110
Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών Π. ΚΩΣΤΑΡΑΚΗΣ, Ε. Κ. ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ Δ. ΚΑΤΣΑΝΟΣ, Δ. ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΙΩΑΝΝΙΝΑ 2010

Laboratory Electronics

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Lab electronics notes

Citation preview

Page 1: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Π. ΚΩΣΤΑΡΑΚΗΣ, Ε. Κ. ΕΥΑΓΓΕΛΟΥ Δ. ΚΑΤΣΑΝΟΣ, Δ. ΠΑΠΑΔΗΜΗΤΡΙΟΥ

ΙΩΑΝΝΙΝΑ 2010

Page 2: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 2

Περιεχόμενα

1. Οδηγός χρήσης της Βάσης πειραμάτων KL-21001 & Στοιχεία τεχνολογίας

ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ......................................................................................3

2. Χαρακτηριστική (Ι-V) διόδου .............................................................................15

3. Κυκλώματα διόδων..............................................................................................20

4. Κυκλώματα ανόρθωσης ......................................................................................27

5. Χαρακτηριστικές των τρανζίστορ......................................................................37

6. Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού .....................................................................42

7. Μελέτη χαρακτηριστικών JFET..........................................................................49

8. Ενισχυτικές διατάξεις με χρήση JFET................................................................54

9. Ενισχυτικές διατάξεις με χρήση MOSFET ........................................................63

10. Τελεστικοί ενισχυτές ..........................................................................................68

Παράρτημα ................................................................................................................81

Οδηγός χρήσης Multisim .........................................................................................81

Page 3: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 3

1. Οδηγός χρήσης της Βάσης πειραμάτων KL-21001 &

Στοιχεία τεχνολογίας ηλεκτρονικών εξαρτημάτων

1.1. Εισαγωγή Ο στόχος του συγκεκριμένου εγχειριδίου είναι να περιγράψει τη βάση πειραμάτων KL-21001 και των αντίστοιχων πάνελ, που περιλαμβάνουν σειρές πειραματικών ασκήσεων και χρησιμοποιούνται στο εργαστήριο των αναλογικών ηλεκτρονικών. Θα παρουσιαστούν συνοπτικά οι λειτουργίες του κάθε ενός από τα στοιχεία της βάσης καθώς και κάποια τεχνικά χαρακτηριστικά τους.

1.2. Βάση πειραμάτων Η βάση των πειραμάτων που παρουσιάζεται στην εικόνα της σελίδας 5 αποτελείται από 4 διαφορετικού τύπου στοιχεία :

1. Πηγές Τάσης 2. Γεννήτρια Συχνοτήτων 3. Όργανα μέτρησης 4. Συσκευές εισόδου/ εξόδου

1.2.1 Πηγές Τροφοδοσίας

• Μία διπλή πηγή DC σύγχρονης θετικής και αρνητικής τάσης εξόδου. Γυρίστε το κουμπί χειρισμού με τη φορά του ρολογιού για αύξηση της τάσης και αντίστροφα για μείωσή της. Κλίμακα εξόδου: ±3V ~ ±18V.

• Μια σταθερή τάση DC. 4 έξοδοι των ±5V, ±12V • Μια πηγή AC των 9V~0V~9V

1.2.2 Γεννήτρια Συχνοτήτων

• Γεννήτρια τάσης: (σημείο 2 στην παρακάτω εικόνα) • έξοδος 50Ω ± 10% (impedance) • Λειτουργία: επιλογή κυματομορφής (τετραγωνική, ημιτονοειδής,

τριγωνική) • κλίμακα επιλογής από 100Hz ~ 100KHz (4 κλίμακες) • Ρυθμιστής πλάτους, γυρίστε με τη φορά του ρολογιού για αύξηση

Page 4: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 4

• Ρυθμιστής συχνότητας, γυρίστε με τη φορά του ρολογιού για αύξηση.

1.2.3 Όργανα μέτρησης

• Βολτόμετρο DC: 0 ~ 20V • Αμπερόμετρο DC: 0 ~ 100mA~1Α • Βολτόμετρο AC: 0 ~ 15V • Αμπερόμετρο AC: 0 ~ 100mA~1Α • Ψηφιακό Πολύμετρο DC (Volt/Amp): με το δεξί πλήκτρο του

πολυμέτρου επιλέγουμε για Volt ή Amp και με το αριστερό για αλλαγή κλίμακας σε V/μV και A/μΑ αντίστοιχα. Όταν το ρεύμα ή η τάση που έχουμε ξεπερνά το καθορισμένο όριο, τότε επιλέγουμε τη μεγαλύτερη κλίμακα πατώντας το κουμπί των 200V/2V ή Α/200μA αντίστοιχα.

1.2.4 Συσκευές εισόδου/εξόδου • Μικρόφωνο 8Ω/0.25W • Ποτενσιόμετρο (VR1) 1ΚΩ, 0.25W με εξόδους A,B,C • Ποτενσιόμετρο (VR2) 10ΚΩ, 0.25W με εξόδους A,B,C • Ποτενσιόμετρο (VR3) 100ΚΩ, 0.25W με εξόδους A,B,C • Ποτενσιόμετρο (VR4) 1MΩ, 0.25W με εξόδους A,B,C

Page 5: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Όργανα μέτρησης

Συσκευές Εισόδου – Εξόδου Μικρόφωνο

Γεννήτρια Συχνοτήτων

Θέσεις στήριξης πάνελ πειραμάτων

Ποτενσιόμετρα VR1 – VR4

Page 6: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

1.3. Πάνελ πειραμάτων Για κάθε σειρά πειραμάτων χρησιμοποιούνται και αντίστοιχα πάνελ κυκλωμάτων που εφαρμόζουν στην κεντρική θέση της βάσης και μέσω των ειδικών βραχυκυκλωτήρων δημιουργούνται τα επιθυμητά κυκλώματα. Έπειτα, με τη βοήθεια των ειδικών καλωδίων που εισάγονται στις αντίστοιχες θέσεις, συνδέονται οι πηγές τροφοδοσίας, οι συσκευές εισόδου/εξόδου και τα όργανα μέτρησης σύμφωνα με το σχεδιασμένο κύκλωμα. Τροποποιώντας τις θέσεις των βραχυκυκλωτήρων τροποποιούνται και τα κυκλώματα που σχεδιάζονται, προσθέτοντας ή αφαιρώντας στοιχεία όπως αντιστάσεις και πυκνωτές. Ένα παράδειγμα χρήσης των πάνελ πειραμάτων παρουσιάζεται παρακάτω.

1.3.1 Παράδειγμα κυκλώματος Το παρακάτω σχήμα 1.1 παρουσιάζει ένα κύκλωμα ημιανόρθωσης και το σχήμα 1.2 και 1.5 παρουσιάζει το ίδιο κύκλωμα που είναι σχεδιασμένο επάνω στο πάνελ πειραμάτων. Τοποθετώντας τους βραχυκυκλωτήρες στα σημεία α και β δημιουργείται το κύκλωμα του σχήματος 1.1 (κόκκινη γραμμή) και στην είσοδο TP1 συνδέουμε την τροφοδοσία. Αλλάζοντας τη θέση των βραχυκυκλωτήρων (σχήμα 1.4 και 1.6), μπορούμε να αλλάξουμε το κύκλωμα του σχήματος 1.1 στο κύκλωμα του σχήματος 1.3.

Σχήμα 1.1 Σχήμα 1.2

Σχήμα 1.3 Σχήμα 1.4

R3 1kohm

TP3OUT

RLTP1

Page 7: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 7

Σχήμα 1.5

Σχήμα 1.6

Page 8: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 8

1.4 Στοιχεία τεχνολογίας ηλεκτρονικών εξαρτημάτων Για την κατασκευή των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων εκτός από τις ποικίλες

ηλεκτρονικές διατάξεις (λυχνίες, κρυσταλλολυχνίες κλπ.) χρησιμοποιούνται και διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήματα, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, ποτενσιόμετρα, μετασχηματιστές κλπ. Παρακάτω δίνονται μερικά βασικά στοιχεία για τα συνηθέστερα από τα εξαρτήματα αυτά.

1.4.1 Αντιστάσεις Είναι εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται για τον περιορισμό της εντάσε-

ως του ρεύματος στα διάφορα ηλεκτρονικά κυκλώματα καθώς και για τη δημιουργία, με τη βοήθεια των ηλεκτρικών πηγών, της επιθυμητής κάθε φορά τάσης πολώσεως μιας διατάξεως. Διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγορίες· τις σταθερές αντιστάσεις, που η τιμή τους είναι καθορισμένη και αμετάβλητη, και τις μεταβλητές αντιστάσεις, που η τιμή τους μπορεί να μεταβάλλεται μεταξύ ενός ελάχιστου -συνήθως μηδενικού- και ενός μέγιστου ορίου.

Σταθερές αντιστάσεις Κατασκευάζονται από διάφορα υλικά, με διάφορες μεθόδους και

διαφορετικές προδιαγραφές ανάλογα με τη χρήση για την οποία προορίζονται. Ανεξάρτητα όμως από τον τρόπο και το υλικό κατασκευής της κάθε αντίστασης χαρακτηρίζεται από δύο φυσικά μεγέθη: α) Την τιμή της ηλεκτρικής ωμικής αντιστάσεως (π.χ. 270kΩ) και β) Τη μέγιστη ισχύ, που μπορεί να αντέξει, χωρίς να υπερθερμανθεί και καταστραφεί (π.χ. 0.5W). Η ισχύς αυτή σχετίζεται με το μέγιστο ρεύμα, που μπορεί να διέλθει από την αντίσταση, με τη γνωστή σχέση: Ν = Ι2 · R.

Οι συνηθέστεροι τύποι αντιστάσεων είναι: α) Αντιστάσεις γραφίτη: Αποτελούνται από μίγμα σκόνης γραφίτη και

ρητινικών πλαστικών. Ανάλογα με το ποσοστό αναλογίας γραφίτη στο μίγμα καθορίζεται η τιμή της αντιστάσεως. Έχουν συρματόμορφους μεταλλικούς ακροδέκτες και περιβάλλονται από πολυστυρενική μόνωση.

Παραλλαγή των αντιστάσεων γραφίτη αποτελούν οι αντιστάσεις ταινίας γραφίτη, που αποτελούνται από κεραμικό υλικό υψηλής ποιότητας, πάνω στο οποίο αποτίθεται με χημικό τρόπο ελικόμορφη ταινία γραφίτη το πάχος της οποίας καθορίζει την τιμή της αντιστάσεως. Οι αντιστάσεις αυτές έχουν καλύτερη ποιότητα κατασκευής και ακρίβεια τιμής, αλλά παράλληλα και μεγαλύτερο κόστος.

β) Αντιστάσεις σύρματος: Αποτελούνται συνήθως από λεπτό σύρμα μεταλλικού κράματος (χρωμονικελίνη, constantan, κλπ) περιτυλιγμένο σε κεραμικό και προστατευμένο με μονωτικό υλικό. Έχουν γενικά μικρές τιμές και χρησιμοποιούνται, όπου απαιτείται μεγάλη ακρίβεια και θερμοκρασιακή σταθερότητα. Παραλλαγή τους αποτελούν οι αντιστάσεις μεταλλικής ταινίας.

Κάθε αντίσταση αναγράφει πάνω της τα χαρακτηριστικά της μεγέθη (αντίσταση - ισχύ). Συνήθως όμως οι κατασκευαστές αντιστάσεων -ειδικά γραφίτη- χρησιμοποιούν το χρωματικό κώδικα. Η τιμή δηλαδή της

Page 9: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 9

αντιστάσεως εκφράζεται με ένα σύνολο τεσσάρων γραμμών, που ο κώδικας τους δίνεται στο σχήμα Σ-1. Έτσι π.χ. με βάση τον κώδικα αυτόν, η αντίσταση που έχει πάνω της την εξής διαδοχή χρωματιστών ταινιών:

Κόκκινο - Μαύρο - Πορτοκαλί - Αργυρό

έχει τιμή 20kΩ ± 10%. Αν η τρίτη ταινία είναι χρυσή ή αργυρή ο αριθμός των δύο πρώτων ψηφίων διαιρείται δια 10 ή 100 αντίστοιχα.

Οι αντιστάσεις γραφίτη κατασκευάζονται σε διάφορες τυποποιημένες τιμές, που εκτείνονται από 1Ω έως 27ΜΩ, ενώ μικρότερες από 1Ω και μεγαλύτερες από 27ΜΩ καθώς και αντιστάσεις εκτός των τυποποιημένων τιμών κατασκευάζονται και χρησιμοποιούνται σε ειδικές εφαρμογές. Υπάρχουν επίσης ειδικές αντιστάσεις με ανοχή 1% ή και μικρότερη, που έχουν καλύτερη ποιότητα αλλά και υψηλότερο φυσικά κόστος.

Όσον αφορά την ισχύ τους οι αντιστάσεις άνθρακα (γραφίτη) κυκλοφορούν σε πέντε τύπους (1/8W, 1/4W, 1/2W, 1W, 2W), που διακρίνονται από το μέγεθος τους. Για μεγαλύτερες ισχείς υπάρχουν ειδικής κατασκευής αντιστάσεις κεραμικές ή σύρματος συνήθως (4W έως 1kW).

Μεταβλητές αντιστάσεις (ή ροοστάτες) Κατασκευάζονται τόσο σε τύπο σύρματος όσο και σε τύπο γραφίτη. O

ένας ακροδέκτης τους είναι σταθερός, ενώ ο άλλος μετακινείται με τη βοήθεια μεταγωγού, έτσι ώστε το μήκος της αντιστάσεως, που παρεμβάλλεται μεταξύ των δύο ακροδεκτών, να μεταβάλλεται. Μεταβάλλεται έτσι και η τιμή της αντιστάσεως.

Στην παρακάτω εικόνα 1.2 παρουσιάζεται ο χρωματικός κώδικας των

αντιστάσεων.

Page 10: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 10

Εικόνα 1.2

1.4.2 Ποτενσιόμετρα Είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα με τα οποία επιτυγχάνεται η λήψη

ενδιάμεσων τιμών τάσης από μία σταθερή. Είναι συστήματα τριών ακροδεκτών. Κατασκευαστικά αποτελούνται από μια αντίσταση (σύρματος ή γραφίτη), κατά μήκος της οποίας μπορεί και κινείται ένας δρομέας. Όπως φαίνεται και στο σχήμα Σ-2α, αν μεταξύ των άκρων Α και Β της αντιστάσεως εφαρμοσθεί τάση V0 η τάση μεταξύ του δρομέα Γ και του άκρου Β θα είναι:

0RRVV o ⋅=

Page 11: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 11

Μεταβάλλοντας τη θέση του δρομέα μεταβάλλεται η τιμή της R, άρα και η τιμή της V από 0 έως V0 . Συνήθως η αντίσταση R (γραφίτης ή σπείρα σύρματος) έχει σχήμα κυκλικού τόξου και ο δρομέας μετακινείται με περιστροφή ενός άξονα κατά 300o συνολικά. Υπάρχουν όμως και ποτενσιόμετρα γραμμικής μεταφοράς του δρομέα (συρόμενα).

Σχήμα 1.7 Κύκλωμα και νόμος μεταβολής τάσης ποτενσιομέτρου

Όπως και οι αντιστάσεις, τα ποτενσιόμετρα χαρακτηρίζονται από δύο μεγέθη· την ολική αντίσταση τους και τη μέγιστη ισχύ, που μπορούν να δεχθούν. Συνήθως τα ποτενσιόμετρα γραφίτη έχουν μεγάλη αντίσταση (μέχρι 10ΜΩ) και χαμηλή ισχύ (μέχρι 2W), ενώ τα σύρματος αντίθετα μικρή αντίσταση ( μέχρι 100Ω) και μεγάλη ισχύ (μέχρι 100W). Αν βέβαια οι ακροδέκτες Β και Γ ενός ποτενσιόμετρου βραχυκυκλωθούν εξωτερικά, μετατρέπεται άμεσα σε ροοστάτη.

Ιδιαίτερο χαρακτηριστικό των ποτενσιόμετρων αποτελεί ο νόμος μεταβολής της τάσης στα άκρα τους Β και Γ (που συνδέεται βέβαια άμεσα με το νόμο μεταβολής της παρεμβαλλόμενης αντιστάσεως R) συναρτήσει της γωνίας στροφής του. Αν η τάση αυτή μεταβάλλεται γραμμικά με τη γωνία στροφής του άξονα του δρομέα (καμπύλη (1) -σχήμα 1.7.β), το ποτενσιόμετρο λέγεται γραμμικό. Αν όμως η τάση αυτή μεταβάλλεται ανάλογα προς τον αντιλογάριθμο της γωνίας στροφής, το ποτενσιόμετρο λέγεται λογαριθμικό. Τα γραμμικά ποτενσιόμετρα χρησιμοποιούνται κυρίως στα διάφορα όργανα (μετρήσεων κλπ), ενώ τα λογαριθμικά στις διάφορες ηχοσυσκευές (ακουστικά,

Page 12: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 12

ενισχυτές κλπ), διότι συνεργάζονται καλύτερα με τα αισθητήρια του ανθρώπου (αυτί π.χ.) που παρουσιάζουν επίσης λογαριθμική μεταβολή της ευαισθησίας τους (νόμος των Fechner -Weber).

