RE(IC+IB) (2.7)

bod C: IC = 0 UBE = 0 ARR

UI

EB

DC

Bμ198

20200

41 ==

+=

(2.8)

bod D: IC = 0 IB – zvoli o osi men í ako bolo vypo ítané, 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 . al ie priamky sa zostrojujú

takto: Prúd IC treba voli z radu napr. 2, 4, 6, ....... mA a a vypo ítajte IB pre IC = 2mA pri UBE = 0 .

bod E: ARR

IRUI

BE

CEDC

Bμ178

20200

4,041 ===

(2.10)

Pri zmene IC o 2mA sa potom zmení IB o 20μA. Potom pre: IC = 4mA bude: IB = 158μA

35

IC = 6mA bude: IB = 138μA IC = 8mA bude: IB = 118μA IC = 10mA bude: IB = 98μA IC = 12mA bude: IB = 78μA IC = 14mA bude: IB = 58μA at .

Hodnoty IB sa vynesú na os IB a zakreslia sa rovnobe ky 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 h adan pracovn bod so súradnicami:

P0 { IC = 9mA; UCE = 7V IB = 70μA; UBE = 600mV} .

3) V tomto pracovnom bode je mo né vypo íta hiKE parametre:

==== 40010.4,010.100

10.40 3

6

3

11

B

BE

E

I

Uh pre .konstU

CE= (2.11)

3

3

1210.3,19

2,6

10.120===

CE

BE

E

U

Uh pre .konstI

B= (2.12)

16610.166,010.60

10.1,10 3

6

3

21====

B

C

E

I

Ih pre .konstU

CE= (2.13)

SU

Ih

CE

C

E

4

3

2210.75,0

10

10.75,0=== pre .konstI

B= (2.14)

Úlohy na zapracovanie do protokolu:

• Do protokolu uvies podmienky, za ktor ch meranie prebiehalo (teplota, atmosférick tlak).

• Z nameran ch hodnôt zostroji sie v stupn ch charakteristík pre zadané hodnoty IB , IC = f(UCE) pri IB = kon t. , popísa súradnicové osy, vyzna i medzné hodnoty pre meranie (ICmax, UCEmax, PCmax) pre tranzistor KF508 a vynies krivku kolektorovej straty PCmax = UCE . IC .

• Z nameran ch hodnôt analogicky zostroji sie prenosov ch IC = f(IB) pri UCE = kon t. a vstupn ch UBE = f(IB) pri UCE = kon t. charakteristík pre zadané hodnoty UCE .

• V sieti statick ch charakteristík vy íta pre katalógov pracovn bod dan hodnotami UCE a IC , parametre h11E , h12E , h21E , h22E tak, aby bolo na prv poh ad vidno, odkia boli od ítané iastkové delty ( IC , UCE , IB , UBE ) a porovna ich s katalógov mi hodnotami.

• Vyhodnoti spôsoby merania tranzistora z h adiska pou ite nosti v elektrickom obvode.

36

V závere vyjadrite, ako sú uvedené spôsoby merania tranzistora potrebné pre praktickú aplikáciu tranzistora do elektrického obvodu.

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 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.

37

3. Meranie NF zosil ova a

Teoretick rozbor

Nízkofrekven n (NF) zosil ova je zosil ova , ktorého úlohou je zosilni ak ko vek nízkofrekven n signál pre jeho al ie spracovanie. Príkladom ich zapojenia je napr. v konov zosil ova , napä ov zosil ova at . NF zosil ova e sa delia na:

1) Predzosil ova e, ktor ch úlohou je zosilni signál ve mi nízkej úrovne, získan napríklad z napä ov ch sníma ov. V etky takéto signály sa zosil ujú napä ovo.

2) V konové zosil ova e, ktoré zosil ujú v etky signály napä ovo a prúdovo.

Základné parametre NF zosil ova ov

Základné parametre, ktoré charakterizujú NF zosil ova e, sú:

1) V konové zosilnenie:

(3.1)

2) Prúdové zosilnenie:

(3.2)

3) Napä ové zosilnenie:

(3.3)

4) Zisk: udáva sa v dB, pri om mô e by napä ov , v konov alebo prúdov :

(3.4)

(3.5)

(3.6)

38

5) Amplitúdovo-frekven ná charakteristika, ktorá vyjadruje závislos zosilnenia NF zosil ova a od frekvencie. Pri om: fd, fh - hrani né (medzné) frekvencie, f0 - stredná frekvencia.

Obr. 3.1 Amplitúdovo-frekven ná charakteristika NF zosil ova a

6) Fázovo-frekven ná charakteristika vyjadruje závislos fázového posunu v stupného signálu NF zosil ova a od frekvencie:

Obr. 3.2 Fázovo-frekven ná charakteristika NF zosil ova a

7) Lineárne skreslenie vzniká vplyvom frekven n ch závislostí vlastn ch sú iastok a prejavuje sa zmenou tvaru v stupného signálu, vzh adom na signál vstupn . Skreslenie je spôsobené odch lkami v amplitúde a vo fáze. Pre neskreslen prenos musí plati , e zosilnenie je kon tantné v celom rozsahu frekvencií.

39

8) Nelineárne skreslenie sa prejavuje prítomnos ou vy ích harmonick ch zlo iek, ktor ch frekvencia mô e by celistv m násobkom základnej frekvencie, napr. frekvencie siete. Nelineárne skreslenie vzniká vplyvom zapojen ch nelineárnych sú iastok a je dané koeficientom nelineárneho skreslenia kn:

(3.7)

kde: Ai je amplitúda i-tej harmonickej. A1 je amplitúda 1. harmonickej, U je po et harmonick ch.

9) Dynamick rozsah D je ur en lineárnou as ou amplitúdovej charakteristiky a je definovan vz ahom:

(3.8)

kde: U1max je maximálna amplitúda vstupného napätia na lineárnej asti amplitúdovej charakteristiky, U1min je minimálna amplitúda tohto napätia.

Triedy zosil ova ov

Niektoré vlastnosti NF zosil ova ov závisia od toho, v ktorom mieste v stupnej charakteristiky zosil ovacieho prvku je umiestnen tzv. k udov pracovn bod PO. Pod a toho rozli ujeme 4 triedy zosil ova ov: triedu A (PA), triedu B (PB), triedu AB (PAB) a triedu C (PC).

Trieda A:

U zosil ova a triedy A sa k udov pracovn bod PA nachádza v strede za a ovacej priamky v stupnej AV charakteristiky a uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je 360° (prúd te ie t mto prvkom po as celej periódy vstupného signálu). Zosil ova triedy A sa vyu íva predov etk m v aplikáciách, kde sa nekladie dôraz na zosilnenie a ú innos , ale vy aduje sa malé skreslenie signálu.

40

Obr. 3.3 Charakteristiky NF zosil ova a triedy A

Trieda B:

U zosil ova a triedy B sa k udov pracovn bod PB nachádza v mieste minimálneho kolektorového prúdu, na za a ovacej priamke zosil ovacieho prvku a AV charakteristike pre prúd IB = 0. Uhol otvorenia je 180° (prúd te ie t mto prvkom len po as jednej pol periódy vstupného signálu). V porovnaní so zosil ova om v triede A má toto zapojenie vä iu ú innos . Nev hodou je vy ie skreslenie v dôsledku neharmonického v stupného signálu.

41

Obr. 3.4 Charakteristiky NF zosil ova a triedy B

Trieda AB:

U zosil ova a triedy AB sa k udov pracovn bod PAB nachádza na za a ovacej priamke v asti AV charakteristiky pre IB = (0 a 0,5IB max) a uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je v intervale od 180 do 360 stup ov. Parametre zosilnenia a skreslenia sú na hodnotách medzi hodnotami pre zosil ova triedy A a triedy B.

42

Obr. 3.5 Charakteristiky NF zosil ova a triedy AB

Trieda C:

U zosil ova a v triede C sa k udov pracovn bod PC nachádza v inom kvadrante ako u zosil ova ov tried A, AB, B. Naj astej ie je to mimo 1. kvadrant, to je v 2. kvadrante. Uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je v tomto prípade men í ako 180°. Nev hodou tohto zapojenia je vysoké skreslenie.

Obr. 3.6 Charakteristiky NF zosil ova a triedy C

43

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%C5%88ova%C4%8D [4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá , 2007

44


Zadanie

1) Zmerajte prenosovú amplitúdovo-frekven nú charakteristiku predlo eného NF zosil ova a u2 = f(f) a vypo ítajte napä ové zosilnenie Au = u2/u1.

2) Zmerajte závislosti v stupného v konu: P2 = f(UBC), P2 = f(u1).

Postup merania

Meracie prístroje zapojte pod a schémy, obrázok 3.6.

