ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ

Transcript

1 ΤΕΙ ΣΤΕΡΕΑΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ ΣΥΜΒΟΛΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΒΑΘΜΙΣΗ ΤΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΩΝ ΣΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΠΑΠΑΓΓΕΛΗΣ ΑΛΕΞΑΝΔΡΟΣ-ΙΩΑΝΝΗΣ

2 Πρόλογος Το παρόν εγχειρίδιο έχει σκοπό στην εκμάθηση σχεδίασης ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Για τον λόγο αυτό, είναι χωρισμένο σε δύο μέρη από τα οποία το πρώτο αναφέρεται στις βασικές γνώσεις που απαιτούνται, και το δεύτερο για τα πειράματα που θα γίνουν. Ειδικότερα, στο πρώτο μέρος περιγράφεται το θεωρητικό υπόβαθρο που θα χρειαστεί για το εργαστήριο, όπως τα ηλεκτρονικά στοιχεία, τα όργανα μέτρησης, οι συσκευές τροφοδοσίας, και τελικά οι γενικοί κανόνες για την επιτυχή διαδικασία του κάθε πειράματος. Στο δεύτερο μέρος υπάρχουν οι εργαστηριακές ασκήσεις που στην κάθε μία αναγράφεται ο σκοπός, οι γνώσεις που απαιτούνται, τα εξαρτήματα που θα χρησιμοποιηθούν και τα βήματα επίλυσης. Κλείνοντας, αυτό το εγχειρίδιο φτιάχτηκε από τον φοιτητή Αλέξανδρο Ιωάννη Παπαγγελή για την πτυχιακή εργασία του τμήματος Μηχανικών Τεχνολογίας Αεροσκαφών, με βοήθεια από τον καθηγητή Χαράλαμπο Λαμπρόπουλο.

3 Περιεχόμενα (περιεχόμενα)

4 Μέρος Πρώτο: Απαραίτητες Γνώσεις Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αντίσταση Η αντίσταση είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες, το οποίο καταναλίσκει συνεχώς ενέργεια υπό την μορφή θερμότητας και η τιμή του εκφράζει την δυσκολία του ηλεκτρικού ρεύματος να περάσει από έναν αγωγό. Η τιμή αυτή υπολογίζεται από τον νόμο του Ohm αλλά εξαρτάται από το υλικό, την θερμοκρασία και τις διαστάσεις του. Ο νόμος του Ohm λέει ότι η διαφορά δυναμικού στα άκρα της αντίστασης είναι ανάλογη με το ρεύμα που την διαρρέει, δηλαδή ισχύει ο τύπος: V R =R I όπου VR η διαφορά δυναμικού σε Volt (V), R η αντίσταση σε Ohm (Ω) και Ι το ρεύμα σε Ampere (A). Όταν πολλές αντιστάσεις είναι συνδεδεμένες σε σειρά τότε τις διαρρέει το ίδιο ηλεκτρικό ρεύμα και ισχύει ο τύπος: Rολ =R1+ R R n. Όταν πολλές αντιστάσεις είναι συνδεδεμένες παράλληλα έχουν ίση διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα άκρα τους και ισχύει ο τύπος: 1/ Rολ =1/R 1+1 /R / R n. Μπορεί να σχεδιαστεί κύκλωμα ως διαιρέτης τάσης όταν δύο ή περισσότερες αντιστάσεις είναι σε σειρά, και ως διαιρέτης ρεύματος όταν δύο ή περισσότερες αντιστάσεις είναι παράλληλες. Αυτά υποδιαιρούν την τάση εισόδου ή το ρεύμα ανάλογα την τιμή των αντιστάσεων με τους γενικούς τύπους να είναι αντίστοιχα: V R I R V n= in n και I n= in total. Rtotal Rn 1

5 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Δύο συνηθισμένοι όροι στα ηλεκτρονικά είναι το βραχυκύκλωμα και το ανοικτοκύκλωμα. Το βραχυκύκλωμα είναι όταν δύο σημεία είναι ενωμένα, ή μεταξύ τους υπάρχει σχεδόν μηδενική αντίσταση. Το ανοικτοκύκλωμα είναι όταν δύο σημεία δεν είναι ενωμένα, ή μεταξύ τους υπάρχει θεωρητικά άπειρη αντίσταση. Με βάση τα θεωρήματα Thevenin και Norton ένα κύκλωμα μπορεί να απλοποιηθεί σε ένα άλλο ισοδύναμο. Για το κύκλωμα Thevenin πρέπει να βρεθεί το VΤΗ και το ZΤΗ. Το VΤΗ είναι η τάση που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου του αρχικού κυκλώματος. Το ZΤΗ είναι η σύνθετη αντίσταση που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου όταν βραχυκυκλωθούν οι πηγές τάσης και ανοικτοκυκλωθούν οι πηγές ρεύματος του αρχικού κυκλώματος. Για το κύκλωμα Norton πρέπει να βρεθεί το ΙΝ και το ZN. Το ΙΝ είναι το ρεύμα που προκύπτει ανάμεσα στους ακροδέκτες εξόδου του αρχικού κυκλώματος όταν βραχυκυκλωθούν, δηλαδή το VΤΗ δια το ZΤΗ. Το ZN βρίσκεται όπως και το ZΤΗ. Η εύρεση της τιμής της αντίστασης μπορεί να γίνει με δύο τρόπους εργαστηριακά: 1) Με την χρήση ενός πολυμέτρου (αναφέρεται σε επόμενο κεφάλαιο) στα άκρα της αντίστασης, η οποία είναι μία αναγκαία μέτρηση πριν χρησιμοποιηθεί σε κύκλωμα. 2) Από ενδείξεις πάνω στην αντίσταση που υπολογίζουμε την τιμή και εκφράζονται σε Ohm (Ω). Αυτές είναι: Χρωματιστές λωρίδες που αντιπροσωπεύουν αριθμούς. Η πιο συνηθισμένη μορφή είναι αυτή με τέσσερις λωρίδες με την 1η και 2η να είναι τα δύο ψηφία, 2

6 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία την 3η ένας πολλαπλασιαστής (δύναμη του 10) και την 4η η ανοχή. Συγκεκριμένα υπολογίζεται όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Αριθμητικές, στην πιο συνηθισμένη μορφή να είναι με τρεις αριθμούς, όπου ο 1ος και ο 2ος είναι τα δύο ψηφία και ο 3ος ένας πολλαπλασιαστής. Στην μορφή με τέσσερις αριθμούς έχει τρία ψηφία και έναν πολλαπλασιαστή. Για αντιστάσεις μικρότερες των 10Ω το γράμμα 'R' υποδεικνύει την υποδιαστολή. Χρώμα Μαύρο Καφέ Κόκκινο Πορτοκαλί Κίτρινο Πράσινο Μπλε Μοβ Γκρι Άσπρο Αριθμός Στα πειράματα χρησιμοποιούνται αντιστάσεις 0.5W ή 0.25W, δηλαδή η μέγιστη ισχύς που μπορεί να καταναλωθεί. Δεν πρέπει να ξεπεράσει αυτές τις τιμές, γιατί αλλιώς η αντίσταση υπερθερμαίνεται και χαλάει. Για την εύρεση της στιγμιαίας ισχύος που θα καταναλωθεί, χρησιμοποιείται ο τύπος: P=V R I ή P=V 2R /R ή P=I 2 R όπου P η ισχύς σε Watt (W). Ποτενσιόμετρο Το ποτενσιόμετρο είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με τρεις ακροδέκτες. Αποτελείται από μία αντίσταση όπου τα δύο άκρα του είναι η συνολική αντίσταση και ο μεσαίος ακροδέκτης είναι ένα κοινό σημείο που την διαχωρίζει σε δύο τμήματα. Με κατάλληλη συνδεσμολογία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μεταβλητή αντίσταση ή μεταβλητός διαιρέτης τάσης. 3

7 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Πάνω του έχει μία περιστρεφόμενη βίδα συνδεδεμένη στο κοινό σημείο. Γυρίζοντας την βίδα μεταβάλλονται οι τιμές των αντιστάσεων αλλά το άθροισμά τους παραμένει σταθερό. Όταν το ποτενσιόμετρο είναι συνδεδεμένο σε όλους τους ακροδέκτες του τότε λειτουργεί ως διαιρέτης τάσης, όταν είναι συνδεδεμένο σε ένα άκρο του και στον μεσαίο ακροδέκτη τότε λειτουργεί ως μεταβλητή αντίσταση. Η εύρεση της τιμής της αντίστασης μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους: Με την χρήση του πολυμέτρου στην κατάλληλη ρύθμιση από τους δύο ακραίους ακροδέκτες του ποτενσιομέτρου. Από αριθμητικές ενδείξεις πάνω του, είτε με την μορφή τριών αριθμών που υπολογίζεται όπως στην αντίσταση, είτε απευθείας η τιμή. Πυκνωτής Ο πυκνωτής είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες που στο εσωτερικό του μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτρικό φορτίο, δηλαδή ηλεκτρική ενέργεια, όταν τεθεί υπό τάση. Αποτελείται από δύο παράλληλους αγωγούς στους οποίους ανάμεσά τους παρεμβάλλεται μονωτικό υλικό. Το σημαντικό χαρακτηριστικό είναι η χωρητικότητα του, που συμβολίζεται με C, η οποία εξαρτάται από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του πυκνωτή και από την φύση του μονωτικού. Είναι μία τιμή που χαρακτηρίζει την ικανότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και εκφράζεται σε Farads (F). Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι πυκνωτών ο σταθερός και ο μεταβλητός. Στα πειράματα χρησιμοποιούνται οι σταθεροί μη-ηλεκτρολυτικοί κεραμικοί και οι ηλεκτρολυτικοί από αλουμίνιο ή από ταντάλιο. 4