Απλοποιημένη μορφή των ποτενσιόμετρων αποτελούν τα trimmers, τα οποία δεν έχουν άξονα στροφής του δρομέα, η μετακίνηση του οποίου γίνεται με κοχλιοστρόφο (κατσαβίδι). Χρησιμοποιούνται στις περιπτώσεις, όπου ανάγκη μεταβολής της θέσης του δρομέα εμφανίζεται πολύ σπάνια.

1.4.3 Πυκνωτές Είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα, που χρησιμοποιούνται κύρια για να

παρεμποδίσουν ένα συνεχές ρεύμα κατά μήκος ενός αγωγού ή να βραχυκυκλώσουν μια εναλλασσόμενη συνιστώσα τάσης μεταξύ δύο σημείων.

Κύριο χαρακτηριστικό μέγεθος ενός πυκνωτή είναι η χωρητικότητά του, που εξαρτάται από το μέγεθος των οπλισμών του, τη μεταξύ τους απόσταση και το παρεμβαλλόμενο διηλεκτρικό. Επειδή η μονάδα Farad είναι πολύ μεγάλη, η χωρητικότητα εκφράζεται συνήθως με τα υποπολλαπλάσιά της μF (10-6 F) και pF(l0-12 F).

Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες πυκνωτών: οι σταθεροί, που έχουν καθορισμένη χωρητικότητα και οι μεταβλητοί, που η χωρητικότητα τους μπορεί να μεταβάλλεται. Σταθεροί πυκνωτές Κατασκευάζονται με διάφορες μεθόδους και από διάφορα υλικά. Διακρίνονται όμως κυρίως βάσει του υλικού, που χρησιμοποιούν σα διηλεκτρικό. Έτσι υπάρχουν: Πυκνωτές χάρτου: Αποτελούνται από δυο λεπτά φύλλα αλουμινίου, που μεταξύ τους παρεμβάλλεται φύλλο χαρτιού συχνά ποτισμένο με μονωτικό λάδι ή κερί για να αυξηθεί η διηλεκτρική σταθερά του. Το σύνολο περιτυλίγεται σε σχήμα κυλίνδρου και σφραγίζεται μέσα σε μεταλλικό ή πλαστικό περίβλημα. Επιτυγχάνεται έτσι μεγάλη χωρητικότητα σε μικρό όγκο. Πυκνωτές μίκας και κεραμικοί: Έχουν σα διηλεκτρικό μαρμαρυγία ή κεραμικά υλικά αντίστοιχα. Συνήθως είναι μικρής χωρητικότητας και όγκου. Λόγω της μεγάλης σταθερότητας της χωρητικότητας τους και των μικρών διηλεκτρικών απωλειών, που παρουσιάζουν, χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα υψηλών συχνοτήτων. Πυκνωτές πολυστερίνης: Έχουν μικρό όγκο και μεγάλη ακρίβεια τιμής χωρητικότητας. Χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα ακριβείας. Ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές: Είναι ειδική κατηγορία πυκνωτών, που έχει την ιδιομορφία να εμφανίζει πολικότητα συνδεσμολογίας. Οι παλιότερου τύπου ( υγρού τύπου) ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές αποτελούνται από δύο μεταλλικά φύλλα (συνήθως αλουμινίου), που βυθίζονται μέσα σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα (συνήθως βόρακα-βορικού οξέος).Όταν στα φύλλα αυτά εφαρμοσθεί διαφορά δυναμικού το ένα (θετικός πόλος) επικαλύπτεται από λεπτό στρώμα άλατος, που σαν μονωτικό σώμα αποτελεί το διηλεκτρικό του πυκνωτή. Το

Page 13: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 13

στρώμα αυτό έχει πάχος μερικών μορίων και για το λόγο αυτό εξασφαλίζει στον πυκνωτή μεγάλη χωρητικότητα. Οι νεώτερου τύπου (ξηρού τύπου) ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν τον ηλεκτρολύτη εμποτισμένο σε φύλλα απορροφητικού χαρτιού ή υφάσματος. Είναι ευνόητο, ότι αν ένας τέτοιος πυκνωτής συνδεθεί σε κύκλωμα με πολικότητα αντίστροφη από την προβλεπόμενη, θα συμβεί ηλεκτρόλυση και θα διέλθει από μέσα του μεγάλο ρεύμα προκαλώντας τελικά την καταστροφή του. Σήμερα υπάρχουν βελτιωμένοι τύποι ηλεκτρολυτικών πυκνωτών, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε εναλλασσόμενες τάσεις. Μεταβλητοί πυκνωτές Οι μεταβλητοί πυκνωτές χρησιμοποιούνται κυρίως σε κυκλώματα συντονισμού (επιλογείς ραδιοφωνικών δεκτών ή πομπών, φίλτρα κλπ). Συνήθως είναι δύο τύπων: Αέρα: Αποτελούνται από δύο ομάδες ομοαξονικών ημικυκλικών ελασμάτων, τα οποία με περιστροφή του κοινού τους άξονα μετακινούνται, έτσι ώστε ένα διαφορετικό κάθε φορά τμήμα της επιφάνειάς τους -που αυξάνει, όσο αυξάνει η γωνία στροφής- να δρα σαν ενεργός οπλισμός του πυκνωτή. Επιτυγχάνονται έτσι διάφορες τιμές χωρητικότητας συνήθως μεταξύ 15 και 500 pF. Στερεού διηλεκτρικού: Αποτελούνται από δυο ομοαξονικούς κυλίνδρους μεταξύ των οποίων παρεμβάλλεται κύλινδρος στερεού διηλεκτρικού (π.χ. κεραμικού). Με περιστροφή ενός κατάλληλα προσαρμοσμένου κοχλία επιτυγχάνεται η μεταβολή του εμβαδού του τμήματος των επιφανειών, που βρίσκονται απέναντι αλλήλων, άρα και της χωρητικότητας του συστήματος.

Όλοι οι πυκνωτές -σταθεροί και μεταβλητοί- χαρακτηρίζονται από δύο κυρίως μεγέθη. Τη χωρητικότητα τους, που έχει ήδη αναφερθεί, και εξαρτάται βασικά από τη διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού υλικού τους (καθώς επίσης και από τις γεωμετρικές τους διαστάσεις) και τη μέγιστη τάση λειτουργίας τους, που βασικά εξαρτάται από τη διηλεκτρική αντοχή του διηλεκτρικού τους και είναι η μέγιστη διαφορά δυναμικού, που μπορεί να εφαρμοσθεί μεταξύ των οπλισμών τους χωρίς κίνδυνο να εκσπάσει ηλεκτρικός σπινθήρας και να καταστραφούν. Τα δύο αυτά χαρακτηριστικά μεγέθη αναγράφονται πάνω στους πυκνωτές. Ειδικά στους κεραμικούς πυκνωτές για την αναγραφή χρησιμοποιείται χρωματικός κώδικας όπως στις αντιστάσεις. Κατ΄ εξαίρεση στους ηλεκτρολυτικούς πυκνωτές σημειώνεται και η πολικότητά τους.

Εκτός από τα παραπάνω δύο μεγέθη καθοριστικός παράγων για την ποιότητα ενός πυκνωτή είναι και ο συντελεστής απωλειών ισχύος, που εκφράζει το ποσοστό ισχύος, που μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω διηλεκτρικών απωλειών στο εσωτερικό του πυκνωτή, σε κάθε περίοδο μιας εναλλασσόμενης τάσης, που εφαρμόζεται στα άκρα του. Απώλειες ισχύος εμφανίζονται και κατά τη χρήση των πυκνωτών στο συνεχές (διαρροές). Είναι προφανές ότι στόχος είναι ο κατά το δυνατόν υποβιβασμός των απωλειών αυτών. Τους μεγαλύτερους συντελεστές απωλειών έχουν οι πυκνωτές χάρτου και τους μικρότερους οι πυκνωτές πολυστερίνης.

Page 14: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 14

Η χωρητικότητα των πυκνωτών, όπως και η αντίσταση των αντιστάσεων, επηρεάζεται από τις μεταβολές της θερμοκρασίας. Πιο σταθεροί από θερμοκρασιακή άποψη είναι οι κεραμικοί πυκνωτές.

Page 15: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 15

2. Χαρακτηριστική (Ι-V) διόδου

Σκοπός 1. Να μελετηθεί η χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης διαφορετικών διόδων (δηλ. Πυριτίου, Γερμανίου και τύπου Zener). 2. Να μετρηθεί και να υπολογιστεί η αντίσταση μιας διόδου σε ορθή και ανάστροφη πόλωση. Σύντομη θεωρία Όταν η άνοδος μιας διόδου είναι θετικότερα πολωμένη από την κάθοδο, τότε η δίοδος είναι «ορθά» πολωμένη. Σε αντίθετη περίπτωση η πόλωση λέγεται «ανάστροφη». Στην ορθή πόλωση μια ιδανική δίοδος λειτουργεί σα βραχυκύκλωμα (κλειστός διακόπτης) εφόσον η τάση στα άκρα της είναι μεγαλύτερη από την τάση κατωφλίου (0.7V για το Si). Στην ανάστροφη πόλωση λειτουργεί όμως σαν ανοικτός διακόπτης (R→∞). Σε πραγματικές διόδους πάντως το ρεύμα διαρροής είναι της τάξης μερικών μΑ. Μια δίοδος Zener είναι μια pn δίοδος σχεδιασμένη να εργάζεται σε ανάστροφη πόλωση και μάλιστα στην περιοχή κατάρρευσης. Η σημαντικότερη χρήση μίας διόδου Zener είναι σε κυκλώματα σταθεροποίησης πόλωσης

Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab.

(2) Σετ ασκήσεων : KL-23001.

(3) Όργανα: 1. Παλμογράφος.

2. Πολύμετρα αναλογικά και ψηφιακό πολύμετρο

Page 16: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 16

2.2 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Προσαρμόστε το σετ KL-23001 στην εργαστηριακή σας βάση και στη

συνέχεια εντοπίστε το τμήμα –α (23001-block a).

(2) Συνδέστε την πηγή συνεχούς ώστε να πολώσετε ορθά τη δίοδο CR1

(Σχήμα 2-2α). Χρησιμοποιείστε το ψηφιακό Βολτόμετρο της

εργαστηριακής βάσης και το ψηφιακό Πολύμετρο σαν Αμπερόμετρο.

(3) Με το ροοστάτη VR2 στην πιο δεξιά του θέση (Β-C βραχυκυκλωμένα),

εφαρμόστε συνεχή τάση +12V στην είσοδο (IN) του κυκλώματος. Στη

συνέχεια μεταβάλλετε το ροοστάτη (VR2=10K) ώστε στα άκρα της

διόδου να εφαρμόσετε τάσεις από 0.0V έως 1.0V μετρημένες με το

Βολτόμετρο. Συμπληρώστε τον πίνακα 2.1 προσέχοντας ώστε το

ρεύμα ορθής φοράς να μη ξεπεράσει τα 10mA.

(4) Αλλάξτε τη θέση των βραχυκυκλωμάτων (Σχ 2-2β) ώστε να πολώσετε

τη δίοδο ανάστροφα.

(5) Όπως και στην παράγραφο (3) εφαρμόστε +12V στην είσοδο και

μεταβάλλοντας το ροοστάτη VR2 μετρήστε το ρεύμα για τάσεις από

0.0V έως 5.0V. Καταγράψτε τις τιμές V,I στον πίνακα 2.1.

(6) Χαράξτε τη γραφική παράσταση I=f(V) και εξηγείστε τη μορφή της.

(7) Εξηγείστε τη λειτουργία της αντίστασης R1 και του ροοστάτη VR2 στο

κύκλωμα.

(8) Επαναλάβετε τα βήματα 1-7 για τη δίοδο Γερμανίου (CR2 στα

Σχήματα 2-4α,β).

(9) Επίσης τα ίδια για τη δίοδο Zener (CR3 στα Σχήματα 2-6α,β).

(10) Χαράξτε τις χαρακτηριστικές Ι-V στο ίδιο γράφημα και σχολιάστε τις

διαφορές

Page 17: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 17

2.3 Αποτελέσματα Πειράματος:

Ι. Δίοδος Πυριτίου

Σχήμα 2-1 Σχήμα 2-2α Σχήμα 2-2β

Χαρακτηριστική Ι-V Πυριτίου

Πίνακας 2-1.

Ορθή Πόλωση

Ανάστροφη Πόλωση

α/α Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

0.0 0.0

1.0 5.0

Page 18: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 18

Ι Ι. Δίοδος Γερμανίου

Σχήμα 2-3

Σχήμα 2-4α Σχήμα 2-4β

Χαρακτηριστική Ι-V Γερμανίου

Πίνακας 2-2.

Ορθή Πόλωση

Ανάστροφη Πόλωση

α/α Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

0.0 0.0

0.6 5.0

Page 19: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 19

Ι Ι Ι. Δίοδος Zener

Σχήμα 2-5

Σχήμα 2-6α Σχήμα 2-6β

Χαρακτηριστική Ι-V Zener

Πίνακας 2-3.

Ορθή Πόλωση

Ανάστροφη Πόλωση

α/α Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

Τάση (V)

Ρεύμα (Ι)

0.0 0.0

1.0 5.0

Page 20: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 20

3. Κυκλώματα διόδων Σκοπός 1. Προσδιορίστε τη λειτουργία των κυκλωμάτων περιορισμού με διόδους (σε σειρά ή παράλληλα) 2. Προσδιορίστε τη λειτουργία των κυκλωμάτων ψαλιδισμού με διόδους (σε σειρά ή παράλληλα) Σύντομη θεωρία Τα κυκλώματα σειριακών περιοριστών (clippers) βρίσκουν εφαρμογή στην αποκοπή μέρους του σήματος εισόδου ( πάνω ή κάτω από μια τάση αναφοράς). Αντίστοιχα τα κυκλώματα παράλληλων περιοριστών χρησιμοποιούνται για να αποκοπεί το σήμα εξόδου στο επίπεδο της τάσης αναφοράς ελαττωμένο κατά την τάση γονάτου (ή κατωφλίου = 0.7V για Si) Τα κυκλώματα ψαλιδιστών (clampers), που αποτελούνται από μία δίοδο, μία αντίσταση και ένα πυκνωτή, χρησιμεύουν για να μεταφέρουν ένα σήμα σε μια διαφορετική στάθμη dc χωρίς να αλλάζουν τη μορφή του εφαρμοζόμενου σήματος. Στα κυκλώματα αυτά η δίοδος τοποθετείται παράλληλα με την είσοδο ενώ μπορεί να συνδέεται σε σειρά και μία πηγή dc. Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab.

(2) εξάρτημα πειράματος: KL-23002.

(3) Όργανα: 1. Παλμογράφος

2. Ψηφιακό Πολύμετρο.

Page 21: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 21

3.1 Kύκλωμα περιοριστών με διόδους σε σειρά

3.1.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23001 στη βάση και εντοπίστε

το τμήμα 23001-block b.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το αντίστοιχο

διάγραμμα στο σχήμα 3.1.

β) Συνδέστε ημιτονοειδές κύμα με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτης TP2 και γη).

γ) Μετρείστε την κυματομορφή εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας τον

παλμογράφο και καταγράψτε το αποτέλεσμα στον πίνακα 3.1.

(3) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το αντίστοιχο

διάγραμμα στο σχήμα 3.2.

β) Συνδέστε ημιτονοειδές κύμα με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτης TP1 και γη).

γ) Μετρείστε την κυματομορφή εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας τον

παλμογράφο και καταγράψτε το αποτέλεσμα στον πίνακα 3.1.

Σχήμα 3.1 Σχήμα 3.2

Page 22: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 22

3.1.2 Αποτελέσματα πειράματος:

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα

Vout (p-p)για κύκλωμα

Πίνακας 3.1

Vt

Vt

Vt

Page 23: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 23

3.2 Κύκλωμα περιοριστών με διόδους σε σειρά με πρόσθετη τάση DC

3.2.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23001 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23001-block b.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το αντίστοιχο

διάγραμμα στο σχήμα 3.3.

β) Συνδέστε ημιτονοειδές κύμα με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτης TP2 και γη).

γ) Μετρείστε την κυματομορφή εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας τον

παλμογράφο και καταγράψτε το αποτέλεσμα στον πίνακα 3.2.

(3) Όπως το βήμα 2, κάνετε το πείραμα που αναφέρεται στον πίνακα 3.2

και το σχήμα 3.4.

(4) Όπως το βήμα 2, κάνετε το πείραμα που αναφέρεται στον πίνακα 3.2

και το σχήμα 3.5. Η είσοδος είναι μεταξύ ΤΡ1 και γης.

(5) Όπως το βήμα 2, κάνετε το πείραμα που αναφέρεται στον πίνακα 3.2

και το σχήμα 3.6. Η είσοδος είναι μεταξύ ΤΡ1 και γης.