Obr. 3.7 Zapojenie NF zosil ova a Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu NF generátor na minimum. Na

osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik). Zapojenie si nechajte prekontrolova !

Meranie prenosovej amplitúdovo-frekven nej charakteristiky

1

2log20u

uAdB= pre: u1 = kon t. (3.9)

Pripojte napájacie napätie UCC = 15V. Skontrolujte, i je k udov prúd zosil ova a <

50mA. (Ak je vä í, nepokra ova v meraní a skuto nos oznámi vyu ujúcemu.) Nastavte v stupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u1 = 10mV resp. f

= 1kHz a od ítajte amplitúdu napätia u2 . Na osciloskope skontrolujte priebeh v stupného napätia, i nie je skreslen . (V prípade skreslenia nastaví priebeh vyu ujúci regula n m odporom vnútri prípravku.)

Vstupné napätie u1 udr ujte po celú dobu merania kon tantné.

45

Merajte amplitúdu napätia v stupného 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 v sledky zapí te do tabu ky 3.1.

Tab. 3.1 Hodnoty merania frekven nej charakteristiky NF zosil ova a

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 nameran ch hodnôt vypo ítajte pomerné zosilnenie v stupného napätia u2 ku v stupnému napätiu pri frekvencii 1kHz u2 1kHz , zosilnenie v decibeloch AUdB , pomerné zosilnenie v stupného napätia k 1kHz v decibeloch AdB , v konové zosilnenie v decibeloch

APdB . Pou ite vz ahy: [ ]dBu

ufF

kHz)1(1

2log20)( = a [ ]dBu

uA

I

dB

2log20=

Namerané a vypo ítané hodnoty vyneste do grafov: )(2 ffu = , )(ffAu = ,

)(ffAUdB = , )(ffAdB = , )(ffAPdB = pri u1 = kon t. V grafoch znázornite a vyhodno te

írku pásma pre pokles o 3dB.

Meranie v stupného v konu Meranie v konu P2 = f(UB) Pre meranie v stupného v konu P2 = f(UB) zapojte zdroj napájacieho napätia

zosil ova a a nastavte napätie UCC = 15V. Skontrolujte, i k udov prúd zosil ova a je 50mA. Pre meranie k udového prúdu

odpojte vstup NF zosil ova a (tj. v stup NF generátora)! Nastavte v stupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u1 = 10mV resp. f

= 1kHz.

46

Na osciloskope skontrolujte priebeh v stupného napätia u2, i nie je skreslen . Zní te napájacie napätie UCC na 0V, potom postupne zvy ujte a do hodnoty UB =

15V, pritom od ítajte príslu né napätie na za a ovacom odpore RZ = 8,4 . Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 3.2. Tab. 3.2 Hodnoty merania k udového prúdu NF zosil ova a

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 vypo ítajte pomocou vz ahov: prúd i2 = u2/RZ a v stupn

v kon P2 = u22/RZ .

Po dobu celého merania udr iavajte kon tantné vstupné napätie u1 = 10mV a frekvenciu f = 1kHz.

Vypo ítané hodnoty vyneste do grafu P2 = f(UCC) . Meranie v konu P2 = f(u1) Pre meranie v stupného v konu P2 = f(u1) zapojte zdroj napájacieho napätia

zosil ova a pod a obrázku 3.6 a nastavte napätie UCC = 15V. Nastavte frekvenciu NF generátora na frekvenciu f = 1kHz. Postupne zvy ujte vstupné napätie z u1 = 0V a do u1 = 100mV pod a hodnôt,

uveden ch v tabu ke 3.3. Napätia, namerané na rezistore RZ = 8,4 zapí te do tabu ky 3.3. Tab. 3.3 Meranie v stupného v konu P2

47

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 nameran ch hodnôt vypo ítajte v stupn v kon opä pomocou vz ahu: P2 =

u22/RZ . Vypo ítané hodnoty vyneste do grafu P2 = f(u1).


• Do protokolu uve te podmienky, za ktor ch meranie prebiehalo (teplota, vlhkos , atmosférick tlak).

• Z nameran ch a vypo ítan ch hodnôt zostrojte v etky po adované charakteristiky pre v etky iastkové merania. V hodné je pou itie logaritmickej stupnice frekven nej osi.

• V grafe ur ite írku prená aného pásma B meraného zosil ova a na úrovni poklesu o -3dB.

V závere vyhodno te, ako sa mení v stupn v kon P2 zosil ova a v závislosti na ve kosti UCC a u1 a o z toho vypl va pre pracovn re im zosil ova a.

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 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

48

4. Meranie tranzistorového zosil ova a


Zadanie

1) Vypo ítajte základné vlastnosti predlo eného tranzistorového NF zosil ova a pre napájacie napätie UCC = 9V a za a ovací odpor RZ = 10k . Vypo ítané vlastnosti overte meraním vlastností tohto zosil ova a.

Postup merania Najskôr zmerajte hodnoty odporov R1, R2, RC a RE (na prípravku) pri odpojenom

napájacom zdroji. Pomocou grafu charakteristík tranzistora ur ite hodnoty parametrov k udového

pracovného bodu P0 = PA ( pre UCE, IC, IB, UBE). Prúd bázy IB má by zvolen tak, aby zosil ova pracoval v triede A (s vyu itím nákresu za a ovacej 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 vypo ítajte potrebnú ve kos odporov R1, R2, graficky ur ite maximálnu amplitúdu v stupného napätia a napä ové zosilnenie zosil ova a AU = u2/u1 .

Niektoré vz ahy 4.1 a 4.3, potrebné pre popis pomerov na prípravku zosil ova a:

BCERcUUUU =++

Re

CCRcIRU = (4.1)

( )

CBEIIRU +=

Re

BBERUUUU =++

Re1 (4.2)

2

Re

1

R

UUII

BE

BR

++= (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 !

49

Obr. 4. 1 Zapojenie prípravku s tranzistorov m NF zosil ova om Nastavte na v stupu NF generátora signál o frekvencii f0 = 1kHz a amplitúde 0,1V.

Zvy ovaním amplitúdy vstupného napätia zosil ova a z minimálnej hodnoty overte maximálnu hodnotu vstupnej amplitúdy pri ktorom nedôjde ku skres ovaniu (orezávaniu) v stupného napätia. Na zobrazenie pou ite osciloskop. Porovnajte s vypo ítan mi hodnotami.

Pomocou osciloskopu zmerajte amplitúdu vstupného a v stupného napätia zosil ova a. Dbajte, aby potenciometer prepína a vertikálneho zosilnenia Y bol v polohe „Kaliber“, v opa nom prípade neplatí nastavené merítko prepína a (V/dielik). Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 4.1.

Vypo ítajte napä ové zosilnenie AU = u2/u1 , porovnajte ho s vypo ítan m (pre f = 1kHz).

Tab. 4.1 Meranie zosilnenia tranzistorového NF zosil ova a

f0 = 1kHz

u1[mV] u2[V] AU[-] AU[dB]

10

Zmerajte dynamiku zosil ova a u2 = f(u1). Postupne me te napätie v rozsahu hodnôt,

uveden ch v tabu ke 4.2. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 4.2. Zmerajte AFCH charakteristiku NF tranzistorového zosil ova a AU = f(f). Postupne

me te frekvenciu f pri kon tantnej amplitúde vstupného napätia zosil ova a u1 v rozsahu hodnôt, uveden ch v tabu ke 4.3. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 4.3. Zosilnenie zosil ova a vypo ítajte pod a vz ahu: AU = u2/u1 .

50

Tab. 4.2 Meranie dynamiky z tranzistorového NF zosil ova a

Dynamika zosil ova a 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 zosil ova a

AFCH charakteristika NF zosil ova a AU = f(f)

f [Hz] u1[mV] u2[V] AU[-]

100 30

200 30

500 30

1000 30

2000 30

5000 30

10000 30

20000 30

50000 30

100000 30

200000 30

500000 30

51


• Vypo ítajte a zmerajte parametre k udového pracovného bodu P0. • Vypo ítajte a zmerajte napä ové zosilnenie a maximálnu amplitúdu vstupného a

v stupného signálu zosil ova a pre frekvenciu f0 = 1kHz. • Spracujte graf AFCH charakteristiky NF zosil ova a AU = f(f). • Spracujte prenosové charakteristiky (dynamika zosil ova a) u2 = f(u1). • Na základe nameran ch charakteristík vyhodno te dolné a horné medzné frekvencie (fd

a fh) zosil ova a (pre pokles zosilnenia na úrove 0,707 AU max ) a vyzna te írku prená aného frekven ného pásma.

• Z grafu vyhodno te prenosové charakteristiky, maximálnu amplitúdu vstupného a v stupného signálu, zdôvodnite, na om závisí.

V závere vyhodno te a porovnajte pre dan zosil ova vypo ítané a namerané hodnoty na zosil ova i.