8 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Η κύρια διαφορά των δύο κατηγοριών είναι ότι οι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές έχουν πολικότητα. Αυτό σημαίνει ότι οι ακροδέκτες τους πρέπει να τοποθετηθούν στην σωστή κατεύθυνση, αλλιώς δεν θα λειτουργούν ή θα χαλάσουν. Πιο συγκεκριμένα, πάνω σε αυτούς τους πυκνωτές αναγράφεται ποιος είναι ο θετικός ή ο αρνητικός ακροδέκτης, επομένως προς την πιο θετική τάση τοποθετείται ο θετικός ακροδέκτης τους και προς την πιο αρνητική τάση τοποθετείται ο αρνητικός ακροδέκτης. Ο πυκνωτής παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση που ισούται με Z c =R c j X c, όπου Rc είναι η ωμική (είναι ελάχιστη και συνήθως παραλείπεται), Xc είναι η χωρητική με 1 1 X c= = και f είναι η συχνότητα του σήματος. Επομένως, ανάλογα με την ω C 2 π f C συχνότητα αλλάζει η αντίσταση του στοιχείου όπως εξηγείται γενικότερα παρακάτω: Για σήματα μηδενικών ή χαμηλών συχνοτήτων, έχει μεγάλη αντίσταση και συμπεριφέρεται σαν ανοικτοκύκλωμα. Σε αυτά τα σήματα, αρχικά φορτίζεται πλήρως αλλά δεν προλαβαίνει να εκφορτιστεί, με αποτέλεσμα να τα κόβει. Για σήματα υψηλών συχνοτήτων, έχει μικρή αντίσταση και συμπεριφέρεται σαν βραχυκύκλωμα. Στην περίπτωση αυτή φορτίζεται και εκφορτίζεται συνεχώς, ως συνέπεια να αφήνει την διέλευση αυτών των σημάτων. Η εύρεση της τιμής της χωρητικότητας μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους: Με την χρήση ενός πολυμέτρου στην κατάλληλη επιλογή μέτρησης. Από αριθμητικές ενδείξεις πάνω του, είτε με την μορφή τριών αριθμών που υπολογίζεται όπως στην αντίσταση αλλά εκφράζεται σε picofarads (pf = 10-12F), είτε απευθείας η τιμή. Ορίζεται μία μέγιστη επιτρεπτή τάση που εφαρμόζεται στα άκρα του πυκνωτή από τον κατασκευαστή. Αν ξεπεραστεί, το μονωτικό υλικό καταστρέφεται και δημιουργούνται σπινθήρες μεταξύ των οπλισμών, όπου τελικά χαλάει ο πυκνωτής. Πηνίο Το πηνίο είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο το οποίο αποτελείται από συρμάτινο τύλιγμα και καταλήγει σε δύο ακροδέκτες, το εσωτερικό του μπορεί να κενό ή να περιέχει σιδηρομαγνητικό υλικό. Έχει την ιδιότητα να αποθηκεύει μαγνητική ενέργεια δια μέσου της μαγνητικής ροής που αναπτύσσεται στο τύλιγμα του. Η μαγνητική ροή δημιουργείται όταν το πηνίο διαρρέεται είτε από ηλεκτρικό ρεύμα είτε από εξωτερικό μαγνητισμό. 5

9 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Χαρακτηριστικό μέγεθος του πηνίου είναι ο συντελεστής αυτεπαγωγής που συμβολίζεται με L και μετριέται σε Henry (H). Εξαρτάται από τις γεωμετρικές διαστάσεις και τις μαγνητικές ιδιότητες του μέσου. Η τιμή του χαρακτηρίζει την ικανότητα του στοιχείου για αποθήκευση μαγνητικής ενέργειας. Το πηνίο παρουσιάζει σύνθετη αντίσταση που ισούται με Z L=R L j X L, όπου RL είναι η ωμική, XL είναι η επαγωγική με X L= ω L= 2 π f L και f είναι η συχνότητα του σήματος. Επομένως, ανάλογα με την συχνότητα αλλάζει η αντίσταση του στοιχείου όπως εξηγείται γενικότερα παρακάτω: Για σήματα μηδενικών ή χαμηλών συχνοτήτων, έχει μικρή αντίσταση και συμπεριφέρεται σαν βραχυκύκλωμα. Στα σήματα αυτά, το ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέεται από το πηνίο αυξάνεται αργά μέχρι μία μέγιστη τιμή, γιατί αποθηκεύεται ως μαγνητική ενέργεια. Για σήματα υψηλών συχνοτήτων, έχει μεγάλη αντίσταση και συμπεριφέρεται σαν ανοικτοκύκλωμα. Στην περίπτωση αυτή, το στοιχείο δεν προλαβαίνει να αποθηκεύσει μαγνητική ενέργεια, γιατί η πολικότητα του ηλεκτρικού ρεύματος συνεχώς αλλάζει. Η εύρεση της τιμής του συντελεστή αυτεπαγωγής μπορεί να γίνει με τους ακόλουθους τρόπους: Με την χρήση ενός πολυμέτρου στην κατάλληλη επιλογή μέτρησης. Με τον χρωματικό κώδικα που είναι ίδιος με αυτόν της αντίστασης αλλά εκφράζεται σε microhenries (μh). Το πηνίο με βάση την ιδιαίτερη λειτουργία του χρησιμοποιείται στις ηλεκτρικές μηχανές, στους μετασχηματιστές, σε ρελέ, σε φίλτρα και σε ταλαντωτές. Όμως δεν θα χρησιμοποιηθεί στα πειράματα αλλά αναφέρεται για γενικότερες γνώσεις. Δίοδος Η δίοδος είναι ένα ηλεκτρικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες και σκοπός της είναι να επιτρέπει την ροή του ηλεκτρικού ρεύματος προς μία κατεύθυνση. Αποτελείται από έναν ημιαγωγό τύπου p σε επαφή με έναν ημιαγωγό τύπου n, όπου αντίστοιχα το ένα άκρο της λέγεται άνοδος και στο άλλο λέγεται κάθοδος. 6

10 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Ένας ημιαγωγός p έχει λιγότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια από τα θετικά του φορτία, αντίθετα ένας ημιαγωγός n έχει περισσότερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Όταν έρθουν σε επαφή δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο ή αλλιώς μία περιοχή κένωσης μεταξύ τους. Ανάλογα την εξωτερική τάση στην δίοδο, αυτή η περιοχή μικραίνει ή μεγαλώνει με αποτέλεσμα την κίνηση των ηλεκτρονίων ή όχι από τον n ημιαγωγό στον p. Η εξωτερική τάση στη δίοδο δημιουργεί δύο περιοχές λειτουργίας, την ορθή και την ανάστροφη πόλωση: Όταν η τάση του κυκλώματος στην άνοδο είναι μεγαλύτερη από την κάθοδο λέγεται ότι η δίοδος είναι ορθά πολωμένη και αφήνει το ηλεκτρικό ρεύμα να περάσει. Τότε παρουσιάζει μία μέγιστη εσωτερική πτώση τάσης περίπου 0,6 Volt για διόδους πυριτίου και περίπου 0,2 Volt για διόδους γερμανίου. Στην αντίθετη περίπτωση που η τάση της ανόδου είναι μικρότερη από την κάθοδο λέγεται ότι είναι ανάστροφα πολωμένη και αποκόπτει το ηλεκτρικό ρεύμα. 7

11 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Η δίοδος στην ορθή πόλωση μπορεί να καταστραφεί αν το ηλεκτρικό ρεύμα Ι D που διαρρέεται ξεπεράσει μία μέγιστη τιμή (πχ. ΙD= 200mA) που ορίζεται από τον κατασκευαστή. Στην ανάστροφα πολωμένη περιοχή, η δίοδος καταστρέφεται αν ξεπεραστεί μια μέγιστη τάση (πχ. VD= -100 Volt). Οι εφαρμογές που θα γίνουν είναι: ως περιοριστής, ως ημιανορθωτής και ως πλήρης ανορθωτής. Οι περιοριστές είναι κυκλώματα που μειώνουν την τάση εξόδου, ενώ οι ανορθωτές είναι κυκλώματα που μετατρέπουν την εναλλασσόμενη τάση σε συνεχή. Δίοδος Zener Η δίοδος Zener (ή δίοδος κατάρρευσης) είναι μία δίοδος η οποία μπορεί να λειτουργήσει στην περιοχή κατάρρευσης. Χρησιμοποιείται κυρίως ως σταθεροποιητής (ή ρυθμιστής) τάσης. Κατά την λειτουργία της στην περιοχή κατάρρευσης η τάση VZ της διόδου παραμένει σχεδόν σταθερή παρά την αύξηση της τάσης τροφοδοσίας ή του ηλεκτρικού ρεύματος που την διαρρέει. Η τιμή της τάσης VZ καθορίζεται από τις προδιαγραφές της διόδου. 8