Σχήμα 3.3 Σχήμα 3.4

Page 24: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 24

Σχήμα 3.5 Σχήμα 3.6

3.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα

Vi R3 10K

E

CR9

DIODE_VIRTUAL

Vo

Vout (p-p)για κύκλωμα

Vi R3 10K

E

CR9

DIODE_VIRTUAL

Vo

Vout (p-p)για κύκλωμα

Vi R3 10K

E

CR9

DIODE_VIRTUAL

Vo

Vout (p-p)για κύκλωμα

Vi R3 10K

E

CR9

DIODE_VIRTUAL

Vo

Πίνακας 3.2

Vt

Vt

Vt

Vt

Vt

Page 25: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 25

3.3 Κύκλωμα ψαλιδιστών (clampers) με διόδους

3.3.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23001 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23001-block d.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το αντίστοιχο

διάγραμμα στο σχήμα 3.7.

β) Συνδέστε ημιτονοειδές κύμα με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στον ακροδέκτη εισόδου (IN).

γ) Μετρείστε την κυματομορφή της εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας

τον παλμογράφο και καταγράψτε το αποτέλεσμα στον πίνακα 3.3.

(3) Όπως στο βήμα 2, κάνετε το πείραμα που αναφέρεται στον πίνακα

3.3b και στο σχήμα 3.8.

Σχήμα 3.7 Σχήμα 3.8

Page 26: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 26

3.3.2 Αποτελέσματα Πειράματος:

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα

Vout (p-p)για κύκλωμα

Πίνακας 3.3

Vt

Vt

Vt

Page 27: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 27

4. Κυκλώματα ανόρθωσης Σκοπός 1. Προσδιορίστε τη λειτουργία των κυκλωμάτων ημιανόρθωσης με ή χωρίς την προσθήκη πυκνωτή εξομάλυνσης. 2. Προσδιορίστε τη λειτουργία των κυκλωμάτων ανόρθωσης με χρήση δικτυωμάτων γέφυρας. Σύντομη θεωρία Η διαδικασία της απόρριψης μιας ημιπεριόδου ενός ac σήματος εισόδου έχει επικρατήσει να λέγεται ημιανόρθωση. Το πιο απλό κύκλωμα για την υλοποίηση αυτής της ιδέας είναι η σύνδεση μιας διόδου σε σειρά με μία αντίσταση. Η ημιπερίοδος ενός ημιτονικού σήματος, που αποκόπτεται, είναι αυτή που πολώνει τη δίοδο κατά την ανάστροφη φορά. Ένα κύκλωμα, που εμφανίζει στην έξοδο αναλλοίωτη κατά τη θετική ημιπερίοδο ενός ac ημιτονικού σήματος, ενώ αναστρέφει κατά φ=180ο την αρνητική, ονομάζεται κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης. Όταν παράλληλα στην αντίσταση φόρτου ενός τέτοιου κυκλώματος τοποθετηθεί και ανάλογος πυκνωτής, τότε η έξοδος εξομαλύνεται και η διάταξη μπορεί να χρησιμοποιηθεί σα πρώτο κύκλωμα στην προσπάθεια μετατροπής ενός ac σήματος σε dc. Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab.

(2) εξάρτημα πειράματος: KL-23002.

(3) Όργανα: 1. Παλμογράφος

2. Ψηφιακό Πολύμετρο.

Page 28: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 28

4.1 Κύκλωμα ημιανόρθωσης χωρίς φίλτρο εξομάλυνσης

4.1.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23002 στη βάση και εντοπίστε

το τμήμα 23002-block c.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 4.1 και

στο αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 4.2.

β) Συνδέστε ημιτονοειδή τάση με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτης TP1 και γη).

γ) Μετρείστε τις τάσεις Vin (ακροδέκτης TP1 - γη) και Vout

(ακροδέκτης TP3 - γη) χρησιμοποιώντας τη σκάλα AC του

πολυμέτρου.

(3) Μετρείστε την κυματομορφή εισόδου (IN) και εξόδου (OUT)

χρησιμοποιώντας τον παλμογράφο. Χρησιμοποιείστε και τη σκάλα

DC και την AC του παλμογράφου. Kαταγράψτε τις αντίστοιχες

κυματομορφές στον πίνακα 4.1 και σχολιάστε τη μορφή τους.

Σχήμα 4.1 Σχήμα 4.2

Page 29: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 29

4.1.2 Αποτελέσματα πειράματος::

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα

ημιανόρθωσης (Σχήμα 4.1 & 4.2)

Πίνακας 4.1

V

t

V

t

Page 30: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 30

4.2 Κύκλωμα ημιανόρθωσης με φίλτρο εξομάλυνσης

4.2.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23002 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23002-block c

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 4.3 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 4.4 (C6: 220μ).

β) Συνδέστε ημιτονοειδή τάση με πλάτος 10Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτης TP1 και γη).

γ) Μετρείστε τις τάσεις Vin (ακροδέκτης TP1 - γη) και Vout

(ακροδέκτης TP3 - γη) χρησιμοποιώντας τη σκάλα AC του

πολυμέτρου.

δ) Ρυθμίστε την VR4 (VR 1MΩ) στο ελάχιστο και τότε μετρείστε τον

ακροδέκτη εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας την DCV κλίμακα του

πολυμέτρου και του παλμογράφου και καταγράψτε τα αποτελέσματα

στον πίνακα 4.2.

ε) Ρυθμίστε την VR4 (VR 1ΜΩ) στο μέγιστο και επαναλάβετε το βήμα

2.δ.

(3) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης που αναφέρονται στο σχήμα 4.5.

(Αλλάξτε το C6 σε C5, αλλάξτε την RL σε 1KΩ=R7).

β) Μετρείστε τον ακροδέκτη εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας την DC

κλίμακα του πολυμέτρου και του παλμογράφου και καταγράψτε

στον πίνακα 4.2. Ποια είναι η διαφορά με τα αποτελέσματα των

παραγράφων 2.δ,ε;

Σχήμα 4.3

Page 31: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 31

Σχήμα 4.4

Σχήμα 4.5

Page 32: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 32

4.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα

ημιανόρθωσης (Σχήμα 4.4 VR4=max)

Vout (p-p) για κύκλωμα

ημιανόρθωσης (Σχήμα 4.4 VR4=min)

Vout (p-p) για κύκλωμα

ημιανόρθωσης (Σχήμα 4.5, RL=R7)

Πίνακας 4.2.

V

t

V

t

V

t

V

t

Page 33: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 33

4.3 Κύκλωμα ανόρθωσης γέφυρας χωρίς φίλτρο εξομάλυνσης

4.3.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23002 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23002-block c.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 4.6 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 4.7.

β) Ρυθμίστε την VR4 (VR 1MΩ) στο ελάχιστο.

γ) Συνδέστε ημιτονοειδή τάση με πλάτος 9V rms και συχνότητα 50Hz

στην είσοδο (ακροδέκτες TP1 και TP2).

δ) Μετρείστε την Vac χρησιμοποιώντας τη σκάλα AC του πολυμέτρου

και του παλμογράφου αντίστοιχα και καταγράψτε στον πίνακα 4.1.

ε) Μετρείστε την έξοδο (OUT - ακροδέκτες TP3 και TP4)

χρησιμοποιώντας την κλίμακα DC του πολυμέτρου και του

παλμογράφου και καταγράψτε τα αποτελέσματα στον πίνακα 4.3.

Σχήμα 4.6

Σχήμα 4.7

Page 34: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 34

4.4 Κύκλωμα ανόρθωσης γέφυρας με φίλτρο εξομάλυνσης

4.4.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 4.8 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 4.9 (C7: 100μF).

β) Συνδέστε ημιτονοειδή τάση με πλάτος 18Vp-p και συχνότητα

1KHz στην είσοδο (ακροδέκτες TP1 και TP2). Χρησιμοποιήστε την

επιπλέουσα (floating) γεννήτρια του Kit.

γ) Μετρείστε την Vac χρησιμοποιώντας τη σκάλα AC του πολυμέτρου

και του παλμογράφου αντίστοιχα και καταγράψτε στον πίνακα 4.3.

δ) Ρυθμίστε την VR4 (VR 1MΩ) στο ελάχιστο και τότε μετρείστε τον

ακροδέκτη εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας την DC κλίμακα του

πολυμέτρου και του παλμογράφου και καταγράψτε τα αποτελέσματα

στον πίνακα 4.3.

ε) Ρυθμίστε την VR4 (VR 1ΜΩ) στο μέγιστο και επαναλάβετε το βήμα

1.δ.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 4.8 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 4.10 (αλλάξτε το C7 σε C5, αλλάξτε

το RL σε 1KΩ=R7).

β) Μετρείστε τον ακροδέκτη εξόδου (OUT) χρησιμοποιώντας την DC

κλίμακα του πολυμέτρου και του παλμογράφου και καταγράψτε

στον πίνακα 4.3. Ποια είναι η διαφορά με τα αποτελέσματα των

παραγράφων 1.δ,ε;.

Page 35: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 35

Σχήμα 4.8

Σχήμα 4.9

Σχήμα 4.10

Page 36: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 36

4.3 & 4.4 Αποτελέσματα πειράματος:

V in (p-p)

Vout (p-p) για κύκλωμα γέφυρας ανόρθωσης (Σχήμα 4.7 VR4=min)

Vout (p-p) για κύκλωμα γέφυρας ανόρθωσης (Σχήμα 4.9 VR4=min)

Vout (p-p) για κύκλωμα γέφυρας ανόρθωσης (Σχήμα 4.10, RL=R7)

Πίνακας 4.3

V

t

V

t

V

t

V

t

Page 37: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 37

5. Χαρακτηριστικές των τρανζίστορ Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τις τρεις περιοχές (Βάση, Εκπομπός, Συλλέκτης) ενός διπολικού τρανζίστορ. 2. Μετρείστε τις χαρακτηριστικές τάσεις και τα ρεύματα (ΙΒ, ΙΕ, IC) ενός τρανζίστορ και προσδιορίστε τις παραμέτρους α και β. 3. Μελετείστε τις χαρακτηριστικές καμπύλες ενός τρανζίστορ. Σύντομη θεωρία

Το διπολικό τρανζίστορ επαφής (Bipolar Junction Transistor, BJT) είναι κρύσταλλος ημιαγωγού με τρεις περιοχές προσμίξεων τύπου p ή n στην σειρά που δημιουργούν δύο εσωτερικές επαφές pn. Η μεσαία περιοχή ονομάζεται βάση (base) και οι άλλες δύο ονομάζονται εκπομπός (emitter) και συλλέκτης (collector). Υπάρχουν τρανζίστορ pnp και npn με το αντίστοιχο λογικό σύμβολο.

Τα διπολικά τρανζίστορ χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές ισχύος, σε συστήματα αυτομάτου ελέγχου, σε κυκλώματα μεγάλων ηλεκτρονικών υπολογιστών και στα πλέον πολύπλοκα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

Για την κανονική λειτουργία του, το τρανζίστορ πρέπει να πολωθεί κατάλληλα με εξωτερικές πηγές τάσης. Η επαφή βάσης-συλλέκτη πρέπει να είναι ανάστροφα πολωμένη, ενώ η επαφή βάσης εκπομπού πρέπει να πολωθεί ορθά. Σε τρανζίστορ τύπου npn το ρεύμα οφείλεται κυρίως σε κίνηση ηλεκτρονίων ενώ σε τρανζίστορ τύπου pnp οφείλεται κυρίως στις οπές.

Για τη συνδεσμολογία του τρανζίστορ σε κύκλωμα πρέπει ο ένας από τους τρεις ακροδέκτες να είναι κοινός στην είσοδο και στην έξοδο. Έτσι προκύπτουν τρεις τρόποι συνδεσμολογίας: α) συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (cοmmοn emitter, CΕ), β) συνδεσμολογία κοινής βάσης (cοmmοn base, CΒ), γ) συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (cοmmοn cοllectοr. CC). Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23002,

(3) Όργανα: 1. Παλμογράφος.

2. Πολύμετρα αναλογικά και ψηφιακό πολύμετρο

3. Γεννήτρια

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στα KL- 23002.

Page 38: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 38

5.1 Πείραμα για τη χαρακτηριστική των npn τρανζίστορ – Μετρήσεις για τα Ie, Ib και Ic

5.1.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23002 στη βάση KL-21001 και

εντοπίστε το τμήμα 23002-block a.

(2) α) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 5.1 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 5.2.

β) Συνδέστε τα αμπερόμετρα για να μετρήσετε τα ρεύματα Ib, Ic και

Ie. Εάν τα αμπερόμετρα δεν είναι επαρκώς διαθέσιμα, τα σημεία που

δεν θα μετρήσετε μπορούν να συνδεθούν με βραχυκυκλωτήρες.

γ) Ρυθμίστε την VR2 (VR 10K) έτσι ώστε Ic = 3mA.

δ) Παρατηρείστε τις Ib, Ic και Ie, καταγράψτε τα αποτελέσματα.

(3) Επαναλάβετε τη 2γ) με Ic = μέγιστο (Ic(sat)).

Σχολιάστε τις αντίστοιχες τιμές. Ποιος είναι ο τύπος της

συνδεσμολογίας του τρανζίστορ στο σχήμα 5.1;

Σχήμα 5.1

Page 39: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 39

Σχήμα 5.2

5.1.2 Αποτελέσματα πειράματος Ic Ib Ie β=Ic/Ib

3mA Ic(SAT)

Πίνακας 5.1

Page 40: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 40

5.2 Μετρήσεις και σχεδίαση της χαρακτηριστικής καμπύλης του τρανζίστορ

5.2.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 5.3 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 5.4.

(2) Ρυθμίστε την VR2 (VR 10K) έτσι ώστε Ιb = 0μA.

(3) Ρυθμίστε την VR1 (VR 1K) έτσι ώστε η τάση Vce να πάρει διαδοχικά

τις τιμές της πρώτης στήλης του πίνακα 5.2.

(4) Καταγράψτε τις αντίστοιχες τιμές του ρεύματος IC στον πίνακα 5.2.

Στη συνέχεια, ρυθμίστε την VR2 έτσι ώστε το ρεύμα βάσης Ιb να

πάρει τις τιμές όπως φαίνονται στις υπόλοιπες στήλες του πίνακα 5.2.

Τότε επαναλάβετε το βήμα (3) για να μετρήσετε τις Vce και Ic.

Καταγράψτε τα αποτελέσματα στον ίδιο πίνακα.

(5) Αναφορικά με την χαρακτηριστική καμπύλη εξόδου του τρανζίστορ,

χρησιμοποιείστε τα δεδομένα από τον πίνακα 5.2 για να σχεδιάσετε

την καμπύλη σε κατάλληλους άξονες (διάγρ. 5.1).

Σχήμα 5.3

Page 41: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 41

Σχήμα 5.4

5.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Ic (mA)

Vce (V)

Ib=0 (μA)

Ib=10 (μA)

Ib=20 (μA)

Ib=30 (μA)

Ib=40 (μA)

Ib=50 (μA)

Ib=60 (μA)

0.1 0.3 0.5 0.7 1.0 3.0 5.0

Πίνακας 5.2

Διάγραμμα 5.1

Ic (mA)

VCE (V)

Page 42: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 42

6. Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τις διαφορετικές υλοποιήσεις (κυκλώματα) της συνδεσμολογίας CE. 2. Βρείτε τις περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ από τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές εξόδου της συνδεσμολογίας CE (περιοχή αποκοπής, κόρου, γραμμική περιοχή) Σύντομη θεωρία

Για να λειτουργήσει ένα τρανζίστορ σαν γραμμικός ενισχυτής πρέπει η ένωση εκπομπού - βάσης να είναι ορθά πολωμένη, η ένωση συλλέκτη - βάσης ανάστροφα πολωμένη και να έχει προσδιοριστεί το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. Ακόμα είναι απαραίτητο το τρανζίστορ να λειτουργεί στην «ασφαλή περιοχή». Η περιοχή αυτή ορίζεται από διάφορες τιμές μεγεθών που δίνονται από τους κατασκευαστές,. Τα πιο σημαντικά από αυτά τα μεγέθη είναι: α) ICmax, Μέγιστο ρεύμα του συλλέκτη, β) VCmax, Μέγιστη τάση συλλέκτη και γ) Pmax, Μέγιστη ισχύς καταναλισκόμενη από το τρανζίστορ.

Στη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού, ο εκπομπός είναι κοινός στο κύκλωμα εισόδου και εξόδου. Από το κύκλωμα εξόδου έχουμε:

VCC = ICRC + VCE Η παραπάνω εξίσωση είναι γραμμική και συνεπώς παριστάνει μια ευθεία

γραμμή πάνω στις χαρακτηριστικές καμπύλες εξόδου του τρανζίστορ, εφ’όσον τα VCC και RC είναι γνωστά και σταθερά. Η ευθεία αυτή γραμμή ονομάζεται στατική ευθεία φορτίου. Από το κύκλωμα εισόδου έχουμε:

VCC = IBRB + VBE Από την παραπάνω σχέση και από τις χαρακτηριστικές καμπύλες εισόδου και εξόδου του τρανζίστορ η τιμή της αντίστασης (RB) μπορεί να προσδιοριστεί έτσι ώστε το ρεύμα ΙΒ στο σημείο λειτουργίας Q να έχει την τιμή που έχομε επιλέξει. Το σημείο Q συνήθως επιλέγεται περίπου στο μέσο της ευθείας φορτίου για πιστή απόδοση του σήματος εισόδου στην έξοδο του ενισχυτή. Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23003,

(3) Όργανα: 1. Παλμογράφος.

