ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ

Transcript

1 ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Ι.Θ. ΑΝΔΡΕΑΔΗΣ Dip-Eng, MSc, PhD, FIET ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Δ.Π. ΘΡΑΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΛΥΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΘΕΜΑΤΑ ΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΕΤΩΝ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ Ι V =15V DD 2.2kΩ 1μF + 1μF Vo Vi + BF244 R = 5kΩ L + 220kΩ 2.2kΩ 100μF ΞΑΝΘΗ 2009

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Το μικρό αυτό βιβλίο έχει σκοπό να εξοικειώσει το φοιτητή με μια σειρά θεμάτων που αφορούν στο Σχεδιασμό Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων με διακριτά ηλεκτρονικά στοιχεία. Η δομή του έχει ως εξής: Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει τέσσερις (4) Εργαστηριακές Ασκήσεις που στόχο έχουν να αναδείξουν τις πρακτικές λεπτομέρειες των πραγματικών διόδων, τρανζίστορ και θυρίστορ. Η τέταρτη εργαστηριακή άσκηση εισάγει το φοιτητή στα εργαλεία σχεδιασμού και προσομοίωσης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, πράγμα ιδιαίτερα χρήσιμο μιας και ο σχεδιασμός των σύγχρονων πολύπλοκων ηλεκτρονικών συστημάτων απαιτεί τη χρήση τέτοιων εργαλείων. Το δεύτερο μέρος περιγράφει πέντε (5) Θέματα Σχεδιασμού Ηλεκτρονικών Κυκλωμάτων. Τα κυκλώματα αυτά είναι ευρείας χρήσης και εισάγουν το φοιτητή στη μεθοδολογία και τους περιορισμούς του σχεδιασμού πραγματικών κυκλωμάτων. Το τρίτο μέρος αποτελείται από δέκα (10) Λυμένες Ασκήσεις, η πολυπλοκότητα των οποίων κρίνεται πάνω από το μέσο όρο των προβλημάτων που συνήθως αντιμετωπίζει ο φοιτητής κατά τη διάρκεια της απόκτησης των θεωρητικών γνώσεων στο αντικείμενο αυτό. Στο τέταρτο μέρος δίνεται μια συλλογή ογδόντα (80) περίπου άλυτων ασκήσεων οι οποίες δοθήκαν σα θέματα εξετάσεων κατά παρελθόντα έτη. Στο πέμπτο δίνεται μια σειρά έξι (6) Σύνθετων Εργασιών μαζί με τις λύσεις τους που σκοπό έχουν να δώσουν στοιχεία σχεδιασμού Ηλεκτρονικών Συστημάτων. Στο έκτο μέρος δίνεται μια σειρά ενδεικτικών τεχνικών προδιαγραφών για διακριτά ηλεκτρονικά στοιχεία. Σκοπός τους είναι η εξοικείωση του φοιτητή με τη χρήση των Data Books των κατασκευαστών ημιαγωγών στοιχείων. Παρά τη συνοπτική δομή του βιβλίου αυτού και τις σύντομες αναφορές στη θεωρία, ο προσεκτικός αναγνώστης μπορεί να εξάγει σχεδόν όλη την πληροφορία που απαιτείται για πρακτικές εφαρμογές. Βεβαίως, για 2

3 θεωρητικές προσεγγίσεις και άλλες λεπτομέρειες ο αναγνώστης θα πρέπει να καταφεύγει στη σχετική βιβλιογραφία, βιβλία και επιστημονικά άρθρα. 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΣΕΛΙΔΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΠΡΩΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ - ΔΙΟΔΟΙ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΔΙΟΔΟΥΣ Εισαγωγή Συνοπτική θεωρία διόδων Χαρακτηριστική διόδου Σημείο λειτουργίας 8 2. Κυκλώματα με Διόδους Ημιανόρθωση Ανορθωτής πλήρους κύματος Ειδικές Δίοδοι Δίοδοι Zener Σταθεροποίηση 12 ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ - ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ Εισαγωγή Χαρακτηριστικές του Τρανζίστορ Γραμμή Φορτίου και Πόλωση 4. DC Ανάλυση Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού και AC Ανάλυση AC Γραμμή Φορτίου και Τάξεις Λειτουργίας 7. Κέρδος Τάσης και Σύνθετες Αντιστάσεις 8. Πειραματική Άσκηση ΤΡΙΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ - (Ι) ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΕΩΣ ΠΕΔΙΟΥ ΚΑΙ (ΙΙ) ΘΥΡΙΣΤΟΡ Τρανζίστορ Επιδράσεως Πεδίου (FET) 1.1 Συνοπτική Θεωρία για τα FET Χαρακτηριστικές Καμπύλες των FETs Σημείο Ηρεμίας Αυτοπόλωση JFET Κατασκευή του Ενισχυτή Θυρίστορ 2.1 Συνοπτική Θεωρία Θυρίστορ 2.2 Κυκλώματα με Θυρίστορ

5 ΤΕΤΑΡΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ - ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ MULTISIM ELECTRONIC WORKBENCH Εισαγωγή 1.1 Γενικά για το Πρόγραμμα Electronic Workbench Περιγραφή της Επιφάνειας Εργασίας του Προγράμματος Διάφορες Γενικές Οδηγίες Ηλεκτρονικό Κύκλωμα για Ενίσχυση της Ακοής Περιγραφή του κυκλώματος Κατασκευή του κυκλώματος 2.3 Τροποποιήσεις για προσομοίωση στο Workbench 3. Ερωτήσεις / Βήματα Εργαστηριακής Άσκησης ΘΕΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ 47 ΠΡΩΤΟ ΘΕΜΑ - ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟΥ ΙΣΧΥΟΣ (POWER SUPPLY) Εισαγωγή Σκελετός Κυκλώματος 3. Τάση Μετασχηματιστή Πυκνωτής Προσδιορισμός Τιμής της Ασφάλειας 6. Αντίσταση Διαρροής Τιμή Ρεύματος Μετασχηματιστή 8. Απαντήσεις ΔΕΥΤΕΡΟ ΘΕΜΑ - ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΤΡΙΤΟ ΘΕΜΑ - ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΠΗΓΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ & ΑΚΟΛΟΥΘΟΥ ΠΗΓΗΣ ΜΕ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ JFET ΤΕΤΑΡΤΟ ΘΕΜΑ - ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΤΟΥ ΔΙΑΚΟΠΤΗ MOSFET Κυκλωματικά Σύμβολα Ο Διακόπτης MOS Χαρακτηριστικές Εισόδου / Εξόδου του Διακόπτη MOSFET 66 5

6 ΠΕΜΠΤΟ ΘΕΜΑ - ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΤΟΥ ΔΙΑΚΟΠΤΗ CMOS Συμπληρωματικά Συμμετρικά MOSFETs (CMOS) Προστασία Εισόδων 72 ΛΥΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 74 ΑΛΥΤA ΘΕΜΑΤΑ ΠΕΡΑΣΜΕΝΩΝ ΕΤΩΝ 92 ΣΥΝΘΕΤΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ Καταστολή Ηλεκτρικού Σπινθήρα 2. Κύκλωμα Πολλαπλασιασμού Τάσης Υψηλής Τάξης 3. Ειδικές Δίοδοι 4. Όπτικο-ηλεκτρονικά Στοιχεία 5. Αυτοφόρτωση 6. Έλεγχος Σφαλμάτων με την Τεχνική Πάνω-Κάτω ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ 167 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 188 6

7 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 7

8 ΠΡΩΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΔΙΟΔΟΙ ΚΑΙ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕ ΔΙΟΔΟΥΣ 1. Εισαγωγή 1.1 Συνοπτική Θεωρία Διόδων H δίοδος είναι ένα μη γραμμικό στοιχείο δύο ακροδεκτών, που παρουσιάζει σχετικά μικρή αντίσταση στη ροή του ρεύματος στη μια κατεύθυνση και πολύ μεγάλη αντίσταση στην άλλη. Η ιδανική δίοδος ισοδυναμεί με βραχυκύκλωμα στη μια κατεύθυνση του ρεύματος και με ανοικτό κύκλωμα στην άλλη. Το σχηματικό σύμβολο της διόδου, που φαίνεται στο Σχήμα 1α, μπορεί να πει κανείς ότι μοιάζει με οδικό σήμα μονόδρομου και, έτσι, η δίοδος αποτελεί "μονόδρομο" για το ρεύμα γιατί μπορεί να ρέει μόνο από την άνοδο προς την κάθοδο. Στο Σχήμα 1β παρουσιάζεται μια πραγματική δίοδος. Η λωρίδα πάνω στη δίοδο δείχνει την πλευρά της καθόδου. I D Άνοδος Κάθοδος + - (α) VD (β) Σχήμα 1. Δίοδος : (α) Σχηματικό σύμβολο και (β) φυσική διάταξη. 8

9 1.2 Χαρακτηριστική Διόδου - Σημείο Λειτουργίας Η δίοδος παρουσιάζει μια χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης όπως αυτή που φαίνεται στο Σχήμα 2. Σε αυτό φαίνονται οι δύο περιοχές λειτουργίας της διόδου: η ορθή περιοχή στην οποία η δίοδος άγει και η ανάστροφη περιοχή στην οποία η δίοδος δεν άγει και το ρεύμα αποκόπτεται. Η τρίτη περιοχή που φαίνεται στο Σχήμα 2 είναι η περιοχή κατάρρευσης στην οποία η δίοδος "καταρρέει" λόγω της υψηλής ανάστροφης τάσης στα άκρα της. Ι ορθή περιοχή περιοχή κατάρρευσης ανάστροφη περιοχή V Σχήμα 2. Χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης (I-V) διόδου. Αν μια δίοδος συνδεθεί σε ένα κύκλωμα όπως αυτό του Σχήματος 3 τότε μπορεί μέσω της χαρακτηριστικής καμπύλης και της ευθείας φορτίου να υπολογισθεί γραφικά η τάση και το ρεύμα της διόδου. Η ευθεία φορτίου είναι εκείνη η ευθεία που ενώνει το σημείο για το οποίο το ρεύμα της διόδου γίνεται μηδέν (κορεσμός) με το σημείο για το οποίο η τάση στα άκρα της διόδου μηδενίζεται (αποκοπή). Η τομή της χαρακτηριστικής μιας διόδου με την ευθεία φορτίου δίνουν το σημείο λειτουργίας της Q. Στο Σχήμα 4 φαίνεται η καμπύλη λειτουργίας και το σημείο λειτουργίας της διόδου. R D + _ V π I V D Σχήμα 3. Τυπικό κύκλωμα με χρήση διόδου. 9

