ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ Κ I D Α V D C I C B I Β3 E 0 I Β2 I Β1 I Β =0 V CE Γεώργιος Σουλιώτης Καθηγητής Εφαρμογών 2017 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε.

2

3 Περιεχόμενα Άσκηση 1: Όργανα εργαστηρίου, πηγές συνεχούς τάσης και μετρήσεις Άσκηση 2: Όργανα εργαστηρίου, πηγές εναλλασσόμενης τάσης και μετρήσεις Άσκηση 3: Δίοδοι Άσκηση 4: Δίοδος Zener Άσκηση 5: Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Άσκηση 6: Μελέτη Ενισχυτή Κοινού Εκπομπού Άσκηση 7: Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (JFET) Άσκηση 8: Θυρίστορ SCR

4

5 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 1 Όργανα εργαστηρίου, πηγές συνεχούς τάσης και μετρήσεις Στόχος Η άσκηση είναι εισαγωγική και προσφέρει γνωριμία και εξοικείωση με τα όργανα του εργαστηρίου και τον τρόπο μέτρησης διαφόρων ηλεκτρικών μεγεθών. Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η αναγνώριση του συνεχούς και του εναλλασσόμενου ρεύματος και η μέτρησή τους. Εισαγωγή Στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικών χρησιμοποιούνται συσκευές παραγωγής και όργανα μέτρησης ηλεκτρικών τάσεων και σημάτων. Χρησιμοποιούνται τροφοδοτικά συνεχούς και εναλλασσόμενης τάσης, γεννήτριες συχνοτήτων, πολύμετρα και παλμογράφος. Τα τροφοδοτικά (συνεχούς) τάσης παράγουν τις αναγκαίες τάσεις για να δουλέψουν τα κυκλώματα. Οι γεννήτριες συχνοτήτων παράγουν εναλλασσόμενες τάσεις διαφόρων μορφών και συχνοτήτων και συνήθως η παραγόμενη τάση χρησιμοποιείται ως είσοδος στα υπό εξέταση κυκλώματα. Τα πολύμετρα είναι όργανα μέτρησης που επιτρέπουν την μέτρηση τάσεων, ρευμάτων και αντιστάσεων. Τέλος, ο παλμογράφος είναι ένα από τα πιο χρήσιμα όργανα μέτρησης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λεπτομερή μελέτη και αποτύπωση της ηλεκτρικής τάσης. 1. Μορφές τάσης/ρεύματος Η τάση και το ρεύμα ανάλογα με τη μορφή που έχουν ως προς χρόνο, μπορεί να χαρακτηριστεί σε DC (συνεχές ρεύμα) και AC (εναλλασσόμενο), όπως περιγράφεται στη συνέχεια. DC (direct current συνεχές ρεύμα) είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργείται από τη σταθερή ροή ή κίνηση των φορέων ηλεκτρικού φορτίου (που είναι συνήθως ηλεκτρόνια) προς μία κατεύθυνση. Η τιμή του συνεχούς ρεύματος είναι σταθερή ως προς το χρόνο. Ο όρος DC χρησιμοποιείται και για τάση με πολικότητα που δεν αντιστρέφεται ποτέ. ΑC (alternating current εναλλασσόμενο ρεύμα) είναι το ρεύμα που δημιουργείται από τη ροή ή κίνηση των ηλεκτρικών φορέων φορτίου που περιοδικά αλλάζει κατεύθυνση. Οι μορφές του εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να είναι ημιτονοειδής, τριγωνική, ή τετραγωνική. Ο όρος ΑC χρησιμοποιείται και για τάση με πολικότητα που εναλλάσσεται περιοδικά. Τα εναλλασσόμενα σήματα έχουν ως χαρακτηριστικό τις ίσες περιοχές πάνω και κάτω από το 0. 1

6 Πολύ συχνά μέσα από έναν αγωγό ρέει ρεύμα προς μία κατεύθυνση αλλά η στιγμαία του τιμή δεν είναι εντελώς σταθερή. Τότε λέμε ότι το ρεύμα αυτό είναι κυμαινόμενο DC, καθώς πρόκειται για ένα DC ρεύμα πάνω στο οποίο βρίσκεται και μία εναλλασσόμενη συνιστώσα. Η DC συνιστώσα δίνει επίσης τη μέση τιμή του ρεύματος. Το σύμβολο της τάσης (Voltage) είναι το γράμμα V και η μονάδα μέτρησης το 1 Volt (V). Το σύμβολο του ρεύματος (Current) είναι το γράμμα Ι και μονάδα μέτρησης το 1 Ampere (A). Τα σήματα που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενα σχήματα ονομάζονται κυματομορφές. V DC V AC 0 time (ms) 0 time (ms) (α) (β) V κυμαινόμενο DC Μέση τιμή ή DC συνιστώσα 0 time (ms) (γ) Σχήμα 1: α) τάση DC β) AC και γ) κυμαινόμενο DC 2. Τροφοδοτικά συνεχούς τάσης Τροφοδοτικά είναι οι συσκευές που παράγουν τάσεις. Διακρίνονται σε τροφοδοτικά συνεχούς τάσης και σε τροφοδοτικά εναλλασσόμενης τάσης. Τα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης συνήθως είναι σταθεροποιημένα (regulated) που σημαίνει ότι η τάση που εμφανίζουν στην έξοδό τους είναι ανεξάρτητη από το φορτίο. Διακρίνονται σε σταθερά ή ρυθμιζόμενα. Στο Σχήμα 2 φαίνεται ένα σταθεροποιημένο τροφοδοτικό συνεχούς τάσης, με πολλαπλή έξοδο. Παρέχει ταυτόχρονα διάφορες τάσεις, όπως ± 15 V, ± 8 V, 5 V κλπ. Στο Σχήμα 2 παρουσιάζονται δύο ρυθμιζόμενα τροφοδοτικά συνεχούς τάσης. Με τα τροφοδοτικά αυτά είναι δυνατή η παροχή οποιασδήποτε τιμής τάσης από 0 V έως μιας μέγιστης τιμής. Για την παραγωγή της τάσης απαιτούνται πάντα δύο ακροδέκτες, ο θετικός () και ο αρνητικός (). Έτσι, στο τροφοδοτικό του Σχήματος 1, όλες οι τάσεις έχουν ονομαστική τιμή σε σχέση με την τάση αναφοράς που παρέχεται από τους μαύρους ακροδέκτες. 2

7 Σχήμα 2: Σταθεροποιημένο τροφοδοτικό πολλαπλής εξόδου Σχήμα 3: Ρυθμιζόμενα σταθεροποιημένα τροφοδοτικά Στα τροφοδοτικά του Σχήματος 3 παράγεται μια τάση θετική στον κόκκινο ακροδέκτη () ως προς τον μαύρο ακροδέκτη (). Ο μεσαίος ακροδέκτης αν και δείχνει το σύμβολο της γείωσης, δεν συμμετέχει στην παραγωγή της επιθυμητής τάσης και για το λόγο αυτό συνήθως δεν χρησιμοποιείται στις ασκήσεις του εργαστηρίου. Αν πρέπει ο αρνητικός ακροδέκτης να είναι γειωμένος, τότε πρέπει να συνδεθεί στον αντίστοιχο ακροδέκτη. 3. Αντίσταση Η αντίσταση είναι το μέτρο της δυσκολίας της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος που εμφανίζει ένα υλικό. Συμβολίζεται με το γράμμα R και η μονάδα μέτρησης είναι το ohm (Ω). Ως αγωγοί χαρακτηρίζονται τα υλικά που έχουν πολύ μικρή αντίσταση σε σχέση με τα υλικά που χαρακτηρίζονται ως μονωτές. Ημιαγωγοί ονομάζονται τα υλικά τα οποία κάτω από ορισμένες συνθήκες συμπεριφέρονται σαν αγωγοί και κάτω από άλλες συνθήκες συμπεριφέρονται σαν μονωτές. Διηλεκτρικά ονομάζονται όλα τα μη μέταλλα. Αγωγιμότητα G είναι το αντίστροφο της Αντίστασης και μετριέται σε S ή mho, G = 1 R (1) Οι αγωγοί έχουν μεγάλη αγωγιμότητα σε σχέση με τους Μονωτές. 3

8 Ο Νόμος του Ohm Η τάση V (διαφορά δυναμικού) στα άκρα ενός αγωγού είναι ανάλογη με το ρεύμα Ι που τον διαρρέει. Η σταθερά αναλογίας ονομάζεται αντίσταση R. V = I R (2) Άρα η αντίσταση R ισούται με R = V I (3) 4. Μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίστασης Το πολύμετρο επιτρέπει τη μέτρηση τάσης, ρεύματος και αντίστασης. Ορισμένα πολυμέτρα, επιτρέπουν τη μέτρηση και άλλων μεγεθών όπως χωρητικότητας, συχνότητας κλπ. Ανάλογα με το μετρούμενο μέγεθος πρέπει να γίνει η κατάλληλη επιλογή στους διακόπτες του πολυμέτρου. Πρέπει να επιλεγεί αν η μέτρηση αφορά τάση, ρεύμα ή αντίσταση, αν πρόκειται για DC ή AC και πρέπει να επιλεγεί η κατάλληλη κλίμακα. Όταν η τιμή του υπό μέτρηση μεγέθους είναι εντελώς άγνωστη, τότε πρέπει να γίνει επιλογή της μεγαλύτερης κλίμακας και σταδιακά να επιλέγεται η χαμηλότερη δυνατή. Η αρχική επιλογή της μεγαλύτερης κλίμακας γίνεται για να μην καταστραφεί το πολύμετρο και η απαραίτητη σταδιακή μείωση κλίμακας, γίνεται για να εμφανιστεί η μέτρηση με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια αλλά και αξιοπιστία. COM Είδος μέτρησης Κλίμακα COM Είδος μέτρησης Κλίμακα Σχήμα 4: Πολύμετρα Το βολτόμετρο συνδέεται παράλληλα με το στοιχείο, την τάση του οποίου, μετράμε, ενώ το αμπερόμετρο σε σειρά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. A 0 20 Vdc R V 4

9 Σχήμα 5: Σύνδεση βολτομέτρου και αμπερομέτρου Το βολτόμετρο παρουσιάζει μεγάλη αντίσταση και για το λόγο αυτό γενικά δεν διατρέχει μεγάλο κίνδυνο από την επιλογή λάθους κλίμακας. Αντίθετα, το αμπερόμετρο εμφανίζει πολύ μικρή αντίσταση και για το λόγο αυτό ένα μεγάλο ρεύμα μπορεί πολύ εύκολα να το διαρρεύσει χωρίς περιορισμό. Έτσι, η επιλογή της κατάλληλης κλίμακας στο αμπερόμετρο είναι πολύ σημαντική για να μην καταστραφεί. Για να μετρηθεί μία αντίσταση πρέπει να βρίσκεται εκτός κυκλώματος. Δεν αρκεί να μην υπάρχει τάση στο κύκλωμα, αλλά πρέπει η αντίσταση να είναι απομονωνόμενη, ώστε να μην υπάρχει τρόπος δημιουργίας κλειστού κυκλώματος κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Επειδή είναι δύσκολο να απομονωθεί και να μετρηθεί μια αντίσταση που βρίσκεται πάνω σε ένα κύκλωμα, οι αντιστάσεις περιγράφουν την τιμή τους με έναν χρωματικό κώδικα. που αποτυπώνεται πάνω στην αντίσταση, με τον τρόπου που απεικονίζεται στο Σχήμα 6. Στο Πίνακα 1 εμφανίζεται η αντιστοιχία των χρωμάτων με αριθμούς. 1ο ψηφίο 2ο πολ/στής ανοχή ψηφίο 10 Χ Σχήμα 6: Χρωματικός κώδικας αντίστασης Πίνακας 1: Κωδικοί χρωμάτων αντίστασης Χρώμα Αριθμός Ανοχή Μαύρο 0 Καφέ 1 ± 1 % Κόκκινο 2 ± 2 % Πορτοκαλί 3 Κίτρινο 4 Πράσινο 5 ± 0.5 % Μπλέ 6 ± 0.25 % Μωβ 7 ± 0.1 % Γκρι 8 ± 0.05 % Λευκό 9 Χρυσαφί ± 5 % Ασημί ± 10 % Παράδειγμα Η διπλανή αντίσταση έχει τα εξής χρώματα: καφέ, μαύρο, πορτοκαλί, χρυσό Άρα η τιμές είναι: 1, 0, 3, 5 Άρα η τιμή βρίσκεται ως: 10 x 10 3 ±5 (%) Ω άρα R = 10ΚΩ ±5 (%) 5

10 5. Σχέσεις ισχύος Ισχύς P είναι η ενέργεια ως προς τη μονάδα του χρόνου. P = E t (4) και μονάδα είναι το 1 Watt (W). Ισχύει ότι V = E Ε = V q (5) q Επίσης Ι = q t t = q I (6) Έτσι προκύπτει, P = V I = V2 R = I2 R (7) 6. Γραφικές παραστάσεις Πολλές φορές οι μαθηματικές σχέσεις που περιγράφουν τη λειτουργία κάποιων εξαρτημάτων ή οι μετρήσεις που λαμβάνονται σε κάποιο εργαστήριο πρέπει να αποδοθούν με τη μορφή χαρακτηριστικών καμπυλών ή άλλων γραφημάτων. Οι γραφικές παραστάσεις αποτυπώνονται κυρίως σε τρία είδη χαρτιών με διάφορους τύπους κλίμακας και αυτά είναι το μιλλιμετρέ χαρτί, το λογαρισθμικό χαρτί και το ημιλογαριθμικό χαρτί. Το μιλλιμετρέ χαρτί έχει υποδιαιρέσεις σε γραμμική κλίμακα και στους δύο άξονες. Το λογαριθμικό χαρτί έχει υποδιαιρέσεις σε λογαριθμική κλίμακα και στους δύο άξονες. Οι υποδιαιρέσεις γίνονται με ισαπέχουσες αποστάσεις για τις δυνάμεις του 10. Έτσι, για παράδειγμα, από το 10 (10 1 ) μέχρι το 100 (10 2 ) ισαπέχει από το 100 (10 2 ) έως το 1000 (10 3 ) κ.ο.κ. Το ημιλογαριθμικό χαρτί έχει γραμμική κλίμακα στον κατακόρυφο άξονα και λογαριθμική κλίμακα στον οριζόντιο άξονα. 6

11 Μιλιμετρέ χαρτί Λογαριθμικό χαρτί Ημιλογαριθμικό χαρτί 7. Πολλαπλάσια Υποπολλαπλάσια Μονάδων Για την καλύτερη απεικόνιση των πολύ μεγάλων (πολλαπλάσια) και πολύ μικρών αριθμών (υποπολλαπλάσια) χρησιμοποιούνται σύμβολα που αντιστοιχούν σε δυνάμεις του 10. Οι αντιστοιχίσεις απεικονίζονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2: Σύμβολα πολλαπλασίων και υποπολλαπλασίων Δύναμη Ονομασία Σύμβολο Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega Μ 10 3 Kilo Κ mili m 10 6 micro μ 10 9 nano n pico P femto f 7

12 8

13 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 1 Όργανα και μετρήσεις συνεχούς ρεύματος ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

14 Πρακτική Άσκηση 1) Μέτρηση Τάσης Ανοίξτε το τροφοδοτικό και συνδέστε το βολτόμετρο στην έξοδο ώστε να μετρήσετε την τάση του. Να θέσετε και να μετρήσετε τις παρακάτω τάσεις, επιλέγοντας την κατάλληλη κλίμακα στο πολύμετρο. Τάσεις: 0.5V, 1V, 2V, 5V, 10V. 2) Μέτρηση αντιστάσεων με ωμόμετρο Να θέσετε στο κιβώτιο αντιστάσεων τις παρακάτω τιμές αντίστασης και να τις μετρήσετε με το ωμόμετρο. Αντίσταση: 5Ω, 150Ω, 47ΚΩ, 250ΚΩ. 3) Ερωτήσεις I) Να συμπληρώσετε τους παρακάτω πίνακες Ι(A) Ι(mA) Ι(μA) x x 10 6 V I R(KΩ) 10V 10mA 30mV 15μΑ 0.5V 10mA 500mV 10mA 400mV 200μΑ A V R 10

15 II) Να κάνετε τις γραφικές παραστάσεις για τις παρακάτω μετρήσεις A B Vdc (V) I (ma) Vdc (V) I (ma) (A) V dc (V) I(mA) (B) Ι(mA) Vdc (V) 11