2. Πολύμετρα αναλογικά και ψηφιακό πολύμετρο

3. Γεννήτρια

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στο KL- 23003

Page 43: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 43

6.1 Διάταξη πόλωσης εκπομπού

6.1.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23003 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23003-block a.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 6.1 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 6.2, συνδέστε τάση DC +12V αλλά

αφήστε την είσοδο (IN-TP1) αποσυνδεδεμένη.

(3) Συνδέστε το αμπερόμετρο για να μετρήσετε τα ρεύματα Ib, Ic.

(4) Ρυθμίστε τη VR1 (VR1KΩ) στα 0Ω.

(5) α. Ρυθμίστε τη VR4 (1ΜΩ) έτσι ώστε Ib=0A (περίπου) και τότε

μετρείστε την τιμή του Ic,

β. Ρυθμίστε τη VR4 (1ΜΩ) έτσι ώστε το ρεύμα Ic να φτάσει το μέγιστο

και παρατηρείστε την αντίστοιχη τιμή του Ib.

γ. Όταν το Ic κορεστεί ρυθμίστε τη VR4 έτσι ώστε το Ib να αυξηθεί,

και παρατηρείστε αν το Ic(sat) θα αυξηθεί αντίστοιχα.

(6) Ρυθμίστε τη VR4 και χρησιμοποιείστε το πολύμετρο για να μετρήσετε

τις Vbe και Vce(out) έτσι ώστε Vc=1/2 Vcc, και καταγράψτε τις τιμές

των τάσεων Vbe, Vce.

(7) Συνδέστε τη γεννήτρια συχνοτήτων στους ακροδέκτες εισόδου (IN)

και συνδέστε τον παλμογράφο (AC θέση) στον ακροδέκτη εξόδου

(OUT). Ρυθμίστε τη γεννήτρια συχνοτήτων έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να εμφανίσει τη μέγιστη μη – παραμορφωμένη

κυματομορφή ημιτονοειδούς κύματος 1KHz και καταγράψτε τη.

(8) Όταν η μη παραμορφωμένη κυματομορφή παραχθεί στην έξοδο,

χρησιμοποιείστε τον παλμογράφο για να μετρήσετε το σήμα εισόδου

και καταγράψτε το.

(9) Κρατείστε σταθερό το σήμα εισόδου, συνδέστε τον παλμογράφο στην

έξοδο και, ρυθμίζοντας τη VR4 (1MΩ) παρατηρείστε εάν

παραμορφωθεί η κυματομορφή. Σχολιάστε σχετικά

Page 44: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 44

(10) Ρυθμίστε τη VR1 (VR1 1KΩ) στο μέγιστο. Επαναλάβετε τα βήματα

(5)(6)(7)(8).

Σχήμα 6.1

Σχήμα 6.2

Page 45: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 45

6.1.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Διάγραμμα 6.1

Ib=0 Ic=__________

Ic(sat)= Ib=______

Vc=1/2Vcc=_____

Vbe=____________

t

V

Vi

t

V

Vο

Page 46: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 46

6.2 Κύκλωμα σταθεροποιημένης παραμέτρου β

6.2.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 6.3 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 6.4, συνδέστε τάση DC +12V αλλά

αφήστε την είσοδο (IN-TP1) αποσυνδεδεμένη.

(2) Συνδέστε το αμπερόμετρο για να μετρήσετε τα ρεύματα Ib, Ic.

(3) Ρυθμίστε τη VR2 (VR 10KΩ) έτσι ώστε Vc(out)=½ Vcc και τότε

μετρείστε τις τιμές των Ib και Ic.

(4) Όταν Vc(out)=½ Vcc, χρησιμοποιείστε το βολτόμετρο για να

μετρήσετε την Vbe. (Να μετρήσετε και την VR2)

(5) Συνδέστε τη γεννήτρια συχνοτήτων στους ακροδέκτες εισόδου (IN)

και συνδέστε τον παλμογράφο (AC θέση) στον ακροδέκτη εξόδου

(OUT), και τότε ρυθμίστε ημιτονοειδές σήμα 1KHz από τη γεννήτρια

συχνοτήτων με πλάτος τέτοιο ώστε ο παλμογράφος να μπορεί να

εμφανίσει τη μέγιστη μη – παραμορφωμένη κυματομορφή εξόδου.

(6) Κρατείστε σταθερό το σήμα εισόδου και ρυθμίστε τη VR2 (VR 10ΚΩ)

και παρατηρείστε εάν παραμορφωθεί η κυματομορφή της εξόδου.

(7) Αποσυνδέστε τον πυκνωτή C2 (22μF), και επαναλάβετε τα βήματα

(4)(5)(6). Παρατηρείτε κάποια διαφορά; Σχολιάστε σχετικά.

Σχήμα 6.3

Page 47: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 47

Σχήμα 6.4

Page 48: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 48

6.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

C2= 22μF

Vcc = __________

Ib1= __________

Ic= __________

VCE = __________

Vbe = __________

AV = __________ t

V

Vi

t

V

Vο

C2= 0μF

Vcc = __________

Ib1= __________

Ic= __________

VCE = __________

Vbe = __________

AV = __________

t

V

Vi

t

V

Vο

Page 49: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 49

7. Μελέτη χαρακτηριστικών JFET Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τις τρείς περιοχές (Πύλη, Πηγή, Απαγωγός) ενός τρανζίστορ

JFET. 2. Μετρείστε τις χαρακτηριστικές τάσεις και τα ρεύματα (ΙG, IDS) ενός JFET και

προσδιορίστε την τάση αποκοπής VGS. 3. Μελετείστε τις χαρακτηριστικές καμπύλες ενός τρανζίστορ JFET. Σύντομη θεωρία

Τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (αγγλικά: Field Effect Transistor) ή FET είναι μια ηλεκτρονική διάταξη με τρεις ακροδέκτες η οποία περιλαμβάνει μια επαφή p-n. Η λειτουργία του βασίζεται στον έλεγχο ενός εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου με την εφαρμογή εξωτερικού δυναμικού στον έναν από τους τρεις ακροδέκτες που ονομάζεται πύλη (gate). Το πεδίο αυτό ελέγχει την αγωγιμότητα μεταξύ των άλλων δυο ακροδεκτών, που ονομάζονται απαγωγός (drain) και πηγή (source). Το ρεύμα που διέρχεται από αυτούς τους δύο ακροδέκτες ελέγχεται από το πεδίο αυτό και έτσι, ενώ στα διπολικά τρανζίστορ ο έλεγχος του ρεύματος στην έξοδο γίνεται με το ρεύμα βάσης, στα FETs ο έλεγχος γίνεται με το δυναμικό της πύλης. Επίσης, η αγωγιμότητα οφείλεται σε ένα τύπο φορέων (οπές ή ηλεκτρόνια ανάλογα με την πολικότητά τους), οπότε τα τρανζίστορ αυτά χαρακτηρίζονται σαν μονοπολικά (unipolar).

Υπάρχουν δυο τύποι FET που ονομάζονται FET επαφής, JFET (Junction FET) και FET μονωμένης πύλης ή Μετάλλου-Οξειδίου-Ημιαγωγού, (MOSFET, Metal-Oxide- Semiconductor FET). Κάθε τύπος μπορεί να κατασκευαστεί με κανάλι αγωγιμότητας ημιαγωγού τύπου n ή τύπου p, οπότε χαρακτηρίζεται αντίστοιχα σαν n-καναλιού (n-channel) ή p-καναλιού (p-channel). Επιπλέον, υπάρχουν δύο κατηγορίες των παραπάνω, τα FET αραίωσης (depletion mode) και τα FET πύκνωσης (enhancement mode). Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23004,

(3) Όργανα: 1. Πηγή τάσεων.

2. Αναλογικό και ψηφιακό πολύμετρο

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στα KL- 23004

Page 50: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 50

7.1 Μέτρηση του ρεύματος Ids ενός JFET

7.1.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23004 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23004-block b.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 7.1 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 7.2.

(3) Συνδέστε το αμπερόμετρο και μετρήστε το ρεύμα πύλης Ig.

(4) Συνδέστε την πύλη –G- στη γείωση και ρυθμίστε την τάση του

απαγωγού Vdd στην περιοχή 0 έως 18V και καταγράψτε την τιμή Id

που εμφανίζεται στο αμπερόμετρο. Χαράξτε την καμπύλη Id –Vds σε

κατάλληλους άξονες (προσοχή στη μέτρηση του Vds).

(5) Συνδέστε την τάση των -5V DC στο άκρο Α του ροοστάτη VR4 και

από το άκρο TP1 εφαρμόστε τάση Vgs = -0.5V στην πύλη (TP2)

σύμφωνα με το διάγραμμα του σχήματος 7.3. Μπορείτε να μετρήσετε

την τάση Vgs με το ψηφιακό πολύμετρο.

(6) Ρυθμίστε την τάση του απαγωγού Vdd στην περιοχή 0 έως 18V και

καταγράψτε την τιμή Id που εμφανίζεται στο αμπερόμετρο. Χαράξτε

τη νέα καμπύλη Id –Vds σε κατάλληλους άξονες και συγκρίνετε με

αυτή που μετρήσατε στο βήμα 4. Σχολιάστε ανάλογα. Επαναλάβατε

τις μετρήσεις για τάση Vgs = -1.0V.

Σχήμα 7.1

Page 51: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 51

Σχήμα 7.2

Σχήμα 7.3

Page 52: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 52

7.1.2 Αποτελέσματα πειράματος:

VGS = 0 V VGS = …. V

VDD (V)

VDS (V)

IDS (mA)

VDD (V)

VDS (V)

IDS (mA)

Πίνακας 7.1

Διάγραμμα 7.1

ID (mA)

VDS (V)

Page 53: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 53

7.Καμπύλη διαγωγιμότητας και τάση αποκοπής ενός JFET

7.2.1 Πειραματική Διαδικασία: (1) Συνδέστε αρχικά την πύλη στη γη σύμφωνα με το σχήμα 7.2.

Ρυθμίστε την τάση Vdd στα 12V και καταγράψτε την τιμή Id που

εμφανίζεται στο αμπερόμετρο.

(2) Συνδέστε στη συνέχεια την πύλη στην μεταβλητή αντίσταση VR4

(TP1) σύμφωνα με το σχήμα 7.3. Μεταβάλλετε την αντίσταση VR4

έως ότου μηδενιστεί το ρεύμα Ids μετρώντας κάθε φορά και την

αντίστοιχη τάση Vgs. Να σχεδιάσετε την καμπύλη διαγωγιμότητας.

(3) Ποια είναι η τάση αποκοπής του JFET;

Page 54: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 54

8. Ενισχυτικές διατάξεις με χρήση JFET Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τις διαφορετικές υλοποιήσεις (κυκλώματα) ενισχυτών με

χρήση JFET. 2. Μετρείστε την Απολαβή τάσης των διαφόρων κυκλωμάτων Σύντομη θεωρία Τα κυκλώματα ενίσχυσης με FET εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το FET είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση. Το ρεύμα πηγής απαγωγού IDS εξαρτάται μόνο από την τάση VGS στην περιοχή κορεσμού. Το μέγεθος της απολαβής τάσης AV είναι ο λόγος του πλάτους του σήματος εξόδου Vo προς το πλάτος του σήματος εισόδου Vin. Η ανάλυση ενός κυκλώματος που περιέχει MOSFET αντί για JFET είναι παρόμοια και έτσι μπορεί κανείς να μελετήσει τα αντίστοιχα κυκλώματα και να συγκρίνει την ενισχυτική δράση των διαφόρων τρανζίστορ FET. Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23004,

(3) Όργανο: 1. Παλμογράφος.

2. Αναλογικό και ψηφιακό πολύμετρο

3. Γεννήτρια

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στo KL- 23004.

Page 55: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 55

8.1 Ενισχυτής JFET κοινής πηγής (σταθερής πόλωσης πύλης)

8.1.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23004 στη βάση και εντοπίστε

το τμήμα 23004-block c.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 8.1 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 8.2. (R12=3.3KΩ, C3=22μF)

(3) Χρησιμοποιείστε το Βολτόμετρο για να μετρήσετε τις τάσεις Vgs και

Vd.

(4) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου (IN) και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου (OUT).

(5) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

(6) Αλλάξτε την R12 σε R16 (6.8ΚΩ), και επαναλάβετε τα βήματα (3), (4)

και (5).

(7) Επαναφέρετε την R12 σε 3.3KΩ και αποσυνδέστε την C3 = 22μF, και

επαναλάβετε το βήμα (5).

Σχήμα 8.1

Page 56: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 56

Σχήμα 8.2

8.1.2 Αποτελέσματα πειράματος: R12 VDS VGS VD A

Vout/ Vin Διαφορά φάσης

IN/OUT 3.3K

R12 VDS VGS VD A

Vout/ Vin Διαφορά φάσης

IN/OUT 6.8K

C3 VDS VGS VD A

Vout/ Vin Διαφορά φάσης

IN/OUT Απομονωμένος

V

t

OUT

V

t

OUT

V

t

IN

V

t

IN

V

t

OUT

V

t

IN

Page 57: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 57

8.2 Ενισχυτής JFET κοινής πηγής (με διαιρέτη τάσης)

8.2.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 8.3 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 8.4. (C3=22μF)

(2) Χρησιμοποιείστε το Βολτόμετρο για να μετρήσετε τις τάσεις Vgs και

Vds.

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου (IN) και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου (OUT1).

(4) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

(5) Αποσυνδέστε την C3, και επαναλάβετε το βήμα (4).

Σχήμα 8.3

Page 58: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 58

Σχήμα 8.4

8.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

C3 VDS VGS

IN

ι

OUT

AV =

Vout/Vin

Διαφορά Φάσης

IN/OUT

Πίνακας 8.2

V

t

OUT

V

t

IN

V

t

OUT

V

t

IN

Page 59: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 59

8.3 Ενισχυτής JFET κοινού απαγωγού (σταθερής πόλωσης)

8.3.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 8.5 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 8.6.

(2) Χρησιμοποιείστε το Βολτόμετρο για να μετρήσετε τις τάσεις Vg και

Vs. (Vgs = …?)

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου (OUT2).

(4) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

Σχήμα 8.5

Page 60: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 60

Σχήμα 8.6

8.3.2 Αποτελέσματα πειράματος:

VG VS

VGS =

ι AV =

Vout/Vin

Διαφορά Φάσης

IN/OUT

Πίνακας 8.3

V

t

OUT

V

t

IN

Page 61: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 61

8.4 Ενισχυτής JFET κοινού απαγωγού (με διαιρέτη τάσης)

8.4.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 8.7 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 8.8.

(2) Χρησιμοποιείστε το Βολτόμετρο για να μετρήσετε τις τάσεις Vg και

Vs. (Vgs = …..?)

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου (IN) και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου (OUT2).

(4) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

Σχήμα 8.7

Page 62: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 62

Σχήμα 8.8

8.4.2 Αποτελέσματα πειράματος:

VG VS

VGS =

ι AV =

Vout/Vin

Διαφορά Φάσης

IN/OUT

Πίνακας 8.4

V

t

OUT

V

t

IN

Page 63: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 63

9. Ενισχυτικές διατάξεις με χρήση MOSFET Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τις διαφορετικές υλοποιήσεις (κυκλώματα) ενισχυτών με

χρήση MOSFET. 2. Μετρείστε την Απολαβή τάσης των διαφόρων κυκλωμάτων Σύντομη θεωρία Τα κυκλώματα ενίσχυσης με FET εκμεταλλεύονται το γεγονός ότι το FET είναι πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση. Το ρεύμα πηγής απαγωγού IDS εξαρτάται μόνο από την τάση VGS στην περιοχή κορεσμού. Το μέγεθος της απολαβής τάσης AV είναι ο λόγος του πλάτους του σήματος εξόδου Vo προς το πλάτος του σήματος εισόδου Vin. Η ανάλυση ενός κυκλώματος που περιέχει MOSFET αντί για JFET είναι παρόμοια και έτσι μπορεί κανείς να μελετήσει τα αντίστοιχα κυκλώματα και να συγκρίνει την ενισχυτική δράση των διαφόρων τρανζίστορ FET. Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23004,

(3) Όργανο: 1. Παλμογράφος.

2. Αναλογικό και ψηφιακό πολύμετρο

3. Γεννήτρια

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στo KL- 23004.

Page 64: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 64

9.1 Ενισχυτική βαθμίδα MOSFET (σταθερής πόλωσης)

9.1.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23004 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23004-block d.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 9.1 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 9.2. (C7 = 22 μF).

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου.

(4) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

(5) Αποσυνδέστε τον πυκνωτή C7 = 22 μ F, και επαναλάβετε το βήμα (4).

Σχήμα 9.1

Page 65: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 65

Σχήμα 9.2

9.1.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Με τον

πυκνω

τή

C7

ι

Xωρίς τον πυκνωτή

C

7

AV =

Vout/Vin

Διαφορά Φάσης

IN/OUT

Πίνακας 9.1

V

t

OUT

V

t

IN

OUT

V

t

V

t

IN

Page 66: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 66

9.2 Ενισχυτική βαθμίδα MOSFET (με διαιρέτη τάσης)

9.2.1 Διαδικασία πειράματος: (1) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 9.3 και στο

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 9.4. (C7 = 22 μF).