12 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Η δίοδος Zener στην ορθή και ανάστροφη πόλωση καταστρέφεται αν το ρεύμα ξεπεράσει μία καθορισμένη τιμή Imax που ορίζεται από τον κατασκευαστή. Δίοδος εκπομπής φωτός Η δίοδος εκπομπής φωτός (LED) είναι μία πηγή φωτός με δύο ακροδέκτες. Αποτελείται από μία δίοδο η οποία είναι κατασκευασμένη από υλικό ημιαγωγών ειδικό για να εκπέμπει ακτινοβολία όταν να είναι πολωμένη ορθά. Διπολικό τρανζίστορ Το διπολικό τρανζίστορ είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο κατασκευασμένο από υλικό ημιαγωγών το οποίο έχει τρεις ακροδέκτες που ονομάζονται βάση (B), εκπομπός (E) και συλλέκτης (C). Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη χρήση της τάσης μεταξύ δύο ακροδεκτών για τον έλεγχο του ρεύματος στον τρίτο ακροδέκτη. Τα τρανζίστορ μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενισχυτές ρεύματος, ως διακόπτες ή ως πηγές ρεύματος. 9

13 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αποτελείται από δύο ενώσεις p-n με μία κοινή περιοχή στην βάση, δηλαδή σαν δύο δίοδοι ενωμένοι σε αντίθετη πολικότητα. Υπάρχουν δύο κανάλια αγωγιμότητας τα np-n και p-n-p τρανζίστορ. Όμως οι δύο δίοδοι είναι πολύ διαφορετικοί μεταξύ τους. Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια μπορούν να κινούνται από τον εκπομπό στον συλλέκτη στην κανονική λειτουργία του, δηλαδή μέσα από μία ορθή αλλά και μία ανάστροφα πολωμένη δίοδο. Πρώτον, ο εκπομπός έχει μεγαλύτερη συγκέντρωση ηλεκτρονίων από την βάση και ακόμα μεγαλύτερη από τον συλλέκτη. Δεύτερον, η επιφάνεια επαφής ανάμεσα στην βάση και τον συλλέκτη είναι μεγαλύτερη από την επιφάνεια επαφής ανάμεσα στην βάση και τον εκπομπό. 10

14 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Οι περιοχές λειτουργίας του είναι τέσσερις ανάλογα από τις τάσεις μεταξύ βάσης εκπομπού και βάσης - συλλέκτη. Η ενεργός περιοχή είναι η κανονική λειτουργία, όπου το ρεύμα συλλέκτη εκπομπού είναι ανάλογο με το ρεύμα της βάσης αλλά αρκετές φορές μεγαλύτερο, έτσι συμπεριφέρεται ως ενισχυτής ρεύματος. Η ανάστροφη ενεργός περιοχή είναι σαν την ενεργός λειτουργία με την διαφορά ότι λειτουργεί με χειρότερη ενίσχυση, καθώς δεν έχει σχεδιαστεί για αυτή την περιοχή. Η περιοχή κορεσμού είναι η λειτουργία στη οποία το ρεύμα συλλέκτη - εκπομπού δεν εξαρτάται από ρεύμα της βάσης και επομένως δεν ενισχύεται, όπου συμπεριφέρεται σαν βραχυκύκλωμα ανάμεσα στις επαφές συλλέκτη και εκπομπού. Η περιοχή αποκοπής είναι η λειτουργία στη οποία το τρανζίστορ δεν διαρρέεται ρεύμα και συμπεριφέρεται σαν ανοικτοκύκλωμα ανάμεσα στις επαφές συλλέκτη και εκπομπού. Οι καταστάσεις των διόδων ανάλογα την περιοχή λειτουργίας: Δίοδος Βάσης Εκπομπού Δίοδος Βάσης Συλλέκτη Περιοχή λειτουργίας Ορθά πολωμένη Ανάστροφα πολωμένη Ενεργός Ανάστροφα πολωμένη Ορθά πολωμένη Ανάστροφη ενεργός Ορθά πολωμένη Ορθά πολωμένη Κορεσμένη Ανάστροφα πολωμένη Ανάστροφα πολωμένη Αποκοπής 11

15 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Οι τάσεις λειτουργίας των n-p-n και p-n-p: Για n-p-n Για p-n-p Περιοχή λειτουργίας VE < VB < VC VE > VB > VC Ενεργός VE > VB > VC VE < VB < VC Ανάστροφη ενεργός VE < VB > VC VE > VB < VC Κορεσμένη VE > VB < VC VE < VB > VC Αποκοπής Το τρανζίστορ όταν άγει στην ενεργό περιοχή αναλύεται από το ακόλουθο απλό μοντέλο. Εφαρμόζονται οι τάσεις λειτουργίας του προηγούμενου πίνακα για κάθε κανάλι αγωγιμότητας στην ενεργό περιοχή. Στην δίοδο βάσης - εκπομπού εφαρμόζεται πτώση τάσης επειδή είναι ορθά πολωμένη. Ισχύει η εξίσωση i C = β i B (1) όπου τα ic και ib είναι τα ρεύματα στον συλλέκτη και στην βάση αντίστοιχα, το β λέγεται το dc κέρδος κοινού εκπομπού και είναι πολύ ευαίσθητο στην θερμοκρασία, την τάση VCE, αλλά μπορεί να διαφέρει και σε ίδια τρανζίστορ στις ίδιες συνθήκες. Επίσης, ισχύει η εξίσωση i E = i C + i B (2) όπου το ie είναι το ρεύμα στον εκπομπό. β i = a i E β+1 E όπου το α είναι ένας πολύ σταθερός συντελεστής και περίπου ίσος με την μονάδα, άρα έχουμε: i C i E Από τις (1) και (2) εξισώσεις συμπεραίνουμε ότι ισχύει i C = Η ισχύς που καταναλώνεται στο τρανζίστορ υπολογίζεται από την τάση μεταξύ συλλέκτη και εκπομπού και του ρεύματος IE. Από τον κατασκευαστή ορίζεται μια μέγιστη τιμή της ισχύος, όπου μεγαλύτερη από αυτή το τρανζίστορ καταστρέφεται. Οι κύριες λειτουργίες του που θα δούμε εργαστηριακά είναι ως πηγή ρεύματος και ως ενισχυτής: Μία πηγή ρεύματος είναι ένα κύκλωμα στο οποίο το ρεύμα δεν εξαρτάται από την τάση στα άκρα του, διακρίνεται σε δύο κατηγορίες την πηγή (δίνει ρεύμα) και την καταβόθρα (παίρνει ρεύμα). Για να λειτουργεί το τρανζίστορ ως πηγή ρεύματος, πρέπει να βρίσκεται στην ενεργό περιοχή που το ρεύμα συλλέκτη είναι περίπου ίσο με το ρεύμα του εκπομπού, επομένως επιλέγοντας μία αντίσταση στον εκπομπό θα παράγεται το επιθυμητό ρεύμα στον συλλέκτη. Το τρανζίστορ ως ενισχυτής, θα έχει την έξοδο του αυξημένη σε σχέση με την είσοδο ανάλογα τις αντιστάσεις στον συλλέκτη και τον εκπομπό από τον τύπο: ΔV out R = C ΔV in RE 12

16 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου Το τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (MOSFET ή FET) είναι ένας τύπος τρανζίστορ κατασκευασμένο από μέταλλο, μονωτικό υλικό και ημιαγωγούς. Έχει τέσσερις ακροδέκτες την πύλη (G), την εκροή ή υποδοχή (D), την πηγή (S) και το υπόστρωμα ή σώμα (B). Εάν ένα MOS τρανζίστορ έχει τρεις ακροδέκτες, το υπόστρωμα συνδέεται εσωτερικά μαζί με την πηγή. Η διαφορετική κατασκευή του από το διπολικό τρανζίστορ το καθιστά πιο αποδοτικό γιατί καταναλώνει λιγότερη ισχύ για να λειτουργήσει, ενώ μπορεί να ενισχύσει ένα σήμα πολύ περισσότερο. Επιπλέον, μπορούν να γίνουν αρκετά μικρότερα και η διαδικασία κατασκευής τους είναι απλούστερη. Υπάρχουν δύο κανάλια αγωγιμότητας που ονομάζονται NMOS και PMOS. Στα NMOS η πηγή και η εκροή είναι ημιαγωγοί τύπου n+ και το υπόστρωμα ημιαγωγός τύπου p. Ενώ στα PMOS η πηγή και η εκροή είναι ημιαγωγοί τύπου p+ και το υπόστρωμα ημιαγωγός τύπου n. Η υλοποίηση NMOS και PMOS στο ίδιο δισκίδιο πυριτίου λέγεται CMOS τεχνολογία (Complementary MOS). Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται ευρέως για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. 13