16 12

17 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 2 Όργανα εργαστηρίου, πηγές εναλλασσόμενης τάσης και μετρήσεις Στόχος Η άσκηση είναι συνέχεια της Άσκησης 1 κάνοντας εισαγωγική στα εργαστηριακά όργανα και τον τρόπο μέτρησης διαφόρων ηλεκτρικών μεγεθών. Η Άσκηση 2 δίνει έμφαση στα εναλλασσόμενα σήματα και έχει στόχο την εξοικείωση των φοιτητών με τη γεννήτρια συχνοτήτων και τη μέτρηση εναλλασσομένων τάσεων με παλμογράφο. Εισαγωγή Στην Άσκηση 1 έγινε περιγραφή των τάσεων σε σχέση με τη μεταβολή τους ως προς το χρόνο και η ταξινόμησή τους σε DC και AC. Η εναλλασσόμενη τάση (AC) στο εργαστήριο μπορεί να δημιουργηθεί από γεννήτρια συχνοτήτων. Ωστόσο, αν η εναλλασσόμενη τάση απαιτεί συχνότητα 50Hz, τότε αυτή μπορεί να παραχθεί από ένα μετασχηματιστή που συνδέεται στο ηλεκτρικό δίκτυο. Η μέτρηση του εναλλασσόμενου σήματος μπορεί να γίνει από πολύμετρο, το οποίο μετράει την ενεργό τιμή αλλά η λεπτομερής μέτρηση γίνεται με παλμογράφο. Ο παλμογράφος είναι ένα από τα πιο χρήσιμα όργανα μέτρησης, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη λεπτομερή μελέτη και αποτύπωση της ηλεκτρικής τάσης. 1. Γεννήτριες συχνοτήτων Οι γεννήτριες συχνοτήτων είναι συσκευές που παράγουν εναλλασσόμενες τάσεις. Η συχνότητα του σήματος αλλά και το πλάτος τους μπορεί να ρυθμιστεί. Στις περισσότερες γεννήτριες συχνοτήτων η μορφή της τάσης μπορεί να ημιτονοειδής (sinusoidal wave), παλμική (pulse wave) ή τριγωνική (triangle wave), όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Η γεννήτρια TRIO AG203 της εικόνας μπορεί να παράγει μόνο ημιτονοειδή και παλμική τάση. Η επιλογή γίνεται από τον αντίστοιχο διακόπτη. Η επιλογή της συχνότητας γίνεται από τον περιστρεφόμενο επιλογέα μαζί με τον πολλαπλασιαστικό επιλογέα. Αν, για παράδειγμα, θέλουμε να επιλέξουμε 20ΚΗz, επιλέγουμε 20 από τον περιστρεφόμενο διακόπτη μαζί με τον πολλαπλασιαστικό επιλογέα x100. Το πλάτος της τάσης ρυθμίζεται από τους επιλογείς AMPLITUDE και ATTENUATOR (db). Η ημιτονοειδής εναλλασσόμενη τάση μπορεί να περιγραφεί από τη σχέση, V(t)=Vo sin (ωt) (1) 13

18 V Sinusoidal wave V Pulse wave V Triangle wave V o Vo V o T time (ms) T time (ms) T time (ms) Σχήμα 1: Τάση α) ημιτονοειδής β) παλμική γ) τριγωνική Σχήμα 2: Γεννήτρια συχνοτήτων όπου, V o είναι το πλάτος της τάσης και ω είναι η γωνιακή συχνότητα με ω=2πf. Η συχνότητα f είναι ίση με f = 1 T (2) Μέτρηση της ημιτονοειδούς τάσης μπορεί να γίνει με βολτόμετρο όπου μετράει την ενεργό τιμή V rms. Αν V pp είναι η τάση από κορυφή σε κορυφή τότε V pp=2 V o. V rms = V pp 2 2 = V o 2 = V o (3) V V 0 T V o V pp time (ms) 0 T V o Vpp Μέση τιμή ή DC συνιστώσα time (ms) Σχήμα 3: Πλάτος και περίοδος ημιτονοειδούς σήματος 14

19 3. Παλμογράφος Ο παλμογράφος είναι ένα από τα πιο χρήσιμα όργανα για τη μέτρηση τάσεων και σημάτων. Η λειτουργία του βασίζεται στον καθοδικό σωλήνα (C.R.T.), στην οθόνη του οποίου απεικονίζεται η κυματομορφή του υπό μέτρηση σήματος. Αν και υπάρχουν σύγχρονοι ψηφιακοί παλμογράφοι, η περιγραφή με τον καθοδικό σωλήνα κάνει καλύτερα κατανοητό τον τρόπο λειτουργίας τους. Οι κυματομορφές πού βλέπουμε στην οθόνη σχηματίζονται από ένα κινούμενο πάνω σε αυτή φωτεινό στίγμα. Η τροχιά του στίγματος είναι η συνισταμένη δύο κινήσεων, μίας στον κατακόρυφο άξονα και μίας στον οριζόντιο (Σχήμα 4). Η κατακόρυφη συνιστώσα οφείλεται στο πλάτος (τάση) της προς παρατήρηση κυματομορφής ενώ η οριζόντια σε μία εσωτερική πριονωτή τάση πού παράγει ο παλμογράφος (κύκλωμα οριζόντιας σάρωσης) για την αναπαράσταση του χρόνου. Η οθόνη του παλμογράφου (Σχήμα 5) είναι χωρισμένη σε υποδιαιρέσεις για να μπορούμε να κάνουμε μετρήσεις. Ο οριζόντιος άξονας (Χ) αντιστοιχεί στο χρόνο (περίοδο) και ο κατακόρυφος (Υ) στην τάση. Ο καθοδικός σωλήνας (C.R.T.) είναι μία λυχνία Braun ηλεκτροστατικής απόκλισης. Όπως φαίνεται στο παρακάτω αποτελείται από ένα ηλεκτρονικό πυροβόλο (κάθοδος πλέγμα 1η και 2η άνοδος) που παράγει εστιάζει και επιταχύνει ηλεκτρόνια, τα οποία βομβαρδίζουν τη φθορίζουσα οθόνη και παράγεται έτσι το φωτεινό στίγμα. Πλακίδια κατακόρυφης απόκλισης Πλακίδια οριζόντιας απόκλισης Δέσμη e Κάθοδος Άνοδοι επιτάχυνσης και εστίασης Φθορίζουσα επιφάνεια Σχήμα 4: Δομή παλμογράφου Σχήμα 5: Οθόνη παλμογράφου 15

20 Τα κουμπιά φωτεινότητας (INTENSITY) και εστίασης (FOCUS) πού υπάρχουν στην πρόσοψη του παλμογράφου επενεργούν στο ηλεκτρονικό πυροβόλο και ρυθμίζουν την φωτεινότητα και την εστίαση της φωτεινής κηλίδας. Θα πρέπει να τα ρυθμίζουμε κατάλληλα ώστε η κηλίδα να είναι όσο το δυνατό μικρότερη και η φωτεινότητα να μην προκαλεί φωτοστέφανο. Μετά το ηλεκτρονικό πυροβόλο υπάρχουν οι πλάκες απόκλισης οι οποίες κινούν κατάλληλα την δέσμη των ηλεκτρονίων προκειμένου να διαγράψει στην οθόνη το ίχνος της κυματομορφής του προς μέτρηση σήματος. Εάν για παράδειγμα εφαρμόσουμε μία τάση (π.χ. DC) στα πλακίδια X_plates (οριζόντιας απόκλισης) του σχήματος, τότε η φωτεινή κηλίδα θα κινηθεί στον οριζόντιο άξονα. Εάν η τάση εφαρμοστεί στα πλακίδια Y_plates (κατακόρυφης απόκλισης) η κηλίδα θα κινηθεί στον κατακόρυφο άξονα. Εάν συγχρόνως εφαρμόσουμε τάση και στα δύο ζευγάρια των πλακιδίων μπορούμε να έχουμε οποιαδήποτε κίνηση επάνω στην οθόνη. Στην τεχνική αυτή βασίζεται ο σχηματισμός της κυματομορφής του προς μέτρηση σήματος. Στον παλμογράφο εφαρμόζεται στα πλακίδια κατακόρυφης απόκλισης (άξονας Υ) μέσω ενισχυτών ή υποβιβασμών το προς παρατήρηση σήμα, διότι το πλάτος του μπορεί να είναι πολύ μικρό ή πολύ μεγάλο και να θέλει αντίστοιχα ενίσχυση ή εξασθένηση. Η απόκλιση λοιπόν στον κατακόρυφο άξονα της οθόνης θα είναι ανάλογη του πλάτους του προς μέτρηση σήματος, λαμβάνοντας υπόψη κάθε φορά και την θέση του μεταγωγού VOLT/DIVISION, με τον οποίο επιλέγουμε τον βαθμό ενίσχυσης ή υποβιβασμού του σήματος εισόδου. Έτσι έχουμε άμεση αντιστοιχία μήκους στην οθόνη του παλμογράφου, με τάση, αρκεί να πολλαπλασιάσουμε την ένδειξη του μεταγωγού επί τα κουτάκια του κατακόρυφου άξονα πού αντιστοιχούν στο πλάτος του σήματος, V = VOLT x DIVISIONS DIVISION Μέχρι στιγμής έχουμε εφαρμόσει σήμα μόνο στις οριζόντιες πλάκες (Y_plates) κάθετης απόκλισης οπότε θα βλέπουμε μόνο μία γραμμή στον κατακόρυφο άξονα Υ. Προκειμένου να ανοίξει η κυματομορφή και προς τον άξονα Χ ώστε να την δούμε ολοκληρωμένη (να έχουμε δηλαδή οπτική παρατήρηση του πλάτους της κατά την διάρκεια του χρόνου), θα πρέπει να τροφοδοτηθούν κατάλληλα και τα πλακίδια οριζόντιας απόκλισης. Για τον λόγο αυτό στα πλακίδια οριζόντιας απόκλισης (X_plates άξονας Χ) εφαρμόζεται εσωτερικά μία πριονωτή τάση πού παράγει ο ίδιος ο παλμογράφος. Η τάση αυτή κινεί περιοδικά και ισοταχώς το στίγμα από αριστερά προς τα δεξιά στην οθόνη και κατόπιν πάρα πολύ γρήγορα γίνεται επιστροφή από δεξιά προς τα αριστερά για να το επαναφέρει στην αρχή. Κατά τη διάρκεια της επιστροφής το στίγμα δεν εμφανίζεται στην οθόνη. V 0 T1 T1 time (ms) Σχήμα 6: Πριονωτή τάση για την οριζόντια σάρωση του στίγματος της οθόνης 16

21 Η συχνότητα της περιοδικής αυτής τάσης ρυθμίζεται με τον επιλογέα χρόνου σάρωσης (TIME/DIVISION) ο οποίος μας επιτρέπει να έχουμε άμεση αναλογία μήκους στον οριζόντιο άξονα Χ της οθόνης, με χρόνο. Είναι φανερό ότι αν η περίοδος της εσωτερικής πριονωτής τάσης είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη από την περίοδο της προς παρατήρηση κυματομορφής θα δούμε αντίστοιχα στην οθόνη περισσότερα μήκη κύματος μέρος αυτών. Ο χρόνος βρίσκεται πολλάπλασιάζοντας την κλίμακα του χρόνου με τα κουτάκια σε οριζόντια κατεύθυνση. time = TIME x DIVISIONS DIVISION Προκειμένου τώρα να υπάρχει συγχρονισμός μεταξύ του δικού μας προς μέτρηση σήματος και της εσωτερικής πριονωτής τάσης του παλμογράφου, ώστε να βλέπουμε σταθερή την κυματομορφή στην οθόνη, υπάρχει στον παλμογράφο το κύκλωμα σκανδαλισμού (TRIGGER). Όλοι οι παλμογράφοι έχουν στην πρόσοψη τους δύο κουμπιά κάθετης και οριζόντιας θέσης (HORIZONTAL και VERTICAL POSITION), μέσω των οποίων δίνεται μία εσωτερική DC τάση στα αντίστοιχα πλακίδια απόκλισης, μετακινώντας έτσι την κυματομορφή στην οθόνη και φέρνοντας την στην επιθυμητή θέση για να κάνουμε μετρήσεις. Οι σύγχρονοι παλμογράφοι είναι τουλάχιστον δύο καναλιών (δύο εισόδων) για να έχουμε την δυνατότητα παρατήρησης στην οθόνη ταυτόχρονα δύο κυματομορφών. Στους παλμογράφους αυτούς υπάρχουν δύο ανεξάρτητες μονάδες κατακόρυφης ενίσχυσης και μία κοινή γεννήτρια σάρωσης. Με τους κατάλληλους επιλογείς μπορούμε να ενεργοποιήσουμε και τα δύο κανάλια ή το κάθε ένα μόνο του. Επίσης με κατάλληλη επιλογή μπορούμε να απενεργοποιήσουμε την γεννήτρια σάρωσης και να δουλέψουμε ανεξάρτητα τις δύο εισόδους μόνο για γραμμική μετατόπιση στον άξονα Χ ή στον Υ (για παράδειγμα στα σχήματα Lissajous). Το προς παρατήρηση σήμα εφαρμόζεται στον παλμογράφο μέσω ενός κατάλληλου καλωδίου (probe) το οποίο συνδέεται στην είσοδο του κάθε καναλιού. Υπάρχουν διαφόρων τύπων probes πού μπορούν να μεταφέρουν το σήμα μας χωρίς εξασθένηση στην είσοδο του παλμογράφου, ή να το υποβιβάσουν (1:1 ή 1:10). H αντίσταση εισόδου των κοινών παλμογράφων είναι περίπου 1ΜΩ και χωρητικότητας περίπου 30 με 35pF ως προς τη γείωση (GND). Εάν χρησιμοποιήσουμε probe υποβιβασμού τα μεγέθη αυτά μεταβάλλονται αντίστοιχα σε 10ΜΩ, 11pF και 100MΩ, 5pF περίπου. Να τονίσουμε εδώ ότι λόγω της μεγάλης αντίστασης εισόδου του, ο παλμογράφος είναι όργανο παρατήρησης μίας κυματομορφής τάσεως ανάμεσα σε δύο σημεία, δεν επηρεάζει ούτε αλλοιώνει την προς μέτρηση κυματομορφή, όπου και αν έχουμε ρυθμίσει τα κουμπιά του. Το προς μέτρηση σήμα μόλις μπει στον παλμογράφο και πριν φθάσει στους ενισχυτές κατακόρυφης απόκλισης περνά από ένα διακόπτη τριών θέσεων, DC GND AC. Εάν ο διακόπτης είναι στη θέση DC, το σήμα συνεχίζει ανέπαφο προς το εσωτερικό του παλμογράφου (στους ενισχυτές κατακόρυφης απόκλισης) κουβαλώντας μαζί του τυχόν συνεχή συνιστώσα που μπορεί να έχει. Στην θέση AC παρεμβάλλεται ένας πυκνωτής ανάμεσα στην είσοδο του παλμογράφου και στους ενισχυτές κατακόρυφης απόκλισης, ο οποίος κόβει την τυχόν συνεχή συνιστώσα που μπορεί να έχει το προς μέτρηση σήμα. Αυτή η επιλογή εξυπηρετεί μερικές φορές που δεν μας ενδιαφέρει να παρατηρήσουμε την συνεχή συνιστώσα του σήματος ή η συνεχής συνιστώσα του σήματος είναι πολύ μεγάλη σε σχέση με την εναλλασσόμενη συνιστώσα που μπορεί να θέλουμε να παρατηρήσουμε, και μας δυσκολεύει. 17

22 Τέλος η θέση GND (ground) δεν γειώνει το σήμα, αλλά απλά δεν το προωθεί προς το εσωτερικό του παλμογράφου. Αυτό το κάνουμε κατά την διάρκεια των μετρήσεων προκειμένου να ρυθμίσουμε στον κατακόρυφο άξονα του παλμογράφου την θέση της οπτικής δέσμης που θα αντιστοιχεί στο σημείο αναφοράς ή τάση αναφοράς (ground). Τέλος να αναφέρουμε ότι στην πρόσοψη των παλμογράφων, ανάλογα με τον τύπο και το μοντέλο, υπάρχουν και διάφορα άλλα κουμπιά για ειδικές χρήσεις που κατά περίπτωση αναγνωρίζουμε συμβουλευόμενοι το εγχειρίδιο του κατασκευαστή. Οι παλμογράφοι του εργαστηρίου μας μπορούν να απεικονίσουν κυματομορφές με συχνότητα έως 50 MHz. Ο παλμογράφος του εργαστηρίου είναι ο HAMEG HM5042 του οποίου η πρόσοψη εικονίζεται στην παρακάτω φωτογραφία. Σχήμα 7: Ο παλμογράφος του εργαστηρίου HAMEG HM5042 Σχήμα 8: Η οθόνη του παλμογράφου HAMEG HM