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 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

52

5. Meranie tranzistora riadeného elektrick m po om

Teoretick rozbor

Dôle itou a perspektívnou elektronickou sú iastkou je aj tranzistor riaden po om (FET - Field Effect Transistor). Tranzistory FET patria medzi unipolárne tranzistory, kde je elektrick prúd zalo en len na toku nosi ov náboja jednej polarity - na kladn ch dierach alebo na záporn ch elektrónoch.

Kon trukcia FET tranzistora je tvorená polovodi ovou truktúrou kanálu typu P (alebo N) medzi opa n mi polovodi ov mi truktúrami typu N (alebo P) s v vodmi alebo elektródami Source (angl. zdroj, emitor u bipolárneho tranzistora) a Drain (angl. odtok, odvod, kolektor u bipolárneho tranzistora). Tok nosi ov a teda elektrick prúd v kanále Drain-Source je ovplyv ovan elektrick m potenciálom, priveden m na riadiacu elektródu Gate (angl. brána, hradlo), ktorá je tvorená bu polovodi om (JFET) alebo kovom.

Existujú dva základné typy FET tranzistorov. Ka d 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 (ozna enie z anglického junction) - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou PN prechodom,

• MOSFET - tranzistory s ovládacou elektródou oddelenou izola nou vrstvou SiO2 (metal-oxid-semiconductor).

Obr. 5.1 truktúra FET tranzistora

53

Charakteristiky FET tranzistorov

Rovnako ako pri bipolárnom, tak aj pri unipolárnom tranzistore sa merajú vstupné, v stupné a prevodové charakteristiky. Merania sa vykonávajú pod a 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 = kon t.

V stupné charakteristiky

V stupné charakteristiky znázor ujú závislos prúdu ID = f (UDS), pri UGS = kon t.

Obr. 5.3 V stupné charakteristiky FET tranzistora

54

Prenosové charakteristiky

Prenosové charakteristiky FET zobrazujú závislos prúdu ID = f (UGS), pri om UT, je tzv. prahové napätie, pri ktorom za ína tiec prúd ID.

Obr. 5.4 Prenosové charakteristika FET tranzistora


ALFA, Bratislava 1988. [5] LIMAN, O. – PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990. [6] KESL, J.: Elektronika I – analógová technika. BEN, Praha 2006.

55


Zadanie

1) U zadaného typu FET tranzistora zmerajte a graficky spracujte sie jednosmern ch v stupn ch charakteristík: ID = f (UDS), pri UGS = kon t.

2) U zadaného typu FET tranzistora zmerajte a graficky spracujte sie jednosmern ch prenosov ch charakteristík: ID = f (UGS).

3) V zadanom pracovnom bode ur ite strmos ST a hodnotu v stupnej vodivosti GDS . 4) Zo siete v stupn ch charakteristík odvo te priebeh závislosti odporu vodivého kanálu

RDS = 1/ GDS

Postup merania

Najskôr sa oboznámte s vlastnos ami a parametrami MOS FET tranzistora (aj pod a katalógu) aby ste vedeli vysvetli innos MOS FET tranzistora v elektrickom obvode.

Obvod zapojte pod a 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 pou ite voltmeter s ve k m vnútorn m odporom (Ri 1M ). Na meranie prúdu ID a UGS pou i ubovo n mA-meter a V-meter. V-metre nastavte na rozsah minimálne =15V, A-meter nastavte na rozsah minimálne =300mA.


56

Meranie v stupn ch charakteristík Nastavte potenciometrom P1 napätie UGS = 0V. Potenciometrom P2 zvy ujte napätie

UDS2 od hodnoty 0V po 12V, pod a tabu ky 5.1. Pre ka dú hodnotu UDS odmerajte prúd ID. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 5.1.

Meranie opakujte pre al ie napätia UGS . Pri UDS asi 10V pracuje tranzistor v nas tenom stave. Dbajte, aby ste neprekro ili

hodnotu PDmax! Toto platí rovnako pre UGS = 12, 8, 4V. Tab. 5.1 Meranie v stupn ch charakteristík FET tranzistora

UGS [V] 12 8 4 0 -4 -8

UDS [V] ID [mA]

0.5 1

1,5 2 4 6 8 10 12

Z nameran ch hodnôt vyneste do grafu sadu v stupn ch charakteristík ID = f (UDS),

pri UGS = kon t. Do grafu v stupn ch charakteristík zostrojte krivku v konovej straty PDmax

meraného tranzistora. Priebeh krivky PDmax vypo ítajte pre 7 zvolen ch hodnôt napätia UDS a odpovedajúcich prúdov IDS.

Pre zadan pracovn bod M (UDS = 9V) zostrojte doty nice k v stupnej

charakteristike. Z prírastkov na doty niciach vyhodno te strmos ST : [ ]mSU

IS

GS

D

T=

a vodivos GDS : [ ]mSU

IG

DS

D

DS

V bode UDS = 5V zostrojte rovnobe ku s osou ID a v priese níkov so sie ou

v stupn ch charakteristík zostrojte doty nice ku krivkám. Zistite hodnoty RDS a vypracujte graf závislosti RDS = f(UGS) pri UDS = 5V ( RDS = UDS/IDS pre UGS ).

57

Tab. 5.2 Meranie závislosti RDS = f(UGS) pri UDS = 5V

UDS = 5V

UGS[V] ID[mA] RDS[ ]

Meranie prenosov ch charakteristík Nastavte potenciometrom P2 napätie UDS = 4V. Potenciometrom P1 me te napätie

UGS od hodnoty 12V po -12V. V dy odmerajte prúd ID. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 5.3.

Meranie opakujte pre al ie napätia UDS . Tab. 5.3 Meranie prenosov ch charakteristík

UDS [V] 4 6 8 10

UGS[V] ID[mA]

12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8

-10 -12

Z nameran ch hodnôt v tabu ke 5.3 zostrojte sadu v stupn ch charakteristík ( )GD UfI = pre: .konstU

DS=

58

V zadanom pracovnom bode M (UGS = 9V) zostrojte doty nice k prevodovej

charakteristike. Z prírastkov na doty niciach vyhodno te strmos ST : [ ]mSU

IS

GS

D

T=

a vodivos GDS : [ ]mSU

IG

DS

D

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 zapí te do tabu ky 5.4. Meranie opakujte pre al ie 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 nameran ch hodnôt vypo ítajte odpor RDS : RDS = UDS/IDS pre UGS . Vypo ítajte

tie vodivos GDS : GDS = 1/RDS pre UGS = kon t. Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy závislosti ( )DSDS UfR = a ( )DSDS UfG = .

V závere vyhodno te namerané a vypo ítané hodnoty, porovnajte ich s dostupn mi katalógov mi hodnotami.



59

6. Meranie zosil ova a so spätnou väzbou

Teoretick rozbor

Spätnou väzbou rozumieme takú elektrickú väzbu na zosil ova i alebo medzi stup ami zosil ova a, pri ktorej sa as energie zosilneného signálu z v stupu zosil ova a vedie spä na jeho vstup. V závislosti od ve kosti fázového posunu medzi pôvodn m signálom a signálom priveden m z v stupu sa v sledn prenos zmen uje alebo zvä uje.

• Ak sa v sledn prenos zmen uje, vtedy sa jedná o zápornú spätnú väzbu. Záporná spätná väzba zmen uje harmonické, frekven né aj fázové skreslenie, ve kos ru ivého napätia a zmen uje citlivos zosil ova a na zmenu parametrov tranzistora.

• Ak sa v sledn prenos zvä uje, jedná sa o kladnú spätnú väzbu. Kladná spätná väzba pôsobí na spomínané parametre zosil ova a vo vä ine prípadov opa ne ako záporná spätná väzba. Zvä uje harmonické, frekven né aj fázové skreslenie, zvä uje ru ivé napätie a zvy uje citlivos zosil ova a na zmenu parametrov tranzistora. Navy e za ur it ch podmienok mení zosil ova na oscilátor.

Preto e spätná väzba je frekven ne závislá, mô e ma zosil ova v ur itom pásme frekvencií zápornú spätnú väzbu a v inej frekven nej oblasti kladnú spätnú väzbu. Pri zosil ova i so spätnou väzbou, najmä kladnou spätnou väzbou, je najvä ím problémom jeho stabilita, t.j. odolnos proti vzniku samo inného kmitania.

Zapojenia spätnej väzby Existujú tyri rôzne zapojenia spätnej väzby. Ka dé zapojenie má spolo né zna enie,

pri om: A – blok zosilnenia a – blok spätnej väzby, obrázok 6.1, U1 je vstupné napätie, U2 v stupné napätie a U0 napätie na vstupe zosil ova a, U napätie na v stupe spätnej väzby. Ivst a Iv st sú vstupné a v stupné prúdy celého zosil ova a v rátanie spätnej väzby.