10 Ι κορεσμός χαρακτηριστική διόδου Q ευθεία φορτίου αποκοπή V Σχήμα 4. Ευθεία φορτίου και σημείο λειτουργίας διόδου. 2. Κυκλώματα με Διόδους 2.1 Ημιανόρθωση Η ιδιότητα της διόδου να επιτρέπει τη διέλευση ρεύματος κατά μία μόνο φορά μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή του εναλλασσομένου ρεύματος σε συνεχές. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ανόρθωση και το απλούστερο κύκλωμα που την υλοποιεί φαίνεται στο Σχήμα 5. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται ημιανορθωτής. Η DC συνιστώσα της τάσης εξόδου είναι V m /π όπου V m είναι το πλάτος της τάσης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή. Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 5 και συνδέστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στα σημεία Α και Γ (είσοδος) και το δεύτερο κανάλι στα σημεία Β και Γ (έξοδος). 1. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου. 2. Τι παρατηρείτε; Γιατί νομίζετε ότι το κύκλωμα αυτό ονομάζεται ημιανορθωτής; 3. Μετρήστε με το πολύμετρο και καταγράψτε τη DC τιμή της τάσης εξόδου. Συγκρίνετε την τιμή που μετρήσατε με την τιμή που δίνει η σχέση V m /π. 10

11 Α 1Ν4007 Β 220 V 6.3 V 2.2 kω Γ Σχήμα 5. Ημιανορθωτής. 2.2 Ανορθωτής Πλήρους Κύματος Στο Σχήμα 6 φαίνεται ένας ανορθωτής πλήρους κύματος (πλήρης ανορθωτής) με γέφυρα. Κατά τη θετική ημιπερίοδο του ρεύματος άγουν οι δίοδοι D 2 και D 3 ενώ κατά την αρνητική ημιπερίοδο άγουν οι δίοδοι D 4 και D 1. Η DC συνιστώσα της τάσης εξόδου είναι 2V m /π, όπου και εδώ η V m είναι το πλάτος της τάσης στο δευτερεύον του μετασχηματιστή. Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 6 και συνδέστε το ένα κανάλι του παλμογράφου διαδοχικά μεταξύ των σημείων Α και Β και στη συνέχεια μεταξύ των σημείων Γ και Δ. 4. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου. 5. Μετρήστε με το πολύμετρο και καταγράψτε την DC τιμή της τάσης εξόδου. Συγκρίνετε την τιμή που μετρήσατε με την τιμή που δίνει η σχέση 2V m /π. Α D 1 D V 6.3 V Γ D 3 D 4 1ΚΩ Β Δ Σχήμα 6. Πλήρης ανορθωτής με γέφυρα. 11

12 3. Ειδικές Δίοδοι 3.1 Δίοδοι Zener Η συμπεριφορά των διόδων zener μοιάζει με αυτή των κοινών διόδων, όσον αφορά στην ορθή πόλωση. Η διαφορά τους από τις διόδους που μελετήσατε προηγουμένως βρίσκεται στην ανάστροφη πόλωση. Οι δίοδοι zener είναι δυνατόν να λειτουργούν στην περιοχή κατάρρευσης. Αυτή είναι και η επιθυμητή τους ιδιότητα, για την οποία τις χρησιμοποιούμε. Στο Σχήμα 7(α) φαίνεται το κυκλωματικό σύμβολο μιας διόδου zener, ενώ στο Σχήμα 7(β) δίνεται η χαρακτηριστική Ι-V της διόδου αυτής. Όπως φαίνεται στο σχήμα αυτό για θετική τάση V>0.7V, η δίοδος zener άγει όπως μία κοινή δίοδος, ενώ για μικρές αρνητικές τιμές τάσης η δίοδος δεν άγει. Όταν όμως η αρνητική τάση στα άκρα της διόδου γίνει μεγαλύτερη μιας τιμής V z, που είναι χαρακτηριστική για κάθε δίοδο zener, τότε η δίοδος άγει κατά την αντίθετη φορά. Άνοδος + Κάθοδος - (α) Ι V Z V (β) Σχήμα 7. Δίοδος Zener: (α) Σχηματικό σύμβολο και (β) χαρακτηριστική I-V. 12

13 3.2 Σταθεροποίηση Οι δίοδοι zener χρησιμοποιούνται ως σταθεροποιητές τάσης. Ένας σταθεροποιητής με δίοδο zener φαίνεται στο Σχήμα 8. Ένας τρόπος εκτίμησης της σταθεροποίησης της τάσης που παρέχει η zener είναι ο λόγος της κυμάτωσης εξόδου προς την κυμάτωση εισόδου. Ο λόγος αυτός είναι: Δ ΔV V Z = S R R Z S όπου ΔV Z η κυμάτωση εξόδου, ΔV S η κυμάτωση εισόδου, R Z η αντίσταση της zener και R S η αντίσταση σειράς. R S Ανορθωτής με Φίλτρο Πυκνωτή V Z R L Σχήμα 8. Σταθεροποίηση τάσης. Στο παρακάτω πείραμα παρουσιάζεται ένα παράδειγμα σταθεροποίησης τάσης. Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 9 (απλά συνδέστε ορισμένα επιπλέον στοιχεία στο κύκλωμα 6). Στη συνέχεια συνδέστε το πρώτο κανάλι του παλμογράφου στα σημεία Α και Γ, ενώ το δεύτερο κανάλι στα σημεία Β και Γ. 6. Σχεδιάστε τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου. 7. Τι παρατηρείτε; Γιατί υπάρχει αυτή η διαφορά ανάμεσα στα δύο κανάλια; 8. Πόσο έχει βελτιωθεί η κυμάτωση μετά τη δίοδο zener (υπολογίστε το λόγο της κυμάτωσης εξόδου, προς την κυμάτωση εισόδου); 13

14 9. Από το λόγο που υπολογίσατε παραπάνω, υπολογίστε την αντίσταση της zener. 10. Μετρήστε με το πολύμετρο και καταγράψτε τη DC τιμή της τάσης εξόδου. Συγκρίνετε την τιμή που μετρήσατε με την τιμή που δίνει η σχέση 2V m /π. Αν η τάση δικτύου μεταβληθεί θα αλλάξει η DC τιμή της τάσης εξόδου, και γιατί; D1 D2 Α 150Ω 220 V 6.3 V Β D3 D μF V =5.1V Z 1kΩ Γ Σχήμα 9. Πλήρης ανορθωτής με σταθεροποίηση στην έξοδο. 14

15 ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ 1. Εισαγωγή Αυτή η εργαστηριακή άσκηση έχει σκοπό την παρουσίαση ενός ενεργού στοιχείου, του διπολικού τρανζίστορ. Ενεργά στοιχεία είναι εκείνα που μπορούν να κάνουν ενίσχυση. Το τρανζίστορ ανάλογα με τη συνδεσμολογία του μπορεί να κάνει ενίσχυση ρεύματος ή ενίσχυση τάσης. Υπάρχουν δύο ειδών διπολικά τρανζίστορ σύμφωνα με τη διάταξη των περιοχών προσμίξεων τους: τα npn και τα pnp. Στο Σχήμα 1 δίνεται ο σχηματικός συμβολισμός των δύο αυτών τύπων τρανζίστορ. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 1 το τρανζίστορ έχει τρεις περιοχές: την περιοχή του εκπομπού (Ε), της βάσης (Β) και του συλλέκτη (C). Ένα τρανζίστορ μπορεί να θεωρηθεί ως δύο δίοδοι συνδεδεμένες κατά αντίθεση. B C E B npn n p n C E B C E B pnp p n p C E Σχήμα 1. Κυκλωματικά σύμβολα των τρανζίστορ npn και pnp. Το τρανζίστορ λειτουργεί όπως μία βρύση. Η βάση του τρανζίστορ λειτουργεί όπως η βάνα της βρύσης. Όσο πιο ανοιχτή είναι η βάνα τόσο μεγαλύτερη είναι η ροή του νερού και κατά αναλογία όσο μεγαλύτερη είναι η ροή ρεύματος στη βάση, τόσο μεγαλύτερη είναι η ροή ρεύματος από το 15

16 συλλέκτη στον εκπομπό σε ένα τρανζίστορ npn (Σχήμα 2). Πρέπει να σημειωθεί ότι το ρεύμα της βάσης είναι πάντα πολύ μικρότερο από το ρεύμα που ρέει στο συλλέκτη ή τον εκπομπό. Το DC κέρδος ρεύματος β ενός τρανζίστορ ορίζεται ως εξής: I = C β (1) I B Σύμφωνα με το νόμο του Kirchoff σε ένα τρανζίστορ ισχύει η εξίσωση: I = I + I = ( β +1) I (2) E C B B Επειδή η τιμή του β είναι μεγάλη (της τάξης του 100) ισχύει και IC I E (3) I C I B I E Σχήμα 2. Μηχανικό ανάλογο λειτουργίας του τρανζίστορ. 2. Χαρακτηριστικές του Τρανζίστορ Η γραφική παράσταση του I B ως συνάρτηση της V BE μοιάζει με τη γραφική παράσταση μιας κοινής διόδου όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Η επαφή βάσηςεκπομπού συμπεριφέρεται ως δίοδος. 16