17 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Το MOSFET άγει με το ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσει η πύλη με το υπόστρωμα ανάμεσα στην εκροή και την πηγή και έτσι δημιουργείται ένα κανάλι, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Για να γίνει αυτό, η τάση στην πύλη VG πρέπει να είναι μεγαλύτερη και θετική για το NMOS (ή μικρότερη και αρνητική για PMOS) από μία τάση που λέγεται τάση κατωφλίου VT, που αυτή προσδιορίζεται από την κατασκευή του τρανζίστορ. Όσο μεγαλύτερη είναι η τάση στην πύλη για το NMOS (ή μικρότερη για το PMOS), τόσο μεγαλύτερο είναι το κανάλι, με αποτέλεσμα να επιτρέπει περισσότερη ροή ρεύματος. Όταν το κανάλι έχει δημιουργηθεί και εφαρμόζεται τάση ανάμεσα στους ακροδέκτες D και S, υπάρχει διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος δια μέσο του καναλιού. Διακρίνονται τρεις καταστάσεις λειτουργίας οι αποκοπής, τριόδου και κορεσμού που εξαρτιούνται από τις τάσεις μεταξύ των ακροδεκτών του τρανζίστορ, όπως παρουσιάζεται στον παρακάτω πίνακα. Στην λειτουργία αποκοπής το τρανζίστορ είναι κλειστό και συμπεριφέρεται σαν ανοικτοκύκλωμα. Στην λειτουργία τριόδου το τρανζίστορ άγει και συμπεριφέρεται σαν μία μικρή αντίσταση, όπου το ρεύμα πηγής-εκροής είναι ανάλογο με την διαφορά δυναμικού μεταξύ της πηγής και της εκροής. Στην λειτουργία κορεσμού το τρανζίστορ άγει και συμπεριφέρεται σαν μία μεγάλη αντίσταση, όπου το ρεύμα πηγής-εκροής εξαρτάται ελάχιστα από την τάση μεταξύ της πηγής και της εκροής. 14

18 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Οι τάσεις λειτουργίας των NMOS και PMOS (για MOS τρανζίστορ με τρεις ακροδέκτες): NMOS PMOS Περιοχή λειτουργίας VGS < VT VSG < VT Αποκοπής VGS > VT VDS < VGS - VT VSG > VT VSD < VSG - VT Τριόδου VGS > VT VDS > VGS - VT VSG > VT VSD > VSG - VT Κορεσμού Στο FET πρέπει να προσέχονται δύο από τις ακόλουθες συνθήκες για να μην καταστραφούν. Πρώτον, η παρουσία μεγάλης τάσης στην πύλη του τρανζίστορ έχει αποτέλεσμα την καταστροφή του μονωτικού. Επομένως, είναι πολύ ευαίσθητο στον στατικό ηλεκτρισμό που μπορεί να αναπτύξει το σώμα του ανθρώπου και να εκφορτιστεί την στιγμή που πιάνονται οι ακροδέκτες του τρανζίστορ. Δεύτερον, η ισχύς που μπορεί να καταναλώσει ανάμεσα στην πηγή και την εκροή όταν αυτό άγει, θα πρέπει να βρίσκεται στα όρια που ορίζει ο κατασκευαστής. Με άλλα λόγια, η τάση και το ρεύμα ανάμεσα στην πηγή και εκροή δεν πρέπει να ξεπεράσουν τις μέγιστες τιμές. Στα πειράματα θα παρουσιαστεί το MOS τρανζίστορ ως ηλεκτρονικός διακόπτης. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται δύο περιοχές λειτουργίας, η τριόδου και η αποκοπής. Στη τρίοδο περιοχή ο διακόπτης είναι κλειστός (κατάσταση ON), στη περιοχή αποκοπής ο διακόπτης είναι ανοιχτός (κατάσταση OFF). Επιπλέον, για το διπολικό τρανζίστορ αυτό γίνεται στις περιοχές κορεσμού και αποκοπής. Λογικά Κυκλώματα Τα λογικά κυκλώματα αποτελούνται από ψηφιακές πύλες με εισόδους και εξόδους τις καταστάσεις 0 και 1. Τα εξαρτήματα που τα υλοποιούν λέγονται ολοκληρωμένα κυκλώματα (ή τσιπ), δηλαδή από πολλά τρανζίστορ, πυκνωτές και αντιστάσεις σε ένα εξάρτημα. Η κατασκευή τους στα εργαστηριακά πειράματα πραγματοποιούνται από 15

19 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία τρία διαφορετικά τσιπ με 14 ακροδέκτες. Αναφορικά, οι ψηφιακές πύλες είναι οι AND, OR, NOT, XOR, NAND, NOR και XNOR. Αυτές που θα χρησιμοποιηθούν είναι οι AND, NOT και NAND. AND NOT ΝAND Είσοδος Είσοδος Έξοδος Α Β Y Είσοδος Έξοδος Α Y Είσοδος Είσοδος Έξοδος Α Β Y Από τις δύο καταστάσεις που αναφέρθηκαν, το 1 αντιστοιχεί σε μία τάση διαφορετική (συνήθως υψηλότερη) από το 0. Άρα ανάλογα την κατάσταση εξόδου της κάθε πύλης, θα δίνει έξοδο την αντίστοιχη τάση. Τα τρία ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι κατασκευασμένα με τεχνολογία CMOS ή με NMOS-PMOS τρανζίστορ που λειτουργούν ως διακόπτες. Το εσωτερικό κύκλωμα τους παρουσιάζεται στα συγκεκριμένα πειράματα. Περισσότερες λεπτομέρειες για αυτές τις τεχνολογίες αναφέρονται στην ενότητα του Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου. Επειδή τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι υλοποιημένα κυρίως από MOS τρανζίστορ, είναι ευαίσθητα στον στατικό ηλεκτρισμό και πρέπει να υπάρχει προσοχή κατά την επαφή τους. Τελεστικός ενισχυτής* Ο τελεστικός ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής τάσης που αποτελείται από ολοκληρωμένο κύκλωμα, δηλαδή από πολλά τρανζίστορ, πυκνωτές και αντιστάσεις σε ένα εξάρτημα. Ένα κύριο χαρακτηριστικό είναι ότι η συμπεριφορά του πραγματικού τελεστικού ενισχυτή πλησιάζει πολύ την συμπεριφορά του ιδανικού τελεστικού ενισχυτή. 16

20 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Έχει 8 ακροδέκτες αλλά θα χρησιμοποιούνται οι 5 και εξηγούνται παρακάτω: Ο ακροδέκτης (2) είναι η αναστρέφουσα είσοδος. Ο ακροδέκτης (3) είναι η μη αναστρέφουσα είσοδος. Ο ακροδέκτης (4) είναι η αρνητική παροχή τροφοδοσίας. Ο ακροδέκτης (6) είναι η έξοδος. Ο ακροδέκτης (7) είναι η θετική παροχή τροφοδοσίας. Η τοποθέτηση του τελεστικού ενισχυτή στην πλακέτα κατασκευής κυκλωμάτων (αναφέρεται σε επόμενο κεφάλαιο) γίνεται ανάμεσα στην κενή περιοχή των σειρών που είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα: 17

21 Μέρος Πρώτο: Ηλεκτρονικά Στοιχεία Θα χρησιμοποιούνται εξωτερικά από τον ενισχυτή δύο πυκνωτές, ένας στην κάθε παροχή τροφοδοσίας του με την γείωση του κυκλώματος. Αυτό γίνεται για να προστατευτεί η έξοδος του από τον πιθανό θόρυβο του τροφοδοτικού. Οι πυκνωτές που συνδέονται για τον σκοπό αυτό λέγονται πυκνωτές αποσύζευξης. Το κέρδος ανοικτού βρόγχου του τελεστικού ενισχυτή σχεδιάζεται με την έξοδό του να μην είναι συνδεδεμένη με κάποια από τις εισόδους του. Για να υπολογιστεί θεωρητικά χρησιμοποιείται ο τύπος V out = A (V + V ) όπου το A είναι ο συντελεστής κέρδους. Το κέρδος του κλειστού βρόγχου με αρνητική ανάδραση γίνεται με την ένωση της εξόδου του στην αρνητική είσοδο του τελεστικού ενισχυτή. Εδώ ισχύουν δύο κανόνες: Οι είσοδοι του δεν τραβάνε ούτε αποδίδουν ρεύμα. Δηλαδή, i+ = i =0 Η έξοδος του κάνει ότι μπορεί έτσι ώστε η διαφορά δυναμικού ανάμεσα στις εισόδους του είναι μηδενική. Δηλαδή, ΔV in =0 V + V =0 V + = V Υπάρχουν δύο διαφορετικά κυκλώματα για να υπολογιστεί θεωρητικά το κέρδος: Στο κύκλωμα όπου τροφοδοτείται με τάση η μη αναστρέφουσα είσοδος ισχύει ο V out R = (1 + 2 ) και λέγεται μη αναστρέφουσα συνδεσμολογία. τύπος: V in R1 Στο κύκλωμα όπου τροφοδοτείται με τάση η αναστρέφουσα είσοδος ισχύει ο V out R = 2 και λέγεται αναστρέφουσα συνδεσμολογία. τύπος: V in R1 18