(2) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου και τον

παλμογράφο στον ακροδέκτη εξόδου.

(3) Ρυθμίστε τη συχνότητα του ημιτονικού σήματος της γεννήτριας στο

1KHz και αυξήστε βαθμιαία το πλάτος του, έτσι ώστε ο παλμογράφος

να μπορεί να δείξει το μέγιστο του μη παραμορφωμένου σήματος

εξόδου και καταγράψτε το. Χρησιμοποιείστε τότε τον παλμογράφο

για να μετρήσετε την κυματομορφή και στο αντίστοιχο σήμα εισόδου

(IN).

(4) Αποσυνδέστε τον πυκνωτή C7 = 22 μF, και επαναλάβετε το βήμα (3).

Σχήμα 9.3

Page 67: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 67

Σχήμα 9.4

9.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Με τον

πυκνω

τή

C7

ι

Xωρίς τον πυκνωτή

C

7

AV =

Vout/Vin

Διαφορά Φάσης

IN/OUT

Πίνακας 9.2

V

t

OUT

V

t

IN

OUT

V

t

V

t

IN

Page 68: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 68

10. Τελεστικοί ενισχυτές Σκοπός 1. Αναγνωρίστε τα βασικά χαρακτηριστικά και τα αντίστοιχα κυκλώματα με

χρήση Τελεστικών Ενισχυτών (ΤΕ). 2. Μετρείστε την Απολαβή τάσης των διαφόρων κυκλωμάτων Σύντομη θεωρία Αρχικά ξεκινάμε με μια συνοπτική παρουσίαση των βασικών εννοιών κάθε ενισχυτικού κυκλώματος, έστω και για απλή υπενθύμιση. Ο ενισχυτής , στην απλούστερη μορφή του, έχει στην είσοδο δυο ακροδέκτες, στα άκρα των οποίων εφαρμόζεται η τάση (σήμα) εισόδου. Έχει, επίσης, στην έξοδο δυο ακροδέκτες, στα άκρα των οποίων λαμβάνεται η τάση (σήμα) εξόδου. Στις περισσότερες περιπτώσεις, ο ενισχυτής αντιμετωπίζεται σαν ένα μαύρο κουτί, το οποίο περιγράφεται από ένα περιορισμένο σύνολο παραμέτρων. Μια από αυτές είναι η εξάρτηση του σήματος εξόδου από το σήμα εισόδου. Στην απλούστερη περίπτωση θεωρούμε ότι η σχέση μεταξύ τους είναι γραμμική, δηλαδή ότι το σήμα εξόδου είναι ανάλογο του σήματος εισόδου. Μια άλλη αντιμετώπιση των ενισχυτών βασίζεται στον τρόπο απόκρισης τους σε σήματα τα οποία αντιστοιχούν σε συνεχείς ή εναλλασσόμενες τάσεις. Επίσης οι ενισχυτές αποκρίνονται διαφορετικά σε διαφορετικές συχνότητες της εναλλασσόμενης τάσης εισόδου. Από το σύνολο των παραμέτρων ενός ενισχυτή, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η απολαβή τάσης ή ρεύματος, η συνθέτη αντίσταση εισόδου, η συνθέτη αντίσταση εξόδου και η απόκριση συχνότητας. Η απολαβή ή κέρδος τάσης ορίζεται ως το πηλίκο της τάσης εξόδου υo προς την τάση εισόδου υi, ήτοι

i

ov v

vA =

Η τάση εισόδου μπορεί να είναι απλή ή διαφορική. Οι τάσεις εξόδου υρ και εισόδου υi αναφέρονται μόνο στα αντίστοιχα σήματα εισόδου και εξόδου και δεν περιλαμβάνουν τυχόν πολώσεις ή τάσεις αντιστάθμισης. Εκτός από την απολαβή τάσης υπάρχει και η απολαβή ή κέρδος ρεύματος καθώς και η απολαβή ή κέρδος ισχύος, οι οποίες ορίζονται αντίστοιχα. Η σύνθετη αντίσταση εισόδου, ή απλώς αντίσταση εισόδου, είναι η αντίσταση την οποία παρουσιάζει στην είσοδο του ο ενισχυτής. Η συνθέτη αντίσταση εισόδου συμπεριφέρεται ως αντίσταση φόρτου σε οποιαδήποτε πηγή σήματος συνδεθεί στην είσοδο του ενισχυτή και επηρεάζει τη μεταφορά σήματος από την πηγή αυτή στον ενισχυτή.

Page 69: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 69

Η σύνθετη αντίσταση εξόδου , ή απλώς αντίσταση εξόδου, είναι η αντίσταση την οποία εκδηλώνει στην έξοδο του ο ενισχυτής όταν συνδέεται με μια αντίσταση φόρτου ή επόμενη βαθμίδα. Η συνθέτη αντίσταση εξόδου επηρεάζει τη δυνατότητα διοχέτευσης ρεύματος στο κύκλωμα εξόδου. Η απόκριση συχνότητας) περιγράφει την απολαβή τάσης του ενισχυτή συναρτήσει της συχνότητας του σήματος εισόδου. Πέρα από αυτές τις τέσσερις βασικές παραμέτρους υπάρχουν και πολλές άλλες, οι οποίες απαιτούνται όταν θέλουμε να προδιαγραφεί πλήρως ένας ενισχυτής. Επιπλέον, πέρα από αυτό τον απλό ενισχυτή υπάρχουν και ενισχυτές με περισσότερες εισόδους, όπου το σήμα εξόδου είναι ανάλογο του αθροίσματος ή της διαφοράς των σημάτων των εισόδων, ή και ενισχυτές με περισσότερες από μια εξόδους.

Πραγματικός Τελεστικός Ενισχυτής Ο πραγματικός τελεστικός ενισχυτής είναι αυτός που χρησιμοποιείται στην πράξη. Είναι συνήθως ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα, το οποίοι λέγεται και μονολιθικό, επειδή είναι εξ ολοκλήρου κατασκευασμένο σε μια ψηφίδα πυριτίου, στην οποία δεν είναι δυνατός ο διαχωρισμός των επιμέρους στοιχείων. Τα χαρακτηριστικά του πραγματικού τελεστικού ενισχυτή ποικίλουν σημαντικά από τύπο σε τύπο (δηλ. από κωδικό σε κωδικό) ανάλογα με την έμφαση την οποία έχει δώσει σε ορισμένα από αυτά ο κατασκευαστής. Γενικά, σε ένα πραγματικό τελεστικό ενισχυτή η απολαβή είναι πεπερασμένη, όπως και η αντίσταση εισόδου, το εύρος ζώνης και όλα τα υπόλοιπα στοιχεία του. Για τους παραπάνω λόγους όταν χρησιμοποιείται ένας πραγματικός τελεστικός ενισχυτής, η υπόθεση ότι προσεγγίζει τον ιδανικό πρέπει να γίνεται με βάση τις απαιτήσεις του κυκλώματος στο οποίο πρόκειται να τοποθετηθεί και να λειτουργήσει. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις απαιτείται η γνώση και άλλων χαρακτηριστικών παραμέτρων του τελεστικού ενισχυτή, καθώς και ορισμένων χαρακτηριστικών διαγραμμάτων τα οποία περιέχονται στα τεχνικά φυλλάδια των κατασκευαστών. Οι σημαντικότερες από αυτές είναι: • Το ρεύμα πόλωσης εισόδων ΙΒ Αυτό ισούται με το ημιάθροισμα των ρευμάτων πόλωσης των δυο εισόδων του τελεστικού. • Το ρεύμα αποστάθμισης εισόδων (input offset current) Ιo Αυτό ισούται με τη διαφορά των ρευμάτων πόλωσης των δυο εισόδων. • Η τάση αποστάθμισης εισόδου (input offset voltage) νο, Εκφράζεται από το μέτρο της τάσης που πρέπει να εφαρμοστεί μεταξύ των εισόδων για να μηδενιστεί η τάση εξόδου. • Ο λόγος απόρριψης κοινού τρόπου (CMRR). Μετράται από την απολαβή τάσης που εκδηλώνεται όταν ένα σήμα εφαρμόζεται ταυτόχρονα και στις δυο εισόδους. Δηλαδή, εκφράζει έμμεσα το κατά πόσο απέχει ο τελεστικός ενισχυτής από τη συνθήκη Vo = 0 όταν V+ = V- . • Ο ρυθμός μεταβολής της τάσης εξόδου (slew rate). Δηλώνει τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορεί να μεταβάλλεται η τάση εξόδου.

Page 70: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 70

Η πλήρης περιγραφή ενός πραγματικού τελεστικού ενισχυτή περιλαμβάνει και άλλες χαρακτηριστικές παραμέτρους. Αυτές μπορούν να αξιοποιηθούν από έναν έμπειρο τεχνολόγο όταν απαιτείται λεπτομερής υπολογισμός για εκμετάλλευση όλων των δυνατοτήτων του τελεστικού ενισχυτή. Κλείνουμε με την παρατήρηση ότι η απολαβή τάσης Αν ενός πραγματικού τελεστικού ενισχυτή είναι διαφορική απολαβή τάσης. Έτσι, το σήμα εξόδου θα είναι ανάλογο της διαφοράς των σημάτων εισόδου, δηλαδή

Vο = Αν(V+ - V-) όπου οι δείκτες (+) και (-) αναφέρονται στη μη αναστρέφουσα και την αναστρέφουσα είσοδο, αντίστοιχα. 8.2 Βασικά κυκλώματα με τελεστικό ενισχυτή Η υψηλή απολαβή τάσης (ανοικτού βρόχου), η άπειρη αντίσταση εισόδου και η μηδενική αντίσταση εξόδου ενός ιδανικού τελεστικού ενισχυτή επιτρέπουν τη σχεδίαση μεγάλης ποικιλίας κυκλωμάτων για την επιτέλεση διαφόρων ηλεκτρονικών λειτουργιών. Τα περισσότερα από τα κυκλώματα αυτά βασίζονται στην εφαρμογή αρνητικής ανασύζευξης ή ανατροφοδότησης μεταξύ εξόδου και της ανα-στρέφουσας εισόδου του ΤΕ. Αφού οι τελεστικοί ενισχυτές έχουν δυο ει-σόδους, την αναστρέφουσα και τη μη-αναστρέφουσα, ο συνδυασμός εφαρμογής σήματος εισόδου και ανατροφοδότησης του σήματος εξόδου δίνουν τη δυνατότητα σχεδίασης δυο βασικών κατηγοριών κυκλωμάτων, που είναι τα κυκλώματα με μη-αναστρέφουσα ανατροφοδότηση (feedback) και κυκλώματα με αναστρέφουσα ανατροφοδότηση. Οι τυπικοί ενισχυτές, οι οποίοι κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται αντίστοιχα μη-αναστρέφων ενισχυτής (non inverting amplifier) και αναστρέφων ενισχυτής (inverting amplifier). Στα πειράματα που ακολουθούν θα μελετήσουμε τις εξής συνδεσμολογίες: (1) Αναστρέφων ενισχυτής (Inverting amplifier circuits). (2) Μη-αναστρέφων ενισχυτής (Noninverting amplifier circuits). (3) Αθροιστής (Adder) (4) Κυκλώματα σταθερής τάσης (Constant voltage circuit) (5) Κυκλώματα Διαφόρισης (Differential circuit) (6) Κυκλώματα Ολοκλήρωσης (Integrator circuit) Χρησιμοποιούμενα όργανα

(1) KL-200 Linear Circuit Lab

(2) Μέσο πειράματος: KL - 23004,

(3) Όργανο: 1. Παλμογράφος.

2. Αναλογικό και ψηφιακό πολύμετρο

3. Γεννήτρια

(4) Υλικά: Όπως υποδεικνύεται στo KL- 23004.

Page 71: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 71

10.1 Κύκλωμα αναστρέφοντος ΤΕ

10.1.1 Πειραματική Διαδικασία:

Σχήμα 10.1α Σχήμα 10.1β

Σχήμα 10.2α -blockb.1 Σχήμα 10.1β -block b.2

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block b.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.1α και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.2α.

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου (ΙΝ1) και

δώστε σήμα συχνότητας 1ΚHz. Αυξήστε αργά το πλάτος του σήματος

και καταγράψτε το μέγιστο σήμα εισόδου για το οποίο η έξοδος του

ενισχυτή δεν παραμορφώνει (με τον παλμογράφο).

(4) Αποσυνδέστε τότε την γεννήτρια σήματος και βραχυκυκλώστε την

είσοδο στη γη. Μετρήστε τη DC συνιστώσα του σήματος εξόδου.

Page 72: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 72

(5) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.1β και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.2β, υλοποιώντας κατ’ αυτόν τον

τρόπο έναν αναστρέφοντα ΤΕ με τάση αποστάθμισης (offset).

(6) Επαναλάβετε τη διαδικασία του βήματος (3).

(7) Επιλέξτε μία τυχαία τιμή του ποτενσιομέτρου VR100K (VR3) και

ελέγξτε εάν αλλάζει η κυματομορφή εξόδου. Εξηγείστε ανάλογα.

(8) Αποσυνδέστε τότε την γεννήτρια σήματος και βραχυκυκλώστε την

είσοδο στη γη. Μετρήστε τη DC συνιστώσα του σήματος εξόδου. Εάν

αυτή δεν είναι μηδενική, χρησιμοποιείστε το ποτενσιόμετρο VR100K

(VR3) για να τη μηδενίσετε.

(9) Επαναλάβετε τη διαδικασία του βήματος (3).

(10) Συγκρίνετε τη στάθμη της DC συνιστώσας στα κυκλώματα με και

χωρίς αποστάθμιση (offset).

Page 73: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 73

10.1.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Κυματομορφή Vp-p Vout (DCV)

Vin

Vout

Με απ

οστάθμιση

Vin

Vout

Χωρίς

αποσ

τάθμιση

Πίνακας 10.1

Απολαβή τάσης

Απολαβή Τάσης Με αποστάθμιση Χωρίς αποστάθμιση

Av = Vout / Vin

V

V

V

Page 74: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 74

10.2 Κύκλωμα μη αναστρέφοντος ΤΕ

10.2.1 Πειραματική Διαδικασία:

Σχήμα 10.3 Σχήμα 10.4

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block b.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.3 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.4.

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στον ακροδέκτη εισόδου (ΙΝ2) και

δώστε σήμα συχνότητας 1ΚHz. Αυξήστε αργά το πλάτος του σήματος

και καταγράψτε το μέγιστο σήμα εισόδου για το οποίο η έξοδος του

ενισχυτή δεν παραμορφώνει (με τον παλμογράφο).

R1

10kohm

R2

100kohm

R31.0ohm

1

23

Vi

Vo

Page 75: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 75

10.2.2 Αποτελέσματα πειράματος:

in

outv V

VA =

Κυματομορφή Vp-p

Vin

Vout

Πίνακας 10.2

10.3 Κύκλωμα αθροιστή σημάτων με χρήση ΤΕ

10.3.1 Πειραματική Διαδικασία:

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block b.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.5 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.6.

(3) Δώστε τάσεις DC από την πηγή σταθερής τάσης ή με τη χρήση των

ποτενσιομέτρων VR500Ω (VR1) και VR100ΚΩ (VR3). Ενδεικτικά

V

V

Page 76: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 76

αναφέρονται κάποιοι συνδυασμοί στον πίνακα 10.3. Τι θα γίνει αν η

μία είσοδος δεχθεί σήμα dc και η άλλη ac?

(4) Χρησιμοποιείστε παλμογράφο για τη μέτρηση των τάσεων

εισόδου/εξόδου. Υπολογίστε την θεωρητικά αναμενόμενη τιμή τάσης

εξόδου από τη σχέση

)21(3

12 VVRRVo +−=

όπου R3 = R12 = 10K

Σχήμα 10.5 Σχήμα 10.6

10.3.2 Αποτελέσματα πειράματος: V1 (TP1) +3V +3V +3V +500mV +1V

V2 (R2) +3V +2V -3V +200mV 200mV p-p ac

Vo (TP7)

Θεωρητική Τιμή

1

2

3

Vo

R210kohm

R1

10kohm

50%

100kOhmKey = a 50%

500OhmKey = a

R410kohm

Vi1

12VVCC

Vi2

Page 77: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 77

10.4 Κύκλωμα σταθερής τάσης

10.4.1 Πειραματική Διαδικασία:

Σχήμα 10.7 Σχήμα 10.8

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block α3.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.7 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.8. Εφαρμόστε συνεχή τάση από

+3V έως +12V στo άκρο της R17.

(3) Υπολογίστε την αναμενόμενη τάση Vin4 και στη συνέχεια μετρείστε

τη.