17 I Β (ma) 0 V ΒE (V) Σχήμα 3. Καμπύλη I B -V BE τρανζίστορ. Μια πιο σημαντική γραφική παράσταση είναι αυτή του ρεύματος I C συναρτήσει της μεταβολής της V CE όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Αυτές συνήθως αναφέρονται ως χαρακτηριστικές καμπύλες συλλέκτη. Οι χαρακτηριστικές αυτές εξάγονται μετρώντας τα I C και V CE για σταθερά ρεύματα I B κάθε φορά. Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ. Η περιοχή στο μέσον όπου οι καμπύλες είναι παράλληλες προς τον οριζόντιο άξονα. Σε αυτή την περιοχή η δίοδος βάσης-εκπομπού είναι ορθά πολωμένη και η δίοδος βάσης-συλλέκτη ανάστροφα. Η περιοχή αυτή καλείται ενεργός περιοχή. Σε αυτή την περιοχή το τρανζίστορ κάνει ενίσχυση του ρεύματος I B όπως περιγράφηκε στην προηγούμενη ενότητα. Μια δεύτερη ξεχωριστή περιοχή είναι η περιοχή κόρου που βρίσκεται στο τμήμα ανύψωσης της καμπύλης V CE. Σε αυτή την περιοχή η δίοδος βάσηςσυλλέκτη είναι ορθά πολωμένη και στο τρανζίστορ ρέει το μέγιστο ρεύμα συλλέκτη. Μια τρίτη περιοχή είναι η περιοχή αποκοπής όπου η τάση βάσηςεκπομπού είναι μικρότερη από 0.7V και δεν υπάρχει ρεύμα συλλέκτη. Υπάρχει και μια τέταρτη περιοχή η περιοχή κατάρρευσης όπου το τρανζίστορ καταστρέφεται και, συνεπώς, δεν πρέπει ποτέ να λειτουργεί σε αυτή την περιοχή. 17

18 I (ma) C Κορεσμός Ενεργός Περιοχή Κατάρρευση I =0.5mA B I C(sat) 40 I =0.4mA B Q I =0.3mA B I =0.2mA B I =0.1mA B I =0.04mA B Αποκοπή V CE(cut off) V CE (V) Σχήμα 4. Χαρακτηριστικές I C -V CE του τρανζίστορ, περιοχές λειτουργίας του και DC γραμμή φορτίου. 18

19 3. Γραμμή Φορτίου και Πόλωση Η γραμμή φορτίου είναι μια γραμμή που σχεδιάζεται πάνω στις καμπύλες συλλέκτη για να δείχνει κάθε πιθανό σημείο λειτουργίας ενός τρανζίστορ. Κάθε κύκλωμα τρανζίστορ έχει μια γραμμή φορτίου. Για ένα συγκεκριμένο κύκλωμα σημειώνονται στον κατακόρυφο και οριζόντιο άξονα οι τιμές του ρεύματος κόρου (Ι C(sat) ) και της τάσης αποκοπής (V CE(cut off) ), αντίστοιχα. Τα δύο αυτά σημεία ορίζουν τη γραμμή φορτίου (Σχήμα 4). Το DC σημείο λειτουργίας ή σημείο ηρεμίας του τρανζίστορ ορίζεται από τις DC τιμές του ρεύματος συλλέκτη και της τάσης συλλέκτη-εκπομπού του τρανζίστορ. Υπάρχουν πολλοί τρόποι πόλωσης ενός τρανζίστορ. Η πιο σημαντική και ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνική είναι η πόλωση με διαιρέτη τάσης που φαίνεται στο Σχήμα 5. V CC I C R 1 R C V CE V B V BE V C R 2 R E I E Σχήμα 5. Πόλωση τρανζίστορ με διαιρέτη τάσης. 4. DC Ανάλυση Για τη DC ανάλυση του κυκλώματος πρέπει να βρεθεί πρώτα η τάση στη βάση του τρανζίστορ. Θεωρώντας ότι το ρεύμα της βάσης είναι πολύ μικρό 19

20 (περίπου 20 φορές μικρότερο) σε σχέση με το ρεύμα που ρέει στο διαιρέτη τάσης η τάση της βάσης δίνεται από τη σχέση για το διαιρέτη τάσης: V R = (4) 2 B V CC R1 + R2 Το επόμενο βήμα είναι ο υπολογισμός του ρεύματος εκπομπού. Θεωρώντας ότι η τάση βάσης-εκπομπού είναι ίση με 0.7V ισχύει η σχέση: V = V + I R (5) B BE E E Το τρίτο βήμα είναι ο υπολογισμός της τάσης συλλέκτη. Εφόσον το ρεύμα συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρεύμα εκπομπού η τάση συλλέκτη υπολογίζεται από τη σχέση: V + CC = ICRC VC όπου C I E I = (6) Η τάση συλλέκτη-εκπομπού μπορεί να δοθεί από τη σχέση: V = V I ( R + RE ) (7) CE CC C C 5. Ενισχυτής Κοινού Εκπομπού και AC Ανάλυση Στο Σχήμα 6α φαίνεται ένας ενισχυτής κοινού εκπομπού. Στην είσοδο του ενισχυτή εφαρμόζεται τάση V G που προέρχεται από μια γεννήτρια κυματομορφών με εσωτερική αντίσταση R G. Στην έξοδό του συνδέεται ένα ωμικό φορτίο R L. Η διαδικασία ανάλυσης κάθε ενισχυτή στηρίζεται στην αρχή της υπέρθεσης. Η διαδικασία αρχίζει με την DC ανάλυση. Το DC ισοδύναμο κύκλωμα, όπου γίνεται η DC ανάλυση, ενός ενισχυτή είναι ένα απλοποιημένο κύκλωμα που προκύπτει αν: 1. Μηδενιστούν όλες οι AC τάσεις. 2. Όλοι οι πυκνωτές θεωρηθούν σαν ανοιχτά κυκλώματα. Στο Σχήμα 6β φαίνεται το DC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή του Σχήματος 6α. Στο κύκλωμα αυτό εφαρμόζονται όλες οι εξισώσεις που 20

21 αναφέρθηκαν στην προηγούμενη ενότητα και οι οποίες αποτελούν την DC ανάλυση του κυκλώματος. Στη συνέχεια πραγματοποιείται η AC ανάλυση του ενισχυτή. Το AC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή προκύπτει αν: 1. Μηδενιστούν όλες οι DC πηγές. 2. Αντικατασταθούν όλοι οι πυκνωτές με βραχυκυκλώματα. Το κύκλωμα του ενισχυτή του Σχήματος 6α μετασχηματίζεται στο ΑC ισοδύναμο του Σχήματος 6γ. Η αντίσταση r e μεταφέρεται στην πλευρά της βάσης πολλαπλασιασμένη επί β. + V CC + V CC _ R 1 R C C 2 _ R 1 R C R G C 1 Q R L Q R G Q βr e V G r e r e V G R 1 R 2 R C R L R 2 R E C R 2 R E (α) (β) (γ) Σχήμα 6. (α) Ενισχυτής κοινού εκπομπού, (β) DC ισοδύναμο κύκλωμα και (γ) AC ισοδύναμο κύκλωμα. Για την AC ανάλυση χρησιμοποιούνται συμβολισμοί με μικρά γράμματα σε αντίθεση με τη DC ανάλυση όπου χρησιμοποιούνται συμβολισμοί με κεφαλαία γράμματα, όπως π.χ. το AC ρεύμα εκπομπού συμβολίζεται με i e ενώ το DC με I E. Στη DC ανάλυση η τάση βάσης-εκπομπού θεωρήθηκε σταθερή και ίση με 0.7V. Η εσωτερική αντίσταση εκπομπού του τρανζίστορ, συνεπώς, δίνεται από τη σχέση: VBE R E = (8) I E 21

22 Για την AC ανάλυση η εσωτερική AC αντίσταση εκπομπού είναι πολύ σημαντική γιατί συνδέει την DC ανάλυση με την AC ανάλυση και αποδεικνύεται ότι δίνεται από τη σχέση: 25mV re = (9) I E που είναι σταθερή για όλα τα τρανζίστορ για λειτουργία μικρού σήματος. Το AC κέρδος ρεύματος, β, δίνεται στα φυλλάδια προδιαγραφών των τρανζίστορ με το συμβολισμό h fe και είναι διαφορετικό από το DC κέρδος ρεύματος που συμβολίζεται h FE. Το AC κέρδος ρεύματος δίνεται από τη σχέση: Δ IC ic β = = (10) Δ I B ib Η εσωτερική αντίσταση εκπομπού r e μεταφέρεται για τους υπολογισμούς στη βάση του τρανζίστορ σε σειρά με την βr e και παίρνει την τιμή β r e Επιπλέον το τρανζίστορ θεωρείται σαν μια πηγή ρεύματος με φορά από το συλλέκτη προς τον εκπομπό με ρεύμα i c =i e =βi b. Έτσι, το AC ισοδύναμο κύκλωμα του Σχήματος 6γ μετασχηματίζεται σε αυτό του Σχήματος 7. R G i b i c V G R 1 R 2 β(r e +r e ) v b βib R C R L v c Σχήμα 7. AC ισοδύναμο κύκλωμα του ενισχυτή κοινού εκπομπού. Η αντίσταση συλλέκτη είναι ίση με: RCRL rc = R + R C L Η τάση v ce είναι ίση με την τάση εξόδου v out και ισχύει: (11) v ce = v = i r = βi r (12) out c c b c 22