23 Προκειμένου τώρα να προχωρήσουμε σε μετρήσεις με τον παλμογράφο του εργαστηρίου (HAMEG HM5042) θα αναφέρουμε γενικά τη διαδικασία προετοιμασίας του. 1. Ανάβουμε τον παλμογράφο με το κουμπί POWER (πλήκτρο 1). 2. Πατάμε το πλήκτρο AUTOSET (πλήκτρο 2). 3. Με το κουμπί 3 ρυθμίζουμε την εστίαση (FOCUS) της οπτικής ακτίνας ώστε η γραμμή να γίνει όσο το δυνατό λεπτότερη. 4. Εισάγουμε το προς μέτρηση σήμα στην είσοδο του παλμογράφου. 5. Αν είμαστε εξοικειωμένοι με την χρήση του παλμογράφου κάνουμε τις ρυθμίσεις που απαιτούνται για να έχουμε σωστή απεικόνιση της κυματομορφής στην οθόνη. 6. Αν δεν είμαστε εξοικειωμένοι ώστε να κάνουμε τις απαιτούμενες ρυθμίσεις ξαναπατάμε το πλήκτρο AUTOSET (πλήκτρο 2). Ο τρόπος αυτός δεν είναι πάντα ο ενδεδειγμένος γιατί δεν αποδίδει τις καλύτερες ρυθμίσεις. Ρυθμίζοντας το κουμπί VOLTS/DIV διαβάζουμε στην οθόνη σε πόσα Volt, ή mvolt, ή μvolt, αντιστοιχεί το κάθε κουτάκι. Ρυθμίζοντας το κουμπί TIME/DIV καθορίζουμε σε πόσα msec, ή μsec, ή nsec, αντιστοιχεί το κάθε κουτάκι. Μετά το πάτημα του πλήκτρου AUTOSET ο παλμογράφος προβαίνει σε αυτόματες ρυθμίσεις και μας εμφανίζει στην οθόνη την κυματομορφή του σήματος εισόδου. Επειδή αυτές οι αυτόματες ρυθμίσεις δεν είναι οι καλύτερες, καλό είναι να ρυθμίσουμε τους επιλογής VOLT/DIV (πλήκτρο 14 18) και TIME/DIV (πλήκτρο 22) ώστε να βελτιώσουμε την απεικονιζόμενη κυματομορφή. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΜΕ ΠΑΛΜΟΓΡΑΦΟ α) Μέτρηση DC τάσης Για να μετρήσουμε μία συνεχή τάση βάζουμε τον επιλογέα DCGNDAC στη θέση DC. Με τα κουμπιά Vertical και Horizontal Position κεντράρουμε την φωτεινή δέσμη στο μέσο του πλέγματος της οθόνης (ρυθμίζουμε δηλαδή την στάθμη αναφοράς). Ρυθμίζοντας κατάλληλα τον επιλογέα VOLT/DIV και εφαρμόζοντας στην είσοδο του παλμογράφου την προς μέτρηση τάση, βλέπουμε στην οθόνη μία οριζόντια γραμμή πού αντιστοιχεί σε αυτή. Μετράμε την απόσταση σε κουτάκια από την στάθμη αναφοράς (που ορίσαμε προηγουμένως) κατά τον κατακόρυφο άξονα και πολλαπλασιάζοντας την επί την ένδειξη του επιλογέα VOLT/DIV βρίσκουμε την τιμή της τάσης. β) Μέτρηση εναλλασσόμενης τάσης Βάζουμε τον επιλογέα εισόδου DCGNDAC στη θέση AC. Κεντράρουμε πάλι την φωτεινή δέσμη στο κέντρο του πλέγματος, όπως προηγουμένως. Εφαρμόζουμε την προς μέτρηση τάση και με συνδυασμό των επιλογέων VOLT/DIV, TIME/DIV, TRIG. MODE και TR. LEVEL προσπαθούμε να δούμε την κυματομορφή μας σταματημένη (να μην κυλάει δεξιάαριστερά) με ικανό πλάτος και τουλάχιστον ένα μήκος κύματος. Κατόπιν πολλαπλασιάζοντας τις μετρήσεις μας σε κουτάκια στον οριζόντιο και κατακόρυφο άξονα επί τις αντίστοιχες ενδείξεις των επιλογέων TIME/DIV και VOLT/DIV έχουμε την περίοδο και το πλάτος της προς μέτρηση τάσης. γ) Μέτρηση μεταβαλλόμενης τάσης με συνεχή συνιστώσα Υπάρχουν περιπτώσεις όπου οι μεταβαλλόμενες τάσεις δεν μεταβάλλονται εκατέρωθεν του μηδενός, αλλά εκατέρωθεν μίας συνεχούς τάσης που ονομάζεται DC συνιστώσα της μεταβαλλόμενης τάσης. Προκειμένου να παρατηρήσουμε στον παλμογράφο την κυματομορφή μιας τέτοιας τάσης θα πρέπει να θέσουμε τον επιλογέα εισόδου DCGNDAC 19

24 στη θέση DC για να δούμε ταυτόχρονα την DC συνιστώσα και τη μεταβαλλόμενη συνιστώσα (περιβάλλουσα). Εάν θέσουμε τον επιλογέα στη θέση AC τότε ο πυκνωτής πού παρεμβάλλεται θα μας αποκρύψει την DC συνιστώσα και θα δούμε μόνο μεταβαλλόμενη συνιστώσα. δ) Μέτρηση πτώσης τάσης στα άκρα αντιστάσεων Θα μπορούσαμε με τον παλμογράφο να παρατηρήσουμε την πτώση τάσης σε μια αντίσταση βάζοντας κατευθείαν το probe του παλμογράφου στα άκρα της. Ο τρόπος όμως αυτός δεν είναι πάντα ενδεδειγμένος διότι υπάρχει σοβαρός κίνδυνος να προκαλέσουμε βραχυκύκλωμα μέσω της γείωσης του probe (αν το ένα άκρο της αντίστασης δεν είναι γειωμένο). Ο καλύτερος τρόπος είναι να μετρήσουμε ξεχωριστά την τάση κάθε άκρου της αντίστασης (κάνοντας χρήση των 2 καναλιών του παλμογράφου) ως προς τη στάθμη αναφοράς (ή γείωση) του κυκλώματος και κατόπιν να υπολογίσουμε τη διαφορά τους που θα είναι η ζητούμενη τάση. Η διαφορά τους θα προκύψει κάνοντας αναστροφή (INVERSE) στο κανάλι ΙΙ και μετά πρόσθεση του (ADD) του με το κανάλι Ι. Έτσι θα έχουμε στην οθόνη το CH I CH II που είναι και η ζητούμενη πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης. ε) Μέτρηση ρευμάτων Με τον παλμογράφο μπορούμε να μετρήσουμε ρεύματα μόνο έμμεσα. Δηλαδή μετράμε όπως προαναφέραμε πριν την πτώση τάσης στα άκρα μιας γνωστής αντίστασης, και με τον νόμο του Ohm υπολογίζουμε κατόπιν το ρεύμα (η κυματομορφή του οποίου θα είναι ταυτόσημη με την κυματομορφή της τάσης γιατί η αντίσταση είναι γραμμικό εξάρτημα). στ) Μέτρηση συχνότητας Με τον παλμογράφο μπορούμε να μετρήσουμε την συχνότητα ενός περιοδικού σήματος. Μετράμε την περίοδο της κυματομορφής του περιοδικού σήματος με τον τρόπο που αναφέραμε στην περίπτωση (β) και υπολογίζουμε κατόπιν την συχνότητα με το γνωστό τύπο f=1/t. ζ) Μέτρηση της διαφοράς φάσης δύο ημιτονικών σημάτων Με τον παλμογράφο μπορούμε να βρούμε την διαφορά φάσης μόνο μεταξύ δύο ημιτονικών σημάτων με την ίδια συχνότητα. Παρατηρούμε ταυτόχρονα τις δύο κυματομορφές στην οθόνη (τη μία στο ένα κανάλι και την άλλη στο άλλο). Αν θέλουμε για μεγαλύτερη ευκολία στην μέτρηση μπορούμε να ρυθμίσουμε τους επιλογείς VOLT/DIV ώστε να έχουν οι δύο κυματομορφές το ίδιο περίπου πλάτος στην οθόνη και με τα κουμπιά POSITION τις κεντράρουμε στο πλέγμα της οθόνης. Η οριζόντια απόσταση D μεταξύ δύο διαδοχικών κορυφών της ιδίας κυματομορφής αντιστοιχεί σε γωνία 360 ο (μια περίοδο Τ). Αν d είναι η οριζόντια απόσταση μεταξύ της κορυφής της μιας κυματομορφής και της αμέσως επόμενης κορυφής της άλλης κυματομορφής, τότε η διαφορά φάσεως μεταξύ των δύο κυματομορφών θα δίνεται από τη σχέση, φ = 360 ο d D 20

25 V d D 0 time (ms) Σχήμα 9: Μέτρηση φάσης μεταξύ δύο κυματομορφών 21

26 22

27 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 2 Όργανα και μετρήσεις εναλλασσομένου ρεύματος ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

28 Πρακτική Άσκηση 1) Μέτρηση εναλλασσόμενης τάσης Συνδέστε τον παλμογράφο με την έξοδο της γεννήτριας συχνοτήτων και επιλέξτε μια ημιτονοειδή κυματομορφή με συχνότητα f = 1KHz και τάση 2 Vpp. Να υπολογίσετε με μετρήσεις από τον παλμογράφο τα παρακάτω Τ(msec) Vpp(V) Vo(V) Vdc(V) Vrms(V) Συνδέστε ένα βολτόμετρο και υπολογίστε τα παρακάτω Vdc(V) Vrms(V) Σχεδιάστε την κυματομορφή που εμφανίζεται στον παλμογράφο, στο παρακάτω διάγραμμα. 24

29 2) Μέτρηση διαφοράς φάσης Συνδέστε το παρακάτω κύκλωμα και δώστε από τη γεννήτρια ημιτονικό σήμα πλάτους Vin=5V και συχνότητας 100Hz και 1 ΚΗz. R=10 KΩ Vout Vin Ch1 C=100nF Ch2 Η συνδεσμολογία του κυκλώματος γίνεται όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. R=10 KΩ Vout Vin Ch1 C=100nF Ch2 Mετρείστε τη διαφορά φάσης μεταξύ της τάσης εξόδου και τάσης εισόδου, όπως φαίνεται στο σχήμα. 25

30 V d D φ = 360 ο d D 0 time (ms) Vinp (V) Voutp (V) d D φ ( o ) Τ(msec) f 1 = 100 Hz f 2 = 1 KHz 26

31 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 3 Δίοδοι Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η γνωριμία των φοιτητών με την δίοδο. Γίνεται μελέτη της χαρακτηριστικής της διόδου σε ορθή και ανάστροφη πόλωση και έτσι οι φοιτητές έρχονται σε επαφή με τη μη γραμμική συμπεριφορά των ηλεκτρονικών στοιχείων ημιαγωγών. Εισαγωγή 1. Ημιαγωγοί Η ηλεκτρική αγωγιμότητα ενός υλικού εξαρτάται από την εξωτερική στοιβάδα ή στοιβάδα σθένους των ατόμων του. Η εξωτερική στοιβάδα καθορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του ατόμου. Το μέγεθος των δυνάμεων που συγκρατούν τα ηλεκτρόνια e της στοιβάδας σθένους καθορίζουν την ευκολία με την οποία αυτά μπορούν να γίνουν ελεύθερα και κατατάσσουν το υλικό σε μία κατηγορία αγωγιμότητας. Τα άτομα των καλών αγωγών ηλεκτρισμού (χρυσός, ασήμι, χαλκός κλπ) έχουν ένα e (σθένος 1) χαλαρά δεσμευμένο στην εξωτερική στοιβάδα το οποίο με πολύ μικρή ενέργεια γίνεται ελεύθερο. Οι μονωτές έχουν πολλά e σθένους (συνήθως 8) τα οποία είναι ισχυρά συνδεδεμένα με το άτομο. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά που ανάλογα με τις συνθήκες, μπορούν να συμπεριφέρονται άλλοτε ως αγωγοί και άλλοτε ως μονωτές. Η ελεγχόμενη αυτή συμπεριφορά τους τα καθιστά εξαιρετικά χρήσιμα στοιχεία που βρίσκουν πολλές εφαρμογές στην μικροηλεκτρονική. Τα βασικά χημικά στοιχεία των ημιαγωγών είναι συνήθως κρύσταλλοι τετρασθενών στοιχείων (Si, Ge, κλπ) τα οποία όμως, όταν είναι καθαρά, λειτουργούν κυρίως ως μονωτές, καθώς δημιουργούν ομοιοπολικούς δεσμούς μεταξύ τους και συμπληρώνοντας τα e στην στοιβάδα σθένους, αυτά είναι ισχυρά συνδεδεμένα με τα άτομα (Σχήμα 1). Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των ημιαγωγών μεταβάλλονται σημαντικά από την πρόσμιξή τους (doping) των τετρασθενών αυτών στοιχείων (Si, Ge, κλπ) με πεντασθενή ή τρισθενή στοιχεία. Από την πρόσμιξη των τετρασθενών στοιχείων με πεντασθενή στοιχεία προκύπτουν κρυσταλλικές δομές με περίσσεια ενός ηλεκτρονίου στους ομοιοπολικούς δεσμούς και δημιουργούν ημιαγωγό τύπου N. Όπως είναι γνωστό τα ηλεκτρόνια είναι φορείς αρνητικού ηλεκτρικού φορτίου και αυτά πλέον μπορούν να μετακινούνται μέσα στη δομή, κάτω από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, επιτρέποντας τη δημιουργία ρεύματος. Τα ηλεκτρόνια αποτελούν τους φορείς πλειονότητας του τύπου Ν ημιαγωγού. 27

32 Αντίστοιχα, από την πρόσμιξη των τετρασθενών στοιχείων με τρισθενή στοιχεία προκύπτουν κρυσταλλικές δομές με έλλειψη ενός ηλεκτρονίου στους ομοιοπολικούς δεσμούς και δημιουργούν ημιαγωγό τύπου P. Η έλλειψη ηλεκτρονίου ισοδυναμεί με οπή ή αλλιώς με φορέα θετικού φορτίου. Οι οπές μπορούν να μετακινούνται μέσα στη δομή κάτω από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου επιτρέποντας τη δημιουργία ρεύματος. Οι οπές αποτελούν τους φορείς πλειονότητας του τύπου P ημιαγωγού. Οι ημιαγωγοί τύπου P και οι ημιαγωγοί τύπου N μόνοι τους είναι στην πραγματικότητα αγωγοί με μεγάλη ηλεκτρική αντίσταση. Αν έρθει όμως σε επαφή ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ρ με ένα κομμάτι ημιαγωγού τύπου Ν τότε δημιουργείται μια διπολική επαφή ΡΝ ή δίοδος επαφής. Καθαρός κρύσταλλος Si Άτομο πυριτίου (Si) Si e Si Si Si Si Si Si Si Si Si Ημιαγωγός τύπου N Ημιαγωγός τύπου P Si Si Si e Si Si Si οπή Si Sb Si Si Β Si Si Si Si Si Si Si Σχήμα 1: α) Άτομο Si, β) Κρύσταλλος Si, γ) Ημιαγωγός τύπου N, δ) Ημιαγωγός τύπου Ρ. 2. Η επαφή PN Όταν οι δύο ημιαγωγοί έρθουν σε επαφή δημιουργείται μια μετακίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων από τον ημιαγωγό τύπου Ν προς τον ημιαγωγό τύπου Ρ (Σχήμα 1). Τα ηλεκτρόνια αυτά μετακινούνται λόγω της απώθησής τους από τα γειτονικά ελεύθερα ηλεκτρόνια. Καθώς μεταβαίνουν στον ημιαγωγό τύπου Ρ ενώνονται με τις οπές και δημιουργούν αρνητικά φορτισμένα ιόντα. Ακριβώς το αντίθετο συμβαίνει με τις περιοχή τύπου N όπου δημιουργούνται θετικά φορτισμένα ιόντα. Λόγω της δημιουργίας των ιόντων εμφανίζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο που εμποδίζει την περαιτέρω μετακίνηση ελεύθερων φορτίων. Τελικά, στην επαφή εμφανίζεται μια περιοχή που είναι άδεια από ελεύθερους φορείς και λέγεται περιοχή απογύμνωσης. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται εμποδίζει, την μετακίνηση φορτίων και αντιστοιχεί σε μια διαφορά δυναμικού που ονομάζεται φράγμα δυναμικού. Το φράγμα δυναμικού στους 25 ο C είναι περίπου 0.7V για τις διόδους πυριτίου (Si) και 0.3V για τις διόδους γερμανίου (Ge). 28