22 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Όργανα Εργαστηρίου Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων Η πολυτρυπημένη πλακέτα χρησιμοποιείται για την προσωρινή κατασκευή των κυκλωμάτων. Έχει μικρές τρύπες που συνδέονται τα εξαρτήματα και τα καλώδια, δεν χρειάζονται συγκόλληση και μπορούν να ξαναχρησιμοποιηθούν. Επίσης, είναι πολύ εύκολο να αλλάξουν οι συνδέσεις και να αντικατασταθούν τα εξαρτήματα. Στην πλακέτα υπάρχουν δύο διαφορετικές βραχυκυκλωμένες περιοχές: Οι δύο πάνω και οι δύο κάτω σειρές της είναι βραχυκυκλωμένες οριζόντια για να συνδέεται η τάση τροφοδοσίας ή η γείωση. Όμως μερικές πλακέτες δεν τις έχουν βραχυκυκλωμένες σε όλο το μήκος τους, αλλά χωρίζονται σε δύο ή περισσότερα τμήματα. Οι σειρές που βρίσκονται ενδιάμεσα είναι βραχυκυκλωμένες κάθετα για την σύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων, χωρίζονται από ένα αυλάκι όπου εκεί μπορούν να τοποθετηθούν τα ολοκληρωμένα κυκλώματα. Στην παρακάτω εικόνα φαίνεται ενδεικτικά πως συνδέονται οι τρύπες μεταξύ τους. Παρακάτω δίνονται συμβουλές για την χρήση της πλακέτας: Χρησιμοποιούνται συγκεκριμένα χρώματα στα καλώδια για διαχωρισμό, κόκκινο 19

23 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου για την τάση, μαύρο για την γείωση και οποιοδήποτε άλλο χρώμα για την ένωση μεταξύ των ηλεκτρικών στοιχείων. Τοποθετούνται οι ακροδέκτες ενός εξαρτήματος σε διαφορετική κάθετη στήλη (στην περιοχή που αναφέρθηκε ότι είναι βραχυκυκλωμένη κάθετα). Τοποθετούνται οι τροφοδοσίες και η γείωση σε διαφορετικές οριζόντιες σειρές (στην περιοχή που αναφέρθηκε ότι είναι βραχυκυκλωμένη οριζόντια). Τοποθετούνται τα ηλεκτρικά στοιχεία σχετικά κοντά μεταξύ τους ανάλογα με το κύκλωμα. Πολύμετρο Το πολύμετρο είναι ένα ηλεκτρονικό όργανο που μετράει την διαφορά δυναμικού (V), το ηλεκτρικό ρεύμα (I) και την αντίσταση (Ω) ανάμεσα στους ακροδέκτες του. Επίσης, κάποιες άλλες χρήσιμες λειτουργίες του είναι να μετράει την συχνότητα του σήματος, την χωρητικότητα ενός πυκνωτή, ή ακόμα την πτώση τάσης μιας διόδου στην ορθή πόλωση. Για την χρήση του δίνονται οι παρακάτω οδηγίες: 1. Τα δύο καλώδια πρέπει να είναι στις ανάλογες υποδοχές. Το πρώτο, ο ακροδέκτης (+) πρέπει να συνδεθεί στην υποδοχή της επιθυμητής μέτρησης που αναγράφεται επάνω του. Το δεύτερο, ο ακροδέκτης (-) πρέπει να συνδεθεί στην υποδοχή COM. 2. Ο περιστρεφόμενος διακόπτης πρέπει να βρίσκεται στην επιλογή για την επιθυμητή μέτρηση, στην V για την τάση, στην A για το ηλεκτρικό ρεύμα και στην Ω για την αντίσταση. Εδώ ενεργοποιείται αυτόματα το πολύμετρο. 3. Ανάλογα το είδος της μέτρησης ενώνεται με τον ακόλουθο τρόπο: Για να μετρηθεί η τάση σε μία περιοχή του κυκλώματος ενώνεται το πολύμετρο παράλληλα με αυτή. Ο ακροδέκτης (+) πρέπει να είναι προς την θετική τάση ενώ, ο ακροδέκτης (-) προς την αρνητική. Σε περίπτωση που οι ακροδέκτες συνδεθούν αντίθετα, το πολύμετρο εμφανίζει αρνητική ένδειξη. 20

24 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Για να μετρηθεί το ηλεκτρικό ρεύμα σε μία περιοχή του κυκλώματος ενώνεται το πολύμετρο σε σειρά με αυτή. Ο ακροδέκτης (+) πρέπει να είναι προς την θετική τάση ενώ, ο ακροδέκτης (-) προς την αρνητική. Σε περίπτωση που οι ακροδέκτες συνδεθούν αντίθετα, το πολύμετρο εμφανίζει αρνητική ένδειξη. Για να μετρηθεί η αντίσταση ενώνονται τα δύο άκρα της με τα δύο καλώδια του πολυμέτρου όταν δεν είναι συνδεδεμένη με το κύκλωμα. 4. Απενεργοποιούμε το πολύμετρο όταν δεν το χρειαζόμαστε. Το πολύμετρο έχει διαφορετική αντίσταση εισόδου ανάλογα με την μέτρηση που έχει ρυθμιστεί. Καθώς συνδέεται στο κύκλωμα παράλληλα έχει μεγάλη αντίσταση ενώ, όταν συνδέεται σε σειρά έχει μικρή αντίσταση. Αυτό συμβαίνει για να μην επηρεάζει το κύκλωμα και να εμφανίζει σωστές ενδείξεις. Για να δούμε αν δύο σημεία ενώνονται μεταξύ τους μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το πολύμετρο, αυτό γίνεται με την ρύθμιση στην μέτρηση αντίστασης και την σύνδεση των καλωδίων στα δύο σημεία: Αν εμφανίζει μία ένδειξη πολύ μικρής αντίστασης τότε τα δύο σημεία ενώνονται. Αν εμφανίζει μία ένδειξη άπειρης αντίστασης τότε τα δύο σημεία δεν ενώνονται. 21

25 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Τροφοδοτικό Το τροφοδοτικό παρέχει την πηγή μιας σταθερής τάσης στο κύκλωμα. Μπορεί να περιορίσει το ρεύμα με αυτόματη μείωση της τάσης για την προστασία του κυκλώματος. Στις περιπτώσεις που περιορίζει αυτόματα την τάση σε ένα κύκλωμα, σημαίνει ότι αυτό δεν έχει κατασκευαστεί σωστά ή είναι βραχυκυκλωμένο. Με βοήθεια της παρακάτω εικόνας περιγράφεται το μπροστινό μέρος ενός τροφοδοτικού που αποτελείται από δύο κανάλια: 1: Ο διακόπτης λειτουργίας 8: Σύνδεση του ακροδέκτη (+) 2: Ρύθμιση του ορίου του ηλεκτρικού ρεύματος 9: Σύνδεση του ακροδέκτη GND (την γη του δικτύου της Δ.Ε.Η.) 3: Ρύθμιση της τάσης 10: Διακόπτης επιλογής λειτουργίας 4: Ρύθμιση της τάσης με λεπτομέρεια 11: Προειδοποιητικό φωτάκι όταν περιορίζει το ρεύμα 5: Ένδειξη του ηλεκτρικού ρεύματος 12: Προειδοποιητικό φωτάκι όταν περιορίζει την τάση 6: Ένδειξη της τάσης 7: Σύνδεση του ακροδέκτη (-) Για την λειτουργία του τροφοδοτικού εκτελούμε τα εξής: 22

26 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου 1. Το ενεργοποιούμε. 2. Ελέγχουμε τη λειτουργία να είναι στο IND/SER (ανεξάρτητη λειτουργία). 3. Ρυθμίζουμε το όριο του ηλεκτρικού ρεύματος στο ελάχιστο. 4. Επιλέγουμε την επιθυμητή τιμή της τάσης τροφοδοσίας. 5. Συνδέουμε τα καλώδια στις κατάλληλες υποδοχές και μετά στη πλακέτα. 6. Για οποιαδήποτε αλλαγή στο κύκλωμα, απενεργοποιούμε προσωρινά το τροφοδοτικό, γίνονται οι αλλαγές και το ξανά ενεργοποιούμε. 7. Όταν τελειώσουμε την εργασία, το απενεργοποιούμε και αποσυνδέουμε τα καλώδια. Γεννήτρια Συχνοτήτων Η γεννήτρια συχνοτήτων είναι μία συσκευή που τροφοδοτεί με τάση το κύκλωμα υπό την μορφή ημιτονικών, τριγωνικών ή τετραγωνικών σημάτων και μπορεί να μεταβάλλει την συχνότητα και το πλάτος τους. Το ομοαξονικό καλώδιο της εξόδου του που συνδέεται με το κύκλωμα έχει δύο ακροδέκτες. Ο ένας ακροδέκτης τροφοδοτεί με τάση το σημείο του κυκλώματος που ενώνεται με τον εσωτερικό αγωγό του καλωδίου, ενώ ο άλλος πρέπει να βρίσκεται στην γείωση του κυκλώματος γιατί ενώνεται με τον εξωτερικό αγωγό του καλωδίου και το μεταλλικό περίβλημα της γεννήτριας που είναι συνδεδεμένο με τη γη του δικτύου της ΔΕΗ. Παρακάτω φαίνονται οι ακροδέκτες ενός τυπικού καλωδίου: 23