23 6. AC Γραμμή Φορτίου και Τάξεις Λειτουργίας Η AC γραμμή φορτίου είναι διαφορετική από την DC γραμμή φορτίου γιατί η αντίσταση συλλέκτη είναι διαφορετική. Για το AC ρεύμα συλλέκτη κόρου είναι: VCEQ I Csat = ICQ + (13) rc και η AC τάση συλλέκτη εκπομπού για το σημείο αποκοπής είναι: V = V + I r (14) CEcutoff CEQ CQ C Όπου V CEQ και I CEQ οι τιμές της τάσης και του ρεύματος λειτουργίας που προκύπτουν από την DC ανάλυση. Λειτουργία σε τάξη Α σημαίνει ότι το τρανζίστορ άγει όλον το χρόνο της περιόδου μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής εισόδου χωρίς να έρχεται στον κόρο ή την αποκοπή. 7. Κέρδος Τάσης και Σύνθετες Αντιστάσεις Η σύνθετη αντίσταση εισόδου της βάσης είναι ίση με: z = β ( r + r ) (15) in( base) e e Η σύνθετη αντίσταση εισόδου του ενισχυτή δίνεται από την ολική αντίσταση των παράλληλων αντιστάσεων και είναι: R1R2 β ( re + re ) zin = (16) R R + R β ( r + r ) + R β ( r + r ) e e 2 e e Το κέρδος τάσης του ενισχυτή υπολογίζεται από τη σχέση: vout icrc rc AV = = = v i ( r + r ) r + r in e e e e e (17) Η αντίσταση r e περιορίζει το κέρδος του ενισχυτή αλλά παρέχει σταθερότητα στη λειτουργία του στις μεταβολές του β. Όσο μεγαλύτερη 23

24 είναι η r e τόσο μικρότερο είναι το κέρδος αλλά όταν r e >> re τότε οι μεταβολές της r e που εξαρτώνται από το β ελαττώνονται κατά πολύ. R1=5.6kΩ + V CC =12V _ R =2.2kΩ C R2=100kΩ R3=8.7kΩ R4=4.7kΩ R G In + R =10kΩ r =100Ω e Q C =100μF 2 + Out R L=100kΩ R5=1kΩ V G C =10μF 1 R =150Ω E + C=470μF Σχήμα 8. Πειραματική ανάλυση ενισχυτή τρανζίστορ. 8. Πειραματική Άσκηση 1. Συναρμολογήστε το κύκλωμα του Σχήματος Δώστε από το τροφοδοτικό τάση V CC =12V. 3. Σχεδιάστε τη γραμμή φορτίου του κυκλώματος αυτού τοποθετώντας τις τιμές στους άξονες I C και V CE. 4. Τοποθετήστε το διακόπτη στη θέση Μετρήστε και καταγράψτε την τάση V CE και στη συνέχεια το ρεύμα I C. 6. Σχεδιάστε στη γραμμή φορτίου το σημείο λειτουργίας που βρήκατε. Επίσης, μετρήστε το ρεύμα Ι Ε και συγκρίνετέ το με το I C. Σε ποιά περιοχή λειτουργεί το τρανζίστορ; 24

25 7. Μετακινήστε τώρα το διακόπτη στη θέση Μετρήστε και καταγράψτε την τάση V CE, στη συνέχεια το ρεύμα I C του τρανζίστορ και σχεδιάστε στη γραμμή φορτίου το σημείο λειτουργίας που βρήκατε. 9. Σε ποιά περιοχή λειτουργεί τώρα το τρανζίστορ; 10. Συνδέστε τη γεννήτρια συχνοτήτων V G στο σημείο που δείχνει το Σχήμα 8 και ρυθμίστε την για ημιτονοειδή κυματομορφή συχνότητας 1KHz και πλάτους 100mV. 11. Συνδέστε τα δύο κανάλια του παλμογράφου, την είσοδο και την έξοδο, αντίστοιχα, και σχεδιάστε σε χαρτί μιλιμετρέ τις κυματομορφές της τάσης εισόδου και εξόδου. 12. Τι παρατηρείτε στη φάση της τάσης εξόδου σε σχέση με αυτήν της τάσης εισόδου; Μπορείτε να δώσετε μια εξήγηση για αυτό; 13. Σε ποιά τάξη λειτουργεί αυτός ο ενισχυτής; 14. Μετρήστε το πλάτος της τάσης εισόδου στο σημείο In και της τάσης εξόδου στο σημείο Out και υπολογίστε το κέρδος τάσης. 15. Αυξήστε την τάση εξόδου της γεννήτριας συχνοτήτων. Για ποια τιμή πλάτους της τάσης εισόδου αρχίζει να παραμορφώνεται η τάση εξόδου του ενισχυτή και πόση είναι η τιμή του πλάτους της τάσης εξόδου λίγο πριν αρχίσει η παραμόρφωση. 16. Τοποθετήστε το διακόπτη στη θέση 3 και το πλάτος της τάσης εξόδου της γεννήτριας στα 100mV και βρείτε ξανά το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. 17. Τι παρατηρείτε στην τάση εξόδου σε σχέση με την τάση εισόδου και γιατί; 18. Τοποθετήστε το διακόπτη στη θέση 4 και βρείτε ξανά το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. Σε ποιά περιοχή λειτουργεί; 25

26 ΤΡΙΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ (I) ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΕΩΣ ΠΕΔΙΟΥ KAI (II) ΘΥΡΙΣΤΟΡ 1. Τρανζίστορ Επιδράσεως Πεδίου (Field Effect Transistor FET) 1.1 Συνοπτική Θεωρία για τα FET Το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) είναι ένα ημιαγωγικό στοιχείο, στο οποίο η ροή του ρεύματος ελέγχεται από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Τα FET χωρίζονται σε δύο κατηγορίες. Τα FET τύπου n, στα οποία ο δίαυλος αποτελείται από πυρίτιο τύπου n και στα FET τύπου p, στα οποία ο δίαυλος αποτελείται από πυρίτιο τύπου p. Επίσης, μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως εξής: σε FET επαφής (Junction FET - JFET) και σε FET μονωμένης πύλης (MOSFET). Μια ακόμη κατηγοριοποίηση που μπορεί να γίνει στα FET είναι σε τύπου αραίωσης (depletion) και τύπου εμπλουτισμού (enhancement), ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους. Το σχηματικό διάγραμμα ενός τρανζίστορ επιδράσεως πεδίου, n-καναλιού φαίνεται στο Σχήμα 1α. Σε αυτό διακρίνονται οι τρεις ακροδέκτες του: ο Απαγωγός (Drain), η Πηγή (Source) και η Πύλη (Gate). Στο Σχήμα 1β φαίνεται ένα JFET σε φυσική διάταξη. D (Απαγωγός) ΒF244 G (Πύλη) S (Πηγή) S G D (α) (β) Σχήμα 1. FET : (α) κυκλωματικό σύμβολο και (β) φυσική διάταξη. 26

27 1.2 Χαρακτηριστικές Καμπύλες των FETs - Σημείο Ηρεμίας Η καμπύλη διαγωγιμότητας ενός FET είναι η γραφική παράσταση του ρεύματος του απαγωγού Ι D σε σχέση με την τάση μεταξύ πύλης και πηγής V GS. Η τυπική καμπύλη διαγωγιμότητας, η οποία φαίνεται στο Σχήμα 2, περιγράφεται από την ακόλουθη σχέση: 2 V = 1 GS I D I DSS (1) VGS ( off ) όπου Ι DSS είναι το μέγιστο ρεύμα απαγωγού που μπορεί να δώσει το FET, και αυτό συμβαίνει με βραχυκυκλωμένη την πύλη με την πηγή και V GS(off) είναι η τάση αποκοπής πύλης-πηγής. I D I DSS V GS(off) V GS Σχήμα 2. Τυπική καμπύλη διαγωγιμότητας FET. Οι χαρακτηριστικές καμπύλες του απαγωγού φαίνονται στο Σχήμα 3. Στις καμπύλες αυτές διακρίνονται τέσσερις περιοχές, όπως και στις αντίστοιχες καμπύλες του διπολικού τρανζίστορ. Αυτές είναι (από αριστερά προς τα δεξιά): η περιοχή αποκοπής, η ωμική περιοχή, η ενεργός περιοχή και η περιοχή κατάρρευσης. 27

28 ID V GS5 V GS4 V GS3 V GS2 V GS1 VDS Σχήμα 3. Χαρακτηριστικές καμπύλες απαγωγού FET. Το σημείο ηρεμίας Q είναι η τομή της γραμμή φορτίου του JFET και μίας από τις καμπύλες του απαγωγού (κάθε μια αντιστοιχεί σε μια τιμή της V GS ). Η γραμμή φορτίου εξαρτάται από την τάση πόλωσης V DD και από την αντίσταση R D, δηλαδή, από στοιχεία που εμείς επιλέγουμε. Στο Σχήμα 4 φαίνεται η γραμμή φορτίου για τάση τροφοδοσίας V DD και αντίσταση φορτίου R D. Όπως φαίνεται και στο Σχήμα όταν θέλουμε να λειτουργήσουμε το JFET σαν αντίσταση θα πρέπει να επιλέγουμε το σημείο ηρεμίας στην ωμική περιοχή. Αντίθετα, όταν θέλουμε να λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος το πολώνουμε στην ενεργό περιοχή. 28

29 I D V GS5 V DD R D V GS4 Q V GS3 V GS2 V GS1 Σχήμα 4. Γραμμή φορτίου. V DD VDS 1.3 Αυτοπόλωση JFET Ένα χαρακτηριστικό είδος πόλωσης του JFET είναι η αυτοπόλωση, αντίστοιχη της οποίας δεν έχουμε στα διπολικά τρανζίστορ. Στο Σχήμα 5 φαίνεται η βασική συνδεσμολογία ενός JFET σε αυτοπόλωση. Εφόσον η πύλη γειώνεται μέσω της αντίστασης R G, η τάση της πύλης είναι μηδέν. Εξαιτίας όμως του ρεύματος που ρέει μέσω της αντίστασης R S, υπάρχει μια τάση στα άκρα αυτής και, συνεπώς, μια τάση μεταξύ πύλης και πηγής. Στην άσκηση αυτή θα γίνει ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός ενισχυτή χρησιμοποιώντας ένα τρανζίστορ JFET σε αυτοπόλωση. 29