(4) Μετρείστε την έξοδο (OUT) με πολύμετρο ή παλμογράφο και ελέγξτε

αν και πότε σταθεροποιείται. Ποια είναι η αντίστοιχη σταθερή τάση;

Είναι η αναμενόμενη δεδομένης της τάσης Zener, Vz=6.2V;

10.4.2 Αποτελέσματα πειράματος:

V1 (R17) Volts 3 4 6 8 10

Vin4

Vout

1

2

3

Vo

R21kohm

R1470ohm

R42kohm

12V

VCC

6,2V

R310kohm

Page 78: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 78

10.5 Κύκλωμα Διαφόρισης

10.5.1 Πειραματική Διαδικασία:

Σχήμα 10.9 Σχήμα 10.10

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block α5.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.9 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.10.

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος στην είσοδο (IN2) και εφαρμόστε

τριγωνικό παλμό ύψους 1Vp-p και συχνότητα f<10KHz.

(4) Μετρείστε με τον παλμογράφο το σήμα στην έξοδο.

(5) Μεταβάλλετε το ροοστάτη R20 (50K) ώστε να η Vout να γίνει μέγιστη

και χωρίς παραμόρφωση. Καταγράψτε τότε την τιμή της R20 και τα

σήματα εισόδου και εξόδου.

(6) Ελέγξτε εάν η σχέση εισόδου εξόδου είναι η ακόλουθη:

dtdVinRCVout 2

−=

(7) Αλλάξτε τη συχνότητα του σήματος εισόδου και επαναλάβετε τα

βήματα (4)-(6).

1

2

3

R2

1kohm

Cs

1uFVo

Vi Rs

270ohm

R110kohm

50%

50kOhmKey = a

VR

Page 79: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 79

10.5.2 Αποτελέσματα πειράματος:

Vin2 p-p (V) F Hz R20 (Ω) Vout p-p (V)

Κυματομορφή Vp-p

Vin

Vout

Page 80: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 80

10.6 Κύκλωμα Ολοκλήρωσης

10.6.1 Πειραματική Διαδικασία:

Σχήμα 10.11 Σχήμα 10.12

(1) Αρχικά προσαρμόστε το εξάρτημα KL-23013 στη βάση KL-200 και

εντοπίστε το τμήμα 23013-block α6.

(2) Εισάγετε τα κλιπ βραχυκύκλωσης σύμφωνα με το σχήμα 10.11 και το

αντίστοιχο διάγραμμα στο σχήμα 10.12.

(3) Συνδέστε τη γεννήτρια σήματος και εφαρμόστε τετραγωνικό παλμό

πλάτους 0.1 Vp-p και συχνότητας f> 1/(2πR19C2). Οι τιμές των R192

και C2 φαίνονται στο σχήμα 10.11.

(4) Συνδέστε τον παλμογράφο στην έξοδο και μεταβάλλετε την τιμή της

VR2 ώστε να βλέπετε ένα ιδανικό τριγωνικό σήμα στην έξοδο.

Καταγράψτε και σχολιάστε το πλάτος και τη μορφή του σήματος

εξόδου.

(5) Ποια είναι η μέγιστη συχνότητα του τετραγωνικού σήματος στην

είσοδο για την οποία το σήμα στην έξοδο δεν παραμορφώνεται (είναι

τριγωνικό;

Vi

1

2

3

C

1uF

Vo

R1 10kohm

50%

10kOhmKey = a

VR2

Page 81: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 81

Παράρτημα

Οδηγός χρήσης Multisim

Page 82: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 82

Αρχικό περιβάλλον - εργαλεία Η εικόνα 1 δείχνει την αρχική οθόνη του Multisim. Για να χρησιμοποιήσετε το πρόγραμμα επιλέξτε ένα σετ από στοιχεία από την εργαλειοθήκη των ηλεκτρονικών στοιχείων (parts bin) που βρίσκεται στην αριστερή πλευρά της οθόνης. Τα στοιχεία μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας τον κέρσορα για να ενώσετε ‘καλώδια’ μεταξύ των αντικειμένων. Όταν το κύκλωμα ολοκληρωθεί, επιλέξετε ένα τύπο από τα όργανα μέτρησης από την εργαλειοθήκη instruments στη δεξιά πλευρά της οθόνης. Για παράδειγμα μπορείτε να συνδέσετε έναν παλμογράφο στην έξοδο του κυκλώματος. Αφού γίνει αυτό, μπορείτε να προσομοιώσετε το κύκλωμα και να παρατηρήσετε την έξοδο στα όργανα που έχετε συνδέσει.

Εικόνα 1: Βασική οθόνη του Multisim

Στην εικόνα 2 υπάρχει μια λίστα από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα εικονίδια των εργαλειοθηκών.

Page 83: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 83

Parts Bin Instruments

Στοιχεία πηγών. Περιλαμβάνει εξαρτημένες και ανεξάρτητες πηγές και γειώσεις

Πολύμετρο. Αμπερόμετρο, βολτόμετρο και ομόμετρο (Amps, Volts, ή Ohms)

Βασικά στοιχεία: Αντιστάσεις, πυκνωτές, πηνία και μεταβλητά στοιχεία, π.χ. τρίμμερ

γεννήτρια συνάρτησης κυματομορφών. ημιτονοειδείς, τετραγωνικές και τριγωνικές κυματομορφές

Δίοδοι. Περιλαμβάνει LEDs και κυκλώματα γεφυρών

Βατόμετρο-Wattmeter

Διπολικά και MOS transistors

Παλμογράφος (2-κάναλος)

Αναλογικά στοιχεία. Περιλαμβάνει τελεστικούς ενισχυτές και άλλους ενισχυτές

Διάγραμμα Bode, εμφανίζει και μέγεθος και φάση

TTL. Μια μεγάλη γκάμα από πακέτα 74xxx και 74LSxxx

Λογικός αναλυτής

CMOS. 4xxx και 74HCxxx στοιχεία

Mode and Simulation

Διάφορα ψηφιακά κυκλώματα, που περιλαμβάνουν VHDL και Verilog

Κουμπί κατάστασης στοιχείου, πατήστε το για να προσθέσετε άλλα στοιχεία

Ανάμεικτα αναλογικά /ψηφιακά περιλαμβάνοντας μετατροπείς και 555 χρονιστή-πολυδονητή (timer)

editor στοιχείων, για αλλαγή των παραμέτρων των στοιχείων.

Πηνία, βολτόμετρα και αμπερόμετρα, λάμπες ενδείξεων, ενδείκτες(displays)

Όργανα. Επιλέξτε εδώ για να προσθέσετε ένα όργανο.

Διάφορα στοιχεία που περιλαμβάνουν μια ηλεκτρονική λυχνία και έναν ηλεκτροκινητήρα

Κουμπί προσομοίωσης, διαφορετικά πιέστε F5 για έναρξη και διακοπή ή F6 για παύση.

Στοιχεία συστήματος ελέγχου όπως αθροιστές, πολλαπλασιαστές, κτλ.

Αναλύσεις αποτομής-transient analysis, AC, DC, και Fourier.

RF στοιχεία VHDL και Verilog προσομοιώσεις.

Ηλεκτρομηχανικά που περιλαμβάνουν πηνίο, μετασχηματιστή και ρελέ.

Αναφορά, κάντε κλικ για να δημιουργήσετε μια αναφορά.

Εικόνα 2: Τα βασικά εικονίδια των 3 βασικών εργαλειοθηκών του Multisim

Page 84: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 84

Παράδειγμα 1 - Ένα απλό κύκλωμα αντίστασης Το κύκλωμα που θα προσομοιώσουμε έχει εξαρτημένη πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από πηγή τάσης, 4 αντιστάσεις, μια μπαταρία και ένα πολύμετρο για τη μέτρηση της εξόδου. Το τελειωμένο κύκλωμα φαίνεται στην εικόνα Ε1-1.

Εικόνα Ε1-1

Ένα κύκλωμα αντιστάσεων με εξαρτημένη πηγή ρεύματος Για να ξεκινήσετε κάντε κλικ στο εικονίδιο Source Components στην εργαλειοθήκη των ηλεκτρονικών στοιχείων. Αυτή η εργαλειοθήκη παρουσιάζει ποικίλων τύπων πηγές. Επιλέξτε μια μπαταρία από το μενού κάνοντας κλικ πάνω της. Κάντε ακόμη ένα κλικ στην κενή επιφάνεια για να τοποθετηθεί η μπαταρία. Η εικόνα Ε1-2 δίνει το αποτέλεσμα.

Εικόνα E1-2

Page 85: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 85

Επιλέξτε μια πηγή τάσης και τοποθετήστε την στην κενή επιφάνεια στην οθόνη. Μετά την τοποθέτηση της πηγής στην οθόνη, κάντε διπλό κλικ επάνω της για να δείτε ή και να αλλάξετε τις τιμές της. Αλλάξτε την τάση της μπαταρίας σε 10V. Με την μπαταρία τοποθετημένη, το επόμενο αντικείμενο που πρέπει να επιλέξουμε είναι μια πηγή τάσης εξαρτημένου ρεύματος. Επιλέξτε από το Source Components στο Parts Bin. Μια πηγή εξαρτημένου ρεύματος έχει μια τιμή σε mhos ή amps/volt. Ορίστε αυτή την τιμή σε 0.001 mhos. Αυτό το κύκλωμα έχει επίσης μια γείωση για την εξαρτημένη πηγή. Επιλέξτε το σύμβολο της γείωσης από την ομάδα Source Components και τοποθετήστε την στο διάγραμμα. Το κύκλωμα σας θα πρέπει να είναι παρόμοιο με της εικόνας Ε3.Υπάρχουν 4 αντιστάσεις που πρέπει να προστεθούν στο κύκλωμα και θα τις πάρουμε από το μενού. Μπορούμε να κλείσουμε το μενού των πηγών και να ανοίξουμε το Basic Components μενού από το Parts Bin. Σημειώστε ότι υπάρχουν 2 τύποι αντιστάσεων στην ομάδα των στοιχείων των κυκλωμάτων. Ο ένας είναι μια αντίσταση ‘πραγματική’ και έχει μια συγκεκριμένη τιμή και συγκεκριμένο τύπο. Ο δεύτερος τύπος είναι μια «ιδανική» αντίσταση, η οποία μπορεί να έχει την ακριβή τιμή που θα καθορίσουμε εμείς. Επιλέξτε μια «ιδανική» αντίσταση 1ΚΩ και τοποθετήστε την στο διάγραμμα του κυκλώματος μεταξύ της μπαταρίας και της εξαρτημένης πηγής. Παρόμοια, επιλέξτε μια αντίσταση 2KΩ και τοποθετήστε την στο αριστερό μέρος της εξαρτημένης πηγής. Μπορείτε να περιστρέψετε την αντίσταση κάνοντας δεξί κλικ και επιλέγοντας μία από τις επιλογές περιστροφής. Επιλέξτε άλλες 2 (1ΚΩ και 2ΚΩ) και τοποθετήστε αυτές στα δεξιά της εξαρτημένης πηγής. Περιστρέψτε τις αντιστάσεις όσο χρειάζεται έτσι ώστε το κύκλωμα να φαίνεται όπως αυτό στην εικόνα E1-4.

Page 86: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 86

Εικόνα E1-3

Μια μπαταρία και μια εξαρτημένη πηγή τάσης τοποθετήθηκαν.

Εικόνα E1-4

Το κύκλωμα με όλα του τα στοιχεία τοποθετημένα. Σημειώστε πως οι αντιστάσεις μπορούν να περιστραφούν με δεξί κλικ πάνω τους και επιλέγοντας τις επιλογές περιστροφής.

Με τοποθετημένα τα στοιχεία, μπορείτε να εισάγετε τα καλώδια. Συνδέετε καλώδια μετακινώντας τον κέρσορα στο άκρο ενός στοιχείου κάνοντας κλικ επάνω του, πάτε στο δεύτερο στοιχείο και κάνετε κλικ στο τέλος του. Το Workbench θα ενώσει τότε τα δύο στοιχεία με ένα καλώδιο. Αν συνδέσετε

Page 87: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 87

λάθος ένα καλώδιο, απλά κάντε κλικ πάνω του και με το πλήκτρο ‘delete’ το διαγράφετε. Μπορεί να φαίνεται πιο πρακτικό να μη χρησιμοποιήσετε καλώδια αλλά να ενώσετε τα στοιχεία απλά αν τα τοποθετήσετε πολύ κοντά το ένα με το άλλο. Όμως είναι σωστό να χρησιμοποιείτε μόνο τη σύνδεση των καλωδίων. Σε περίπτωση που θελήσετε να συνδέσετε ένα κομμάτι καλωδίου σε ένα στοιχείο, πρέπει να ξέρετε πως δεν μπορείτε να το κάνετε εάν δεν υπάρχει τοποθετημένος κόμβος (junction) στην πρώτη άκρη του καλωδίου. Κόμβο μπορείτε να εισάγετε από το μενού Place στην κορυφή της οθόνης. Κάποιες στιγμές το Workbench δε χρησιμοποιεί πολύ πρακτικά μονοπάτια σύνδεσης των στοιχείων. Για να ορίσετε τις δικές σας διαδρομές για να περνούν τα καλώδια κάντε κλικ σε ενδιάμεσα σημεία της σύνδεσης σε γωνίες ή και τοποθετώντας junctions. Αυτό το πετυχαίνετε κάνοντας κλικ πρώτα στο τέλος ενός στοιχείου, μετά κάνετε κλικ σε ένα ή περισσότερα ενδιάμεσα σημεία και τελικά κάνοντας κλικ στο άκρο του δεύτερου στοιχείου. Το μονοπάτι του καλωδίου τότε θα πάει, με βάση τα ενδιάμεσα σημεία, στο δεύτερο στοιχείο. Αφού συνδέσετε τα καλώδια στο παράδειγμα, το κύκλωμα σας θα είναι περίπου όπως την εικόνα E1-5.

Εικόνα E1-5

Το πλήρες κύκλωμα με όλα τα καλώδια και στοιχεία τοποθετημένα.

Το κύκλωμα στο παράδειγμα είναι έτοιμο για προσομοίωση εκτός του γεγονότος ότι δεν έχετε κανένα μέσο για να δείτε την έξοδο. Ο προσομοιωτής στο Workbench παρουσιάζει την έξοδο συνδέοντας τα κατάλληλα όργανα στο κύκλωμα για να πάρουμε μετρήσεις. Για αυτό το παράδειγμα θα ενώσουμε ένα βολτόμετρο στα άκρα της R3 το οποίο θα πάρουμε ως έξοδο. Για τη σύνδεση του βολτομέτρου, επιλέγουμε ένα πολύμετρο από το Instruments toolbar στα δεξιά της οθόνης. Το τοποθετείτε κοντά στην αντίσταση R3 και συνδέετε τον θετικό ακροδέκτη στην κορυφή της R3 και το αρνητικό στο κάτω μέρος της R3 όπως φαίνεται στην εικόνα E1-6. Κάντε διπλό κλικ στο πολύμετρο και σιγουρευτείτε πως είναι ορισμένο ως dc voltmeter. Μην κλείσετε αυτό το πανελ του πολυμέτρου διότι θα δείτε εκεί τα αποτελέσματα της προσομοίωσης.

Page 88: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 88

Εικόνα E1-6

Συνδέστε ένα πολύμετρο στα άκρα της R3. Η τάση στα άκρα της R3 λαμβάνεται ως τάση εξόδου. Διπλό κλικ στο πολύμετρο για να φανούν οι ρυθμίσεις του και η οθόνη του.

Μπορείτε να αρχίσετε την προσομοίωση πατώντας το πλήκτρο F5, επιλέγοντας τον διακόπτη on/off switch στη δεξιά γωνία της οθόνης του Workbench, ή επιλέγοντας ‘run’ από το μενού Simulation στην κορυφή της οθόνης. Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης θα φανεί στο πολύμετρο.

Εικόνα E7 Το πολύμετρο που δείχνει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης

. Το πολύμετρο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως Αμπερόμετρο και Ωμόμετρο. Παράδειγμα 2 - Ένα κύκλωμα RC network χρησιμοποιώντας παλμογράφο και Bode plotter Σε αυτό το παράδειγμα χρησιμοποιούμε παλμογράφο και Bode plotter σε ένα RC κύκλωμα που έχει μια AC πηγή. Το κύκλωμα το οποίο θα το κατασκευάζουμε φαίνεται στην εικόνα E2-1.

Page 89: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 89

Εικόνα E2-1

Το πλήρες κύκλωμα που δείχνει τον παλμογράφο και το Bode plotter.

Ξεκινούμε τοποθετώντας μια αντίσταση 10KΩ, έναν πυκνωτή 1.0μF, μια 100Ω αντίσταση, μια AC πηγή τάσης, και μια αναλογική γείωση όπως φαίνεται στην εικόνα E2-2. Χρησιμοποιούμε τον κέρσορα για να σχεδιάσουμε τα καλώδια σύνδεσης. Αν δεν είστε εξοικειωμένοι με την τοποθέτηση στοιχείων και καλωδίων, πηγαίνετε στο παράδειγμα 1.

Εικόνα E2-2

Το βασικό κύκλωμα RC με όλα τα στοιχεία του τοποθετημένα. Σημειώστε πως θα πρέπει να αλλάξετε την βασική τιμή της AC τάσης πηγής σε 10 Volts

κάνοντας διπλό κλικ στην πηγή και ορίζοντας την τιμή στο pop-up menu.