Obr. 6.1 Spätná väzba: a) sériová, b) paralelná

A

U1 U2 U0

U

A

U1 U2

I

a) b)

60

Obr. 6.2 Spätná väzba: a) prúdová, b) napä ová

O sériovej a paralelnej väzbe hovoríme pre zapojenie na vstupe zosil ova a. O prúdovej a napä ovej spätnej väzbe hovoríme o väzbách na v stupe zosil ova a.

alej pre uvedené zapojenia platí:

(6.1)

(6.2)

pri om A je ve kos 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 pou ívané spätné väzby.

S2 A

U1

RZ

a) b)

Iv st

I

A

U1 RZ

I

61

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 zv eniu prúdi IC a IE, zv en pretekajúci prúd IE spôsobí zv enie úbytku napätia na rezistore RE a potenciál emitora a kolektora sa zv i a priblí i ku potenciálu napätia zdroja +UCC. Kon tantn 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 napä ová spätná väzba RB

62

Paralelná napä ová väzba je prezentovaná rezistorom RB . Rezistory RC a RB tvoria napä ov deli napätia medzi napájacím napätím +UCC a potenciálom zeme, ktor tvorí otvoren prechod báza-emitor. Tento pretekajúci prúd iasto ne otvorí tranzistor, o závisí na hodnotách rezistorov. Ak dôjde, napríklad vplyvom teploty, ku zv eniu prúdi IC a IE, zv en pretekajúci prúd IE spôsobí pokles potenciálu na kolektore tranzistora, tak sa zní i prúd cez rezistor RB a tranzistor sa mierne zatvorí. Paralelná napä ová spätná väzba tak bude stabilizova pracovn bod tranzistora pri zmene teploty tranzistora. Pri ochladení tranzistora bude innos prebieha analogicky, ale v opa nom zmysle.

Vyu itie spätn ch väzieb

Spätná väzba má iroké pou itie v elektrick ch 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 opa n vplyv na innos a obvodu, ako je vplyv zmenou teploty.

Dôsledkom mô e by rovnaká innos obvodu pri zmenen ch teplotn ch podmienkach.

b) Odstránenie kmitania obvodu. Takáto spätná väzba sa zavádza vtedy, ke je zosil ova na rozhraní, kedy mô u za a kmita . Spätná väzba v tomto prípade bráni vzniku kmitania.

c) Vytvorenie kmitania obvodu. Spätná väzba udr iava podmienky vzniku kmitov oscilátora. Vplyvom zmeny teploty by mohlo dôjs ku zmene podmienok na obvode a utlmenie kmitov. Spätná väzby tieto zmeny mô e kompenzova a podmienky oscilácií sú udr ané.

Literatúra

[1] Mikula, J., tefl, J., Viktorin, J.: Teorieobvodú II. Lineární obvody. VVT - SSP, 1984. [2] http://www.alzat.szm.com

63


Zadanie

1) Zmerajte amplitúdovú frekven nú charakteristiku zosil ova a bez spätnej väzby, so zápornou a kladnou spätnou väzbou.

2) Z nameran ch hodnôt ur ite: zosilnenie zosil ova a na strednej frekvencii, hornú a dolnú medznú frekvenciu a írku prená aného pásma zosil ova a.

Postup merania

Meranie vykonajte najskôr pre zosil ova 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 zosil ova a 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 !

64

Meranie amplitúdovej frekven nej charakteristiky Pre meranie bez spätnej väzby (SV) zru te prepojenie svorky a – b, ím sa rozpojí

SV. Vstupné napätie nastavte tak, aby nedo lo ku skresleniu v stupného signálu (u1 = 4mV). Frekvenciu vstupného signálu me te v rozmedzí 20Hz ÷ 3kHz a osciloskopom zmerajte v stupné 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

v stupného napätia u2. Frekvenciu vstupného signálu me te v rozmedzí 20Hz ÷ 1kHz a merajte v stupné napätie u2.

Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 6.1. Pre meranie so zápornou SV ponechajte prepojené svorky a – b. Potenciometrom R8

nastavte najvä iu SV, to je maximálne zosilnenie bez skreslenia v stupného napätia u2. Vstupné napätie nastavte tak, aby nedo lo ku skresleniu v stupného signálu (u1 = 0,2V). Frekvenciu vstupného signálu me te v rozmedzí 20Hz ÷ 300kHz a merajte v stupné napätie u2. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 6.1.

Tab. 6.1 Meranie AFCH zosil ova a s volite nou SV

bez SV u1 = 10mV

kladná SV u1 = 4mV

záporná SV u1 = 0,2V

fVST[Hz]

u2[V] 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 - -

65

Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy priebehu v stupného napätia u2 = f(f) pre zosil ova bez SV, s kladnou SV a zápornou SV. Bude vhodné pou i logaritmickú stupnicu pre horizontálnu súradnicovú os frekvencie f. Logaritmická stupnica umo ní zachyti v grafe vä í frekven n rozsah a tie zmení tvar krivky. Vzostupné a zostupné úseky linearizuje.

Zosilnenie zosil ova a vypo ítajte pod a vz ahu 6.1 na frekvencii f0 = 1kHz. Medzné frekvencie zosil ova a ur ite pre pokles zosilnenia o -3dB, o odpovedá napä ovej alebo prúdovej úrovni 0,707Umax (0,707Imax). V grafoch amplitúdov ch frekven n ch charakteristík zosil ova a ur ite hornú a dolnú medznú frekvenciu.

Z hodnôt medzn ch frekvencií pre ka d typ zosil ova a ur ite írku prenosového pásma B: B = fh – fd .

Zistené a vypo ítané hodnoty zapísa do tabu ky 6.2. Tab. 6.2 Ur enie írky pásma zosil ova a s pou it m typom SV

U1 = 5mV

Zosil ova fDOL [Hz] f0 [Hz] fHOR [Hz] B [Hz]

Bez SV – 1kHz

S kladnou SV – 1kHz

So zápornou SV – 1kHz

V závere analyzujte ve kos zosilnenia zosil ova a vo vz ahu k spätnej väzbe.

Vyhodno te vplyv spätnej väzby na vlastnosti zosil ova a. Analyzujte a vyhodno te, ako sa zmení tvar v stupného signálu pri zavedení kladnej

a zápornej väzby.



66

7. Meranie opera ného zosil ova a I

Teoretick rozbor

Prv opera n zosil ova (OZ), zostrojen e te s elektrónkami, skon truoval v roku 1938 G.A. Philbrick. Elektrónky boli neskôr nahradené polovodi ov mi sú iastkami. Zdokonalenie v robn ch postupov umo nilo umiestni v etky potrebné sú iastky OZ na kremíkovom plátku - vznikli integrované opera né zosil ova e. U v roku 1965 tvoria opera né zosil ova e viac ne polovicu vyrában ch lineárnych integrovan ch obvodov, obvodov na spracovávanie analógového signálu.

Opera n zosil ova je analógov integrovan obvod, v ideálnom prípade s nekone n m prúdov m a napä ov m zosilnením. Opera n zosil ova je jednosmern zosil ova , reálne s ve k m zosilnením a s mal m vnútorn m ru ením, schopn stabilnej innosti v uzavretej spätno-väzobnej slu ke. Pôvodne bol ur en na vytváranie lineárnych

matematick ch operácií na analógovom po íta i. Opera né zosil ova e umo ujú realizova aritmetické operácie - s íta , od íta , meni znamienko, a al ie operácie, ako napríklad vytvára rôzne asové priebehy, tvarova signál. V oblasti analógov ch elektronick ch obvodoch má OZ rovnako v znamnú úlohu, ako mikroprocesor v íslicov ch systémoch. Opera né zosil ova e sú ur ené na zosilnenie signálov, ktor ch frekven né spektrum vo svojej dolnej asti zah a priebehy s mal mi zmenami vrátane jednosmernej zlo ky. V sú asnej dobe sa pou ívajú predov etk m zosil ova e s priamou väzbou medzi stup ami. To znamená, e v ich truktúre nie sú obsiahnuté väzobné kapacity. Pomerne ve ká zlo itos ich vnútornej truktúry predur uje ich realizáciu formou monolitick ch integrovan ch obvodov. Opera né zosil ova e realizované ako monolitické integrované obvody obsahujú vo svojich truktúrach tri alebo viac stup ov, zosil ova e napätia, napä ové sledova e a v stupné

stupne. Nepárny po et stup ov je dan jednou zo základn ch podmienok OZ a to, e OZ obracia fázu (posun fázy o 180°).

Základné vlastnosti ideálneho opera ného zosil ova a

Vlastnosti ideálneho opera ného zosil ova a:

1) napä ové zosilnenie Au = , 2) vstupn odpor RVST = , (nulové vstupné prúdy) 3) v stupn odpor RV ST = 0 , 4) diferenciálny vstup s nekone n m potla ením sú tového signálu, 5) nezávislos v etk ch parametrov od frekvencie a teploty.