33 P Περιοχή απογύμνωσης Ν Διαφορά Δυναμικού στην επαφή Σχήμα 2: Η επαφή PN Ελεύθερα e Δότες Οπές Αποδέκτες 3. Πόλωση επαφής pn Πόλωση ονομάζεται η εφαρμογή κατάλληλης συνεχούς τάσης (DC) σε ένα στοιχείο ώστε να λειτουργεί κάτω από μια επιθυμητή κατάσταση σε στατική λειτουργία. Η πόλωση είναι η τάση που θέτει σε κανονική λειτουργία ένα στοιχείο ή κύκλωμα και δεν πρέπει να συγχέεται με την εφαρμογή άλλου σήματος που μπορεί να εφαρμοστεί στη συνέχεια για επεξεργασία. 3.1 Ορθή πόλωση Για να δημιουργηθεί ηλεκτρικό ρεύμα μέσα από τη δίοδο εφαρμόζεται πηγή τάσης με τον θετικό πόλο στον ημιαγωγό τύπου Ρ και τον αρνητικό στον ημιαγωγό τύπου Ν, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Η πόλωση αυτή ονομάζεται ορθή πόλωση. Η πηγή ωθεί ηλεκτρόνια και οπές προς την επαφή. Αν η τάση της πηγής είναι μικρότερη από το φράγμα δυναμικού τότε η περιοχή απογύμνωσης αν και μικρότερη, εξακολουθεί να υπάρχει, μη επιτρέποντας την περαιτέρω μετακίνηση φορέων. Όταν η πηγή τάσης γίνει μεγαλύτερη από το φράγμα δυναμικού τότε η περιοχή απογύμνωσης εξαφανίζεται και οι φορείς μπορούν να μετακινηθούν υπερπηδώντας το φράγμα δυναμικού. Έτσι επιτρέπεται η δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από τη δίοδο, με συμβατική φορά από τον ημιαγωγό τύπου Ρ προς στον ημιαγωγό τύπου Ν. P Ν V Σχήμα 3: Ορθή πόλωση επαφής ΡΝ 29

34 3.2 Ανάστροφη πόλωση Αν η πηγή τάσης συνδεθεί ανάστροφα, με τον αρνητικό της πόλο στην άνοδο της διόδου και τον θετικό στην κάθοδο της διόδου, τότε αυτή η σύνδεση ονομάζεται ανάστροφη πόλωση. Σε αυτήν την περίπτωση τα ελεύθερα ηλεκτρόνια έλκονται ακόμη περισσότερο από το δυναμικό της πηγής και απωθούνται από την επαφή. Το αντίστοιχο συμβαίνει και με τις οπές κάνοντας συνολικά την περιοχή απογύμνωσης να μεγαλώνει. Καθώς η περιοχή απογύμνωσης μεγαλώνει, τόσο πιο δύσκολο είναι να υπάρξει μετακίνηση ελεύθερων ηλεκτρονίων και άρα είναι αδύνατη η δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος. Στην πραγματικότητα υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα που οφείλεται στους φορείς μειονότητας. Συνεπώς γίνεται κατανοητό ότι κατά την ορθή πόλωση υπάρχει αγωγή ρεύματος, εφόσον η τάση στην δίοδο γίνει μεγαλύτερη από το φράγμα δυναμικού ή τάση αγωγής V t, Κατά την ανάστροφη πόλωση το ρεύμα είναι πολύ μικρό, πρακτικά μηδενικό. Η επαφή ΡΝ αποτελεί ένα χρήσιμο ηλεκτρονικό στοιχείο ημιαγωγού με ευρεία χρήση στα ηλεκτρονικά κυκλώματα και λέγεται δίοδος. 3.3 Κατάρρευση σε ανάστροφη πόλωση Αν αυξηθεί αρκετά η ανάστροφη τάση, αρχικά δεν αυξάνεται το ανάστροφο ρεύμα, διότι οι φορείς του οφείλονται κυρίως σε θερμική διέγερση. Ωστόσο, η μεγαλύτερη αύξηση της ανάστροφης τάσης αρχίζει η κατάρρευση της διόδου, το ανάστροφο ρεύμα αυξάνει απότομα και η δίοδος καταστρέφεται, εκτός αν είναι κατάλληλα κατασκευασμένη για τη λειτουργία αυτή. Το φαινόμενο της κατάρρευσης κατά την ανάστροφη πόλωση οφείλεται σε δύο διαφορετικούς φαινόμενα που ονομάζονται φαινόμενο χιονοστιβάδας (avalanche) και φαινόμενο Zener. Με το φαινόμενο χιονοστιβάδας, όσο αυξάνεται η ανάστροφη πόλωση, αυξάνεται και η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων μειονότητας. Αυτά τα ηλεκτρόνια συγκρούονται με άτομα, σπάζοντας τους ομοιοπολικούς δεσμούς και απελευθερώνοντας νέα ηλεκτρόνια, τα οποία με τη σειρά τους επιταχύνονται, ελευθερώνουν περισσότερα ηλεκτρόνια κ.ο.κ. Επειδή το φαινόμενο αυτό μοιάζει με χιονοστιβάδα, έχει πάρει το αντίστοιχο όνομα. Στο φαινόμενο Zener, γίνεται άμεση απόσπαση των ηλεκτρονίων από τις εξωτερικές στοιβάδες των ατόμων εξαιτίας της μεγάλης αύξησης του ηλεκτρικού πεδίου στη ζώνη φραγμού. Είναι δύσκολο να εξακριβωθεί κάθε φορά σε πιο φαινόμενο οφείλεται η κατάρρευση της διόδου. Υπάρχουν δίοδοι που είναι κατασκευασμένες για να μπορούν να δουλεύουν στην περιοχή κατάρρευσης και ονομάζονται δίοδοι Zener. 4. Η Δίοδος H δίοδος έχει το σύμβολο που φαίνεται στο Σχήμα 4. Έχει δύο ακροδέκτες, την άνοδο και την κάθοδο. Αντιστοιχώντας τη με την επαφή που φαίνεται στο Σχήμα 3, η άνοδος αντιστοιχεί στον ημιαγωγό τύπου Ρ και η κάθοδος στον ημιαγωγό τύπου Ν. Α Κ Σχήμα 4: Το σύμβολο της διόδου 30

35 Σε κάθε ηλεκτρονικό στοιχείο με δύο ακροδέκτες είναι σημαντικό να γνωρίζουμε την χαρακτηριστική IV, που δίνει τη σχέση μεταξύ της τάσης στα άκρα του στοιχείου και του ρεύματος που διαρρέεται από αυτό. Η χαρακτηριστική IV για το τρανζίστορ σε ορθή πόλωση δίδεται από τη σχέση, V Ι = Ι S e qv AkΤ 1 ή Ι = Ι S eav T 1 (1) όπου, Ι είναι το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο υπό τάση V στα άκρα της, Ι S είναι το ρεύμα κόρου της διόδου, q το φορτίο ενός ηλεκτρονίου, ίσο με Coulomb, k είναι η σταθερά Boltzmann, ίση με Joule/ o K, Τ η θερμοκρασία σε o K, Α είναι μία σταθερά με τιμή περίπου 1 για διόδους Si και 2 για διόδους Ge. V T ισούται με kt/q, λέγεται θερμική τάση και σε θερμοκρασία δωματίου (27 ο C) έχει τιμή περίπου 26mV. Η χαρακτηριστική μιας πραγματικής διόδου φαίνεται στο Σχήμα 5. Σημειώνεται ότι η μεγάλη απότομη αύξηση του ρεύματος κατά την ανάστροφη πόλωση καταστρέφει μια απλή δίοδο και δεν χρησιμοποιείται στην πράξη. Ωστόσο, αξιοποιείται στις διόδους Zener, για την υλοποίηση διαφόρων κυκλωμάτων. I D V D Σχήμα 5: Χαρακτηριστική πραγματικής διόδου Από τα παραπάνω γίνεται κατανοητό ότι μία απλουστευμένη προσέγγιση στη λειτουργία της διόδου είναι να θεωρηθεί ότι η δίοδος άγει σε ορθή πόλωση και δεν άγει σε ανάστροφη πόλωση. Το ισοδύναμο κύκλωμα τότε, είναι ένας κλειστός διακόπτης (κλειστό κύκλωμα) κατά την ορθή πόλωση και ανοικτός (ανοικτό κύκλωμα) κατά την ανάστροφη πόλωση. Το ισοδύναμο κύκλωμα και η χαρακτηριστική σε αυτήν την περίπτωση φαίνεται στο Σχήμα 6. 31

36 I D A K A K ορθή πόλωση ανάστροφη πόλωση V D Σχήμα 6: Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστική ιδανικής διόδου σε ορθή και ανάστροφη πόλωση Ωστόσο, όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, για να αρχίσει η αγωγή κατά την ορθή πόλωση, η τάση στα άκρα της διόδου πρέπει να ξεπεράσει την τάση αγωγής V t που είναι 0.7V για τη δίοδο πυριτίου (Si) και 0.3V για τη δίοδο γερμανίου (Ge). Το ισοδύναμο κύκλωμα και η χαρακτηριστική της διόδου σε αυτήν την περίπτωση φαίνεται στο Σχήμα 7. I D A K A K 0.7V 0.7V 0.7V V D ορθή πόλωση ανάστροφη πόλωση Σχήμα 7: Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστική ιδανικής διόδου Si σε ορθή και ανάστροφη πόλωση με την τάση αγωγής δ) ιδανικής με τάση αγωγής και εσωτερική αντίσταση Μια πιο καλή προσέγγιση είναι να λάβουμε υπόψη και την εσωτερική αντίσταση της διόδου και να θεωρήσουμε ότι αυτή είναι γραμμική, κάτι που όμως δεν ισχύει στην πραγματικότητα. Τότε το ισοδύναμο κύκλωμα και η χαρακτηριστική της διόδου σε αυτήν την περίπτωση γίνεται όπως φαίνεται στο Σχήμα 8. I D A r K A r K 0.7V 0.7V 0.7V V D ορθή πόλωση ανάστροφη πόλωση Σχήμα 8: Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστική ιδανικής διόδου Si σε ορθή και ανάστροφη πόλωση με την τάση αγωγής και εσωτερική αντίσταση 32

37 5. Χαρακτηριστικά πραγματικών διόδων Μια πραγματική δίοδος έχει περιορισμούς σε σχέση με το μέγιστο ρεύμα I Dmax που επιτρέπεται να τη διαπεράσει και να μην την καταστρέψει. Ο περιορισμός αυτός σχετίζεται με την υπερθέρμανση της διόδου λόγω της ροής ρεύματος. Αν η θερμοκρασία ανέβει υπερβολικά, τότε η δίοδος καταστρέφεται. Για τον ίδιο λόγο, υπάρχει μια μέγιστη ισχύς P Dmax που μπορεί να καταναλωθεί πάνω στη δίοδο. Τα δύο μεγέθη σχετίζονται μέσω της γνωστής σχέσης ισχύος P Dmax = V D I Dmax. Τέλος, στις απλές διόδους (όχι στις διόδους Zener) υπάρχει μια μέγιστη τάση ανάστροφης πόλωσης V R πάνω από την οποία υπάρχει διάτρηση της περιοχής απογύμνωσης και η δίοδος καταστρέφεται. Όλα τα παραπάνω, το μέγιστο ρεύμα, η μέγιστη ισχύς και η μέγιστη ανάστροφη τάση πόλωσης εξαρτώνται κάθε φορά από τη συγκεκριμένη δίοδο και τις δίνει ο κατασκευαστής. Στο εμπόριο οι δίοδοι βρίσκονται σαν διακριτά στοιχεία και έχουν συνήθως τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 9. Η κάθοδος χαρακτηρίζεται συνήθως από μια λευκή γραμμή που βρίσκεται κοντά στον αντίστοιχο ακροδέκτη. Α Κ Σχήμα 9: Δίοδος ως διακριτό στοιχείο 6. Έλεγχος διόδων με ωμόμετρο Σύμφωνα με τα παραπάνω η ιδανική δίοδος άγει κατά την ορθή πόλωση και δεν άγει κατά την ανάστροφη. Για το λόγο αυτό μπορεί να γίνει έλεγχος μιας διόδου με ωμόμετρο. Συνδέοντας την δίοδο κατά την μια φορά η αντίσταση θα είναι πολύ μικρή ενώ κατά την άλλη πολύ μεγάλη. Η ακριβής τιμή δεν έχει σημασία καθώς εξαρτάται από τη δίοδο αλλά και από την εσωτερική αντίσταση του ωμομέτρου. Προσοχή χρειάζεται στις διόδους μικρής ισχύος, όπου θα πρέπει η κλίμακα να τίθεται στην μεγαλύτερη τιμή για να μην περάσει μεγάλο ρεύμα. Επίσης, ανάλογα με την κλίμακα του ωμομέτρου, ή μέτρηση θα δείχνει διαφορετική αντίσταση λόγω της μη γραμμικής λειτουργίας της διόδου. 7. Κύκλωμα Ψαλιδιστή Μια κατηγορία κυκλωμάτων με τη χρήση διόδων είναι οι ψαλιδιστές. Χρησιμοποιούνται ώστε να περιορίσουν την τάση σε συγκεκριμένες τιμές. Ένα απλό κύκλωμα ψαλιδιστή φαίνεται στο Σχήμα 10. V R Vs Rs D V D Σχήμα 10: Κύκλωμα ψαλιδιστή Στο Σχήμα 11 δεικνύονται οι κυματομορφές των τάσεων του κυκλώματος ως προς το χρόνο. Εφαρμόζοντας μια ημιτονοειδή τάση V S με πλάτος Vmax στην είσοδο, εμφανίζεται η τάση V D όπως φαίνεται στο Σχήμα 11. Κατά τη θετική ημιπερίοδο η δίοδος άγει και διατηρεί 33

38 τάση ίση περίπου με την τάση αγωγής, η οποία για δίοδο Si είναι περίπου 0.7 V. Κατά την αρνητική ημιπερίοδο η δίοδος δεν άγει και άρα το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα είναι μηδενικό. Συνεπώς, υπό μηδενικό ρεύμα, η πτώση τάσης ( = I R S ) στα άκρα της αντίστασης είναι μηδενική και άρα η τάση στην έξοδο (V D) είναι ακριβώς ίση με την τάση εισόδου. Η τάση στα άκρα της αντίστασης R μπορεί να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπόψη ότι V R = V S V D Από τη σχέση αυτή προκύπτει ότι κατά τη θετική ημιπερίοδο η μέγιστη τιμή της τάσης στα άκρα της αντίστασης θα είναι Vmax 0.7 V, ενώ κατά την αρνητική ημιπερίοδο θα είναι μηδενική. V max Vac 0 t V max V max V D 0 t V max V max V R 0 t V max Σχήμα 11: Κυματομορφές του ψαλιδιστή 34

39 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 3 Δίοδοι ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

40 Πρακτική Άσκηση 1) Σύνδεση κυκλώματος Παρατηρείστε και αναγνωρίστε το κύκλωμα της άσκησης, τους τύπους και τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων καθώς και τα όργανα που θα χρησιμοποιήσετε. 2) Μέτρηση διόδων με ωμόμετρο Πριν συνδέσετε οτιδήποτε στο κύκλωμα κάνετε έλεγχο με ωμόμετρο στις δύο διόδους. Για το σκοπό αυτό θα χρησιμοποιήσετε ψηφιακό πολύμετρο και θα προσπαθήσετε να κάνετε τον έλεγχο σε διάφορες κλίμακες των πολυμέτρων γράφοντας τα συμπεράσματά σας. Σε ποια κλίμακα είναι αξιόπιστος ο έλεγχος και γιατί; Έχουμε τις ίδιες μετρήσεις και στις δύο διόδους; 680 Ω 00 A 0 20 Vdc Α Ge Α Si V Κ Κ Πίνακας 1: Αντίσταση διόδων Δίοδος R (KΩ) για ορθή πόλωση R (KΩ) για ανάστροφη πόλωση Ge Si 3) Λήψη μετρήσεων για την ορθή πόλωση Συνδέστε στο κύκλωμα ένα τροφοδοτικό (0 έως 30 V dc ) ώστε οι δίοδοι να είναι ορθά πολωμένες και τοποθετήστε στις κατάλληλες θέσεις τα όργανα μέτρησης. Συνδέοντας εναλλάξ τις δύο διόδους και μεταβάλλοντας την τάση τροφοδοσίας συμπληρώστε τον Πίνακα 1. Δώστε έμφαση στα αρχικά σημεία αγωγής των διόδων αυξάνοντας πολύ σιγά την τάση του τροφοδοτικού από την τιμή 0 V και μετρήστε την τάση αγωγής V t της κάθε διόδου. 36

41 680 Ω A 0 20 Vdc Α Ge Α Si V Κ Κ Πίνακας 1: Ορθή Πόλωση Ge Si Vdc (V) V D (V) I D (ma) V D (V) I D (ma) ) Λήψη μετρήσεων για την ανάστροφη πόλωση Συνδέστε κατάλληλα το τροφοδοτικό ώστε οι δίοδοι να είναι ανάστροφα πολωμένες και επαναλάβετε τη διαδικασία συμπληρώνοντας τον Πίνακα 2. Πίνακας 2: Ανάστροφη Πόλωση Ge Si Vdc (V) V D (V) I D (ma) V D (V) I D (ma)

42 5) Σχεδίαση χαρακτηριστικής Με τα δεδομένα των μετρήσεων σχεδιάστε τις χαρακτηριστικές των διόδων κατά την ορθή και ανάστροφη πόλωση. Ποια είναι η τάση αγωγής για την κάθε δίοδο; I D (ma) 0 V D (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστικές διόδων 38