27 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας περιγράφονται τα τυπικά κουμπιά μιας γεννήτριας συχνοτήτων: 1: Ο διακόπτης λειτουργίας 5: Ρύθμιση είδους κυματομορφής 2: Ρύθμιση συχνότητας κυματομορφής 6: Ρύθμιση μετατόπισης κυματομορφής (OFFSET) 3: Οθόνη ένδειξης συχνότητας και παραμέτρων 7: Ρύθμιση πλάτους κυματομορφής 8: Έξοδος του σήματος 4: Ρύθμιση εύρους συχνοτήτων Αν η γεννήτρια έχει μία ρύθμιση μετατόπισης κυματομορφής (OFFSET), τότε μπορεί να τροφοδοτήσει την κυματομορφή με μία σταθερή τάση που την μετατοπίζει προς τα θετικά ή αρνητικά. Ένα παράδειγμα αυτής της ρύθμισης φαίνεται παρακάτω: Για την λειτουργία της γεννήτριας συχνοτήτων εκτελούμε τα εξής: 1. Την ενεργοποιούμε. 24

28 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου 2. Ρυθμίζουμε το είδος της κυματομορφής. 3. Ρυθμίζουμε την συχνότητα. 4. Ρυθμίζουμε το πλάτος της κυματομορφής. 5. Αν χρειαστεί ρυθμίζουμε την μετατόπιση της κυματομορφής. 6. Συνδέουμε πρώτα την έξοδο της συσκευής με τον παλμογράφο για επιβεβαίωση. 7. Αποσυνδέουμε την έξοδο από τον παλμογράφο και την συνδέουμε με το κύκλωμα. 8. Για οποιαδήποτε αλλαγή στο κύκλωμα, την απενεργοποιούμε προσωρινά, γίνονται οι αλλαγές και την ξανά ενεργοποιούμε. 9. Όταν τελειώσουμε την εργασία, απενεργοποιούμε την γεννήτρια κυματομορφών και αποσυνδέουμε τα καλώδια. Αναλογικός Παλμογράφος O παλμογράφος χρησιμοποιείται για την παρατήρηση της μορφής των ηλεκτρικών σημάτων του κυκλώματος σε σχέση με τον χρόνο. Συμπεριφέρεται δηλαδή σαν ένα βολτόμετρο με την πρόσθετη δυνατότητα να εμφανίζει πως αλλάζει η τάση με τον χρόνο. Με την βοήθεια του πλέγματος στην οθόνη μπορούμε να πάρουμε μετρήσεις για την τάση και την περίοδο μίας κυματομορφής, αλλά και την σύγκριση δύο κυματομορφών. Το ομοαξονικό καλώδιο της εισόδου του που συνδέεται με το κύκλωμα έχει δύο ακροδέκτες και μετράει την διαφορά τάσης μεταξύ του σημείου του κυκλώματος και της γείωσης. Πιο συγκεκριμένα, ο ένας ακροδέκτης λαμβάνει την τάση του σημείου του κυκλώματος που ενώνεται με τον εσωτερικό αγωγό του καλωδίου, ενώ ο άλλος πρέπει να βρίσκεται στην γείωση του κυκλώματος γιατί ενώνεται με τον εξωτερικό αγωγό του καλωδίου και το μεταλλικό περίβλημα του παλμογράφου που είναι συνδεδεμένο με τη γη του δικτύου της ΔΕΗ. Παρακάτω φαίνεται ένα τυπικό καλώδιο: 25

29 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Επάνω στον έναν ακροδέκτη του καλωδίου που λαμβάνει την τάση, υπάρχει ένας διακόπτης που ρυθμίζει την εμφάνιση του σήματος σε κανονική μορφή (x1) ή πολλαπλασιασμένο επί 10 (x10). Εάν χρειάζεται να ρυθμιστεί το σήμα στα x10 τότε θα πρέπει να προσαρμοστεί η ανάλογη ρύθμιση στον παλμογράφο. Στα πειράματα δεν θα χρησιμοποιηθεί να πολλαπλασιαστεί το σήμα και θα πρέπει να ελέγχεται ο διακόπτης στην επιλογή x1 για να εμφανίζεται το σήμα στην οθόνη του παλμογράφου. Παρακάτω περιγράφονται χρησιμοποιούνται: Power Intensity Focus Trace Rotation τα βασικά κουμπιά του που Ο διακόπτης λειτουργίας. Μεταβάλλει την ένταση της δέσμης πάνω στην οθόνη. Ελέγχει την ευκρίνεια της δέσμης στην οθόνη. Περιστρέφει το σήμα για να είναι παράλληλο με την οριζόντια γραμμή της οθόνης. X-Position Μεταφέρει οριζόντια την κυματομορφή. Y-Position Μεταφέρει κάθετα την κυματομορφή. Διακόπτης εισόδου AC-GND-DC παλμογράφου Η επιλογή DC είναι για να παρατηρούμε συνεχή και εναλλασσόμενα σήματα. Η επιλογή AC είναι για να παρατηρούμε μόνο εναλλασσόμενα σήματα. Η επιλογή GND δείχνει τη στάθμη του μηδενός. Με τον ρυθμιστή αυτόν κανονίζουμε να παραμείνει ακίνητη η κυματομορφή στην οθόνη. Η επιλογή AUTO εξασφαλίζει ότι θα Διακόπτης TRIGGER υπάρχει σήμα ακόμα και αν αυτό είναι μηδενικό. Το NORM εμφανίζει το σήμα μόνο αν περνάει από μία τιμή που καθορίζεται AUTO-NORM mode από το κουμπί LEVEL. Ο διακόπτης LEVEL μεταβάλλει την τάση LEVEL-SLOPE από τον οποίο διαλέγουμε ένα σταθερό σημείο της SOURCE mode κυματομορφής. Το SLOPE ρυθμίζει την θετική ή αρνητική κλίση του σήματος. Με το SOURCE mode επιλέγεται το σήμα από το οποίο ρυθμίζεται το TRIGGER. Διακόπτης καναλιών Εμφανίζει το σήμα του καναλιού 1 ή 2, και τα δύο ταυτόχρονα, CH1-CH2-DUAL-ADDτην πρόσθεση τους ή την αντιστροφή του ενός αντίστοιχα. INV 26

30 Μέρος Πρώτο: Όργανα Εργαστηρίου Διακόπτης Volts/Div Προσδιορίζει την τάση που θα αντιστοιχεί ανά τετραγωνάκι της οθόνης του παλαιογράφου. Διακόπτης Time/Div Προσδιορίζει τον χρόνο που θα αντιστοιχεί ανά τετραγωνάκι της οθόνης του παλαιογράφου. Υποδοχές καλωδίων Συνδέονται τα καλώδια εισόδου για τα κανάλια 1 ή 2. CH1-CH2 Όταν πρέπει να παρατηρηθεί μια διαφορά δυναμικού σε δύο σημεία του κυκλώματος που δεν είναι συνδεδεμένα στη γείωση, χρησιμοποιείται η παρακάτω σύνδεση: Τοποθετείται το κανάλι 1 στο ένα σημείο και το κανάλι 2 στο άλλο. Στο κανάλι 2 αντιστρέφεται το σήμα με το κουμπί INV, δηλαδή πολλαπλασιάζεται με -1. Στην συνέχεια, αθροίζονται τα σήματα με το κουμπί ADD. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την διαφορά των δύο καναλιών (CH1 - CH2) ή την διαφορά δυναμικού (V1 -V2). Με τον παλμογράφο υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά ενός σήματος από την οθόνη του, αυτά είναι: Το πλάτος, που το βρίσκουμε μετρώντας τα κάθετα κουτάκια της οθόνης από το κέντρο της κυματομορφής μέχρι την κορυφή της και τα πολλαπλασιάζουμε με την ένδειξη του διακόπτη Volts/Div. Η περίοδος, που την βρίσκουμε μετρώντας τα οριζόντια κουτάκια της οθόνης για μία περίοδο του σήματος και έπειτα πολλαπλασιάζεται με την ένδειξη του διακόπτη Time/Div. Για την λειτουργία του παλμογράφου εκτελούμε τα εξής: 1. Ενεργοποιούμε τον παλμογράφο. 2. Ρυθμίζουμε τον διακόπτη εισόδου σε GND. 3. Αν η γραμμή στην οθόνη δεν φαίνεται στο κέντρο, ελέγχουμε την ένταση, την ευκρίνεια και την τοποθεσία της, με τα κουμπιά Intensity, Focus, Trace Rotation, XPosition και Y-Position. 4. Ρυθμίζουμε τον διακόπτη εισόδου σε AC ή DC ανάλογα τις ανάγκες τις άσκησης. 5. Επιλέγουμε τον διακόπτη Trigger στην επιλογή AUTO ή NORM ανάλογα τις ανάγκες της άσκησης (συνήθως AUTO) και το TRIGGER LEVEL αρχικά στο Συνδέουμε τις επιθυμητές εισόδους και ρυθμίζουμε κατάλληλα τον διακόπτη καναλιών. 7. Ρυθμίζουμε τους διακόπτες Volts/Div και Time/Div αλλά και το TRIGGER LEVEL (αν χρειάζεται). 8. Όταν τελειώσουμε απενεργοποιούμε. την εργασία, 27 αποσυνδέουμε τα καλώδια και τον