30 V DD R L R G R S Σχήμα 5. Αυτοπόλωση JFET. Σε ένα αυτοπολωμένο JFET η τάση στα άκρα της αντίστασης R S, είναι: V S = I D R S (2) και συνεπώς η τάση μεταξύ πύλης και πηγής είναι: V GS = -I D R S (3) Η εξίσωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με την καμπύλη διαγωγιμότητας για το γραφικό προσδιορισμό του σημείου ηρεμίας. 1.4 Κατασκευή του Ενισχυτή Στο Σχήμα 6 δίνεται ένας ενισχυτής κοινής πηγής (CS) με το τρανζίστορ JFET, του οποίου η καμπύλη διαγωγιμότητας δίνονται στο Σχήμα 7. Οι πυκνωτές 1μF στην είσοδο και στην έξοδο ονομάζονται πυκνωτές σύζευξης και επιτρέπουν τη διέλευση μόνο της AC συνιστώσας του σήματος. Ο πυκνωτής 100μF από την πηγή στη γείωση ονομάζεται πυκνωτής παράκαμψης και χρησιμεύει για την αύξηση του AC κέρδους. 30

31 V =15V DD 2.2kΩ 1μF + 1μF Vo Vi + BF244 R = 5kΩ L + 220kΩ 2.2kΩ 100μF Σχήμα 6. Κύκλωμα ενισχυτή. I (ma) D V (V) GS Σχήμα 7. Καμπύλη διαγωγιμότητας του JFET του ενισχυτή. 1. Κατασκευάστε το κύκλωμα του ενισχυτή του Σχήματος 6. Συνδέστε τη γεννήτρια στην είσοδο του ενισχυτή και ρυθμίστε τη συχνότητα στο 1kHz και το πλάτος στα 50mV. Ρυθμίστε την αντίσταση φορτίου, ώστε να είναι άπειρη (αποσυνδέστε την R L ). Με το ένα κανάλι του παλμογράφου παρακολουθήστε την είσοδο και με το άλλο την έξοδο. Τι 31

32 παρατηρείτε; Το πλάτος του σήματος εξόδου θα πρέπει να είναι ενισχυμένο. 2. Με βάση αυτά που είπαμε παραπάνω, υπολογίστε γραφικά το σημείο ηρεμίας του κυκλώματος πάνω στην καμπύλη διαγωγιμότητας του Σχήματος Στο Σχήμα 8 φαίνονται οι κυματομορφές εισόδου και εξόδου πάνω στην καμπύλη διαγωγιμότητας. Παρατηρήστε ότι όταν V i =0 το σημείο λειτουργίας του JFET είναι το Q, ενώ όταν η είσοδος μεταβάλλεται πάνω και κάτω από το σημείο λειτουργίας, η έξοδος την ακολουθεί κατά τον ίδιο τρόπο. Επίσης, παρατηρήστε ότι μεταξύ εισόδου και εξόδου υπάρχει μια διαφορά φάσης 180. I D I DSS VGS(off) Q V GS V i t Vo t Σχήμα 8. Η έξοδος σε σχέση με την είσοδο. Μπορείτε να εξηγήσετε πρακτικά γιατί υπάρχει αυτή η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου; 4. Μετρήστε τη V o και υπολογίστε το κέρδος V ο /V i στο σημείο λειτουργίας. 5. Συνδέστε το ποτενσιόμετρο 5ΚΩ (R L ) στην έξοδο του κυκλώματος. Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο έτσι ώστε η V o να είναι ίση με τη μισή τιμή της V o που μετρήσατε στο βήμα Αποσυνδέστε το ποτενσιόμετρο και με το πολύμετρο μετρήστε την αντίστασή του. Με τι είναι ισοδύναμη αυτή η αντίσταση; 32

33 2. Θυρίστορ 2.1 Συνοπτική Θεωρία Θυρίστορ Το κυκλωματικό σύμβολο ενός θυρίστορ απλής φοράς (SCR) φαίνεται στο Σχήμα 9α. Όπως βλέπετε αυτό μοιάζει με μία δίοδο που έχει έναν επιπλέον ακροδέκτη. Ο ακροδέκτης αυτός ονομάζεται πύλη και από αυτήν "ελέγχεται η εκκίνηση" του θυρίστορ. Συγκεκριμένα, για να άγει το θυρίστορ, θα πρέπει η τάση μεταξύ ανόδου Α και καθόδου Κ να είναι μεγαλύτερη από 0.7V, όπως και σε μια κοινή δίοδο. Επιπλέον, σε μια δεδομένη χρονική στιγμή θα πρέπει να υπάρξει ένας παλμός ρεύματος στην πύλη G (ρεύμα σκανδαλισμού), ο οποίος θέτει το θυρίστορ σε κατάσταση αγωγής. Όταν το θυρίστορ αρχίσει να άγει δε χρειάζεται πλέον το ρεύμα στην πύλη. Θα σταματήσει να άγει μόνο όταν η τάση ανόδου-καθόδου γίνει μικρότερη από 0.7V. Εξαιτίας αυτής της ιδιότητάς τους τα θυρίστορ χρησιμοποιούνται ευρύτατα σε συστήματα ελέγχου, ρύθμισης ηλεκτρικής ενέργειας, προστασίας κλπ. Στο Σχήμα 9β φαίνεται ένα SCR σε φυσική διάταξη, με σημειωμένους τους ακροδέκτες του Α, Κ και G. G (Πύλη) Α ( Άνοδος) K (Κάθοδος) Κ Α G (α) (β) Σχήμα 9. Θυρίστορ: (α) κυκλωματικό σύμβολο και (β) φυσική διάταξη. 2.2 Κυκλώματα με Θυρίστορ Στο παρακάτω πείραμα θα κατασκευάσετε ορισμένα απλά κυκλώματα με θυρίστορ απλής φοράς. Η εργασία πάνω στα κυκλώματα αυτά θα βοηθήσει στην κατανόηση της λειτουργίας του SCR, όπως αυτή περιγράφτηκε παραπάνω. 33

34 1. Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 10. Ρυθμίστε την τάση του τροφοδοτικού στην τιμή των 6V. Πιέστε στιγμιαία το διακόπτη. Ανάβει ο λαμπτήρας; Παραμένει αναμμένος; Εξηγήστε γιατί. Αντιστρέψτε τώρα την πολικότητα του τροφοδοτικού και πιέστε πάλι το διακόπτη. Τι συμβαίνει; Εξηγήστε γιατί. E Λ Δ Σχήμα 10. Κύκλωμα θυρίστορ Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 11 και τροφοδοτήστε το με τάση 6.3V από το μετασχηματιστή. Ανάβει ο λαμπτήρας; Πιέστε στιγμιαία το διακόπτη. Παραμένει ο λαμπτήρας αναμμένος, όταν ο διακόπτης είναι ανοικτός; Γιατί; V Λ Δ D R = 100 Ω Σχήμα 11. Κύκλωμα θυρίστορ Κατασκευάστε το κύκλωμα του Σχήματος 12. Τροφοδοτήστε το κύκλωμα με εναλλασσόμενη τάση 6.3V που παίρνετε από το μετασχηματιστή. Ρυθμίστε τη φωτεινότητα του λαμπτήρα μεταβάλλοντας την τιμή του ροοστάτη. Συνδέστε τον παλμογράφο στα άκρα του λαμπτήρα (παράλληλα) και παρατηρήστε τη μεταβολή στην κυματομορφή μεταβάλλοντας την τιμή του ροοστάτη. 34

35 Λ R = 50 kω D1 V C = 0.5 μf + D2 Σχήμα 12. Κύκλωμα θυρίστορ 3. 35

36 ΤΕΤΑΡΤΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ MULTISIM - ELECTRONIC WORKBENCH Εισαγωγή 1.1 Γενικά για το Πρόγραμμα Electronic Workbench 7.0 Το πρόγραμμα Electronic Workbench είναι ένα εργαλείο σχεδιασμού και προσομοίωσης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Παρέχει τη δυνατότητα σχεδιασμού οποιουδήποτε κυκλώματος, ανεξαρτήτως πολυπλοκότητας, και τον έλεγχο απόκρισής του μέσω ενός μεγάλου συνόλου οργάνων που διαθέτει. Όλη η φιλοσοφία του προγράμματος είναι να αντιγράψει ακριβώς τις διαδικασίες που ακολουθεί κάποιος σε ένα εργαστήριο, δίνοντας στο χρήστη όλες τις δυνατότητες ενός πλήρως εξοπλισμένου εργαστηρίου μέσα στον υπολογιστή του. Έτσι, για να μπορέσει να ολοκληρωθεί ένα κύκλωμα στο Electronic Workbench, πρέπει ο χρήστης όπως και στο εργαστήριο να ακολουθήσει τα ακόλουθα βασικά βήματα: Επιλογή των κατάλληλων υλικών στοιχείων του κυκλώματος Τοποθέτησή τους πάνω στην επιφάνεια εργασίας Καλωδίωση και διασύνδεση των στοιχείων Επιλογή των κατάλληλων οργάνων μέτρησης Διασύνδεση των οργάνων μέτρησης πάνω στο κύκλωμα Κλείσιμο του διακόπτη παροχή τροφοδοσίας στο κύκλωμα Ο σχεδιασμός του κυκλώματος γίνεται με την απλή τοποθέτηση στο χαρτί του σχεδίου των εικονιδίων των ηλεκτρονικών στοιχείων που επιλέγει ο χρήστης, μέσα από μια μεγάλη βιβλιοθήκη στοιχείων που διαθέτει το πρόγραμμα. Στη βιβλιοθήκη αυτή υπάρχουν όλα τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα που υπάρχουν στο εμπόριο, όπως αντιστάσεις, πυκνωτές, δίοδοι τρανζίστορ, ολοκληρωμένα κυκλώματα, πηγές 36