43 6) Λήψη κυματομορφών με παλμογράφο Συνδέστε την δίοδο Si. Αποσυνδέστε το τροφοδοτικό dc και συνδέστε 6.3 Vac 50Hz από την κατάλληλη συσκευή που έχετε στον πάγκο σας. Αποσυνδέστε το αμπερόμετρο και στη θέση του βάλτε ένα βραχυκύκλωμα, ενώ αφήστε το βολτόμετρο ασύνδετο. Με τον παλμογράφο παρατηρείστε και σχεδιάστε τις κυματομορφές τάσης στα άκρα: α) του τροφοδοτικού V S β) της διόδου V D γ) της αντίστασης V R (για την V R χρειάζεται τροποποίηση της σύνδεσης όπως περιγράφεται στη συνέχεια). Για την ταυτόχρονη παρατήρηση των τάσεων τροφοδοτικού και αντίστασης πρέπει η γείωση του παλμογράφου να συνδεθεί στον κοινό τους κόμβο. Ωστόσο, και πάλι εξαιτίας της αντίστροφης φοράς με την οποία λαμβάνονται οι δύο τάσεις πρέπει να ενεργοποιηθεί το πλήκτρο INVERT του καναλιού 2 του παλμογράφου. Εναλλακτικά μπορείτε να πάρετε την αναμενόμενη κυματομορφή της τάσης της αντίστασης μέσω υπολογισμών. 680 Ω CH1 Α Α CH2 6.3 Vac Ge Si Κ Κ Η σχεδίαση να γίνει σε βαθμονομημένους άξονες (τάση περίοδος) και τα σχήματα θα πρέπει να είναι το ένα κάτω από το άλλο ώστε να είναι εμφανής η χρονική αντιστοιχία. Δικαιολογείστε τη μορφή των κυματομορφών. 39

44 VS (V) t VD (V) t VR (V) t Γράφημα 2: Κυματομορφές τάσης α) πηγής, β) διόδου, γ) αντίστασης 40

45 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 4 Δίοδος Zener Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη της διόδου Zener. Γίνεται μελέτη της χαρακτηριστικής της διόδου Zener σε ορθή και ανάστροφη πόλωση. Επίσης στόχος είναι να κατανοήσουν οι φοιτητές τη χρησιμότητα της διόδου Zener σε κατάσταση κατάρρευσης για εφαρμογές σταθεροποίησης τάσης. Εισαγωγή 1. H δίοδος Zener Κατά την ανάστροφη πόλωση της διόδου υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα που λέγεται ρεύμα ανάστροφης πόλωσης και οφείλεται σε φορείς μειονότητας. Αν η τάση αυξηθεί πάρα πολύ επέρχεται κατάρρευση της επαφής και δημιουργείται ένα μεγάλο ρεύμα και η δίοδος καταστρέφεται. Υπάρχουν ειδικές δίοδοι που είναι κατασκευασμένες ώστε να λειτουργούν στην περιοχή αυτή χωρίς να καταστρέφονται και βρίσκουν εφαρμογή σε πολλά ηλεκτρονικά κυκλώματα. Οι δίοδοι αυτές ονομάζονται δίοδοι Zener και το σύμβολό τους φαίνεται στο Σχήμα 1. Α Κ Σχήμα 1: Το σύμβολο της διόδου Zener Η χαρακτηριστική της Zener μοιάζει με αυτή της απλής διόδου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Ωστόσο, ιδιαίτερη σημασία τώρα έχει η περιοχή ανάστροφης πόλωσης και ειδικά στην περιοχή κατάρρευσης. H κατάρρευση μπορεί να οφείλεται σε φαινόμενο Zener ή και φαινόμενο χιονοστιβάδας. Η τιμή της ανάστροφης τάσης στην οποία εμφανίζεται η κατάρρευση λέγεται τάση Zener V Z και εκεί αρχίζει απότομη αύξηση του ρεύματος. Μπορεί να θεωρηθεί ότι το ρεύμα αυξάνεται τόσο, ώστε η τάση στα άκρα της να διατηρείται σταθερή. Υπάρχει βέβαια μια μέγιστη τιμή ρεύματος I Zmax πέρα από την οποία η δίοδος καταστρέφεται. Η τιμή αυτή αντιστοιχεί σε μια μέγιστη τιμή της ισχύος P Zmax που δίδεται από τον κατασκευαστή. Ισχύει δε, ότι P Zmax = V Z I Zmax. Μετά την τάση κατάρρευσης, η χαρακτηριστική είναι κατά προσέγγιση μια ευθεία με κλίση ίση με 1 / r z, όπου r z είναι εσωτερική δυναμική αντίσταση της Zener. Συνεπώς, η r z υπολογίζεται από τη σχέση, 41

46 r z = ΔV Z / ΔΙ Ζ Έτσι ενώ αυξάνεται το ρεύμα, η τάση δεν παραμένει τελείως σταθερή αλλά αυξάνεται ελαφρώς, ακριβώς λόγω της εσωτερικής αντίστασης. Το ισοδύναμο κύκλωμα της Zener φαίνεται στο Σχήμα 3. I D V Z κλίση = 1/r Z V D I Zmax περιοχή σταθεροποίησης Σχήμα 2: Χαρακτηριστική διόδου Zener K r Ζ A V Ζ ανάστροφη πόλωση Σχήμα 3: Ισοδύναμο κύκλωμα Zener Η δίοδος Zener βρίσκει εφαρμογή σε κυκλώματα σταθεροποίησης όπως αυτό που φαίνεται στο Σχήμα 4. Η τάση εξόδου V O, στα άκρα του φορτίου R L, πρέπει να παραμένει σταθερή, ανεξάρτητα από τις μεταβολές του φορτίου αλλά και ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης εισόδου V S. Η λειτουργία βασίζεται στο γεγονός ότι η Zener κρατά την τάση στα άκρα της σταθερή, κοντά στην τάση κατάρρευσης V Z απορροφώντας όσο ρεύμα χρειάζεται σύμφωνα με τη χαρακτηριστική της όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Το κύκλωμα αυτό λειτουργεί ως σταθεροποιητής υπό την προϋπόθεση ότι η Zener λειτουργεί στην περιοχή κατάρρευσης. Η τάση V S πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση V Z έτσι ώστε να είναι ικανή να φέρει την Zener υπό κατάρρευση. Τότε ισχύει η σχέση, V S = R π I S V Z Τροφοδοτική διάταξη R π V S I S I Z V Z I L Vo R L Σχήμα 4: Κύκλωμα σταθεροποίησης με Zener 42

47 H Rπ είναι προστατευτική αντίσταση κατάλληλα υπολογισμένη και προστατεύει την Zener από την μεγάλη αύξηση του ρεύματος. Το μέγιστο ρεύμα που διαρρέει την Zener I Zmax προκύπτει όταν δεν υπάρχει φορτίο στην έξοδο. Ο κατασκευαστής της Zener συνήθως δίνει τη μέγιστη ισχύ P Zmax που μπορεί να καταναλωθεί πάνω της και από την οποία μπορεί να προκύψει το μέγιστο επιτρεπόμενο ρεύμα I Zmax = P Zmax / V Z. Από την ανάλυση του κυκλώματος σύμφωνα με τον κανόνα του Kirchhoff για τις τάσεις και θεωρώντας ότι η πηγή Vs έχει μηδενική αντίσταση εξόδου, προκύπτει ότι η προστατευτική αντίσταση πρέπει να έχει ελάχιστη τιμή ίση με R π = ( V S V Z) / I Zmax 2. Σταθεροποίηση της τάσης Vo με μεταβολή του φορτίου. Το ρεύμα φορτίου μπορεί να μεταβάλλεται σημαντικά και αυτό μπορεί να οδηγήσει τη Zener εκτός λειτουργίας. Για τα ρεύματα ισχύει I S = I Z I L Το συνολικό ρεύμα Is περιορίζεται από την αντίσταση R π, έτσι ώστε, αν το ρεύμα φορτίου I L γίνει πολύ μικρό να μην περάσει μεγάλο ρεύμα I Ζ και καταστρέψει τη Zener. Η συνολική αντίσταση της τροφοδοτικής διάταξης, συμπεριλαμβανομένης της R π προκαλεί μεταβολή της τάσης εξόδου Vo (=V Z) σε σχέση με το φορτίο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5. Η κλίση της ευθείας δίνει τη συνολική αντίσταση εξόδου της πηγής r s. r s = ΔV O / ΔI L V O ΔV S V S 0 ΔΙ L I L Σχήμα 5: Μεταβολή της τάσης εξόδου ως προς το φορτίο Προσοχή χρειάζεται όταν η αντίσταση R L γίνει πολύ μικρή. Τότε το ρεύμα Ι L μπορεί να γίνει πολύ μεγάλο και το I Z να μηδενιστεί, θέτοντας την Zener εκτός περιοχής κατάρρευσης. Η τάση τότε στα άκρα της είναι μικρότερη από τη V Z και σίγουρα μη σταθερή. 3. Σταθεροποίηση της τάσης Vo με μεταβολή της τάσης της πηγής. Η τάση εξόδου Vo πρέπει να παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από την τάση εισόδου V S της σταθεροποιητικής διάταξης. Θα πρέπει πάλι η τάση στα άκρα της Zener να μην γίνει μικρότερη από την τάση κατάρρευσης. Για το λόγο αυτό πρέπει η τάση V S να είναι 43

48 μεγαλύτερη από τη V Z και να έχει τέτοια τιμή ώστε να εξασφαλίζεται ότι η Zener δεν φεύγει από την περιοχή κατάρρευσης για την περιοχή ρεύματος φορτίου που μας ενδιαφέρει. Επίσης, η V S δεν μπορεί να γίνει υπερβολικά μεγάλη για να μην οδηγήσει την Zener σε ρεύμα μεγαλύτερο από το μέγιστο επιτρεπόμενο Ι Zmax και την καταστρέψει. Ο συντελεστής σταθεροποίησης S ορίζει την μεταβολή της τάσης εξόδου ως προς τη μεταβολή της τάσης εισόδου S = ΔV Z / ΔV S Ο συντελεστής σταθεροποίησης πρέπει να είναι όσο το δυνατό μικρότερος. 44

49 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 4 Δίοδος Zener ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

50 Πρακτική Άσκηση 1) Σύνδεση του κυκλώματος Παρατηρείστε και αναγνωρίστε το κύκλωμα της άσκησης, τους τύπους και τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων καθώς και τα όργανα που θα χρησιμοποιήσετε Vdc V V S Rπ 100 Ω I Z Κ Α Α V V Z A I L R1 330 Ω R2 680 Ω R3 1 ΚΩ R4 10 ΚΩ 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική Τροφοδοτείστε το κύκλωμα με τάση από ένα τροφοδοτικό που να δίνει τάση Vs από 0 έως 20V dc. Παρατηρείστε ότι η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη. Τοποθετείστε τα απαραίτητα όργανα μέτρησης στα σημεία που υποδεικνύονται στο κύκλωμα. Την μέτρηση V S θα την παίρνετε κατευθείαν από την ένδειξη του τροφοδοτικού PS305. Σε αυτό το βήμα δεν θα χρησιμοποιήσετε τα φορτία R 1, R 2, R 3, R 4. Μεταβάλλοντας την τάση τροφοδοσίας όπως φαίνεται στο παρακάτω πίνακα μετρήστε και γράψτε τις τιμές των I Z και V Z. V S (V) V Z (V) I Z (ma) 3) Χάραξη χαρακτηριστικής Με τις τιμές του παραπάνω πίνακα να σχεδιάστε την χαρακτηριστική καμπύλη της διόδου Zener. Ποια είναι η τιμή της V Z όπου αρχίζει η σταθεροποίηση; V Z = 46

51 I Z (ma) 0 V Z (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστική Zener 4) Υπολογισμός εσωτερικής αντίστασης Από τη χαρακτηριστική υπολογίστε την δυναμική αντίσταση της διόδου r z = ΔV z ΔΙ z. Η αντίσταση αυτή πρέπει να είναι μεγάλη ή μικρή και γιατί; 5) Σταθεροποίηση στις μεταβολές φορτίου 47

52 Ρυθμίστε το τροφοδοτικό ώστε να δίνει 17 Vdc στο κύκλωμα της διόδου. Συνδέστε κάθε φορά διαφορετική αντίσταση από τις R 1, R 2, R 3, R 4 ώστε να δίνουν διαφορετικό φορτίο και μετρείστε τις τιμές V Ζ, I Ζ και I L. R 1 R 2 R 3 R 4 V Ζ (V) I Ζ (ma) I L (ma) Μελετώντας τις τιμές του πίνακα να απαντήσετε στα ακόλουθα: α) Η τάση στα άκρα του φορτίου παραμένει σταθερή; β) Το I Ζ μεταβάλλεται και γιατί; γ) Το Ι L μεταβάλλεται και γιατί; 6) Σταθεροποίηση στις μεταβολές της τάσης εισόδου Με σταθερό φορτίο (R 3) θα παρατηρήσετε πώς συμπεριφέρεται το κύκλωμα σταθεροποίησης στις μεταβολές της τάσης εισόδου V S. Μεταβάλετε την τάση V S από 12 V έως 18 V και συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα με τις τιμές που μετράτε για τις V Ζ, I Ζ και I L. V S (V) V Ζ (V) I Ζ (ma) I L (ma) Μελετώντας τις τιμές του πίνακα να απαντήσετε στα ακόλουθα: α) Η τάση στα άκρα του φορτίου παραμένει σταθερή; β) Το I Z μεταβάλλεται και γιατί; γ) Το Ι L μεταβάλλεται και γιατί; δ) Ποια είναι η τιμή του συντελεστή σταθεροποίησης ( S = ΔV Z / ΔV S ); 48

53 49

54 50

55 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ Διπολικής Επαφής σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η μελέτη των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Μελετώνται οι χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ και η λειτουργία του σε συνδεσμολογία κοινής βάσης. Επίσης στόχος είναι να κατανοηθούν και να μετρηθούν οι παράμετροι α και β του τρανζίστορ. Εισαγωγή 1. To τρανζίστορ διπολικής επαφής Το τρανζίστορ διπολικής επαφής (Bipolar Junction Transistor BJT) ή διπολικό τρανζίστορ (Bipolar Transistor) είναι ένα ηλεκτρονικό στοιχείο με δύο επαφές ημιαγωγού. Η δομή του και το σύμβολό του φαίνεται στο Σχήμα 1. Έχει τρείς στρώσεις ημιαγωγών που εναλλάσσεται μεταξύ τύπου P και τύπου Ν, όπου η μεσαία στρώση, κατασκευαστικά, είναι πάρα πολύ λεπτή συγκρινόμενη με τις άλλες. Υπάρχουν δύο τύποι τρανζίστορ ανάλογα με τη διάταξη των ημιαγωγών στην εσωτερική τους δομή, τα ΝΡΝ και τα ΡΝΡ. Υπάρχουν τρεις ακροδέκτες, ο συλλέκτης (Collector C), η βάση (Base B) και ο εκπομπός (emitter E). Εκπομπός είναι ο ακροδέκτης με το βέλος και όταν έχει φορά προς τα έξω τότε το τρανζίστορ είναι ΝΡΝ, ενώ αντίθετα είναι ΡΝΡ. E N P N C E P N P C B B E C E C B B C E B B E C NPN PNP Σχήμα 1: Δομή και σύμβολο του διπολικού τρανζίστορ 51

56 Το διπολικό τρανζίστορ θα αναφέρεται συχνά απλώς ως τρανζίστορ παραλείποντας τη λέξη διπολικό για χάριν συντομίας. Θα μπορούσε να θεωρηθεί ότι η δομή του τρανζίστορ είναι αντίστοιχη με δύο διόδους ενωμένες όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Ωστόσο, στην πράξη δεν μπορεί να γίνει η αντικατάσταση αυτής της δομής με διακριτά στοιχεία διόδων, καθώς έχει μεγάλη σημασία, κατασκευαστικά, ο τρόπος εναπόθεσης των στρώσεων των διαφορετικών ημιαγωγών. E C E C B NPN B PNP Σχήμα 2: Το τρανζίστορ ως δύο δίοδοι 2. Συνδεσμολογία και πόλωση των τρανζίστορ Καθώς το τρανζίστορ έχει τρεις ακροδέκτες έχει και τρεις διαφορετικούς τρόπους συνδεσμολογίας, ανάλογα με τον ακροδέκτη που είναι κοινά συνδεδεμένος μεταξύ εισόδου και εξόδου. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 οι τρόποι σύνδεσης είναι σε α) συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (common emitter CE), β) συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη (common collector CC) και γ) συνδεσμολογία κοινής βάσης (common base CB). Στο Σχήμα 3 φαίνεται η συνδεσμολογία για τρανζίστορ ΝΡΝ αλλά αντίστοιχα είναι και για τρανζίστορ ΡΝΡ. είσοδος B C E έξοδος είσοδος B C E έξοδος είσοδος E B C έξοδος Συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Συνδεσμολογία κοινού συλλέκτη Σχήμα 3: Συνδεσμολογίες του τρανζίστορ Συνδεσμολογία κοινής βάσης Με τη λέξη πόλωση εννοούμε την εφαρμογή κατάλληλων συνεχών τάσεων στους ακροδέκτες του τρανζίστορ ώστε αυτό να λειτουργεί σε ηρεμία στο επιθυμητό σημείων των χαρακτηριστικών του. Όπως θα εξηγηθεί στη συνέχεια ανάλογα με την πόλωση, αλλάζει ο τρόπος λειτουργίας του τρανζίστορ, αλλά κατά την κανονική του λειτουργία (ως ενισχυτής) η επαφή βάσηςεκπομπού συνδέεται σε ορθή πόλωση και η επαφή συλλέκτηβάσης σε ανάστροφη πόλωση. 3. Λειτουργία του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινής βάσης Η πόλωση ενός τρανζίστορ ΝΡΝ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού φαίνεται στο Σχήμα. Για ένα τρανζίστορ ΡΝΡ οι τάσεις θα έχουν αντίστροφη πολικότητα. Η επαφή ΒΕ βρίσκεται σε ορθή πόλωση ενώ η επαφή CB σε ανάστροφη. Το ρεύμα βάσης Ι Β εισέρχεται προς την βάση ενώ το ρεύμα εκπομπού Ι Ε εξέρχεται από τον εκπομπό. Το ρεύμα συλλέκτη I C εισέρχεται προς τον συλλέκτη. 52