31 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Σύμβολα Κυκλωμάτων Παροχής Ενέργειας Γείωση Συνεχής τάση (Χρήση τροφοδοτικού) Εναλλασσόμενη τάση (Χρήση γεννήτριας συχνοτήτων) Ηλεκτρονικά Στοιχεία Αντίσταση Μεταβλητή αντίσταση Ποτενσιόμετρο 28

32 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Πυκνωτής Πολωμένος πυκνωτής Πηνίο Μετασχηματιστής Δίοδος Δίοδος Zener Δίοδος LED Διπολικό τρανζίστορ N-P-N Διπολικό τρανζίστορ P-N-P 29

33 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου N-Channel Τρανζίστορ επίδρασης πεδίου P-Channel Τελεστικός ενισχυτής Ψηφιακές Πύλες AND OR NOT NOR NAND 30

34 Μέρος Πρώτο: Σύμβολα Κυκλωμάτων Όργανα Εργαστηρίου Βολτόμετρο Αμπερόμετρο Παλμογράφος 31

35 Μέρος Πρώτο: Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Ασφάλεια εργαστηρίου Το πρώτο που πρέπει να διασφαλιστεί είναι η σωματική ακεραιότητα, η ασφάλεια των οργάνων αλλά και η προστασία των ηλεκτρονικών στοιχείων. Παρακάτω δίνονται κανόνες για την αποφυγή των ατυχημάτων: Να έχετε καθαρό τον πάγκο εργασίας και να υπάρχουν μόνο τα απαραίτητα αντικείμενα. Να ελέγχετε σε τακτά χρονικά διαστήματα αν οι συσκευές και τα καλώδια τους είναι σε καλή κατάσταση. Να εκτελείτε μόνο τις ενέργειες που αναγράφονται στις οδηγίες του κάθε πειράματος και αυτές που ζητάει ο καθηγητής σας. Οι τάσεις και τα ρεύματα που θα χρησιμοποιηθούν είναι ακίνδυνα, όμως μία διαρροή ρεύματος μπορεί να δημιουργήσει δυσάρεστες παρενέργειες. Δηλαδή, ένας απότομος σπασμός που προήλθε από μικρή ηλεκτροπληξία, μπορεί να οδηγήσει κάποιο μέλος του σώματός μας σε μεγαλύτερο ατύχημα. Να κρατάτε το κύκλωμα με το ένα χέρι όταν αυτό βρίσκεται υπό τάση. Το άλλο χέρι προσπαθήστε να το έχετε από πίσω σας ή στη τσέπη σας. Αν και τα δύο χέρια είναι σε επαφή με το κύκλωμα ή το ένα χέρι είναι σε επαφή με το κύκλωμα και το άλλο χέρι είναι σε επαφή με κάποιο μεταλλικό σημείο (πχ. το σασί ενός οργάνου), το οποίο σχεδόν σίγουρα είναι γειωμένο, τότε δημιουργείται ένας αγώγιμος δρόμος για το ρεύμα, ο οποίος περνάει από το στήθος σας, όπου είναι η καρδιά και τα πνευμόνια. Οι πυκνωτές μεγάλης χωρητικότητας μπορούν να διατηρήσουν το φορτίο στους οπλισμούς τους (και άρα την διαφορά δυναμικού ανάμεσα στα άκρα τους) για πολλές ώρες μετά την αφαίρεσή τους από ένα κύκλωμα. Για αυτό μην ακουμπάτε τους ακροδέκτες ή αποφορτίστε τους πλήρως, βραχυκυκλώνοντας τα άκρα τους με την βοήθεια ενός ηλεκτρικά μονωμένου κατσαβιδιού ή ενός καλωδίου για λίγα δευτερόλεπτα. Τα ηλεκτρονικά κυκλώματα επηρεάζονται εύκολα από τον στατικό ηλεκτρισμό. Το σώμα μας αναπτύσσει και χάνει στατικό ηλεκτρισμό από διάφορες δραστηριότητες, πολλές φορές χωρίς να το κατανοήσουμε ή μόνο με ένα μικρό σπινθήρα. Αν τα ακουμπήσουμε με τα χέρια μας πολύ πιθανόν να καταστραφούν εσωτερικά. Για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος χρησιμοποιούνται ειδικά βραχιόλια που συνδέονται με την γη του δικτύου της ΔΕΗ, ή μπορείτε να ακουμπήσετε το εξωτερικό μεταλλικό περίβλημα του συνδετήρα εισόδου ενός παλμογράφου. Διαδικασία κατασκευής κυκλωμάτων Παρακάτω δίνεται η διαδικασία κατά την οποία πρέπει να ακολουθηθεί όταν ζητηθεί να κατασκευαστεί ένα κύκλωμα: 1. Παίρνετε ότι χρειάζεται για την κατασκευή του κυκλώματος. 32

36 Μέρος Πρώτο: Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου 2. Κατασκευάζετε το κύκλωμα στην πλακέτα με την βοήθεια των χρήσιμων συμβουλών από την θεωρία της πολυτρυπημένης πλακέτας. 3. Ρυθμίζετε τα όργανα εργαστηρίου που απαιτούνται σύμφωνα με τις οδηγίες των προηγούμενων κεφαλαίων. 4. Όταν ολοκληρώσετε το πείραμα, επαναφέρετε ότι χρησιμοποιήσατε στη θέση του. Αποσφαλμάτωση κυκλωμάτων Πολλές φορές τα κυκλώματα δεν φτιάχνονται σωστά από την πρώτη φορά, για αυτό το λόγο πρέπει να γνωρίζονται οι τρόποι επίλυσής τους. Ακολουθείστε τα παρακάτω βήματα μέχρι να βρείτε την επίλυσή του προβλήματος: 1. Σιγουρευτείτε ότι κατέχετε τις απαραίτητες γνώσεις της κάθε εργαστηριακής άσκησης. 2. Επαναλάβετε για επιβεβαίωση τα βήματα της διαδικασίας κατασκευής κυκλωμάτων. 3. Με το κύκλωμα χωρίς τάση, ελέγξτε με το πολύμετρο κάθε σύνδεση μεταξύ των εξαρτημάτων. Αν βρείτε σε κάποιο σημείο ότι δεν υπάρχει ένωση, αντικαταστήστε την συνδεσμολογία. 4. Με το κύκλωμα υπό τάση, ελέγξτε με το πολύμετρο την διαφορά δυναμικού των τροφοδοσιών, καθώς και των στοιχείων στην είσοδο και στην έξοδο τους σε σχέση με την γείωση. Αν η μέτρηση είναι μία λανθασμένη τιμή αντικαταστήστε την τροφοδοσία ή το εξάρτημα. 33

37 Μέρος Δεύτερο: Λίστα Πειραμάτων Πείραμα 1º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων I Σκοπός Ο σκοπός αυτής της άσκησης είναι η εξοικείωση με το τροφοδοτικό, το πολύμετρο και την κατασκευή κυκλωμάτων στη πλακέτα. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να γνωρίζονται τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Συνολικά εξαρτήματα Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 10ΚΩ x4, 100ΚΩ x2, 1ΜΩ x2, 10ΜΩ x2 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο Τροφοδοτικό Βήματα πειράματος 1. Επιβεβαιώστε με την χρήση του πολυμέτρου ότι οι έξοδοι + και του τροφοδοτικού δεν είναι συνδεδεμένοι στην γη του δικτύου της ΔΕΗ και εξηγήστε πως το κάνετε. 2. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα με τάση τροφοδοσίας +6 Volts και μετρήστε με το πολύμετρο τα σημεία A, B, C. Μετά αλλάξτε την τάση τροφοδοσίας σε -6 Volts και ξαναμετρήστε τα σημεία αυτά. 1

38 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 1º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων I Vin A B C Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα με τις διάφορες τιμές των αντιστάσεων R από τον παρακάτω πίνακα και μετρήστε με το πολύμετρο το Vout. Καταγράψτε τα αποτελέσματα σας. Κύκλωμα Vout Με R=10KΩ Με R=100KΩ Με R=1ΜΩ Με R=10ΜΩ 4. Υπολογίστε την αντίσταση εισόδου του πολυμέτρου από τα αποτελέσματα του 3ου βήματος. 5. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα, μετρήστε με το πολύμετρο το INORTON του κυκλώματος και επιβεβαιώστε την μέτρηση υπολογίζοντας το θεωρητικά. 6. Βρείτε την διαφορά μεταξύ Average Responding και True RMS του πολυμέτρου. 2