37 τροφοδοσίας κλπ. σε όλες τις επιθυμητές τιμές. Επιπλέον, δίνεται η δυνατότητα στο χρήστη να φτιάξει τα δικά του ηλεκτρονικά στοιχεία. Αφού τοποθετηθούν τα στοιχεία πάνω στο χαρτί σχεδίασης, συνδέονται με αγωγούς (καλώδια) τους οποίους τοποθετεί ο χρήστης. Η όλη διαδικασία είναι απολύτως ανάλογη με τη δημιουργία του κυκλώματος σε ένα πραγματικό εργαστήριο. Ο έλεγχος του κυκλώματος γίνεται με μια πλειάδα από ηλεκτρονικά όργανα μέτρησης που διαθέτει το πρόγραμμα: πολύμετρα, παλμογράφους, γεννήτριες συχνοτήτων, συχνόμετρα, αναλυτές φάσματος καθώς και πολλά άλλα. Ο χρήστης τοποθετεί το όργανο μέτρησης στο σημείο που θέλει, όπως θα έκανε και στην πραγματικότητα, και το πρόγραμμα απεικονίζει την ένδειξη της τιμής που μετράει το συγκεκριμένο όργανο, για κάθε χρονική στιγμή. 1.2 Περιγραφή της Επιφάνειας Εργασίας του Προγράμματος Γραμμή μενού Βασική γραμμή εργαλείων Διακόπτης τροφοδοσίας κυκλώματος (ON/OFF) Γραμμές ηλεκτρονικών στοιχείων Γραμμή οργάνων μέτρησης Επιφάνεια σχεδιασμού του κυκλώματος 37

38 Πηγές - γειώσεις Πολύμετρο Αντιστάσεις Πυκνωτές Πηνία Γεννήτρια Δίοδοι Βαττόμετρο Γραμμή ηλεκτρονικών στοιχείων Τρανζίστορ Τελεστικοί ενισχυτές Ψηφιακά TTL Ψηφιακά CMOS Διάφορα Ψηφιακά Στοιχεία Διάφορα στοιχεία RF Παλμογράφος Παλμογράφος 4 καναλιών Συχνόμετρο Αναλυτής φάσματος Γραμμή οργάνων μέτρησης Η γραμμή ηλεκτρονικών στοιχείων περιέχει στοιχεία από τις βιβλιοθήκες του προγράμματος οι οποίες περιλαμβάνουν στοιχεία που υπάρχουν στο εμπόριο. Με άλλα λόγια, υπάρχουν συγκεκριμένες μόνο τιμές αντιστάσεων, πυκνωτών, πηνίων κλπ. που μπορούμε να επιλέξουμε και είναι αυτές που θα μπορούσαν να βρεθούν σε ένα κατάστημα ηλεκτρονικών. Κατά την εισαγωγή ηλεκτρονικών στοιχείων από τη γραμμή στοιχείων εμφανίζεται το ακόλουθο παράθυρο επιλογής στοιχείων: 38

39 Σύμβολο στοιχείου Κατηγορία στοιχείων Είδος στοιχείου Διαθέσιμα στοιχεία Σε περίπτωση που επιθυμούμε να εισάγουμε τιμές για ορισμένα στοιχεία οι οποίες δεν κυκλοφορούν στην αγορά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη γραμμή εικονικών στοιχείων (αριστερά). Στη γραμμή αυτή περιλαμβάνονται όλα σχεδόν τα στοιχεία που βρίσκουμε και στη γραμμή στοιχείων, μόνο που δε διαθέτουν προκαθορισμένες τιμές. Αντίθετα, εδώ ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ποια θα είναι η τιμή του κάθε στοιχείου. Έτσι, μπορούν να κατασκευαστούν στοιχεία που δεν κυκλοφορούν στο εμπόριο, όπως π.χ. μια αντίσταση 1.4Ω (υπάρχουν μόνο 1.3Ω και 1.5Ω). Κάνοντας κλικ σε οποιοδήποτε στοιχείο και από τις τρεις γραμμές (στοιχείων, εικονικών στοιχείων και οργάνων μέτρησης) εμφανίζεται το εκάστοτε στοιχείο στο χώρο σχεδίασης. 39

40 Κάθε στοιχείο που εισάγουμε στην περιοχή σχεδίασης αποτελείται από 3 μέρη: Όνομα στοιχείου στο κύκλωμα Σύμβολο στοιχείου Είδος και τιμή στοιχείου Κάνοντας διπλό κλικ επάνω στο στοιχείο εμφανίζεται το μενού των ιδιοτήτων του. Επιλέγοντας το Edit Model μπορούμε να αλλάξουμε τις τιμές του στοιχείου και να δώσουμε τις επιθυμητές. 40

41 Πλησιάζοντας το ποντίκι κοντά στα άκρα κάθε στοιχείου το βελάκι εξαφανίζεται και εμφανίζεται ένας σταυρός, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα. Κάτι τέτοιο είναι ένδειξη ότι μπορούμε να ξεκινήσουμε μια σύνδεση του στοιχείου αυτού με κάποιο άλλο στοιχείο του κυκλώματος. Πρόκειται δηλαδή στην ουσία για σύνδεση με αγωγό (καλώδιο) του παρόντος στοιχείου με κάποιο άλλο. Για κάθε όργανο μέτρησης που τοποθετούμε στην επιφάνεια σχεδιασμού ισχύουν τα ίδια πράγματα που ισχύουν και για τα ηλεκτρονικά στοιχεία. Δηλαδή, μπορούμε με διπλό κλικ να εμφανίζουμε το μενού των ιδιοτήτων τους και μέσω αυτού να επιλέγουμε τις διάφορες ιδιότητές τους. Για παράδειγμα, στην ακόλουθη εικόνα φαίνονται τα χαρακτηριστικά της γεννήτριας συχνοτήτων. Για να μπορέσει να λειτουργήσει ένα κύκλωμα, πρέπει οπωσδήποτε να υπάρχει γείωση. Για να ξεκινήσει η προσομοίωση του κυκλώματος και να είναι δυνατός ο έλεγχός του μέσα από τα όργανα μέτρησης που επιλέγουμε, πρέπει να τροφοδοτήσουμε το κύκλωμα με ρεύμα. Αυτό γίνεται με τον κεντρικό διακόπτη τροφοδοσίας που βρίσκεται δίπλα από τη βασική γραμμή εργαλείων. Όπως και στο πραγματικό εργαστήριο, έτσι και εδώ, δεν επιτρέπεται να κάνουμε τροποποιήσεις στο κύκλωμα την ώρα που έχουμε αυτόν το διακόπτη στο ON. Για να κάνουμε οποιαδήποτε αλλαγή πρέπει ο διακόπτης τροφοδοσίας να είναι στο OFF. 41

42 1.3 Διάφορες Γενικές Οδηγίες Υπάρχει μια μικρή ασυμφωνία αναφορικά με τη μονάδα «μίκρο» την οποία συμβολίζουμε με το σύμβολο μ. Στο πρόγραμμα η μονάδα αυτή αναφέρεται ως u. Ισχύει δηλαδή ότι: 1u = 1μ Για να τοποθετήσουμε έναν κόμβο (junction) πατάμε Ctrl+J. Για να μπορέσουμε να περιστρέψουμε το σχήμα ενός στοιχείου πάνω στο κύκλωμα, κάνουμε διπλό κλικ πάνω στο σύμβολο του στοιχείου. Τότε εμφανίζεται το μενού με τις ιδιότητες του σχήματος, από το οποίο μπορούμε να επιλέξουμε το χρώμα του σχήματος, καθώς και να το περιστρέψουμε ανάλογα με τις απαιτήσεις του κυκλώματος (επιλογές Flip και Clockwise Counter-Clockwise). Ο παλμογράφος του προγράμματος έχει τα χαρακτηριστικά ενός κανονικού παλμογράφου. Κάνοντας διπλό κλικ πάνω στο σχήμα του, εμφανίζεται η οθόνη. Πάνω της μπορούμε να ελέγξουμε τα sec/div και τα volt/div έτσι ώστε να έχουμε την επιθυμητή απεικόνιση. 42

43 2. Ηλεκτρονικό Κύκλωμα για Ενίσχυση της Ακοής Το ακόλουθο κύκλωμα είναι ένα ενισχυτικό ακοής κατασκευασμένο από στοιχεία που μελετήθηκαν στις προηγούμενες εργαστηριακές ασκήσεις. Είναι μια απλή και πρακτική συσκευή η οποία μπορεί εύκολα να κατασκευαστεί στο εργαστήριο. Γ Α Β Δ Χαρακτηριστικά κυκλώματος R1,R8 10K 1/4W Resistors R2 1M 1/4W Resistor R3 4K7 1/4W Resistor R4,R7 100K 1/4W Resistors R5 3K9 1/4W Resistor R6 1K5 1/4W Resistor C1,C2 100nF 63V Polyester or Ceramic Capacitors C3,C6 1µF 63V Polyester or Ceramic Capacitors C4 10µF 25V Electrolytic Capacitor C5 470µF 25V Electrolytic Capacitor D1 1N V 150mA Diode Q1,Q2,Q3 BC547 45V 100mA NPN Transistors Q4 BC337 45V 800mA NPN Transistor F1 Function Generator (1KHz ~, 1mV) B1 1.5V Battery (AA or AAA cell etc.) 43