Για αυτό το κύκλωμα θα πάρουμε είσοδο να είναι 10 volt AC και την έξοδο να είναι η τάση στα άκρα της σύνδεσης C1 και R2. Επιλέξτε τον παλμογράφο από την εργαλειοθήκη των οργάνων και συνδέστε το κανάλι Α στην κορυφή της V1 και το Β κανάλι στην κορυφή της C1. Δεν είναι απαραίτητο να συνδέσετε την γείωση του παλμογράφου. Το κύκλωμα σας θα πρέπει να είναι περίπου όπως στην εικόνα E2-3. Διπλό κλικ στον παλμογράφο για να ανοίξει το παράθυρο ελέγχου του και ορίζουμε τις τιμές όπως φαίνονται στην εικόνα.

Page 90: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 90

Figure E2-3

Το κύκλωμα με τον παλμογράφο συνδεδεμένο. Η βάση του χρόνου είναι ορισμένη στα 200μsec/div. Ορίζουμε το κανάλι A στα 10 V/Div και το κανάλι B στα 200 mv/Div. Ορίστε την θέση Y από το κανάλι Α στα +1.4 volts και του καναλιού B στα -1.6.

Πατήστε το κουμπί F5 για να τρέξει η προσομοίωση. Ο παλμογράφος θα πρέπει να είναι όπως στην εικόνα E2-4.

Εικόνα E2-4

Ο παλμογράφος που δείχνει την προσομοίωση.

Page 91: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 91

Η οθόνη του παλμογράφου έχει 2 δείκτες σε κόκκινο και σε μπλε κοντά στην κορυφή του παραθύρου. Χρησιμοποιήστε τον κέρσορα για να μετακινήσετε τον κόκκινο δείκτη στην ακραία τιμή του καναλιού Α και μετακινήστε τον δείκτη μπλε στην ακραία τιμή του καναλιού Β. Η οθόνη τότε θα δείξει τη διαφορά στο χρόνο T2-T1 περίπου ίση με 160 μsec. Σημειώστε ότι η εισαγόμενη πηγή τάσης είναι στο 1KHz έτσι η μεταβολή φάσης είναι μεταξύ των δύο (160/1000)x360ο = 57.6ο. Σημειώστε πως ο παλμογράφος έχει κουμπί Save. Αυτό σας επιτρέπει να σώζετε δεδομένα που έχετε συλλέξει. Το αρχείο των δεδομένων μπορεί να αναγνωστεί από άλλα προγράμματα όπως Matlab ή Excel για εκθέσεις ή γραφήματα. Όταν πατάτε το κουμπί ‘Save’ σας ζητείται να εισάγετε το όνομα του αρχείου στο οποίο θα σωθούν τα δεδομένα και θα έχει την κατάληξη.scp εξ’ ορισμού-default. Για αυτό το παράδειγμα οι πρώτες λίγες γραμμές από ένα τέτοιο αρχείο μοιάζουν σαν την εικόνα E2-5 όταν διαβάζεται από ένα πρόγραμμα όπως το Notepad.

ΕικόναE2-5

Αυτό είναι το πρώτο μέρος του αρχείου που περιλαμβάνει τα δεδομένα του παλμογράφου. Τα δεδομένα είναι σε ASCII format και μπορούν να

διαβαστούν και από άλλο πρόγραμμα όπως το Excel.

Το αρχείο μπορεί να διαβαστεί στο Excel άμεσα και τα κελιά δεδομένων μπορούν να απεικονιστούν διαγραμματικά με τα γραφήματα του Excel. Για

Page 92: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 92

να διαβάσετε το πρόγραμμα στο Matlab πρέπει πρώτα να αφαιρέσετε τις πληροφορίες της κεφαλίδας του αρχείου έτσι ώστε το αρχείο να περιλαμβάνει μόνο το χρόνο, και τα δεδομένα από το Κανάλι A, και το Κανάλι B. Σημειώστε ότι όταν απεικονίζετε διαγραμματικά δεδομένα είτε σε Matlab ή Excel η κλίμακα που έχει γίνει από τον παλμογράφο χάνεται. Το Bode plotter είναι ένα όργανο που σας επιτρέπει να παρατηρείτε την συχνότητα απόκρισης του κυκλώματος σας. Επιλέξτε το Bode plotter από τη εργαλειοθήκη των οργάνων (Instruments) στα δεξιά της οθόνης. Το Bode plotter έχει ακροδέκτες και εισόδου και εξόδου και έχει επιπρόσθετη προϋπόθεση το κύκλωμα σας να έχει τουλάχιστον μια AC πηγή ως στοιχείο του κυκλώματος. Για το παράδειγμα σας συνδέστε τους ακροδέκτες εισόδου του Bode plotter άμεσα στα άκρα της AC πηγής και τους ακροδέκτες εξόδου στα άκρα των C1 και R2. Αυτό φαίνεται στην εικόνα E2-1 όπου η γείωση φαίνεται ως κοινή σύνδεση. Στη χρήση, το Bode plotter απενεργοποιεί την AC πηγή έτσι ώστε να μην υπάρχει καμιά ουσιαστική επίδραση στη σχεδιάγραμμα. Το plotter εφαρμόζει μια σειρά από καμπύλες ημιτόνου στην είσοδο και καταγράφει τις καμπύλες εξόδου, τις απολαβές και τη μεταβολή φάσης που έχει προκύψει από το κύκλωμα. Διπλό κλικ στο Bode plotter για να πάρουμε τον έλεγχο και την οθόνη εξόδου του οργάνου. Παραδοσιακά, ένα σχεδιάγραμμα Bode είναι ένα λογαριθμικό σχεδιάγραμμα ποσότητας απολαβής και φάσης σε σχέση με συχνότητα. Στο Workbench μπορείτε να τροποποιήσετε τις οριζόντιες και τις κάθετες κλίμακες να είναι γραμμικές ή λογαριθμικές. Σε αυτό το παράδειγμα θα αφήσουμε το παραδοσιακό log plot στη σωστή θέση. Αλλάξτε την οριζόντια κλίμακα συχνότητας έτσι ώστε η αρχική συχνότητα (στο παράθυρο φαίνεται ως Ι) να είναι 10Hz και η τελική συχνότητα (στο παράθυρο παρουσιάζεται ως F ) 100KHz. Τρέξτε την προσομοίωση για να πάρετε το Bode σχεδιάγραμμα όπως φαίνεται στην εικόνα E2-6.

Page 93: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 93

Εικόνα E2-6

Η Bode plot προσομοίωση που δείχνει την συνάρτηση απολαβής-magnitude function. Σημειώστε ότι μπορείτε να μετακινήσετε τον κόκκινο δείκτη

οριζόντια και να εμφανιστούν οι τιμές σε αυτό το παράθυρο. Το παράθυρο παραπάνω δείχνει ότι οι απολαβές είναι -20.442DB σε συχνότητα 165.059Hz.

Κάντε κλικ στο κουμπί φάσης για να δείτε την καμπύλη φάσης. Αν μετακινήσετε τον οριζόντιο δείκτη στα 1000Hz θα πάρετε την οθόνη που φαίνεται στην εικόνα E2-7.

Εικόνα E2-7

Η καμπύλη φάσης με τον δείκτη ορισμένο περίπου στο 1KHz. Η φάση είναι -

55.207o

η οποία συμφωνεί με τη μέτρηση που πάρθηκε από τον παλμογράφο.

Όπως ο παλμογράφος, το Bode plotter έχει επιλογή ‘Save’ η οποία σας επιτρέπει να σώζετε δεδομένα που παίρνονται από το plotter σε ASCII αρχείο. Το πρώτο μέρος του Bode data αρχείου φαίνεται στην εικόνα E2-8. Μπορείτε να διαβάσετε το αρχείο δεδομένων άμεσα από το Excel και να κάνετε πιο ευπαρουσίαστα διαγράμματα ή μπορείτε να αφαιρέσετε τις πληροφορίες της κεφαλίδας και να περάσετε τα δεδομένα στο Matlab.

Page 94: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 94

Εικόνα E2-8

Το πρώτο κομμάτι από το αρχείο κειμένο που δημιουργείται από το Bode plotter. Κάντε κλικ στο ‘Save’ για να δημιουργήσετε αυτό το αρχείο.

Για να πάρετε το σχεδιάγραμμα του Matlab, ανοίξτε το αρχείο των δεδομένων Bode plot σε ένα πρόγραμμα επεξεργασίας κειμένου όπως το Word ή το Notepad, αφαιρέστε όλες τις πληροφορίες επάνω από τις γραμμές των δεδομένων και σώστε το αρχείο σε txt format. Στο Matlab μπορείτε να σχεδιάσετε διαγραμματικά χρησιμοποιώντας τις ακόλουθες εντολές:

Παράδειγμα 3 – Μεταβατική Ανάλυση και AC Γι’ αυτό το παράδειγμα, θα κοιτάξουμε τις επιλογές ανάλυσης κάτω από το μενού simulate. Ξεκινήστε κατασκευάζοντας το κύκλωμα που φαίνεται στην εικόνα E3-1.

Page 95: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 95

Figure E3-1

Ένα κύκλωμα RC με ένα Bode plotter και μια AC πηγή. Σημειώστε ότι σε αυτό το κύκλωμα αλλάξαμε την AC πηγή τάσης από τα default 10 volts σε 1 volt. Μπορεί να θέλετε να χρησιμοποιήσετε την γεννήτρια συνάρτησης κυματομορφών (function generator) στη θέση της AC πηγής τάσης αλλά η γεννήτρια δε θα δουλέψει με την AC ανάλυση. Το Workbench προϋποθέτει τουλάχιστον μια πηγή AC τάσης στο κύκλωμα. Έχετε επίσης καταμετρήσει τους κόμβους του κυκλώματος σας γιατί είναι απαραίτητο να γνωρίζετε τον αριθμό των κόμβων για την ανάλυση. Μπορείτε να μετρήσετε κόμβους στο κύκλωμα σας επιλέγοντας Options→Preferences και επιλέγοντας το Show node names. Η έξοδος θα είναι 3.

Εικόνα E3-2

Η επιλογές του Bode plotter και το αποτέλεσμα.

Διπλό κλικ στο Bode plotter και ορίζουμε την κλίμακα συχνοτήτων από 100Hz σε 1MHz. (Σημειώστε ότι στις ρυθμίσεις του Bode plot τα mHz αντιπροσωπεύουν τα milli-Hertz και τα MHz τα MegaHertz.) Τρέχουμε την προσομοίωση πατώντας το F5 και θα πάρουμε το Bode plot που φαίνεται στην εικόνα E3-2.

Page 96: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 96

AC Ανάλυση Η πρώτη ανάλυση που θα τρέξουμε στο κύκλωμα θα είναι η ανάλυση AC. Από το μενού επιλέγουμε Simulate→Analysis→AC Analysis. Αυτό θα σας δώσει μια εικόνα παρόμοια με αυτή που φαίνεται στην εικόνα E3-3. Επιλέγουμε την κλίμακα συχνοτήτων αρχής και τέλους να τρέχει από 100Hz μέχρι 1MHz και ορίζουμε τον τύπο σάρωσης σε γραμμικό με 100 σημεία-points και μια λογαριθμική κάθετη κλίμακα.

Εικόνα E3-3 Επιλέξτε Simulate→Analysis→AC Analysis και ορίστε τις παραμέτρους συχνοτήτων όπως

φαίνονται.

Έπειτα επιλέξτε το φύλλο Output variables από την κορυφή του μενού, επιλέξτε τον κόμβο 3 από την αριστερή πλευρά της σελίδας και κάντε κλικ στον δείκτη για να μετακινηθεί στην δεξιά πλευρά.

Page 97: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 97

Εικόνα E3-4

Η οθόνη output variables για την AC Analysis. Επιλέξτε τον κόμβο από τα αριστερά και κάντε κλικ στο κουμπί "Plot during simulation" για να τον

μεταφέρετε δεξιά.

Κάνουμε κλικ στο Simulate για να ολοκληρωθεί η προσομοίωση AC Analysis. Τα αποτελέσματα θα εμφανιστούν σε ένα νέο παράθυρο που ονομάζεται "Analysis Graphs" όπως φαίνεται στην εικόνα E3-5. Σημειώστε ότι το Bode plot που κάναμε πριν επίσης εμφανίζεται στο παράθυρο αυτό κάτω από το δικό του tab. Η AC analysis και το Bode plot και τα δύο δείχνουν την ίδια πληροφορία αλλά είναι σχεδιασμένα σε διαφορετικές κλίμακες. Το Bode plot έχει μια σκάλα λογαριθμικής συχνότητας και επιλέξαμε μια σκάλα γραμμικών συχνοτήτων για την AC ανάλυση.

Page 98: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 98

Εικόνα E3-5 Η AC Analysis. Σημειώστε ότι το γράφημα αυτό δίνει την ίδια πληροφορία

που δίνει ένα the Bode plotter άλλα οι κλίμακες είναι διαφορετικές.

Transient Analysis – Ανάλυση μεταβατικών φαινομένων Σε κάποια βιβλία ο όρος "Transient Analysis" αναφέρεται στην βηματική και κρουστική απόκριση-(step and impulse response) ενός κυκλώματος. Για το Workbench ο όρος απλά σημαίνει την ανάλυση του κυκλώματος στο χρονικό σημείο 0 και της λειτουργίας του για έναν ορισμένο χρόνο από το χρήστη. Η είσοδος δεν περιορίζεται σε βήμα και κρότο. Για να κάνετε μεταβατική ανάλυση επιλέγετε Simulate→Analysis→Transient από το μενού. Αυτό θα εμφανίσει μια οθόνη επιλογών όπως φαίνεται στην εικόνα E3-6. Αλλάξτε τον χρόνο λήξης (TSTOP) στα 0.01 δευτερόλεπτα. Κάντε κλικ στο Output variables tab και σιγουρευτείτε ότι ο κόμβος 3 είναι το output variable. Πατήστε το κουμπί της προσομοίωσης για να πάρετε τα αποτελέσματα. Αυτό φαίνεται στην εικόνα E3-7. Όσο έχουμε μια AC πηγή για είσοδο, η ανάλυση αποτομής δείχνει την ημιτονοειδή εκκίνηση στην έξοδο (sinusoidal start up at the output). Η εκκίνηση αποτομής απότομα εξασθενεί εντός δύο κύκλων και σταθεροποιείται σε μια σταθερή κατάσταση απόκρισης του κυκλώματος. Για να λάβουμε μία βηματική απόκριση-step response θα χρειαζόμασταν να αλλάξουμε την πηγή τάσης εισόδου σε πηγή τάσης παλμού και να ορίσουμε τη συχνότητα και τον κύκλο λειτουργίας τέτοιο ώστε το κύκλωμα να αποκαθίσταται κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου. Για αυτό το συγκεκριμένο παράδειγμα, διαγράψτε την πηγή AC τάσης κάνοντας κλικ επάνω της και πατώντας το πλήκτρο delete. Επιλέξτε μια πηγή Παλμικής τάσης από την ομάδα των αντικειμένων και συνδέστε το στη θέση της AC πηγής. Διπλό κλικ στην πηγή παλμού και ορίστε την τάση παλμού να πάει από τα 0 στο 1 volt, ορίστε την καθυστέρηση χρόνου στο 0, τους χρόνους ανόδου και πτώσης στο 1 nsec, και το πλάτος του παλμού στα 10 msec με μια περίοδο των 20 msec. Επιλέξτε ‘simulate’ για να δείτε τα αποτελέσματα που φαίνονται στην εικόνα E3-8.

Page 99: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 99

Εικόνα E3-6

Το μενού επιλογών Transient Analysis. Αλλάζουμε την τιμή του TSTOP στα 0.01 seconds .

Εικόνα E3-7 Τα αποτελέσματα της ανάλυσης αποτομής που δείχνουν την ημιτονοειδή εκκίνηση στο

χρόνο 0.

Page 100: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 100

Εικόνα E3-8

Η step response του κυκλώματος. Παράδειγμα 4 – Συνδυαστική Λογική – Αποκωδικοποιητής 2 σε 4, με έναυση- 2 to 4 decoder with enable Για αυτό το παράδειγμα, θα προσομοιώσουμε έναν 2 σε 4 2-line to 4-line αποκωδικοποιητή με μηχανικούς διακόπτες ως στοιχεία εισόδου και LED's ως οθόνες εξόδου. Ο λογικός αποκωδικοποιητής-decoder logic θα κατασκευαστεί από κομμάτια 74LS TTL. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα φαίνεται στην εικόνα E4-1.

Page 101: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 101

Εικόνα E4-1

2 σε 4 αποκωδικοποιητής με έναυση -2-line to 4-line decoder with enable. Το κόκκινο LED's δείχνει την κατάσταση της εξόδου.