67

Základné vlastnosti reálneho opera ného zosil ova a

Vlastnosti reálneho opera ného zosil ova a sa vlastnostiam ideálneho opera ného zosil ova a iba pribli ujú. Vzh adom k dosahovan m parametrom vyrában ch opera n ch zosil ova ov mo no v ak u vä iny, najmä jednoduch ích aplikácií po íta s t m, e reálny zosil ova nemá ove a hor ie vlastnosti, ako idealizovan . Presné údaje nájdeme v katalógu, orienta ne majú RVST = 50k ÷ 20M , RV ST = 50 ÷ 150 , zosilnenie Au = 104 ÷ 1014.

A) Statické parametre

1) Medzné napájacie napätie UCCmax je medzné napätie, pri ktorom opera n zosil ova spo ahlivo pracuje.

2) Medzn stratov v kon PTOT je povolen stratov v kon, pri ktorom sa integrovan obvod neprehrieva.

3) Rozsah pracovn ch teplôt udáva, pri ak ch okolit ch teplotách opera n zosil ova pracuje.

4) Medzné vstupné súhlasné napätie UImax je maximálna hodnota napätia na invertujúcom a neinvertujúcom vstupe oproti zemniacej svorke, dovolená v robcom. Prekro enie tohto napätia mô e vies k zni eniu obvodu.

5) Medzné rozdielové (diferen né) napätie UIDmax je medzná v robcom dovolená hodnota napätia medzi invertujúcim a neinvertujúcim vstupom. Prekro enie tohto napätia mô e vies k zni eniu obvodu.

6) Amplitúda v stupného napätia (maximálna) U0max – zodpovedá vä inou hodnote UCC zmen enej o satura né napätie tranzistora vo v stupnom stupni opera ného zosil ova a.

B) Dynamické parametre

Dynamické obmedzenia sú dané r chlos ou zmeny v stupného napätia signálu, medznou frekvenciou fP, dobou ustálenia tS, dobou stabilizácie tU a dobou zotavenia tZ . Ide o parametre v stupnej odozvy pre ve k signál.

1) R chlos priebehu strmosti S je definovaná ako zmena v stupného napätia opera ného zosil ova a za jednotku asu pri skokovej zmene vstupného napätia uI> 1V pri

A > 1.

(7.1)

68

2) Medzná frekvencia fP je frekvencia, pri ktorej dosiahne strmos sínusového priebehu o amplitúde U0m r chlos 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 v stupného napätia.

3) Doba ustálenia tS je asov interval od prechodu signálu ur itou úrov ou 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 ur eného elom vstupného obd nikového napä ového impulzu do okamihu, v ktorom v stupn signál naposledy dosiahne úrove , ktorá sa lí i od ustálenej hodnoty o hodnotu = (0,01 ÷ 0,1 U0).

5) Doba zotavenia tZ po prebudení opera ného zosil ova a je schopnos obvodu vyvies jeho v stup v ur itom ase zo saturácie. Má v znam pre impulzové aplikácie opera ného zosil ova a.

Základné zapojenia opera n ch zosil ova ov

Ideálny opera n zosil ova sa vyzna uje nekone ne ve k m zosilnením (A ) a

nulov mi vstupn mi prúdmi (i+ = i- = 0). Nekone ne ve ké zosilnenie je v ak pre meracie ú ely nepou ite né. V meracej technike po adujeme 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 vyu ívajú.

Invertujúci zosil ova

Obr. 7.1 Invertujúci zosil ova s OZ

R2

R1

+ OZ

I

I

U2

69

Predpokladajme, e vstupn odpor opera ného zosil ova a RVST = , preteká

rezistormi R1 a R2 rovnak prúd I. Zosilnenie zosil ova a A i jeho stabilita sú definované len rezistormi R1 a R2 a závisia iba od ich hodnôt a vlastností. Zosilnenie bude dané vz ahom:

(7.4)

Záporné znamienko znamená, e v stupné napätie je oproti vstupnému fázovo posunuté o 180°. Vstupn odpor invertujúceho zosil ova a sa rovná ve kosti rezistora R1.

Neinvertujúci zosil ova

Schéma neinvertujúceho zapojenia OZ je na obrázku 7.2. Za predpokladu, e vstupn odpor opera ného zosil ova a RVST = , zisk neinvertujúceho opera ného zosil ova a bude

dan vz ahom:

(7.5)

V stupné napätie je vo fáze so vstupn m.

Obr. 7.2 Neinvertujúci zosil ova s OZ

Pomocou opera n ch zosil ova ov v invertujúcom a neinvertujúcom zapojení mô eme dosiahnu reálny zisk A 106.

R2

R1

+OZ

U1 U2

70

Napä ov sledova

V tomto prípade sa jedná o zosil ova so ziskom A = 1. Jeho vstupn odpor dosahuje hodnotu rádovo desiatky M .

Obr. 7.3 Napä ov sledova s OZ

Diferenciálny zosil ova

Jedn m z naj astej ie pou ívan ch zapojení opera ného zosil ova a je diferenciálny zosil ova :

Obr. 7.4 Opera n zosil ova v diferenciálnom zapojení

Naj astej ie 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 vz ahom:

(7.6)

pri om pre v stupné napätie bude plati

OZ

U1 U2

71

(7.7)

Vlastnosti tak chto monolitick ch integrovan ch zosil ova ov sa pribli ujú vlastnostiam ideálneho opera ného zosil ova a, tzn. majú ve mi vysoké diferenciálne zosilnenie (AUD ),), ve mi malú v stupn odpor (RV ST 0), ve mi malú napä ovú

nesymetriu (UI0 0).

Vstupn odpor (impedancia) opera n ch zosil ova ov 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 mal ch prúdov sa pou ívajú prevodníky prúdu na napätie s opera n mi zosil ova mi. Opera n zosil ova so slu kou zápornej spätnej väzby plní úlohu prevodníka prúdu na napätie, pri om sú asne zabezpe uje úlohu impedan ného prispôsobenia.

Obr. 7.5 Elektronick ampérmeter s prevodníkom prúdu na napätie

Deriva n zosil ova (derivátor)

Derivátor vychádza zo zapojenia invertujúceho zosil ova a 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 ve k m vstupn m odporom (pre jednosmern signál) a v stupn m odporom dan m pou it m opera n m zosil ova om. Pripojená zá a , alebo al í nasledujúci stupe , vlastnosti derivácie neovplyv ujú.

+

R

OZ

IX

72

Obr. 7.6 Deriva n zosil ova s OZ

Prúd kondenzátora je dan vz ahom:

(7.8)

Analogicky ako u invertujúceho zosil ova a bude v stupné napätie:

(7.9)

Integra n zosil ova

Zámenou rezistora a kondenzátora získame integra n zosil ova (integrátor)

Obr. 7.7 Integra n zosil ova s OZ

Integrátor má mal v stupn odpor a jeho innos nie je ovplyv ovaná charakterom zá a e. Prúd i je dan vz ahom:

(7.10)

a v stupné napätie:

R

C

+OZ

I

I

Uvst Uv st

R

C

+OZ

Ic

Ic

Uvst Uv st

73

(7.11)

pri UVST = U = kon t. sa napätie na v stupe mení lineárne s asom:

(7.12)

S ítací zosil ova

Invertujúci zosil ova mo no vyu i ako sumátor alebo s ítací zosil ova .

Obr. 7.8 Sumátor s OZ

Preto e na vstupe zosil ova a je virtuálne uzemnenie, platí:

(7.13)

(7.14)

Ak je R1 = R2 = ... = RM = R, potom:

(7.15)

a v stupné napätie je úmerné sú tu vstupn ch napätí.

74

Komparátor

Komparátor porovnáva dve vstupné napätia a v závislosti od ich vzájomnej ve kosti má v stupné napätie hodnotu, odpovedajúce hodnote napätia logickej jednotky alebo nuly. Opera n zosil ova sa pou íva bez spätnej väzby a preto i s minimálnymi hodnotami korek n ch prvkov, pokia je korekcia volite ná.

Obr. 7.9 Komparátor s OZ

Literatúra [1] PE EL, J. 2002. Elektronika v kocke. Praha : BEN - technická literatúra. 80-86056-80-5. [2] PUN OCHÁR, J. 2002. Opera né zosil ova e v elektronike. Praha : BEN - technická literatúra. 80-7300-060-1 [3] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá , 2007

R2

R1

+ OZ

Uv st U2 U1

75

Laboratórne meranie I

Zadanie a cie merania

1) Zmera prevodovú charakteristiku u2 = f(u1) NF zosil ova a pre striedav signál s frekvenciou 1kHz.