57 V BE I E E C I C B V CB I B Σχήμα 4: Το διπολικό τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης I E E I I E { En I Ep N ηλεκτρόνια οπές P N I C επανασύνδεση C I C V CB V BE I B B Σχήμα 5: Πόλωση και κίνηση φορέων στο διπολικό τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης Το Σχήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί μαζί με το Σχήμα για την κατανόηση της δημιουργίας των ρευμάτων στο τρανζίστορ. Το Ι Β είναι ένα πολύ μικρό ρεύμα που αποτελείται κυρίως από φορείς πλειονότητας. Ενώ θα περίμενε κανείς, λόγω της ανάστροφης πόλωσης της επαφής CB, να μην υπάρχει ρεύμα συλλέκτη, ωστόσο αυτό παράγεται από ηλεκτρόνια των φορέων μειονότητας στη βάση, τα οποία διαχέονται προς το συλλέκτη εξαιτίας του πεδίου που αναπτύσσεται κατά την περιοχή απογύμνωσης στην επαφή CB. Το I C είναι πολύ μεγαλύτερο του I B και καθορίζεται από τον παράγοντα β που ορίζεται ως το κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ΚΕ, β = Ι C I B (1) Η παράμετρος β παίρνει μεγάλες τιμές που εξαρτώνται από το τρανζίστορ και κυμαίνονται συνήθως από 50 έως και 500. Η παράμετρος β συχνά εμφανίζεται στη βιβλιογραφία ως h FE. Το συνολικό ρεύμα I E προκύπτει από το άθροισμα των ρευμάτων I C και Ι Β όπως φαίνεται από το Σχήμα. Αν θεωρήσουμε ότι τα ρεύματα είναι θετικά όταν εισέρχονται στο τρανζίστορ και αρνητικά όταν εξέρχονται, τότε προκύπτει ότι ΙΕ = ( ΙC ΙΒ ) (2) Καθώς η φορά των ρευμάτων είναι γνωστή στο τρανζίστορ, πολύ συχνά για πρακτικούς λόγους, θεωρούμε την παραπάνω σχέση με τις απόλυτες τιμές τους. Δηλαδή θεωρούμε ότι Ι Ε = Ι C Ι Β (3) 53

58 Μια επίσης σημαντική παράμετρος είναι η παράμετρος α που ορίζεται ως το κέρδος ρεύματος του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινής βάσης και παίρνει τιμές λίγο μικρότερες από τη μονάδα (1). α = Ι C I Ε (4) Από τις ανωτέρω προκύπτει ότι α = β β1 (5) Οι χαρακτηριστικές εισόδου στη συνδεσμολογία κοινού εκπομπού φαίνονται στο Σχήμα. Καθώς η επαφή ΒΕ πολώνεται ορθά οι χαρακτηριστικές εισόδου θα έχουν τη μορφή μιας ορθά πολωμένης διόδου. Η χαρακτηριστική εισόδου δίνει τη σχέση του ρεύματος εισόδου Ι Ε σε σχέση με την τάση εισόδου V BE όταν η τάση V CB είναι σταθερή I Ε = f(v ΒE ) VCB=σταθ (6) Η χαρακτηριστικές εισόδου μεταβάλλουν ελαφρά τη μορφή τους με τη μεταβολή της τάσης V CB. I E (ma) V CΒ V BE (V) Σχήμα 6: Χαρακτηριστικές εισόδου σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης 4. Λειτουργία του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού Αν και όλες οι συνδεσμολογίες που είχαν αναφερθεί προηγουμένως μπορούν να βρεθούν στα κυκλώματα, η λειτουργία σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού είναι από τις πιο συνήθεις σε πραγματικά κυκλώματα. Όπως φαίνεται στο Σχήμα, η επαφή ΒΕ πολώνεται ορθά και άρα λειτουργεί όπως μια ορθά πολωμένη δίοδος. Η χαρακτηριστική εισόδου περιγράφει τη σχέση του ρεύματος βάσης I B σε σχέση με την τάσης βάσης εκπομπού V BE, I B = f(v BE ) VCE=σταθ (7) και μοιάζει με τη χαρακτηριστική μια απλής διόδου όπως φαίνεται στο Σχήμα. Γενικά το ρεύμα βάσης είναι πολύ μικρότερο συγκρινόμενο με το ρεύμα συλλέκτη I C και το ρεύμα εκπομπού I E. Στην πραγματικότητα η χαρακτηριστική μπορεί να μεταβάλλεται ελαφρώς ανάλογα με την τάση V CE, όπως δεικνύεται στο Σχήμα. 54

59 I C C V BE I B B E V CE (>V ΒE ) I E Σχήμα 7: Το τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού. I B (μa) V CE V BE (V) Σχήμα 8: Χαρακτηριστική εισόδου του τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κ.Ε. Η τάση V CE είναι τέτοια ώστε η επαφή συλλέκτη βάσης να είναι ανάστροφα πολωμένη. Άρα η τάση V CE πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την τάση V BE. Καθώς η επαφή συλλέκτη βάσης είναι ανάστροφα πολωμένη, φαινομενικά δεν πρέπει να άγει. Ωστόσο, καθώς η επαφή BE άγει, το ρεύμα εκπομπού (που αποτελείται από φορείς μειονότητας για τη βάση) διαπερνά την πολύ λεπτή βάση και συνεχίζει δημιουργώντας ένα μεγάλο ρεύμα συλλέκτη. Οι χαρακτηριστικές εξόδου του διπολικού τρανζίστορ σε συνδεσμολογία κοινού εκπομπού (Κ.Ε.) δείχνουν τη σχέση μεταξύ του ρεύματος I C ως προς την τάση V CE και έχουν τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα. Σημαντικό είναι το γεγονός ότι η χαρακτηριστική εξαρτάται όχι μόνο από την V CE αλλά και από την τιμή του ρεύματος βάσης Ι Β. I C = f(v CE ) IB=σταθ (8) 5. Περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ Στο Σχήμα μπορούν να διακριθούν τρεις περιοχές λειτουργίας του διπολικού τρανζίστορ: 1) Η ενεργός περιοχή όπου η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) είναι ορθά πολωμένη και η επαφή βάσης συλλέκτη (ΒC) είναι ανάστροφα πολωμένη. Σε αυτήν την περίπτωση ισχύει προσεγγιστικά η σχέση I C = β I B. Λόγω του φαινομένου Early τα οριζόντια ευθύγραμμα τμήματα των χαρακτηριστικών έχουν μία μικρή κλίση προς τα πάνω. Η κλίση σχετίζεται και με την αντίσταση εξόδου του τρανζίστορ. 55

60 2) Η περιοχή αποκοπής όπου και η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) και η επαφή βάσης συλλέκτη (ΒC) είναι ανάστροφα πολωμένες. Σε αυτήν την περίπτωση όλα τα ρεύματα θεωρούνται μηδενικά I C = I Ε = I B = 0. Στην πραγματικότητα το ρεύμα συλλέκτη είναι πάρα πολύ μικρό και ίσο με I C = ( 1 β ) I CBO, όπου I CBO είναι το ρεύμα συλλέκτη ανάστροφης πόλωσης συλλέκτη βάσης με ανοικτό τον εκπομπό. 3) Η περιοχή κόρου όπου και η επαφή βάσης εκπομπού (ΒΕ) και η επαφή βάσης συλλέκτη (ΒC) είναι ορθά πολωμένες. Σε αυτήν την περίπτωση η τάση V CE είναι έως περίπου 0.2V και τα ρεύματα του τρανζίστορ καθορίζονται από τα διάφορα στοιχεία του κυκλώματος όπου αυτό είναι συνδεδεμένο. I C περιοχή κόρου ενεργός περιοχή I Β3 I Β2 0 περιοχή αποκοπής I Β1 I Β =0 V CE Σχήμα 9: Χαρακτηριστικές εξόδου διπολικού τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κ.Ε. 6. Ευθεία φόρτου στο συνεχές Έως τώρα αναφέρθηκαν οι περιοχές λειτουργίας του τρανζίστορ. Ένα τρανζίστορ όμως για να λειτουργήσει μέσα σε ένα κύκλωμα πρέπει να συνδεθεί με κατάλληλες αντιστάσεις ώστε να προσφέρονται οι κατάλληλες συνθήκες πόλωσης. Ένα κύκλωμα σταθερής πόλωσης του τρανζίστορ φαίνεται στο Σχήμα. V CC R B R C I C V OUT V IN I B V CE Σχήμα 10: Κύκλωμα τρανζίστορ σε σύνδεση κοινού εκπομπού Αναλύοντας το κύκλωμα για τον βρόγχο εξόδου προκύπτει ότι, ή V CC = I C R C V CE (9) I C = 1 R C V CΕ V CC R C (10) 56

61 Η εξίσωση αυτή δείχνει μια γραμμική σχέση μεταξύ ρεύματος συλλέκτη I C και τάσης V CE και αποτυπώνεται με μια ευθεία που λέγεται ευθεία φόρτου στο συνεχές και χαράσσεται μαζί με τις χαρακτηριστικές εξόδου όπως φαίνεται στο Σχήμα. Η ευθεία εξαρτάται από την τιμή της τάσης τροφοδοσίας V CC και την τιμή της αντίστασης R C. Η κλίση της είναι ίση με 1/R C. I C V CC R C ευθεία φόρτου κλίση = Q 1 R C I Β3 I Β2 0 V CC I Β1 I Β =0 V CE Σχήμα 11: Ευθεία φόρτου και σημείο λειτουργίας Η ευθεία φόρτου δείχνει τις θέσεις που κινείται το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ Q(V CE, I C) για το κύκλωμα του τρανζίστορ με τις συγκεκριμένες V CC και R C. Ταυτόχρονα όμως για την πόλωση του τρανζίστορ ισχύουν και οι χαρακτηριστικές εξόδου, που συσχετίζουν το ρεύμα συλλέκτη I C με το ρεύμα βάσης I B. Έτσι για δεδομένο ρεύμα βάσης I B εμφανίζεται ένα συγκεκριμένο ρεύμα συλλέκτη I C το οποίο δίνει μία συγκεκριμένη τιμή της τάσης συλλέκτη εκπομπού V CE. Με τον τρόπο αυτό καθορίζεται με ακρίβεια το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. Όταν το τρανζίστορ λειτουργεί ως ενισχυτής πρέπει να έχει περιθώριο ώστε οι μεταβολές της εισόδου του να μεταφέρονται στην έξοδο. Έτσι θα πρέπει το σημείο λειτουργίας να βρίσκεται στο μέσο της ενεργού περιοχής, ώστε να έχει περιθώριο να λειτουργεί μέσα σε αυτή, τόσο για θετικές όσο και για αρνητικές μεταβολές του ρεύματος βάσης Ι Β γύρω από το σημείο λειτουργίας. 7. Παράμετροι μικρού σήματος (υβριδικές παράμετροι) Κάθε τρανζίστορ που λειτουργεί μέσα σε ένα κύκλωμα, τίθεται αρχικά σε κατάλληλη πόλωση και λειτουργεί κάτω από ένα ρεύμα ηρεμίας του συλλέκτη I CQ και σε μία τάση ηρεμίας συλλέκτη εκπομπού V CEQ. Τότε μπορεί να δειχθεί το σημείο ηρεμίας Q του τρανζίστορ αποτελούμενου από το ζεύγος τιμών I CQ και V CEQ πάνω στο επίπεδο των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ. Όταν το σημείο ηρεμίας του τρανζίστορ τίθεται εντός της ενεργού περιοχής και στην είσοδο του τρανζίστορ εφαρμόζεται ένα πολύ μικρό εξωτερικό σήμα, τότε μπορεί να θεωρηθεί ότι όλες οι μεταβολές των τάσεων των ρευμάτων του τρανζίστορ είναι γραμμικές. Η λειτουργία στην ενεργό περιοχή με ταυτόχρονη εφαρμογή μικρού σήματος εφαρμόζεται κυρίως στα αναλογικά κυκλώματα, ενώ στα ψηφιακά κυκλώματα η λειτουργία του τρανζίστορ γίνεται με μεγάλες μεταβολές μεταξύ της περιοχή κόρου και της περιοχής αποκοπής. Κατά τη λειτουργία μικρού (ή ασθενούς) σήματος, η λειτουργία μπορεί να περιγραφεί με τη χρήση των υβριδικών hπαραμέτρων μικρού σήματος και με το απλοποιημένο υβριδικό ισοδύναμο μοντέλο του τρανζίστορ για μικρό σήμα (Σχήμα). Εάν 57

62 κάποιος θελήσει να προσεγγίσει τη λειτουργία του τρανζίστορ με μεγαλύτερη ακρίβεια τότε μπορεί να χρησιμοποιήσει το υβριδικό ισοδύναμο για μικρό σήμα, του Σχήματος 13, που περιλαμβάνει περισσότερες παραμέτρους. B i b i c C h ie h fe i b E Σχήμα 12: Ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ μικρού σήματος B i b i c C h ie h fe i b 1/h oe h re v CE E Σχήμα 13: Ισοδύναμο κύκλωμα του τρανζίστορ μικρού σήματος Οι παράμετροι μικρού σήματος δίδονται από τις παρακάτω σχέσεις, h ie = V BE I B V CE = v be i b v ce =0 αντίσταση εισόδου h re = V BE V CE I B = v be v ce i b =0 h fe = I C I B V CE = i c i b v ce =0 συντελεστής ανατροφοδότησης ενίσχυση ρεύματος (10) h οe = I C V CE I B = i c v ce i b =0 αγωγιμότητα εξόδου 58

63 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 5 Τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινής Βάσης ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

64 Πρακτική Άσκηση 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι όποτε δεν χρησιμοποιείτε αμπερόμετρο, πρέπει να βάζετε βραχυκύκλωμα, ενώ όποτε δεν χρησιμοποιείτε βολτόμετρο να αφήνετε το κύκλωμα ανοικτό. Συνδέστε τα δύο τροφοδοτικά με προσοχή στις πολικότητες, 15 για το ένα και 5 για το άλλο, όπως φαίνεται στο σχήμα. Ο πυκνωτής έχει τεθεί για λόγους σταθερότητας του κυκλώματος και δεν επηρεάζει τις μετρήσεις. 15 V 1 KΩ I E I C A 4.7 KΩ 0.1 μf 5 V 0 V V BE Α I B 0 Είναι σωστές οι πολικότητες των πηγών όπως έχουν τεθεί και γιατί; 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική εισόδου α) Θέτουμε το ποτενσιόμετρο στο μηδέν (V EB = 0) και μετά το περιστρέφουμε αργά έως ότου μόλις αρχίσει να αυξάνει το I C. Εκείνη τη στιγμή μετράμε την V BΕ. V ΒΕ = Είναι αναμενόμενη η τιμή που μετρήσατε και γιατί; 60

65 β) Αυξάνουμε την V BΕ με το ποτενσιόμετρο σταδιακά ώστε να παίρνετε τις τιμές του I C που φαίνονται στον παρακάτω πίνακα και μετρήστε τις τιμές για το I B. Να υπολογίσετε στη συνέχεια και να συμπληρώσετε τις τιμές για τα I E ( = Ic I B), β και α. I C (ma) I B (μa) V BE (V) I Ε (ma) β α γ) Υπάρχουν μεταβολές των α και β; Είναι αναμενόμενες και γιατί; δ) Κάνετε σύγκριση μεταξύ των τιμών I Β, I C και I E. 61

66 3) Με τις τιμές του παραπάνω πίνακα για τα I E και V BE να σχεδιάσετε την χαρακτηριστική εισόδου του τρανζίστορ κοινής βάσης. I Ε (ma) 0 V BE (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστική εισόδου τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ΚΒ 62

67 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 6 Τρανζίστορ σε συνδεσμολογία Κοινού Εκπομπού ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