39 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II Πείραμα 2º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II Σκοπός Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι η εκμάθηση της χρήσης της γεννήτριας συχνοτήτων και του παλμογράφου. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να γνωρίζονται τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Πυκνωτής Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Αναλογικός Παλμογράφος Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Συνολικά εξαρτήματα Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: 10ΚΩ Πυκνωτής: 1nF Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο Γεννήτρια Συχνοτήτων Παλμογράφος Βήματα πειράματος 1. Επιβεβαιώστε με την χρήση του πολυμέτρου ότι το εξωτερικό μεταλλικό περίβλημα του συνδετήρα εισόδου του σήματος στον παλμογράφο συνδέεται με την γη του δικτύου της ΔΕΗ. 2. Κάνετε το ίδιο για το εξωτερικό περίβλημα της εξόδου της γεννήτριας κυματομορφών. 3. Συνδέστε την γεννήτρια κυματομορφών στην είσοδο του παλμογράφου και προσπαθήστε να πάρετε σήμα έχοντας την σκανδάλη (TRIGGER) του παλμογράφου στη θέση AUTO. Οι είσοδοι του παλμογράφου να είναι στην DC ρύθμιση. Βρείτε το πλάτος και την συχνότητα του σήματος από τον παλμογράφο και συγκρίνετέ τα με τις ενδείξεις της γεννήτριας κυματομορφών. Συμφωνούν; 4. Αν η γεννήτρια κυματομορφών έχει ρυθμιστικό με την ένδειξη OFFSET πειράξτε το. Πώς αλλάζει η μορφή που παίρνετε στον παλμογράφο; Βάλτε την είσοδο του παλμογράφου στη ρύθμιση AC. Τι παρατηρείτε και γιατί; 5. Βάλτε την σκανδάλη του παλμογράφου στη θέση NORM και αλλάξτε την ρύθμιση 3

40 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II TRIGGER LEVEL μέχρι να εξαφανισθεί η κυματομορφή από την οθόνη του παλμογράφου. Τώρα αλλάξτε το πλάτος του σήματος που παράγει η γεννήτρια έτσι ώστε να εμφανιστεί πάλι η κυματομορφή στην οθόνη. Εξηγήστε γιατί συμβαίνει αυτό. 6. Βρείτε που αναγράφεται η αντίσταση εξόδου της γεννήτριας συχνοτήτων και καταγράψτε την. Περιγράψτε ένα πείραμα με το οποίο θα μπορούσατε να μετρήσετε αυτήν την αντίσταση εξόδου και εκτελέστε το. Ποιο είναι το αποτέλεσμα του; 7. Φτιάξτε το κύκλωμα του παρακάτω σχήματος βάζοντας R= 10KΩ και C= 1nF, με τάση εισόδου ένα ημίτονο πλάτους 1V και παίρνοντας την τάση εξόδου από τον παλμογράφο. Να συμπληρώσετε τον παρακάτω πίνακα για τις διαφορετικές συχνότητες της τάσης εισόδου. F (Hz) Vin (Volts) Vout (Volts) 4 20 log 10 ( V out )(db) V in

41 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 2º - Γνωριμία με τα όργανα και την κατασκευή κυκλωμάτων II 8. Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων φτιάξτε την παρακάτω γραφική παράσταση, λέγεται διάγραμμα bode για το πλάτος. 5

42 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I Πείραμα 3º Δίοδος I Σκοπός Με το πείραμα αυτό θα κατανοηθεί πώς μία δίοδος αλληλεπιδρά στα κυκλώματα ανάλογα την περιοχή λειτουργίας της. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να γνωρίζονται τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Τροφοδοτικό Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της πολικότητας της διόδου στη πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Συνολικά εξαρτήματα Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντιστάσεις: 1KΩ, 20ΚΩ Δίοδος: 1Ν4148 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο x2 Τροφοδοτικό Βήματα πειράματος 1. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. 2. Αλλάζοντας την τάση τροφοδοσίας συμπληρώσετε τον πίνακα από τις αντίστοιχες ενδείξεις του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου. 6

43 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I Vin (V) I (ma) Vout (V) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Δώστε Vin=5V και στη θέση της αντίστασης R βάλτε τις αντιστάσεις 1ΚΩ ή 20ΚΩ και δείτε το ρεύμα από το αμπερόμετρο για κάθε περίπτωση. Βλέπετε ότι εδώ διατηρώντας σταθερή την τάση του τροφοδοτικού (5V), αλλάζετε το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα, μεταβάλλοντας μία αντίσταση. 7

44 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I Κύκλωμα Ι(mA) Με R=1KΩ Με R=20ΚΩ 4. Για τις παρακάτω τιμές του ρεύματος πάρτε τις αντίστοιχες τιμές της τάσης εξόδου αλλάζοντας κατάλληλα κάθε φορά την τάση τροφοδοσίας: Vin (V) I (ma) Vout (mv) 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Αλλάξτε την πολικότητα της διόδου στο κύκλωμα. Δώστε διάφορες τιμές της τάσης τροφοδοσίας και σημειώστε τις ενδείξεις του αμπερομέτρου και του βολτομέτρου. Παρατηρείστε τι συμβαίνει στο κύκλωμα. Vin (V) I (ma) 8 Vout (V)

45 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 3º Δίοδος I 6. Οργανώστε όλα τα αποτελέσματα των πινάκων σε μία γραφική παράσταση Ι Vout της αντίστασης και της διόδου. 7. Συγκρίνετε τις χαρακτηριστικές καμπύλες των δύο εξαρτημάτων που σχεδιάσατε στο προηγούμενο βήμα. 9

46 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Δίοδος II Πείραμα 4º Δίοδος II Σκοπός Ο σκοπός του πειράματος είναι η κατανόηση της λειτουργίας της διόδου ως περιοριστής τάσης. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να γνωρίζονται τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Τροφοδοτικό, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Αναλογικός Παλμογράφος Πολύμετρο, Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της πολικότητας της διόδου στη πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Συνολικά εξαρτήματα Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: 1KΩ Δίοδος: 1Ν4148 x2 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο Τροφοδοτικό Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος 10

47 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Δίοδος II Βήματα πειράματος 1. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Οδηγείστε το με ένα ημίτονο από την γεννήτρια συχνοτήτων το οποίο να έχει πλάτος άνω των 5V. 2. Καταγράψτε την κυματομορφή που λαμβάνετε και εξηγήστε την μορφή της. 3. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Οδηγείστε το κύκλωμα με ημιτονοειδή, τριγωνική και τετραγωνική κυματομορφή, με διάφορα πλάτη. 4. Καταγράψτε τις κυματομορφές που βλέπετε στη έξοδο και εξηγήστε γιατί εμφανίζονται τέτοιες. 11

48 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 4º Δίοδος II 12

49 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Δίοδος III Πείραμα 5º Δίοδος III Σκοπός Ο σκοπός του πειράματος είναι η κατανόηση της λειτουργίας της διόδου ως ημιανορθωτής ή ως πλήρης ανορθωτής και του πυκνωτή για εξομάλυνση της τάσης εξόδου. Απαραίτητες γνώσεις Για την εκτέλεση του πειράματος πρέπει να γνωρίζονται τα εξής: Ηλεκτρικά Στοιχεία: Αντίσταση, Δίοδος Όργανα Εργαστηρίου: Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων, Πολύμετρο, Γεννήτρια Συχνοτήτων, Αναλογικός Παλμογράφος Σύμβολα Κυκλωμάτων Γενικοί Κανόνες Εργαστηρίου Η τοποθέτηση της πολικότητας της διόδου στη πλακέτα μπορεί να γίνει με την βοήθεια της παρακάτω εικόνας. Συνολικά εξαρτήματα Αυτό το πείραμα χρειάζεται τα εξής: Αντίσταση: 1KΩ Πυκνωτές: 1μF, 10μF Δίοδος: 1Ν4148 x4 Πολυτρυπημένη πλακέτα κυκλωμάτων Πολύμετρο Γεννήτρια συχνοτήτων Παλμογράφος (με 2 κανάλια) 13

50 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Δίοδος III Βήματα πειράματος 1. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα για V in =5 sin (2 π 100 t) και συνδέστε στο ένα κανάλι του παλμογράφου το Vin και στο άλλο το Vout. 2. Καταγράψτε τις κυματομορφές των Vin και Vout. Εξηγήστε για ποιο λόγο η έξοδος έχει τέτοια μορφή. 3. Προσθέστε παράλληλα στην αντίσταση έναν πυκνωτή, όπως φαίνεται παρακάτω, δοκιμάζοντας τις τιμές 1μF και 10μF. Τι παρατηρείτε; 14

51 Μέρος Δεύτερο: Πείραμα 5º Δίοδος III 4. Ρυθμίστε την γεννήτρια συχνοτήτων για V in =10 sin (2 π 100 t) με την βοήθεια του παλμογράφου και καταγράψτε την κυματομορφή. 5. Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα δίνοντας την Vin που ρυθμίσατε στο προηγούμενο βήμα. 6. Καταγράψτε από τον παλμογράφο την κυματομορφή της Vout. 15