2) Zmera frekven nú charakteristiku NF zosil ova a pre striedav signál v rozsahu 20Hz a 30kHz.

Postup merania

Meranie prevodovej charakteristiky Zapojte prípravok pod a blokovej schémy, obrázok 7.10.

Obr. 7.10 Zapojenie prípravku NF zosil ova a s OZ

Schéma zapojenia pou itého prípravku je uvedená na nasledujúcom obrázku 7.11.

Obr. 7.11 Obvodové rie enie prípravku NF zosil ova a s OZ

76

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 zvy ujte napätie u1 v

intervale hodnôt 0,05 a 3 V. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 7.1. Nako ko osciloskop meria maximálnu hodnoty, je potrebné nameranú hodnotu amplitúdy prepo íta na efektívnu

hodnotu pod a vz ahu: 2

2

22

A

ef

uuu == .

Potom nastavte potenciometer spätnej väzby P1 na maximum, do pravej krajnej polohy a meranie opakujte.

Tab. 7.1 Prevodová charakteristika NF zosil ova a OZ

Prevodová charakteristika NF zosil ova a, f = 1[kHz]

u2[V] A [-] u1[V]

RP1 = 0 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 vypo ítajte 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 frekven nej charakteristiky Nastavte po iato n stav pod a 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 frekven nej charakteristiky u2 = f( f ) postupne zvy ujte frekvenciu v intervale hodnôt 20Hz a 30kHz. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 7.2. Nako ko

77

osciloskop meria maximálnu hodnoty, je potrebné nameranú hodnotu amplitúdu prepo íta na

efektívnu hodnotu pod a vz ahu: 2

2

22

A

ef

uuu ==

Potom nastavte potenciometer spätnej väzby P1 na maximum, do pravej krajnej polohy a meranie opakujte.

Tab. 7.2 Modulová frekven ná charakteristika NF zosil ova a s OZ

Modulová frekven ná charakteristika NF zosil ova a u2[V] u1[V] f0[Hz]

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 ve kos zosilnenia vzh adom na mieru spätnej väzby (potenciometer na minime, potenciometer na maxime).



78

8. Meranie opera ného zosil ova a II

Laboratórne meranie II

Zadanie

1) Zmerajte integra nú dobu integrátora (OZ zapojen ako integrátor). 2) Zmerajte napä ové zosilnenie a prenosovú charakteristiku U2 = f(U1) OZ v zapojení ako

invertujúci zosil ova . 3) Zmerajte napä ové zosilnenie a prenosovú charakteristiku U2 = f(U1) OZ v zapojení ako

neinvertujúci zosil ova .

Postup merania

Zapojte prípravok pod a blokovej schémy, obrázok 8.1.

Obr. 8.1 Zapojenie prípravku NF zosil ova a s OZ Na v stupe regulovate ného jednosmerného zdroja nastavte v stupnú amplitúdu na

minimum, V-metre nastavte na rozsah 15V. Pou ite V-metre s vysok m vstupn m odporom, napríklad digitálne prístroje.


Meranie integrátora Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako integrátor do blokovej schémy na obrázku

8.1.

79

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 (pod a tabu ky 8.1), zapnite vstup a na stopkách merajte integra nú dobu t , to je asov interval, pokia nedosiahne v stupné napätie U2 hodnotu 13V, na ktorej sa ustáli.

Pred al ím meraním je potrebné vybi kondenzátor integrátora C1 pri odpojenom napájacom prívode! Vybitie realizujte vodi om, krátko premostite svorky v vodov kondenzátora.

Namerané v sledky zapísa do tabu ky 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 nameran ch hodnôt zostrojte graf t = f( U1 )

Meranie invertujúceho zosil ova a Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako invertujúci zosil ova do blokovej schémy,

obrázok 8.1.

80

Obr. 8.3 OZ v zapojení ako invertujúci zosil ova Zmerajte v stupné napätie U2 pri zmene hodnoty vstupného napätia U1 v rozsahu 0,5

a 10V. V stupn voltmeter zapojte pod a inverznej polarity (pre meranie záporného napätia)!

Namerané v sledky zapísa do tabu ky 8.2. Tab. 8.2 Meranie zosilnenia invertujúceho zosil ova a

A [-] U1 [V] -U2 [V] Zmerané Vypo ítané

0,5 1 2 5 6 7 10

Zostrojte prenosovú charakteristiku U2 = f ( U1 ).

Z nameran ch hodnôt vypo ítajte zosilnenie A: 1

2

U

UA= . Pre porovnanie

vypo ítajte zosilnenie z hodnôt sú iastok zosil ova a: 1

3

R

RA= . Vypo ítané hodnoty zapí te

do tabu ky 8.2.

Meranie neinvertujúceho zosil ova a Pripojte prípravok s OZ v zapojení ako neinvertujúci zosil ova do blokovej schémy,

obrázok 8.1.

81

Obr. 8.4 OZ v zapojení ako neinvertujúci zosil ova Zmerajte v stupné napätie U2 pri zmene hodnoty vstupného napätia U1 v rozsahu

0,5 a 6V. V stupn voltmeter zapojte pod a neinverznej polarity (pre meranie kladného napätia)!

Namerané v sledky zapísa do tabu ky 8.3. Tab. 8.3 Meranie zosilnenia neinvertujúceho zosil ova a

A [-] U1 [V] U2 [V] Zmerané Vypo ítané

0,5 1 2 3 4 5 6

Zostrojte prenosovú charakteristiku U2 = f ( U1 ).

Z nameran ch hodnôt vypo ítajte zosilnenie A: 1

2

U

UA= . Pre porovnanie

vypo ítajte zosilnenie z hodnôt sú iastok zosil ova a: 2

32

R

RRA

+= . Vypo ítané hodnoty

zapí te do tabu ky 8.3. V závere analyzujte mo nos pou itia integrátora, neinvertujúceho a invertujúceho

zosil ova a. Pod a nameran ch v sledkov porovnajte neinvertujúci a invertujúci zosil ova pod a prenosov ch charakteristík a pod a zosilnenia.

82


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

83

9. Meranie AVCH tyristorov

Teoretick rozbor

Tyristory sa pou ívajú najmä ako riadené spína e v jednosmern ch a striedav ch obvodoch.

Tyristor má tvorvrstvovú truktúru. V etky tyri oblasti so striedajúcim sa typom vodivosti sú vyhotovené na jednom základnom polovodi ovom substrátu a tvoria sériovú kombináciu troch na seba nadväzujúcich priechodov PN. Na jednu z vnútorn ch oblastí tyristora, napr. s vodivos ou P, sa pripevní elektróda. Prúdom privádzan m do tejto oblasti mo no ovplyv ova spínací proces tyristora. Oblas s elektródou G sa naz va ovládacia elektróda a tyristor s ovládacou elektródou P sa ozna uje 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, mô eme predstavi spôsobom, uvedenom na obrázku 9.1:

Obr. 9.1 truktúra tyristora

84

Ak nie je na riadiacej elektróde G pripojené iadne napätie, nachádza sa tyristor v nepriepustnom stave. Preto má aj ve k odpor a je na om celé napätie zdroja. Ak prilo íme na elektródu G dostato né ve ké riadiace napätie (v závislosti od typu tyristora kladné alebo záporné), tyristor sa dostane otvorí do priepustného stavu – za ne ním preteka prúd. Tento prúd prestane prechádza a pri poklese prúdu medzi elektródami A a K na nulu, minimálne na men iu hodnotu, ako je hodnota tzv. prídr ného prúdu (danou opä typom tyristoru).

Príklad AV charakteristiky, na základe ktorej mô eme od íta základné napätia a prúdy, je na obrázku ni ie. Na obrázku je prúd anódy IA ozna en ako IF, o b va ozna enie niektor ch star ích katalógoch.

Obr. 9.2 AV charakteristika tyristora

Pou itie tyristora

Tyristor sa pou íva na reguláciu elektrického v konu. Jeho pou itie je vhodné v obvodoch jednosmerného aj striedavého napätia.

Pre obvod so striedav m napätím sa tyristor v dy 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.

85

Je potrebné zdôrazni , e vypnutie tyristoru v jednosmern ch obvodoch nie je mo né dosiahnu preru ením prúdu do riadiacej elektródy. Vypnutie tyristora v jednosmern ch obvodoch je mo né bu zmen ením priepustného prúdu pod hodnotu prídr ného prúdu Iprah , alebo krátkodob m 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 spína a S1 sa krátkym zopnutím spína a S2 privedie impulz na tyristor, ktor sa otvorí do vodivého stavu. Následne za ne cel m obvodom preteka prúd, pri om spína S2 bude u rozopnut . Na preru enie 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.