68 Πρακτική Άσκηση Αντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η μελέτη της συνδεσμολογίας KE η οποία γίνεται αναλυτικότερα από την αντίστοιχη της KB διότι την συναντάμε συχνότερα στις εφαρμογές των ενισχυτικών διατάξεων. Μελετώνται οι τάσεις των επαφών του τρανζίστορ (πολώσεις), οι μεταβολές και η αλληλοεξάρτιση των ρευμάτων του και θα χαραχθούν ορισμένες χαρακτηριστικές καμπύλες. Επίσης θα μελετηθούν η ευθεία φόρτου και το σημείο λειτουργίας του τρανζίστορ. Για την διεξαγωγή της άσκησης χρησιμοποιούνται δύο τροφοδοτικά dc (ένα για τα 5V dc και ένα μεταβλητής εξόδου από 0 έως 20V dc) και τρία πολύμετρα Α Μέρος 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε τα δύο τροφοδοτικά όπως φαίνεται στο σχήμα. Τα σημεία ΚΛ και ΜΝ βραχυκυκλώνονται σε αυτό το στάδιο της άσκησης. 5 V 20 KΩ 10 KΩ Α I B B M C E I E I C V A V CE K 1 KΩ Λ 0 10 V dc 0 N 0 Η πόλωση του τρανζίστορ όπως τη βλέπετε στο κύκλωμα είναι σωστή για να δουλέψει ως ενισχυτής και γιατί; 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική εξόδου α) Ρυθμίζετε το τροφοδοτικό στην έξοδο ώστε να μετράμε V CE = 0.3V. Θέστε το ποτενσιόμετρο εισόδου πάνω στην πλακέτα ώστε το I Β να παίρνει τις τιμές όπως φαίνονται στον Πίνακα 1 και καταγράψτε το I C. Στη συνέχεια μεταβάλετε το V CE ώστε να πάρε την επόμενη στήλη μετρήσεων και συνεχίστε για όλες τις τιμές του πίνακα. 64

69 I B (μa) I C (ma) για V CE=0.3V I C (ma) για V CE=0.5V Πίνακας 1 I C (ma) για V CE=1V I C (ma) για V CE=2V I C (ma) για V CE=5V I C (ma) για V CE=10V ) Χάραξη χαρακτηριστικής εξόδου Με τις μετρήσεις του Πίνακα 1 να κάνετε τις χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ. I C (ma) 0 V CE (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστικές εξόδου τρανζίστορ σε συνδεσμολογία ΚΒ 65

70 4) Ερωτήσεις α) Τι συμβαίνει με το I C όταν η V CE είναι μικρότερη από 0.5 V; Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ; β) Για τάσεις V CE μεγαλύτερες από 0.5V, τo I C είναι σχεδόν σταθερό σε σχέση με το V CE; Εξαρτάται κυρίως από το I B; Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ; γ) Από τις τιμές του Πίνακα 1 επιλέξτε 4 ζευγάρια τιμών και υπολογίστε το β. Υπάρχουν διαφορές και γιατί; V CE (V) I B (μa) I C (ma) β 66

71 Β Μέρος 4) Ευθεία φόρτου α) Μεταξύ των σημείων ΚΛ βάλτε τώρα μία αντίσταση 1 KΩ η οποία αποτελεί την αντίσταση R C. Για να μετράει το βολτόμετρο την V CE πρέπει να βρίσκεται μεταξύ K και γης. 5 V 20 KΩ 10 KΩ Α I B B M C E I E I C V A V CE K 1 KΩ Λ 0 10 V dc 0 N 0 β) Υπολογίστε θεωρητικά την ευθεία φόρτου για τις τιμές των στοιχείων του κυκλώματος, V CC = 10 V και R C = 1 KΩ και αποτυπώστε την πάνω στο Γράφημα 1 με τις χαρακτηριστικές εξόδου. 5) Σημείο λειτουργίας Με V CC = 10 V πάρτε ένα σημείο ηρεμίας που να βρίσκεται μέσα στην ενεργό περιοχή και μακριά από την περιοχή κόρου και την περιοχή αποκοπής. Επαναλάβετε για άλλες δύο τιμές. Να σημειώσετε τα σημεία που βρήκατε πάνω στο Γράφημα 1 μαζί με τις χαρακτηριστικές εξόδου και την ευθεία φόρτου. Q V CE (V) I C (ma) I B (μa) Q1 Q2 Q3 67

72 6) Ερωτήσεις α) Εάν το κύκλωμα πρέπει να λειτουργήσει ως ενισχυτής ποιο σημείο ηρεμίας θα επιλέγατε και γιατί; Ποια είναι η μέγιστη απόκλιση από το σημείο αυτό ώστε ο ενισχυτής να λειτουργεί χωρίς παραμόρφωση; β) Πως μεταβάλλεται η ευθεία φόρτου εάν μεταβληθεί η R C και πώς αν μεταβληθεί η V CC; 68

73 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 7 Τρανζίστορ Επίδρασης Πεδίου Επαφής (JFET) Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η κατανόηση της λειτουργία των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (FET) και συγκεκριμένα του JFET. Μελετώνται οι χαρακτηριστικές εξόδου του τρανζίστορ και η λειτουργία του σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. Επίσης στόχος είναι να κατανοηθεί και να μετρηθεί η μη γραμμική συμπεριφορά του τρανζίστορ. Εισαγωγή 1. To τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors FET) Εκτός των διπολικών τρανζίστορ υπάρχουν και άλλα τρανζίστορ πολύ διαδεδομένα στη χρήση τους, που ονομάζονται τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Field Effect Transistors FET). Η λειτουργία τους βασίζεται στον έλεγχο της αντίστασης ενός ημιαγωγού υλικού, μέσω της επίδρασης ηλεκτρικού πεδίου. Γίνεται δηλαδή έλεγχος του ρεύματος που διέρχεται μέσα από ένα κομμάτι ημιαγωγού, ένα κανάλι, με έλεγχο του πεδίου που δημιουργείται εφαρμόζοντας κατάλληλη τάση στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Η πρώτη βασική διαφορά σε σχέση με το διπολικό τρανζίστορ είναι, ότι ο έλεγχος του ρεύματος γίνεται με τάση και όχι με ρεύμα. Η δεύτερη διαφορά είναι ότι στα FET η αντίσταση εισόδου είναι πάρα πολύ μεγάλη και αυτό είναι πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό στη σχεδίαση κυκλωμάτων. Μια άλλη διαφορά είναι ότι τα FET είναι μονοπολικά (unipolar) δηλαδή το ρεύμα που το διαρρέει αποτελείται από ένα είδος φορέων (ηλεκτρόνια ή οπές) ενώ το διπολικό τρανζίστορ είναι διπολικό (bipolar). Υπάρχουν κυρίως δύο κατηγορίες FET: Τα JFET (Juction Field Effect Transistor) ή FET επαφής. Τα MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 2. JFET Στην εργαστηριακή άσκηση που ακολουθεί μελετάται το JFET. Το JFET είναι δύο τύπων, αυτό του καναλιού Ν και αυτό του καναλιού Ρ, ανάλογα με το αν ο ημιαγωγός που σχηματίζει το κανάλι είναι τύπου Ν ή τύπου Ρ. Τα σύμβολα του JFET καναλιού Ν και JFET καναλιού P φαίνονται στο Σχήμα 1. Το JFET έχει 3 ακροδέκτες, την υποδοχή (Drain), την πηγή (Source) και την πύλη (Gate). To JFET καναλιού Ν είναι ένα κομμάτι ημιαγωγού Ν, όπου στο μέσον των δύο πλευρών του έχει τοποθετηθεί ημιαγωγός τύπου Ρ όπου αποτελεί την πύλη G, όπως φαίνεται στο Σχήμα 2. Το κανάλι δημιουργείται μεταξύ D και S ενώ τα δύο τμήματα ημιαγωγού Ρ της πύλης G ενώνεται εσωτερικά. 69

74 D D G G S S JFET καναλιού Ν JFET καναλιού P Σχήμα 1: Το σύμβολο του JFET I D D I D D V GS G G V DS < V p V GS G G V DS > V p S S Σχήμα 2: Η δομή ενός JFET καναλιού Ν Για να γίνει κατανοητή η λειτουργία του JFET θα μελετηθεί η μεταβολή του ρεύματος I D σε σχέση με τις μεταβολές των V DS και V GS. Το αποτέλεσμα της λειτουργίας του JFET, που περιγράφεται στη συνέχεια, αποτυπώνεται στις χαρακτηριστικές εξόδου σε συνδεσμολογία κοινής πηγής, όπως φαίνονται στο Σχήμα 3. Αρχικά θεωρούμε ότι η V GS είναι μηδενική. Η V DS, αρχικά είναι μηδέν και στη συνέχεια αυξάνεται σταδιακά. Κατά την αύξηση της V DS δημιουργούνται περιοχές απογύμνωσης, διευρυμένες προς την υποδοχή, καθώς η επαφή μεταξύ πύλης και καναλιού είναι ανάστροφα πολωμένη. Όσο αυξάνει η V DS τόσο αυξάνει και το ρεύμα υποδοχής I D, έως ότου η περιοχή απογύμνωσης διευρυνθεί τόσο πολύ, κλείνοντας το κανάλι. Από εκείνη τη στιγμή και έπειτα περαιτέρω αύξηση της V DS φράζει ακόμη περισσότερο το κανάλι, η αντίσταση του καναλιού μεγαλώνει και το I D παραμένει περίπου σταθερό κυρίως λόγω της μεγάλης αντίστασης αλλά και του κορεσμού των φορέων. Η τιμή της τάσης V DS για την οποία επέρχεται φραγή του καναλιού και σταθεροποιείται το I D λέγεται τάσης φραγής ή περίσφιξης ή στραγγαλισμού V P (pinch off voltage). Η τιμή του ρεύματος I D κατά για τάση V P και V GS = 0 συμβολίζεται ως I DSS. Έως τώρα η περιγραφή έγινε για V GS = 0. Αν πολώσουμε την πύλη με μία αρνητική τάση, δηλαδή V GS < 0, τότε γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η φραγή του καναλιού θα επέρχεται νωρίτερα, καθώς η περιοχή απογύμνωσης θα μεγαλώνει νωρίτερα και το τελικό ρεύμα θα σταθεροποιείται σε μικρότερες τιμές από αυτό του I DSS. Η τάση φραγής V P θα επέρχεται επίσης σε μικρότερες τιμές σε σχέση με την περίπτωση όπου ήταν V GS = 0. Έτσι όσο πιο αρνητική γίνεται η V GS τόσο μικραίνει η V P. Η τιμή V P σε σχέση με την V GS δίδεται από τη σχέση 70

75 I D I DSS γραμμική περιοχή V P = V P V GS (1) περιοχή κόρου V GS =0 V GS = 0.5 V V GS = 1 V V GS = Vp 0 V p περιοχή αποκοπής V DS Σχήμα 3: Το σμήνος χαρακτηριστικών του JFET Από την παραπάνω περιγραφή γίνεται φανερό ότι η πύλη βρίσκεται διαρκώς σε ανάστροφη πόλωση σε σχέση με το κανάλι, μεταξύ υποδοχής και πηγής. Για το λόγο αυτό, το ρεύμα που εισέρχεται στην πύλη είναι μηδενικό. Η ιδιότητα αυτή είναι πολύ σημαντική στη σχεδίαση κυκλωμάτων. 3. Περιοχές λειτουργίας Όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3, το I D μηδενίζεται κάτω από μία τιμή της V GS. Η οποία σε απόλυτες τιμές είναι ίση με την V P. Τότε το JFET λειτουργεί στην περιοχή αποκοπής. Υπάρχουν τρεις περιοχές λειτουργίας του FET: η γραμμική ή ωμική περιοχή, η περιοχή αποκοπής και η περιοχή κόρου. Η περιοχή αποκοπής, που όπως περιγράφηκε νωρίτερα ισχύει όταν I D = 0 (για V GS < V P ). Η γραμμική ή ωμική περιοχή λειτουργίας είναι όταν το η V DS είναι πολύ μικρή, μικρότερη της V P και V P < V GS < 0. Τέλος, η περιοχή κόρου είναι για V DS > V P και V P < V GS < 0. Η περιοχή κόρου είναι η κανονική περιοχή λειτουργίας του JFET όταν θέλουμε να λειτουργεί ως ενισχυτής και αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του διπολικού τρανζίστορ. Η περιοχή κόρου του JFET δεν πρέπει να συγχέεται με την περιοχή κόρου του διπολικού τρανζίστορ. Πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή ώστε να μην συγχέονται οι περιοχές λειτουργίας του JFET με τις περιοχές λειτουργίας του BJT. Η περιοχή κόρου του JFET αντιστοιχεί στην ενεργό περιοχή του BJT. Είναι δηλαδή, η περιοχή μέσα στην οποία το JFET χρησιμοποιείται για να λειτουργήσει ως ενισχυτής, καθώς το ρεύμα εξόδου I D εξαρτάται μόνο από την τάση εισόδου V GS και είναι ανεξάρτητη από την τάση εξόδου V DS. Από την άλλη πλευρά, η «γραμμική ή ωμική» περιοχή λειτουργίας του JFET αντιστοιχεί στην περιοχή κόρου του BJT. Ονομάζεται δε, «γραμμική ή ωμική», επειδή σε αυτήν την περιοχή μπορεί να θεωρηθεί ότι το ρεύμα I D είναι ανάλογο με την V DS και συνεπώς το JFET λειτουργεί ως αντίσταση. Γίνεται φανερό ότι, όταν κατά τη λειτουργία του JFET σε ψηφιακά κυκλώματα, μεταβαίνει από την περιοχή αποκοπής στην ωμική περιοχή και αντίστροφα, ενώ ως ενισχυτής πρέπει να λειτουργεί συνεχώς εντός της περιοχής κόρου. 71

76 Σαν συμπέρασμα, το JFET λειτουργεί σαν αντίσταση για μικρές τιμές της V DS, ενώ λειτουργεί σαν πηγή ρεύματος ελεγχόμενη από τάση για μεγάλες τιμές της V DS. Το ρεύμα I D ελέγχεται από την τάση V GS σύμφωνα με τη σχέση Ι D = I DSS 1 V GS V P 2 (2) Αν και αναφέρθηκε νωρίτερα ότι το I D παραμένει σταθερό για τάσεις V DS > V P (ή V P ) στην πραγματικότητα εμφανίζουν μια μικρή αύξηση. Αυτό σημαίνει ότι οι χαρακτηριστικές δεν είναι εντελώς οριζόντιες αλλά έχουν μια μικρή κλίση προς τα πάνω όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Η σχέση (2) δείχνει ότι η μεταβολή του ρεύματος I D με την τάση V GS συνδέεται με τον τετραγωνικό νόμο. Αν μάλιστα σχεδιάσουμε την χαρακτηριστική μεταφοράς, δηλαδή τη σχέση, Ι D = f (V DS ) VDS =σταθ. (3) τότε προκύπτει ότι αυτή είναι παραβολή, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Η μεταβολή του ρεύματος ως προς την τάση ονομάζεται διαγωγιμότητα (transconductance) g m. g m = ΔΙ D ΔV GS (4) I D περιοχή κόρου I DSS γραμμική περιοχή V GS Σχήμα 4: Χαρακτηριστική μεταφοράς 4. Συνδεσμολογία JFET Η συνδεσμολογία των JFET μπορεί να γίνει με τρείς τρόπους: κοινής πηγής, κοινής υποδοχής και κοινής πύλης, όπως φαίνονται στο Σχήμα 5. Η περιγραφή της λειτουργίας του JFET, που προηγήθηκε, έγινε θεωρώντας το σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. 72

77 V GS G D S Ι D V DS V GS G S D Ι D VDS V GS S G D Ι D V DS (α) (β) (γ) Σχήμα 5: Συνδεσμολογία α) Κοινής πηγής, β) κοινής υποδοχής, γ) κοινής πύλης 73

78 74

79 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 7 JFET σε συνδεσμολογία Κοινής Πηγής ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

80 Πρακτική Άσκηση Αντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η γνωριμία με τo JFET τρανζίστορ. Μελετώνται οι τάσεις του τρανζίστορ (πολώσεις), οι μεταβολές και η αλληλεξάρτηση τάσεων και ρευμάτων του και γίνεται χάραξη των χαρακτηριστικών εξόδων σε συνδεσμολογία κοινής πηγής. Για την διεξαγωγή της άσκησης χρειάζονται δύο τροφοδοτικά dc (ένα για τα 5V dc και ένα μεταβλητής εξόδου από 0 έως 15V dc) και δύο πολύμετρα. 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως στο παρακάτω σχήμα προσέχοντας τις πολικότητες των πηγών, ειδικά αυτό της εισόδου. Μηδενίστε τα τροφοδοτικά πριν τα συνδέσετε στο κύκλωμα. Από τα πολύμετρα θα χρησιμοποιηθεί μόνο αυτό για την μέτρηση του ρεύματος Ι D και αυτό της τάσης V GS. Η ένδειξη για την τάση V DS θα λαμβάνεται κατευθείαν από την ένδειξη του τροφοδοτικού που συνδέεται στην έξοδο του κυκλώματος. 15 V 47 KΩ 10 KΩ Α G V D A I D V dc 0 15 S V DS V 0 Σχήμα 1. Σύνδεση κυκλώματος JFET 2) Λήψη μετρήσεων για την χαρακτηριστική εξόδου Θέστε το τροφοδοτικό εισόδου στα 15 V και ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο της πλακέτας ώστε V GS=0 V. Ανοίξτε το τροφοδοτικό εξόδου και αρχίστε να αυξάνεται την τάση V DS όπως φαίνεται στον Πίνακα 1 και καταγράψτε τις αντίστοιχες τιμές για το I D. Επαναλάβετε για όλες τις τιμές της V GS, ώστε να συμπληρωθεί ολόκληρος ο Πίνακας 1. 3) Χάραξη χαρακτηριστικής εξόδου Με τις τιμές του Πίνακα, χαράξτε τις χαρακτηριστικές εξόδου του FET Γράφημα 1. 76