44 2.1 Περιγραφή του κυκλώματος Το κύκλωμα αποτελείται από 2 μέρη: 1. Το ενισχυτικό μέρος, το οποίο ενισχύει τους ήχους που δέχεται το μικρόφωνο. 2. Το ρυθμιστικό μέρος το οποίο ρυθμίζει το κέρδος ενίσχυσης. Το ενισχυτικό μέρος αποτελείται από δύο βαθμίδες ενίσχυσης. Αυτές οι βαθμίδες υλοποιούνται από τα τρανζίστορ Q1 και Q2 αντίστοιχα, τα οποία λειτουργούν στην ενεργό περιοχή. Στην πρώτη βαθμίδα γίνεται μια αρχική ενίσχυση του σήματος, ενώ στη δεύτερη γίνεται η τελική ενίσχυση. Το ρυθμιστικό μέρος είναι η σημαντικότερη καινοτομία του κυκλώματος. Ένα τέτοιο κύκλωμα θα ήταν ουσιαστικά άχρηστο αν ενίσχυε οποιοδήποτε ήχο με την ίδια ένταση. Στην περίπτωση αυτή, αν τη στιγμή που ενισχύεται ένας ήχος χαμηλής έντασης ακουστεί ένας υψηλής έντασης, η ενίσχυση του ισχυρού σήματος θα οδηγήσει σε τεράστια έξοδο με αποτέλεσμα είτε να είναι αδύνατο τα ηχεία να αποδώσουν αυτήν την ένταση, με αποτέλεσμα να «μπουκώσουν», είτε να παραχθεί ήχος ενοχλητικός για την ανθρώπινη ακοή ο οποίος θα μπορούσε να προκαλέσει σοβαρές βλάβες στο χρήστη. Το επιθυμητό θα ήταν οι χαμηλοί ήχοι να ενισχύονται ισχυρά, ενώ οι ισχυροί ήχοι να ενισχύονται ασθενέστερα. Αυτό γίνεται από το τρανζίστορ Q3 και τον κύκλο ανάδρασης με την αντίσταση R2. Πιο συγκεκριμένα, το Q3 μεταβάλει την πόλωση της πρώτης βαθμίδας ενίσχυσης (δηλαδή του Q1) μέσω της αντίστασης R2. Αυτό οδηγεί σε μεταβολή του AC κέρδους του Q1. Μεταβάλλοντας την πρώτη βαθμίδα ενίσχυσης, μεταβάλλεται και το τελικό αποτέλεσμα. Έτσι, το κύκλωμα αυτό δίνει πάντα σχεδόν σταθερό πλάτος εξόδου (σταθερή ένταση ήχου). Αν κατά τη διάρκεια λειτουργίας του κυκλώματος έρθει ισχυρό σήμα και παραχθεί ισχυρή ενίσχυση, το Q3 επηρεάζει την R2 και αλλάζει την πόλωση του Q1, μειώνοντας το κέρδος του και κατά συνέπεια το πλάτος εξόδου. 2.2 Κατασκευή του κυκλώματος Το κύκλωμα του παραπάνω Σχήματος είναι ιδανικό για προσομοίωση. Για να λειτουργήσει υπό κανονικές συνθήκες, πρέπει να γίνουν ορισμένες προσαρμογές. 1. Στη θέση της γεννήτριας συχνοτήτων F1 είναι απαραίτητο να τοποθετηθεί ένα μικρόφωνο που αισθάνεται τους εξωτερικούς ήχους οι οποίοι πρόκειται να ενισχυθούν. 44

45 2. Στη θέση εξόδου OUT θα πρέπει να υπάρχει υποδοχή για βύσμα Stereo 3mm Jack socket (θηλυκό καρφί για βύσμα στέρεο) το οποίο θα οδηγεί σε ακουστικά. Έτσι, το αποτέλεσμα της ενίσχυσης θα μπορεί να ξαναμετατραπεί σε ήχο και να φτάσει στα αφτιά μας. Το κύκλωμα λειτουργεί με τροφοδοσία 1.5V η οποία παρέχεται από μπαταρίες τύπου ΑΑ ή ΑΑΑ. 2.3 Τροποποιήσεις για προσομοίωση στο Workbench Για να μπορέσουμε να εξετάσουμε τη λειτουργία του κυκλώματος στο πρόγραμμα Electronic Workbench, μια και είναι αδύνατο να τοποθετήσουμε μικρόφωνο που θα δέχεται πραγματικούς ήχους, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μια γεννήτρια συχνοτήτων. Η γεννήτρια είναι ρυθμισμένη για να παράγει ημιτονοειδή κυματομορφή συχνότητας 1KHz. Η συχνότητα αυτή έχει επιλεχθεί γιατί πλησιάζει τη συχνότητα της ανθρώπινης ομιλίας. Έτσι, προσεγγίζουμε την περίπτωση που το μικρόφωνο δέχεται τη φωνή κάποιου ανθρώπου και το κύκλωμα την ενισχύει. Το πλάτος της κυματομορφής έχει επιλεχθεί να είναι 1mV, γιατί τέτοια είναι περίπου η έξοδος ενός μικροφώνου. 3. Ερωτήσεις / Βήματα Εκτέλεσης Εργαστηριακής Άσκησης 1. Κατασκευάστε το κύκλωμα στο Electronic Workbench 7.0, στην επιφάνεια σχεδίασης, χρησιμοποιώντας υλικά από τη γραμμή στοιχείων, η οποία περιέχει υλικά που βρίσκονται στο εμπόριο. 2. Ρυθμίστε τη γεννήτρια συχνοτήτων στα 1KHz και 1mV ημίτονο. 3. Τοποθετήστε έναν παλμογράφο στο σημείο εισόδου Α, που είναι το σημείο στο οποίο έρχεται το σήμα από το μικρόφωνο (γεννήτρια στην περίπτωσή μας), και μετρήστε την τάση. Κάνετε τις απαραίτητες ρυθμίσεις για να φαίνεται η κυματομορφή σωστά στην οθόνη. 4. Τοποθετήστε δεύτερο παλμογράφο στο σημείο Β, που είναι το σημείο εξόδου της πρώτης βαθμίδας ενίσχυσης Q1. Συγκρίνετε την κυματομορφή στο σημείο B με την κυματομορφή εισόδου και βρείτε το λόγο κέρδους της πρώτης βαθμίδας ενίσχυσης. 5. Τοποθετήστε τρίτο παλμογράφο στο σημείο εξόδου του κυκλώματος (OUT το σημείο που θα συνδεθούν τα ακουστικά). Κάνετε τις απαραίτητες ρυθμίσεις για να φαίνεται η κυματομορφή σωστά στην οθόνη. 45

46 6. Συγκρίνετε την κυματομορφή στην έξοδο της πρώτης βαθμίδας Q1 (σημείο Β) με την κυματομορφή στην έξοδο και βρείτε το κέρδος της δεύτερης βαθμίδας ενίσχυσης Q2. 7. Ποια βαθμίδα από τις δύο ενισχύει περισσότερο; 8. Συγκρίνετε την κυματομορφή εισόδου και εξόδου και βρείτε το συνολικό λόγο ενίσχυσης του κυκλώματος. 9. Τοποθετήστε τέταρτο παλμογράφο στο σημείο Δ του κυκλώματος (σημείο ανάδρασης έλεγχος του κέρδους του Q1 μέσω της R2), ώστε να ελέγχετε συνεχώς το σήμα ρύθμισης κέρδους που στέλνει το Q3 στην R2. Κάνετε τις απαραίτητες ρυθμίσεις για να φαίνεται η κυματομορφή σωστά στην οθόνη (10ms/Div). Προσοχή: επιλέξτε DC απεικόνιση στον παλμογράφο αυτόν, ώστε να βλέπετε την τιμή του σήματος ανάδρασης. 10. Τη στιγμή που «τρέχει» το κύκλωμα και βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας, αυξήστε το πλάτος της γεννήτριας εισόδου σε 2mV (διπλασιασμός της έντασης του ήχου που καταγράφει το μικρόφωνο). 11. Περιγράψτε τι συμβαίνει στο σήμα ελέγχου του κέρδους (τρίτος παλμογράφος). 12. Περιγράψτε τι συμβαίνει στο σήμα εξόδου, αφού έρθει σε κατάσταση ηρεμίας. Αυξάνεται το πλάτος του σήματος εξόδου (αύξηση του ήχου στο ακουστικό) ή παραμένει σταθερό (σταθερή ένταση ήχου στο ακουστικό); Γιατί συμβαίνει αυτό; 13. Τη στιγμή που «τρέχει» το κύκλωμα και βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας, επαναφέρετε το πλάτος της γεννήτριας εισόδου σε 1mV (υποδιπλασιασμός της έντασης του ήχου που καταγράφει το μικρόφωνο). 14. Περιγράψτε τι συμβαίνει στο σήμα εξόδου. Να παρατηρήσετε πόση ώρα θέλει για να φτάσει στην κατάσταση ηρεμίας. Πότε το κύκλωμα επανέρχεται πιο γρήγορα σε κατάσταση ισορροπίας; Όταν αυξάνεται το σήμα εισόδου ή όταν μειώνεται; 15. Αυξάνοντας σταδιακά τα mv στη γεννήτρια εισόδου (π.χ. μέχρι 10 ή 20 mv) να παρατηρήσετε την απόκριση του κυκλώματος σε πιθανές αυξομειώσεις της έντασης του ήχου που καταγράφει το μικρόφωνο. Να έχετε υπ όψιν ότι σε πραγματικές συνθήκες οι αποκρίσεις είναι πολύ πιο γρήγορες από την προσομοίωση. 46