86


Zadanie

1) Zmerajte AV charakteristiku tyristora IG = f(UG), AVCH v priepustnom smere IA = f(UA) pri IG = kon t., AVCH v závernom smere IR = f(UR) pri IG = kon t. Z charakteristík od ítajte hodnoty: UBO, IH, IL, UT, pre dve hodnoty IG .

Postup merania

Meranie AVCH tyristora v priepustnom smere Zapojte prípravok pod a blokovej schémy, obrázok 9.4.

Obr. 9.4 Zapojenie prípravku na meranie tyristora v priepustnom smere Na regulovate nom jednosmernom zdroji U1 nastavte v stupnú amplitúdu na

minimum, V-metre nastavte na rozsah 15V. Pou ite V-metre s vysok m vstupn m 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 kon tantné napätia U2 = 15V a U1 = 16V. Zapnite prepína Pr.

Potenciometrom P2 nastavte napätie UGO a t m IG . Potenciometrom P1 zvy ujte anódové napätie UA , od ítajte hodnoty prúdu riadiacej elektródy IG a anódové napätie UA tesne pred zopnutím tyristora.

87

Namerané v sledky zapí te do tabu ky 9.1. Tyristor vypnite tak, e zní ite napätie U2 potenciometrom P2 na minimum, zní ite

napätie U1 potenciometrom P1 na minimum a preru íte anódov prúd IA krátkym stla ením tla idla T .

Meranie opakujeme pre al ie 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 nameran ch hodnôt nakreslite AV charakteristiky tyristora v priepustnom smere

pre rôzne hodnotu prúdu IG , IA = f ( UA ) pri IG = kon t. Prechod do otvoreného stavu a hodnoty prúdu IA do otvoreného stavu zvo te pribli ne pod a hodnôt meracích prístrojov.

Meranie AVCH tyristora v závernom smere Zapojte prípravok pod a blokovej schémy, obrázok 9.5.

Obr. 9.5 Zapojenie prípravku na meranie tyristora v závernom smere Pre regulovate n jednosmern zdroj U1 nastavte v stupnú amplitúdu na minimum,

V-metre nastavte na rozsah 15V. Pou ite V-metre s vysok m vstupn m 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!

88

Prepína Pr nechajte rozpojen . Potenciometer P1 nastavte na maximum, potenciometer P2 na minimum.

Zapojenie si nechajte prekontrolova ! Pripojte kon tantné napätia U2 = 15V a U1 = -30V. Zapnite prepína Pr.

Potenciometrom P2 nastavte napätie UG a t m IG . Potenciometrom P1 zvy ujte anódové napätie -UA , od ítajte hodnoty zvy kového prúdu -IA v závernom smere.

Namerané v sledky zapí te do tabu ky 9.2. Meranie opakujeme pre al ie nastavenú hodnotu prúdu IG . Tab. 9.2 Meranie AVCH tyristora v závernom smere

AVCH tyristora v závernom smere IA = f (UA) pre IG = kon t. IA [μA] UA [V]

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 nameran ch hodnôt nakreslite AV charakteristiky tyristora v závernom smere pre

rôzne hodnotu prúdu IG , IA = f ( -UA ) pri IG = kon t. V závere vyhodno te namerané charakteristiky, porovnajte namerané hodnoty

a charakteristiky s katalógov mi. Zdôvodni ich rozdiely. Navrhnite mo né aplikácie tyristora s vyu itím jeho vlastností.



89

10. Meranie RC oscilátora

Teoretick rozbor

Oscilátory ( z latinského slova ostilatio = kmitanie, íta sa osciláció ) [1] sa naz vajú v etky zariadenia, ktoré vytvárajú za ur it ch podmienok periodicky premenlivé priebehy fyzikálnych veli ín. Ka d elektronick oscilátor je charakterizovan amplitúdou a tvarom v stupného napätia U, frekvenciou f a vnútorn m odporom Ri , ktor je lineárny pre ur it rozsah za a ovacích odporov Rz. Ke sa na elektronick oscilátor pozrieme z h adiska spotreby energie, mô eme ho pova ova 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 zá a e príslu n striedav v kon. Z uvedeného vypl va, e mô eme definova ú innos 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 h adísk. Uvedieme len niektoré základné delenia.

1. Delenie pod a tvaru v stupného 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 :

( )+= tUu sin0

(10.1)

pri om takéto oscilátory naz vame harmonické oscilátory, alebo v technickej praxi jednoducho oscilátory.

Oscilátory, ktor ch v stupné napätie má ubovo ne in tvar ako sínusov , napr. obd nikov , trojuholníkov , pílovit , impulzn a pod, t.j. tvar v stupného napätia sa nedá popísa jednoduchou funkciou sínus alebo kosínus. Na jeho popis musíme pou i sústavu sú tov sínusov ch a kosínusov ch funkcií, t.j. Fourierov rozvoj. Takéto oscilátory naz vame neharmonické oscilátory, v technickej praxi skôr generátory neharmonick ch signálov.

90

2. Delenie pod a frekvencie vytváran ch kmitov:

a) Nízkofrekven né oscilátory

Frekven n rozsah vytváran ch kmitov je od Hz po Hz. V znamné miesto v

tomto frekven nom pásme majú signály akustické, t.j. po ute né, ktor ch frekvencie le ia od 16 Hz do 20 kHz. Je samozrejmé, e by sa dali spomenú aj al ie podpásma hlavného nízkofrekven ného pásma, ako napr. infrazvuk a ultrazvuk, le iace hne ved a podpásma akustick ch frekvencií. Infrazvuk je na ni ích frekvenciách a ultrazvuk na vy ích frekvenciách od podpásma akustick ch frekvencií.

b)Vysokofrekven né oscilátory

Frekven n rozsah vytváran ch kmitov je od Hz. Z hora hranica nie je daná. Aj

toto frekven né pásmo by sa dalo rozdeli na viacero frekven n ch podpásiem, napríklad na :

-pásmo metrov ch a kilometrov ch v n, kde sa v oscilátoroch pou ívajú klasické rezonan né obvody.

- pásmo metrov ch a decimetrov ch v n, kde sa v oscilátoroch pou ívajú rezonan né vedenia alebo dutinové rezonátory.

-pásmo centimetrov ch a milimetrov ch v n, kde sa v oscilátoroch pou ívajú vlnovodové alebo dutinové rezonátory.

3. Delenie pod a druhu prvku ur ujúceho frekvenciu vytváran ch kmitov

a) oscilátory LC

Sú to oscilátory v ktor ch frekvenciu kmitov ur uje rezonan n obvod LC, i u sériov alebo paraleln . Tento druh oscilátorov sa v elektronick ch prístrojoch vyskytuje naj astej ie. Oscilátory LC sa pou ívajú ako ladite né oscilátory v prijíma och, vysiela och, meracích prístrojoch a pod. Stabilita frekvencie vytváran ch kmitov sa pohybuje od po

.

b) oscilátory riadené piezoelektrick m rezonan n m prvkom, tzv. kry tálov m v brusom (kry tálom)

Tieto oscilátory majú vynikajúcu frekven nú stabilitu vytváran ch kmitov a to a

. Pou ívajú sa preto tam, kde sú prísne po iadavky na stabilitu frekvencie kmitov, napr.

vo frekven n ch normáloch. Oscilátory riadené kry tálom je mo né prela ova len v úzkom rozsahu frekvencií, rádovo stovky a tisíce Hz.

c) oscilátory s elektromechanick m rezonan n m prvkom ( rezonátory magnetostrik né, prstencové, ladi kové a pod.)

91

Podobne ako oscilátory riadené kry tálov m v brusom aj tieto oscilátory sa vyzna ujú za optimálnych podmienok dobrou frekven nou stabilitou vytváran ch kmitov a to a

. Mechanické chvenie rezonan ného prvku, spôsobené vonkaj ími vplyvmi v ak

zhor uje frekven nú ale aj amplitúdovú stabilitu v stupného signálu. Tomuto javu hovoríme mikrofonickos obvodu. Na rozdiel od kry tálového v brusu sú elektromechanické rezonan né prvky rozmernej ie a potrebujú viacej dopl ujúcich elektronick ch obvodov. Preto sa u v sú asnosti skoro nepou ívajú.

d) oscilátory s rezonan n m vedením

Oscilátory v ktor ch rezonan n obvod tvorí úsek súosého alebo súmerného vedenia d ky /4 alebo /2, ktor sa vyzna uje vysok m inite om kvality Q. Preto tieto oscilátory majú za optimálnych podmienok dobrú frekven nú stabilitu, asi a . Podobne ako

elektromechanické rezonan né prvky sú citlivé na mechanické vplyvy. Oscilátory s rezonan n m vedením je v ak mo né prela ova v rozsahu nieko ko jednotiek a desiatok kHz.

e) oscilátory RC, v ktor ch je v obvode spätnej väzby zapojen frekven ne selektívny obvod RC ( T– lánok, Wienov lánok a pod.)