Ξεκινήστε τοποθετώντας τα κομμάτια TTL στο διάγραμμα. Επιλέξτε το εικονίδιο TTL από την ομάδα των ηλεκτρονικών στοιχείων και επιλέξτε τη σειρά 74LS. Οι πύλες NAND 3 εισόδων είναι του τύπου 74LS10 και υπάρχουν 3 πύλες σε κάθε πακέτο, ενώ θα χρειαστείτε 2 πακέτα. Για τους αναστροφείς, πύλες NOT χρησιμοποιείστε το 74LS04 το οποίο έχει 6 πύλες ανά συσκευασία και θα χρειαστείτε μόλις 3 πύλες. Σημειώστε ότι μπορείτε να ξαναορίσετε το κείμενο που πηγαίνει σε κάθε ένα συσκευασία για να σας επιτρέψει μια πιο ευπρεπή διάταξη . Στην εικόνα E4-1 τοποθετήσαμε το πακέτο UXX στις πύλες. Οι αριθμοί των pins που φαίνονται θα χρησιμοποιούνταν εάν κατασκευάζαμε το κύκλωμα αλλά αφού αυτό είναι μια προσομοίωση, ο αριθμός των pins για μια ξεχωριστή πύλη δεν έχει σημασία. Κάντε δεξί κλικ στα 2 κουμπιά των αναστροφέων και γυρίστε το καθένα με τη φορά του ρολογιού. Το κύκλωμα σας θα πρέπει να μοιάζει σα την εικόνα E4-2.

Page 102: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 102

Figure E4-2

Τοποθετείστε τις τρεις εισόδους μαζί χρησιμοποιώντας 2 πακέτα του τύπου 74LS10. Χρησιμοποιήστε μια συσκευασία του τύπου 74LS04 για τους

αναστροφείς. Δεξί κλικ στους αναστροφείς και περιστρέψτε τους με τη φορά του ρολογιού.

Έπειτα, τοποθετούμε τα LED's στην επιφάνεια εργασίας (multisim-board). Αυτά βρίσκονται στο μενού των Διόδων. Έχετε την επιλογή πολλών χρωμάτων. Εδώ, έχουμε περιστρέψει τα LEDs με τη φορά του ρολογιού και μετακινήσαμε τα ονόματα τους. Αφού τοποθετήσουμε το πρώτο LED μπορούμε να το αντιγράψουμε και να το επικολλήσουμε για άλλα ή να επιλέξουμε άλλο ένα LED από την κεντρική σελίδα του Workbench. Προσθέστε τέσσερις 330Ω αντιστάσεις όπως φαίνονται στην εικόνα E4-3.

Εικόνα E4-3

Τοποθετήστε 4 LEDs και 4 330Ω αντιστάσεις στο board όπως φαίνεται

Page 103: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 103

. Τελικώς χρειαζόμαστε να προσθέσουμε τους διακόπτες και τις πηγές. Το Workbench έχει διακόπτες σε 2 μέρη. Οι διακόπτες που θα χρησιμοποιήσουμε είναι τοποθετημένοι στο βασικό μενού και είναι μονοπολικοί διακόπτες δύο κατευθύνσεων (Single Pole Double Throw-SPDT) (Υπάρχουν επίσης κάποιοι διακόπτες στιγμιαίας επαφής στο Electromechanical menu.). Προσθέτουμε 3 διακόπτες στο κύκλωμα και αναστρέφουμε οριζόντια κάθε έναν όπως φαίνεται στην εικόνα E4-4. Προσθέτουμε μια ψηφιακή πηγή σε τρία μέρη. Σημειώστε ότι κάθε διακόπτης έχει μια αντίστοιχη παράμετρο ‘κλειδί’. Αυτή είναι στο κλειδί στο πληκτρολόγιο το οποίο ενεργοποιεί τον διακόπτη κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Διπλό κλικ σε οποιονδήποτε διακόπτη και μπαίνετε σε ένα μενού το οποίο σας επιτρέπει να αλλάξετε το κλειδί. Αλλάξτε τα 2 κουμπιά διακοπτών να έχουν κλειδιά Α και Β και το spacebar.

Εικόνα E4-4

Το κύκλωμα με όλα τα στοιχεία του τοποθετημένα. Σημειώστε ότι η παράμετρος ‘κλειδί’ των 3 διακοπτών έχει οριστεί σε spacebar, A, και B.

Συνδέουμε τα καλώδια στο κύκλωμα συνεπώς το κύκλωμα μας θα είναι περίπου σαν την εικόνα E4-1. Δοκιμάζουμε το ολοκληρωμένο κύκλωμα τρέχοντας την προσομοίωση (πατάμε F5). Αν είναι όλα σωστά, θα πρέπει να μπορούμε να ενεργοποιήσουμε τους διακόπτες πατώντας τα A,B και spacebar στο πληκτρολόγιο. Για να δούμε τα LEDs να ανάβουν, ο πρώτος διακόπτης θα χρειαστεί να είναι σε κατάσταση γείωσης (active low) για να ενεργοποιήσει το κύκλωμα. Με τον πρώτο διακόπτη κατεβασμένο, θα μπορούμε να ανάψουμε οποιοδήποτε LED αλλάζοντας τους 2 Α και Β διακόπτες σε μία από τις τέσσερις συνδεσμολογίες.

Page 104: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 104

Ολοκληρώνουμε το project προσθέτοντας κάποιο κείμενο στο κύκλωμα. Προσθέτουμε κείμενο επιλέγοντας Place→Place Text από το μενού. Κάνουμε κλικ με τον κέρσορα στην θέση της οθόνης οπού θέλουμε να τοποθετήσουμε το κείμενο και το πληκτρολογούμε για να το εισάγουμε. Αφού εισάγουμε το κείμενο μπορούμε να αλλάξουμε το χρώμα του με δεξί κλικ και επιλέγοντας ένα χρώμα από το μενού. Μπορούμε επίσης να αλλάξουμε και γραμματοσειρά επιλέγοντας Options→Preferences→Font. Παράδειγμα 5 – Ακολουθιακή Λογική – D-Type και J-K Flip Flops Για αυτό το παράδειγμα, θα προσομοιώσουμε ένα κύκλωμα που περιέχει ένα D-Type και ένα JK flip-flop και θα κάνουμε χρήση της γεννήτριας συνάρτησης κυματομορφών σαν ενισχυτή παλμών χρονισμού. Το τελικό κύκλωμα φαίνεται στην εικόνα E5-1.

Εικόνα E5-1 A D-Type και JK flip-flop.

Ξεκινούμε προσθέτοντας τα 2 flip-flops στο διάγραμμα. Αυτά βρίσκονται στο μενού των TTL XXLS στο Parts Bin. Και για το 74LS74 και το 74LS76 υπάρχουν 2 ανεξάρτητα flip-flops ανά συσκευασία έτσι επιλέγουμε μόνο ένα τμήμα από κάθε ένα. Αφού τοποθετήσουμε τα flip-flops, επιλέγουμε μια γεννήτρια συνάρτησης κυματομορφών και έναν παλμογράφο και τα τοποθετούμε όπως στην εικόνα E5-2.

Page 105: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 105

Εικόνα E5-2

Σε αυτό το διάγραμμα έχουμε επιλέξει ένα τμήμα από το 74LS74 και ένα τμήμα από το 74LS76. αυτά βρίσκονται στο TTL Parts Bin. Η γεννήτρια συνάρτησης κυματομορφών και ο παλμογράφος έχουν επιλεχθεί από το

μενού των οργάνων στα δεξιά.

Αυτό το κύκλωμα είναι ψηφιακό. Θα προσθέσουμε 3 πηγές 5 volt Vcc και 3 ψηφιακές γειώσεις στο κύκλωμα από το μενού των πηγών στο Parts Bin. Συνδέουμε τα καλώδια στο διάγραμμα όπως φαίνεται στην εικόνα E5-1. Σιγουρευόμαστε πως έχουμε ενώσει τους ακροδέκτες των flip-flops στο +5. Σημειώστε πως ο κεντρικός ακροδέκτης της γεννήτριας συνάρτησης κυματομορφών είναι γειωμένος και ο αρνητικός ακροδέκτης δε χρησιμοποιείται. Η γεννήτρια είναι καθορισμένη να έχει ένα πλάτος, μια συχνότητα, έναν κύκλο λειτουργίας και ένα offset-ρύθμιση μετατόπισης. Το κύμα εξόδου υποτίθεται πως είναι κεντραρισμένο κάθετα γύρω στο 0 έτσι για το τετραγωνικό κύμα μια ρύθμιση πλάτους στα 2.5 volts και ρύθμιση μετατόπισης (offset) 2.5 volts παράγει ένα 5 volt τετραγωνικό κύμα που πάει από τα 0 στα 5 volts. Ο αρνητικός ακροδέκτης της γεννήτριας συνάρτησης κυματομορφών παράγει ένα σήμα αντίθετης πολικότητας και δε χρησιμοποιείται σε αυτή την προσομοίωση. Ρυθμίζουμε την γεννήτρια συνάρτησης κυματομορφών και τον παλμογράφο να μοιάζουν όπως είναι στην εικόνα E5-3. (Διπλό κλικ στην γεννήτριας ή τον παλμογράφο για την οθόνη των ρυθμίσεων τους)

Page 106: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 106

Εικόνα E5-3

Ρυθμίστε την γεννήτρια και τον παλμογράφο όπως φαίνεται παραπάνω.

Κάντε κλικ Click στο κουμπί προσομοίωσης στη δεξιά γωνία ψηλά ή επιλέξτε το κουμπί F5. Η προσομοίωση δείχνει το JK flip-flop να τρέχει στο πρώτο μισό της συχνότητας ρολογιού.

Page 107: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 107

Παράδειγμα 6 - Displays, Probes, Buzzers, και Busses Για αυτό το παράδειγμα θα προσομοιώσουμε ένα κύκλωμα που θα περιλαμβάνει διάφορες ενδείξεις για να διευκρινίσουμε το πώς χρησιμοποιούνται και θα προσθέσουμε μια αρτηρία (bus) στο σύστημα για να απλοποιήσουμε την καλωδίωση. Πρώτα θα προσομοιώσουμε το σύστημα χωρίς το bus όπως φαίνεται στην εικόνα E6-1.

Εικόνα E6-1 Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιεί ένα μετρητή δεκάδων για να απεικονίσει τη

χρήση των displays, probes, και buzzers.

Για αυτό το κύκλωμα θα χρησιμοποιήσουμε 2 TTL LS στοιχεία τα οποία είναι οι 74LS190 μετρητές δεκάδων και ένα τμήμα από έναν αναστροφέα 74LS04. Επιλέξτε αυτά τα 2 αντικείμενα από το Parts Bin και τοποθετήστε τα σε μια κενή οθόνη. Προσθέστε ένα Clock Source-πηγή χρονισμού από το μενού των πηγών και ορίστε τη συχνότητα του στα 120Hz και την τάση του στα +5volts. Θα χρειαστούμε επίσης μια 5 Volt Vcc πηγή και 2 ψηφιακές γειώσεις. το κύκλωμα μας πρέπει να μοιάζει όπως στην εικόνα E6-2.

Page 108: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 108

Εικόνα E6-2

Τα TTL στοιχεία και οι πηγές που έχουν εισαχθεί.

Προσθέστε 3 ενδείκτες-indicators στη συνέχεια. Κάντε κλικ στο εικονίδιο των indicators στο Parts Bin και επιλέξτε το αντικείμενο Hex Display και επιλέξτε το μέρος που ονομάζεται DCD_HEX. (Όλα τα displays είναι κατά κάποιο τρόπο εξιδανικευμένα. Το hex display δείχνει έναν ενδείκτη 7 τομέων δεκαδικών αριθμών-seven segment hex number το οποίο αντιστοιχεί στο λογικό επίπεδο στα 4 pins εισόδου του. Δεν χρειάζεται καμία πηγή ισχύος. Ομοίως τα άλλα 2 displays δεν έχουν καμιά σύνδεση με ισχύ και φωτίζονται όταν οι ακροδέκτες εισόδου ενεργοποιούνται). Τοποθετούμε το hex display στην οθόνη. Επιλέγουμε ένα Buzzer από το ίδιο μενού των ενδείκτων-indicators και το τοποθετούμε στην οθόνη. Κάνουμε διπλό κλικ στο buzzer για να καθορίσουμε τη στάθμη λειτουργίας του-voltage trip. Ορίζουμε αυτή την τάση στα 3 volts. Μπορούμε επίσης να ορίσουμε μια τρέχουσα στάθμη αλλά δε θα χρησιμοποιήσουμε αυτό το χαρακτηριστικό σε αυτό το παράδειγμα. Κάνουμε κλικ στο κόκκινο probe και τοποθετούμε 4 από αυτά στο διάγραμμα του κυκλώματος. Κάθε ένα από αυτά έχει ένα σημείο στάθμης-κατωφλίου (trip) για να είναι on ή off το οποίο προκαθορίζει στα 2.5 volts. Συνδέουμε τα καλώδια στο κύκλωμα μας έτσι ώστε να είναι παρόμοιο με το αυτό της εικόνας E6-1. Σημειώστε πως για το hex display το λιγότερο σημαντικό bit είναι το pin 1 και το πιο σημαντικό είναι το pin 4. Για ένα πραγματικό κύκλωμα είναι απίθανο να έχετε ένα κύκλωμα σαν αυτό συνδεδεμένο με μια 120Hz πηγή χρονισμού-clock source. Εάν γυρίσετε τον χρονιστή χαμηλά σε έναν λογικό ρυθμό όπως τα 10Hz, η προσομοίωση θα πάρει αρκετή ώρα. Προσομοιώστε το ολοκληρωμένο κύκλωμα σας και σιγουρέψτε ότι μετρά ανοδικά από το 0 στο 9, ότι τα probes υποδεικνύουν την δυαδική κατάσταση των γραμμών εξόδου και ότι ο buzzer-βομβητής βασικά χτυπά όταν ο μετρητής γυρνά από το 9 στο 0.

Page 109: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 109

Προσθέτοντας ένα Bus-δίαυλο Πριν προσθέσουμε ένα bus στο σύστημα μας, θα χρειαστεί να ξαναρυθμίσουμε το hex display και τα probes και να διαγράψουμε τα καλώδια που το bus θα αντικαταστήσει. Ξαναρυθμίζουμε το κύκλωμα μας να μοιάζει περίπου όπως αυτό στην εικόνα E6-3. Για να το προσθέσουμε, κάνουμε κλικ στο Place→Place Bus του μενού στην κορυφή της οθόνης. Προσθέτοντας το bus είναι σαν να προσθέτουμε καλώδιο. Κάνουμε κλικ στο σημείο εκκίνησης και κάνουμε κλικ στην πρώτη γωνία και διπλό κλικ στο τελικό σημείο. Το bus θα σχηματιστεί σαν μια σειρά από γραμμές μεταξύ των δικών μας κλικ. Εάν κάνουμε διπλό κλικ στο ολοκληρωμένο bus θα δείτε ότι έχει μόνο μια παράμετρο που μπορούμε να αλλάξουμε, την reference ID. Αυτή προκαθορισμένα είναι το όνομα του bus για αυτό το παράδειγμα αλλά μπορούμε να την κάνουμε ότι θέλουμε. Σημειώστε πως το bus δε χρειάζεται να φαίνεται συνεχές. Μπορείτε να τοποθετήσετε ένα άλλο bus οπουδήποτε αλλού στο κύκλωμα και να του δώσετε την ίδια reference ID. Το Workbench τότε το παίρνει ως το ίδιο σετ γραμμών. Αυτό σας επιτρέπει να σχεδιάζετε πολύπλοκες συνδέσεις χωρίς να πρέπει να σύρετε το bus σε όλο το διάγραμμα.

Εικόνα E6-3 Το hex display και τα probes έχουν ρυθμιστεί και τα καλώδια που τα

συνδέουν έχουν αντικατασταθεί από ένα bus.

Σε αυτό το παράδειγμα, συνδέστε τον μετρητή στο bus συνδέοντας ένα καλώδιο σε μια από τις εξόδους του μετρητή και συνδέοντας το άλλο άκρο στο bus. Όταν το κάνετε αυτό θα δείτε μια pop up οθόνη που θα σας ρωτά να δώσετε στο καλώδιο ένα όνομα. Στην εικόνα E6-4 το καλώδιο έχει ονομάζεται QB και ένα καλώδιο έχει ήδη ονομαστεί QA.

Page 110: Laboratory Electronics

Εργαστηριακές Ασκήσεις Αναλογικών Ηλεκτρονικών

Τμήμα Φυσικής – Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων 110

Εικόνα E6-4

Αυτή η pop up οθόνη εμφανίζεται όταν συνδέετε ένα καλώδιο στο bus μπορείτε να ονομάσετε την bus γραμμή ή να επιλέξετε ένα ήδη δοσμένο

όνομα.

Για αυτό το παράδειγμα, το δικό μας bus θα έχει μόνο 4 καλώδια και θα τα ονομάσουμε QA, QB, QC, και QD μετά από 4 εξόδους του μετρητή. Αφού συνδέσετε τον μετρητή στο bus, παρόμοια συνδέστε το hex display και τα probes όπως φαίνεται στην εικόνα E6-5. Σημειώστε ότι θα πρέπει να είστε προσεκτικοί να πάρετε τα bits στη σωστή σειρά. στη δική μας περίπτωση, QA είναι το λιγότερο σημαντικό bit και το QD το πιο σημαντικό bit.

Εικόνα E6-5

Το κύκλωμα με ένα a bus αντικαθιστώντας τις συνδέσεις καλωδίων. Τελικώς, προσομοιώστε το κύκλωμα σας για να διαπιστώσετε πως λειτουργεί όπως και πριν.