47 Άποψη του κυκλώματος σχεδιασμένο στο Electronic Workbench. 47

48 ΘΕΜΑΤΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ 48

49 ΠΡΩΤΟ ΘΕΜΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΤΡΟΦΟΔΟΤΙΚΟΥ ΙΣΧΥΟΣ (POWER SUPPLY) 1. Εισαγωγή Η πιο σημαντική εφαρμογή της διόδου είναι στο σχεδιασμό τροφοδοτικών ισχύος. Αυτά είναι απαραίτητα για τη λειτουργία οποιασδήποτε ηλεκτρονικής συσκευής. Ειδικότερα, παρέχουν τις κατάλληλες τάσεις και ρεύματα για την πόλωση των ηλεκτρονικών στοιχείων της συσκευής. Ζητείται να σχεδιάσετε ένα τροφοδοτικό το οποίο θα μετατρέπει τάση 110V AC, 60Ηz σε DC. Θα πρέπει να τηρήσετε τις ακόλουθες προδιαγραφές: Προδιαγραφές: 1. V out : όχι λιγότερο από 20V. 2. Κυμάτωση: περίπου 2V. 3. I load : 1A (μέγιστο). Να επιλέξετε: 1. Μέγεθος πυκνωτή (C). 2. Τάση μετασχηματιστή (V rms ). 3. Ασφάλεια ( Ι ). 4. Αντίσταση διαρροής. Συνδέεται παράλληλα με τον πυκνωτή εξομάλυνσης (φίλτρο) για να τον εκφορτίζει όταν το τροφοδοτικό αποσυνδέεται από το δίκτυο τροφοδοσίας (π.χ. ΔΕΗ). 5. Τιμή Ρεύματος μετασχηματιστή. Ερωτήσεις: Ποιά διαφορά θα παρατηρήστε στην έξοδο του κυκλώματος που σχεδιάσατε / κατασκευάσατε: 1. Αν η τροφοδοσία της κατασκευή σας γίνει 220V AC, 50Ηz. 2. Αν μια δίοδος στη γέφυρα του ανορθωτή καταστραφεί. Το σφάλμα μπορεί να είναι διακοπή ή βραχυκύκλωμα. 49

50 2. Σκελετός Κυκλώματος Το κύκλωμα του τροφοδοτικού ισχύος δείχνεται στο Σχήμα 1. Η ασφάλεια συνδέεται στο πρωτεύον τύλιγμα του μετασχηματιστή ώστε να προστατεύει από όσο το δυνατόν περισσότερα σφάλματα που στην περίπτωση αυτή περιλαμβάνουν σφάλματα στο μετασχηματιστή και το διακόπτη. Πάντα χρησιμοποιούμε μια γέφυρα ανορθωτών. Ο ημιανορθωτής ανήκει στο παρελθόν, όταν η δίοδος ήταν λυχνία και κατά συνέπεια ακριβό στοιχείο. Η αντίσταση διαρροής είναι χρήσιμη σε ένα εργαστηριακό τροφοδοτικό ισχύος το οποίο μπορεί να μην έχει φορτίο (δεν θα έχετε μηδενική τιμή στην τάση εξόδου μετά από μερικά δευτερόλεπτα από το κλείσιμο της τροφοδοσίας). Αυτός είναι και ο λόγος χρήσης της αντίστασης διαρροής. Πολλά τροφοδοτικά ισχύος είναι πάντα συνδεδεμένα με κάποιο φορτίο, τουλάχιστο με κάποιο ρυθμιστή τάσης (voltage regulator) και ίσως με το κύκλωμα το οποίο τροφοδοτούν. Σε αυτά τα τροφοδοτικά ισχύος είναι βέβαιο ότι οι πυκνωτές τους θα εκφορτιστούν και για αυτό δεν απαιτείται αντίσταση διαρροής. 1A slow blow 16V rms 4000μF 1K AC Σχήμα 1. Τυπικό κύκλωμα για το τροφοδοτικό ισχύος. 3. Τάση Μετασχηματιστή Η τάση εξόδου του δευτερεύοντος του μετασχηματιστή είναι η τιμή V out συν δύο πτώσεις τάσης διόδου που οφείλονται στη γέφυρα. Αν η τάση εξόδου είναι καθορισμένη V out =20V μετά την κυμάτωση, τότε V out(peak) =20+2 1=22V. Η πτώση τάσης στα άκρα της διόδου λαμβάνεται χονδρικά 1V. Στις εφαρμογές ισχύος τούτο είναι αληθές εξαιτίας των μεγάλων ρευμάτων που διαρρέουν τις διόδους. Συνεπώς, η τάση δευτερεύοντος του μετασχηματιστή θα πρέπει να είναι τουλάχιστον 22V και ως αποδεκτή τιμή δεχόμαστε την επόμενη ακέραιη τιμή δηλαδή 23V (Ο σχεδιασμός χειρίστης περίπτωσης λαμβάνει υπόψη του και μια ανοχή). Όταν προσδιορίζουμε ένα μετασχηματιστή δε χρησιμοποιούμε τιμές κορυφής αλλά ενεργές V rms. Η ενεργός τιμή καθορίζει μια DC τιμή που θα παρείχε την ίδια ισχύ με τη δεδομένη κυματομορφή. Για ημιτονοειδείς 50

51 κυματομορφές V (peak) =V rms /(2) 1/2. Συνεπώς, V rms =16V, στο δευτερεύον του μετασχηματιστή. Αν η τιμή αυτή είναι τυποποιημένη (αν δηλαδή μπορούμε να τη βρούμε στα καταστήματα υπάρχει δηλαδή διαθέσιμος μετασχηματιστής με αυτή την τιμή τάσης στο δευτερεύον), τότε την επιλέγουμε. Διαφορετικά, επιλέγουμε την αμέσως επόμενη ή χρησιμοποιούμε μετασχηματιστή με ρύθμιση της τάσης του δευτερεύοντος. 4. Πυκνωτής Στο Σχήμα 2 δείχνεται ξανά η κυματομορφή κυμάτωσης. Υπάρχουν ετικέτες που υπενθυμίζουν ότι το Δt εξαρτάται από τις περιστάσεις, όπως ερωτάται στην άσκηση αυτή. Χρησιμοποιούμε τη σχέση Ι=C(dv/dt) και λύνουμε ως προς C. Δt (Ευρώπη) Δt (Η.Π.Α.) Vcap Η.Π.Α. Ευρώπη Κυμάτωση Σχήμα 2. Κυματομορφές κυμάτωσης για τα δίκτυα τροφοδοσίας Η.Π.Α. και Ευρώπης. - dv ή ΔV, η κυμάτωση, είναι 2V. - dt ή ΔΤ είναι ο χρόνος μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών της κυματομορφής εισόδου: 1/(2*60Hz)=8ms. - Ι είναι το ρεύμα κορυφής: 1A. Αυτή η προδιαγραφή του ρεύματος φορτίου αντί της αντίστασης φορτίου μπορεί να φαίνεται περίεργη προς στιγμή. Όμως, στην πραγματικότητα είναι κάτι συνηθισμένο. Το τυπικό φορτίο για ένα ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό ισχύος είναι ένας ρυθμιστής τάσης, ένα κύκλωμα που κρατά την τάση εξόδου σταθερή. Αν το ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό ισχύος οδηγεί μια σταθερή αντίσταση, τότε παρέχει ένα σταθερό ρεύμα άσχετα από την κυμάτωση εισόδου και κατά συνέπεια κατά την ίδια χρονική στιγμή αντλεί ένα σταθερό ρεύμα από τον πυκνωτή-φίλτρο. Αντικαθιστώντας 51

52 αυτές τις τιμές παίρνουμε: C=I(Δt/Δv)=1A s/2v=4000μf. Αρκετά μεγάλη τιμή, αλλά πραγματοποιήσιμη. 5. Προσδιορισμός Τιμής της Ασφάλειας Το συγκεκριμένο τροφοδοτικό μειώνει την τάση από τα 110V σε 16V, με ανάλογη αύξηση του ρεύματος (περίπου 7 φορές). Κατά συνέπεια ένα ρεύμα 1Α στο δευτερεύον προϋποθέτει ένα ρεύμα 140mA περίπου στο πρωτεύον. Αυτός ο υπολογισμός του μέσου ρεύματος εισόδου υπο-εκτιμά το φαινόμενο θέρμανσης των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος καθώς και των ρευμάτων πρωτεύοντος και δευτερεύοντος του μετασχηματιστή. Επειδή τα ρεύματα αυτά λαμβάνονται υπό μορφή αιχμών (surges), η φόρτιση του πυκνωτή κατά τη διάρκεια μόνον τμήματος του πλήρους κύκλου, συνεπάγεται μεγάλα ρεύματα κατά τη διάρκεια των αιχμών. Αυτές οι αιχμές θερμαίνουν την ασφάλεια περισσότερο από ένα σταθερό ρεύμα που μεταφέρει την ίδια ισχύ και κατά συνέπεια απαιτείται να αυξήσουμε την ονομαστική τιμή της ασφάλειας κατά ένα παράγοντα συνήθως της τάξης 2 έως 4 και στη συνέχεια κατά ένα παράγοντα περίπου της τάξης του 2, ώστε να αποφύγουμε την τήξη της ασφάλειας κατά τη λειτουργία πλήρους φορτίου. Οι ασφάλειες προστατεύουν από βραχυκυκλώματα όπου τα ρεύματα έχουν πολλαπλάσιες τιμές από την ονομαστική. Ο πρακτικός κανόνας είναι ο ακόλουθος: Τιμή Ασφάλειας (Ρεύμα) = 140mA 4 (Για αιχμές Ρεύματος) 2 (Για την αποφυγή τήξης σε λειτουργία πλήρους φορτίου)=1.1α. Μια ασφάλεια βραδείας τήξης 1Α είναι κατάλληλη. Βραδείας τήξης επειδή όταν ανοίγουμε το τροφοδοτικό ο πυκνωτής φορτίζεται γρήγορα μέσα σε λίγους κύκλους. Εδώ έχουμε ροή μεγάλων ρευμάτων. Μια ασφάλεια ταχείας τήξης είναι πιθανόν να καεί κατά το άνοιγμα του τροφοδοτικού. Οι ασφάλειες βραδείας τήξης έχουν μεγαλύτερη θερμική μάζα και, συνεπώς, απαιτείται μεγαλύτερη διάρκεια υπερ-ρεύματος για να καεί. 6. Αντίσταση Διαρροής Τα καλοσχεδιασμένα τροφοδοτικά περιλαμβάνουν μια αντίσταση διαρροής ή κάποιο άλλο σταθερό φορτίο. Η τιμή της δεν είναι κρίσιμη. Χρησιμοποιούμε μια αντίσταση R που εκφορτίζει τον πυκνωτή-φίλτρο σε 52