Tieto oscilátory sú vhodné len pre oblas nízkych frekvencií. Stabilita vytváran ch kmitov je rôzna, zále í od pou itého RC lánku a je max. . Oproti doposia spomínan m

oscilátorom majú v hodu v tom, e sú preladite né vo ve kom rozsahu bez v raznej ej zmeny svojich vlastností. Pri správnom nastavení sa v nich dá dosiahnu v stupn signál sínusového priebehu s ve mi mal m obsahom vy ích harmonick ch. Pou ívajú sa hlavne v tónov ch oscilátoroch ur en ch pre meracie ú ely.

Základné podmienky vzniku oscilácií

1. Amplitúdová podmienka

1)()( =jjA (10.2)

kde )( jA je prenos bez spätnej väzby a )( j je prenos spätnej väzby.

Pod a 1. podmienky bude oscilátor vytvára ustálené kmity len vtedy, ak sú in prenosu bloku spätnej väzby a zosilnenia sa bude rovna jednej. V praxi sa nastavuje tento sú in na hodnotu o nie o vä iu jednej, ím sa zabezpe í spo ahlivé rozkmitanie oscilátora.

2. Fázová podmienka

kA

2=+ ( k je celé íslo) (10.3)

92

kde ,A

sú fázy, ktoré dostaneme z komplexného tvaru zosilnenia Au a prenosu u..

Pod a 2. podmienky bude oscilátor vytvára ustálené kmity len vtedy, ke sú et fázov ch posunov bloku spätnej väzby a zosilnenia v slu ke spätnej väzby bude 2k , kde k je celé íslo.

Obr. 10.1 Bloková schéma spätnoväzbového oscilátora

Vä ina oscilátorov tohto druhu je realizovaná spätnoväzbovo, s kladnou spätnou väzbou. Obsahujú tieto dve asti: pasívnu as ur ujúcu frekvenciu kmitov a aktívnu as , ktorá nahrádza straty energie v pasívnej asti. Ako len sa naj astej ie vyu íva:

• rezonan n LC oscilátor, • piezoelektrick v brus (kry tál) - skupina oscilátorov riaden ch kry tálom, • RC selektívny lánok - skupina RC oscilátorov.

Pre oscilátory s vy ími nárokmi na frekven nú stabilitu a malé skreslenie signálu sa pou íva kombinácia kladnej spätnej väzby s kombináciou zápornej spätnej väzby, o zabezpe uje vznik kmitov.

Literatúra [1] Ing. Alexander atkovi / http://alzat.spseke.sk/

93


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 pod a blokovej schémy, obrázok 10.2.

Obr. 10.2 Obvodové rie enie RC oscilátora Nastavte amplitúdu napájacieho napätia UNAP (0 – 18V) na minimum. Nastavte

rozsah vstupnej citlivosti zosil ova a Y osciloskopu na 5V/dielik. Zapojenie si nechajte prekontrolova ! Zapnite napájanie obvodu. Postupne zvy ujte napájacie napätie. V rozmedzí napájacieho napätia 6 ÷ 18V

zmerajte amplitúdu v stupného signálu a d ku periódy v stupného signálu, zobrazeného na osciloskope.

Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 10.1.

94

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 vy ie 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. Vypo íta fOP z nameranej hodnoty TOP , fOP = 1 / TOP . Vyhotovte graficky závislos frekvencie na napájacom napätí: UVYST = f (UNAP), fo =

f (UNAP).

V závere vyhodno te 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.: 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 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.

95

Po adovaná truktúra protokolu

Na titulnej stránke rozmiestnite údaje, ktoré aktualizujte pod a 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 uve te kapitoly, ktoré ne íslujte:

Zadanie Do zadania napí te presne to, o je zadané na meranie úlohy.

Schéma Schému pou ite takú, ktorá je zadaná. Ak do lo k úprave schémy po as merania

úlohy, upravte aj pou itú schému.

96

Postup merania Stru ne opí te postup merania tak, aby in tudent dokázal meranie pod a tohto

postupu zopakova .

Vzorov v po et V tejto asti uve te vzorce a príklad v po tu jednej sady v sledkov, pod a ktorého

sú po ítané hodnoty v tabu kách.

Tabu ky Uve te tabu ku nameran ch hodnôt i s kolónkami pre dopo ítané hodnoty.

V záhlaví tabu ky uve te názov tabu ky, i e ozna enie, hodnoty akého merania a vypo ítané hodnoty sú v tejto tabu ke. Pod a potreby sem uve te aj al ie potrebné tabu ky.

Pou ité prístroje

Formou tabu ky uve te preh ad v etk ch pou it ch prístrojov pri aktuálnej úlohe merania. Tabu ka musí obsahova :

Tab. 11.1 Pou ité prístroje

Ozna enie meracieho prístroja

Typ meracieho prístroja

V robné íslo Parametre a al ie údaje

A1 DU 10 234 567 .......... V2 DU 20 987 654 21 6 300 , ....... V4 Metex P10 multimeter

Ozna enie meracieho prístroja pod a pou itej schémy neme te. Typ prístroja je v dy vyzna en na prístroji. V robné íslo je uvedené alebo na stupnici prístroja, na elnom paneli alebo na zadnej strane na kovovom títku. Iné ísla, ako sú eviden né ísla, neuvádza , mô u sa asom zmeni .

al ie údaje a parametre prístroja sú údaje, dopl ujúce hlavné údaje. Patrí sem ozna enie pre digitálne prístroje multimeter ap. Pre analógové prístroje treba uvies v etky zna ky zo stupnice prístroja o triede presnosti, vnútornom odpore, frekve nom rozsahu, systému prístroja, druhu meranej veli iny (striedavá / jednosmerná) ap.

Grafy

Namerané a dopo ítané údaje, zapísané v tabu kách je potrebné pod a zadania vyjadri aj grafmi. Graf musí obsahova najmä: názov, opis a rozsah vertikálnej osi, opis a rozsah horizontálnej osi, v prípade dvoch a viacer ch priebehov aj legendu. Graf nemusí by farebn , av ak priebehy musia by identifikovate né.

Grafy je mo né vyhotovi pomocou PC, najlep ie v prostredí Excel, alebo inom. Tie je mo né grafy vyhotovi na milimetrov papier ru ne, pri zachovaní v etk ch nále itostí grafu a popisy musia by spravené technick m písmom.

Okrem grafov je potrebné nakresli aj obrázky, vyjadrujúce analyzované priebehy signálov, pod a 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.

97

Podmienky merania Ihne po ukon ení merania si odpí te 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, umiestnen mi v tomto laboratóriu.

Tab. 11.2 Podmienky merania

Meraná veli ina Aktuálna hodnota Teplota 19°C Atmosférick tlak 1015hPa Vlhkos 65%

Záver Posledná polo ka v protokolu je záver. V závere neopakujte údaje, uvedené

v protokole. V závere musíte odpoveda na zadanie. Teda je potrebné porovna a vyhodnoti v sledky merania, grafy priebehov hodnôt, vzájomné pôsobenie prvkov pri meraní. Vyhodno te aj presnos merania, prípadne zdôvodnite mo n dôvod vzniku odch lok a ch b.

Ku protokolu je potrebné prilo i merací list, parafovan vyu ujúcim, aby bolo mo né zisti prípadné nezrovnalosti a chyby pri spracovávanie protokolu. Na merací list sa nekladú iadne formálne po iadavky. Je potrebné, aby mal tudent v meracom liste podchytené v etky potrebné údaje pre spracovanie protokolu.

Poznámky Protokol musí po formálnej stránke dodr iava stanovené okraje, zvy ajne 2,5 cm na

v etk ch okrajoch stránky, ktoré platia rovnako pre text, tabu ky a grafy. Na laboratóriu b vajú na nástenkách umiestnené vzorové protokoly, ka dému na

nahliadnutie. Odovzdan protokol je va ou vizitkou, nie je mo né 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 zní ené hodnotenie protokolu. Odovzdanie v etk ch protokolov je podmienkou na prijatie ku skú ke z daného predmetu.

98

Za odbornú nápl tohto vydania zodpovedá odborná redaktorka doc. Ing. Marcela Ko ová,CSc.

Autori doc. Ing. Zden k Dostál, CSc., Ing. Miroslav ulík, PhD.

Názov NÁVODY NA LABORATÓRNE CVI ENIA Z PREDMETU ELEKTRONIKA 1

Vydala ilinská univerzita v iline v EDIS-vydavate stve 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 vydavate stve nepre iel jazykovou ani redak nou úpravou.

Documents

ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE Elektrotechnická fakulta Katedra ...dulik/SkriptaLC_E1.pdf · (1.2) c) asová stálos (drift) Kt sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U2