81 Πίνακας 1 V GS (V) I D (ma) για V DS=0 V I D (ma) για V DS=0.5 V I D (ma) για V DS=1.0 V I D (ma) για V DS=2 V I D (ma) για V DS=5.0 V I D (ma) για V DS=10 V I D (ma) για V DS=15 V I D (ma) 0 V DS (V) Γράφημα 1: Χαρακτηριστικές εξόδου JET κοινής πηγής 77

82 4) Ερωτήσεις Μελετώντας τις χαρακτηριστικές εξόδου να απαντήσετε στα παρακάτω ερωτήματα: α) Ποια είναι η VP για V GS=0; Δηλαδή ποια είναι η τιμή της V DS για την οποία το I D γίνεται σχεδόν σταθερό από αυτή; V p= β) Ποια είναι η τιμή του Ι DSS; Δηλαδή ποια είναι η μέγιστη τιμή του I D για την οποία το ρεύμα I D γίνεται σχεδόν σταθερό; I DSS= γ) Για μια δεδομένη τιμή της V DS (πχ. 10V) ίσες μεταβολές της V GS προκαλούν ίσες μεταβολές του I D; Τι συμπεράσματα βγάζετε από την απάντησή σας για το g m; δ) Ποια είναι η τιμή του I DSS; I DSS= ε) Αν προσπαθήσετε να μετρήσετε το ρεύμα της πύλης I G, με μικροαμπερόμετρο στην είσοδο τι τιμές θα πάρετε; Είναι αυτό δυνατό και γιατί; 78

83 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 8 Θυρίστορ Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η κατανόηση της λειτουργία του θυρίστορ SCR. Μελετώνται οι ιδιότητες του SCR και ο τρόπος λειτουργίας του ως διακόπτης, με μετάβαση από την κατάσταση αγωγιμότητας στην κατάσταση αποκοπής. Η εργαστηριακή άσκηση περιλαμβάνει μια εφαρμογή με SCR και έλεγχο φορτίου με ηλεκτρικό λαμπτήρα. Εισαγωγή 1) Θυρίστορ Τα θυρίστορ είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα από ημιαγωγά υλικά. Το όνομά τους βγαίνει από την λέξη θύρα. Κατασκευάζονται από ημιαγωγούς Ρ και Ν σε διαδοχικές στρώσεις και μπορεί να έχουν δύο ή περισσότερους ακροδέκτες. Λειτουργούν σαν διακόπτες μεγάλων ρευμάτων και εμφανίζουν δύο καταστάσεις, αγωγιμότητας ή αποκοπής. Η αντίσταση κατά την αγωγιμότητά τους είναι της τάξης του Ω, ενώ κατά την αποκοπή τους είναι της τάξης του MΩ. Τα θυρίστορ αντικατέστησαν τους μηχανικούς διακόπτες επαφής για τους παρακάτω λόγους: α) Δεν έχουν κινητά μέρη β) Δεν δημιουργούνται ηλεκτρικά τόξα γ) Δεν έχουν κακές επαφές από διάβρωση, σκόνη, κλπ. Με τα θυρίστορ μπορεί να γίνει έλεγχος ισχύος, να μεταβληθεί δηλαδή το ρεύμα ενός φορτίου. Υπάρχουν πολύ μικρά θυρίστορ τα οποία μπορούν να ελέγχουν την ισχύ πολλών KW. Οι εφαρμογές τους εκτείνονται στον έλεγχο ταχύτητας κινητήρων, εγκαταστάσεις ελέγχου φωτισμού, ηλεκτροσυγκολλήσεις, κλπ. Τα θυρίστορ παρέχουν ακριβή έλεγχο, μεγάλης ισχύος, με μικρό κόστος και μεγάλο βαθμό απόδοσης. Παλαιότερα ο έλεγχος αυτός γινόταν με μετασχηματιστές και ροοστάτες με μεγάλη κατανάλωση ισχύος και πολλά μηχανικά προβλήματα. Στην οικογένεια των θυρίστορ ανήκουν πολλά ηλεκτρονικά στοιχεία, για ειδικές εφαρμογές με διάφορα ονόματα, όπως TRIAC, DIAC, ενώ σαν θυρίστορ αναφέρονται μόνο SCR. 2) Δίοδος Shockley Η δίοδος Shockely αποτελεί τη βάση των θυρίστορ. Το σύμβολό της φαίνεται στο Σχήμα 1α και έχει δύο ακροδέκτες, την άνοδο Α και την κάθοδο Κ. Είναι κατασκευασμένη από τέσσερις στρώσεις ημιαγωγού PNPN, οπότε δημιουργούνται τρεις επαφές PN, όπως φαίνεται 79

84 στο Σχήμα 1β. Θα μπορούσε έτσι, να δοθεί το ισοδύναμο κύκλωμα με διόδους, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1γ. Πρέπει να σημειωθεί ωστόσο, ότι δεν είναι δυνατό να πάρουμε τη λειτουργία της διόδου Shockley, απλά συνδέοντας τρεις διακριτές διόδους στη σειρά όπως φαίνεται στο Σχήμα 1γ, καθώς είναι σημαντικός ο τρόπος επίταξης των διαφόρων στρωμάτων ημιαγωγών στο εσωτερικό της κατά την κατασκευή. Για την κατανόηση της λειτουργίας της διόδου παρατηρούμε τη χαρακτηριστική της καμπύλη του Σχήματος 2. Όταν η δίοδος πολωθεί ορθά, τότε οι επαφές 1 και 3 πολώνονται ορθά, αλλά η επαφή 2 πολώνεται ανάστροφα, παρουσιάζοντας μεγάλη αντίσταση. Έτσι, υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα ανόδου I A. Αν η τάση αυξηθεί αρκετά ώστε να ξεπεράσει την τάση κατάρρευσης της Zener (επαφής 2), αυξάνεται η συνολική αγωγιμότητα της διόδου, έχοντας εσωτερική αντίσταση μόλις μερικά Ω και η τάση ΑνόδουΚαθόδου V AK γίνεται πολύ μικρή, περίπου ίση με V H. Η τάση V AK, για την οποία επέρχεται η μεγάλη αύξηση της αγωγιμότητας, λέγεται τάση εκκίνησης V BO (BreakOver Voltage), ενώ η τάση V H λέγεται τάση συγκράτησης. Τυπικές τιμές της V BO είναι από λίγα volts έως μερικές εκατοντάδες volts, ενώ για της V H είναι από 0.5 έως 20 volts. Το ρεύμα I A μετά την εκκίνηση μπορεί να πάρει πολύ μεγάλες τιμές και να την καταστρέψει και για το λόγο αυτό χρειάζεται μια προστατευτική αντίσταση σε σειρά για κατάλληλο περιορισμό του ρεύματος. Α Α Α Κ Ρ Ν Ρ Ν Κ Κ (α) (β) (γ) Σχήμα 1: SCR α) σύμβολο, β) δομή γ) ισοδύναμο με διόδους I A κατάσταση αγωγής κατάσταση διακοπής περιοχή αρνητικής αντίστασης ανάστροφη κατάρρευση I H V H V ΒΟ V AK Σχήμα 2: Χαρακτηριστική καμπύλη SCR 80

85 Για να σταματήσει η αγωγιμότητα της διόδου, πρέπει η τάση V AK να γίνει μικρότερη από την τάση συγκράτησης V Η (holding voltage) ή το ρεύμα ανόδου I A να πέσει κάτω από την τιμή I Η (holding current). Αν η πόλωση αντιστραφεί, τότε θα υπάρχει η συμπεριφορά μιας ανάστροφα πολωμένης διόδου, δηλαδή στην αρχή θα υπάρχει ένα μικρό ρεύμα, έως ότου συμβεί διάσπαση Zener. Σε αυτήν την περίπτωση οι ανάστροφα πολωμένες επαφές είναι οι 1 και 3. Η περιοχή ανάστροφης πόλωσης δεν έχει πρακτική αξία. Στη χαρακτηριστική της διόδου παρατηρείται μια περιοχή αρνητικής αντίστασης, μεταξύ της τάσης V BO και V H. Η αρνητική αντίσταση είναι το αποτέλεσμα μια αύξησης ρεύματος με μείωση της τάσης. Αυτό συμβαίνει καθώς έως και την τάση V BO η αντίσταση είναι μεγάλη, ενώ αμέσως μετά και έως την μετάβαση της τάσης στην τιμή V H η αντίσταση πέφτει σε πολύ χαμηλή τιμή. Σε πολλές εφαρμογές χρησιμοποιείται αυτό το τμήμα της χαρακτηριστικής διότι τότε η δίοδος παρουσιάζει ασταθή συμπεριφορά και μπορεί να δώσει τάσεις παλμικής μορφής. Για να κατανοηθεί καλύτερα η λειτουργία της διόδου Schokley, αυτή μπορεί αντιστοιχηθεί με το ισοδύναμο κύκλωμα με δύο τρανζίστορ, ηλεκτρικά συνδεδεμένων μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. Αν τα στρώματα ημιαγωγού χωριστούν σε δύο τμήματα, τότε σχηματίζονται δύο τρανζίστορ, Q1 και Q2, όπου το Q1 είναι τύπου ΡΝΡ και το Q2 είναι τύπου ΝΡΝ. Ο συλλέκτης του κάθε τρανζίστορ συνδέεται με τη βάση του άλλου και η διάταξη αυτή είναι χαρακτηριστική ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος μανδαλωτή (Latch), που κλειδώνει είτε σε κατάσταση αγωγιμότητας είτε σε κατάσταση αποκοπής. Όταν η τάση V AK είναι μικρή τότε και τα δύο τρανζίστορ είναι σε αποκοπή καθώς και τα δύο ρεύματα βάσης είναι μηδενικά και δεν μπορούν να φύγουν από αυτή την κατάσταση με κάποιον τρόπο. Όταν η τάση V AK γίνει μεγάλη (> V BO) αρχίζει η διάσπαση και των επαφών και τα ρεύματα των συλλεκτών των δύο τρανζίστορ αυξάνουν σημαντικά, τα οποία με τη σειρά τους πολώνουν τις βάσεις των δύο τρανζίστορ. Πλέον τα δύο τρανζίστορ αυτοπολώνονται και μέσω ανατροφοδότησης τα ρεύματα του ενός συντηρούν την πόλωση του άλλου. Τα δύο τρανζίστορ συνεχίζουν να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγιμότητας, λειτουργώντας στον κόρο, αν και η τάση V AK βρίσκεται πλέον σε αρκετά χαμηλή τιμή και ίση με V AK = V ΒΕ V CE (1) όπου V BE η τάση βάσηςεκπομπού και V CE η τάση συλλέκτηεκπομπού. Καθώς η V BE είναι περίπου ίση με 0.65 V και η V CE περίπου ίση με 0.2 V, η τάση V AK αναμένεται να παίρνει τιμές μεταξύ 0.8 και 0.85 V. Για να σταματήσει η δίοδος να άγει πρέπει η τάση V AK ή το ρεύμα I A να γίνουν πολύ μικρά, τόσο ώστε να μην μπορεί να συντηρηθεί η αυτοπόλωση. Αποδεικνύεται ότι, Ι Α = Ι CO1Ι CO2 1 (a 1 a 2 ) (2) όπου I CO είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου των συλλεκτών και α η απολαβή ρεύματος κοινής βάσης των τρανζίστορ. 81

86 Q1 Α Α E B Ν Ρ Ν C Ι C2 Q1 PNP C Ρ Ρ B Ι C1 C Q2 Ν E NPN Q2 Κ Κ (α) (β) Σχήμα 3: Δομή ισοδύναμου κυκλώματος μιας διόδου Schokley με δύο τρανζίστορ Όταν a 1 a 2 = 1 η δίοδος βρίσκεται σε αγωγιμότητα, ενώ όταν a 1 a 2 < 1 η δίοδος βρίσκεται σε αποκοπή. Το πυρίτιο (Si) έχει την ιδιότητα να έχει μεταβλητό α και σε μικρά ρεύματα α < 0.5, ενώ σε μεγαλύτερα ρεύματα το α γίνεται μεγαλύτερο. Άρα μπορεί να ικανοποιήσει τη συνθήκη ώστε μερικές φορές a 1 a 2 = 1 και άλλες a 1 a 2 < 1. Για το λόγο αυτό τα θυρίστορ είναι κατασκευασμένα από Si. 3) Ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου SCR (Silicon Controlled Rectifier) To SCR είναι ακριβώς ίδιο με μία δίοδο Shockely, αλλά έχει ακόμη έναν ακροδέκτη, που ονομάζεται πύλη G (Gate). Το σύμβολό του φαίνεται στο Σχήμα 4α, η δομή του στο Σχήμα 4β και το ισοδύναμο κύκλωμα με δύο τρανζίστορ στο Σχήμα 4γ. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4β, ο ακροδέκτης G συνδέεται στο 3 στρώμα ημιαγωγού Ρ. Υπάρχει περίπτωση ο ακροδέκτης G να συνδέεται στο 2 στρώμα ημιαγωγού Ν και σε αυτή την περίπτωση λέμε ότι έχουμε πύλη από την άνοδο ή συμπληρωματικό (complementary) SCR, CSCR. Α Α Α Ρ Q1 G Κ G Ν Ρ Ν G Ι C1 Ι C2 C Q2 Κ Κ (α) (β) (γ) Σχήμα 4: SCR α) σύμβολο, β) δομή, γ) ισοδύναμο με δύο τρανζίστορ Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, η χαρακτηριστική του SCR είναι παρόμοια με αυτή της διόδου Shockley, με τη διαφορά, ότι θέτοντας κατάλληλη διέγερση στην πύλη, ρυθμίζουμε την τάση εκκίνησης V BO. Μάλιστα όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα πύλης I G τόσο μικρότερη είναι η V BO. Αν το ρεύμα Ι G είναι μηδενικό τότε η χαρακτηριστική μοιάζει με αυτή της διόδου Shockley. Αν το ρεύμα Ι G είναι πολύ μεγάλο τότε η χαρακτηριστική μοιάζει με αυτή μιας απλής διόδου. Σε όλες τις ενδιάμεσες περιπτώσεις η V BO παίρνει ενδιάμεσες τιμές. Από τη 82

87 στιγμή που το SCR αρχίζει να άγει, η χαρακτηριστική είναι σχεδόν κατακόρυφη και η τάση είναι σχεδόν σταθερή και ίση με V H. Η εξίσωση (1) ισχύει και σε αυτήν την περίπτωση. Για να διακοπεί η λειτουργία του SCR πρέπει το ρεύμα I Α ή η τάση V AK να γίνουν μικρότερα από I H ή V H, αντίστοιχα. Η πύλη δεν έχει κάποια επίδραση από τη στιγμή που το SCR αρχίζει να άγει. Υπάρχει τρόπος να διακοπεί η λειτουργία του SCR στέλνοντας ένα αντίθετο ρεύμα στην πύλη, η μέθοδος όμως αυτή σπάνια χρησιμοποιείται. Κατά την ανάστροφη πόλωση το SCR συμπεριφέρεται ως απλή δίοδος, δηλαδή με μικρό ρεύμα στην αρχή και μεγάλο ρεύμα μετά την κατάρρευση Zener. Η δυνατότητα που δίνει η πύλη να φέρνει το SCR από την κατάσταση αποκοπής στην κατάσταση αγωγιμότητας, χωρίς να απαιτείται η αύξηση της V AK, είναι πολύ σημαντική, καθώς επιτρέπει το εξάρτημα αυτό να λειτουργεί ως διακόπτης, ελεγχόμενος από την πύλη. Η διέγερση της πύλης με ένα θετικό παλμό κατάλληλης διάρκειας και κατάλληλων τιμών πλάτους ρεύματος (I G) και τάσης (V G) φέρνει το τρανζίστορ Q2 σε αγωγιμότητα, μέσω του ρεύματος βάσης. Το ρεύμα συλλέκτη του Q2, με τη σειρά του, προσφέρει κατάλληλο ρεύμα βάσης ώστε να έρθει το Q1 σε αγωγιμότητα,. Έτσι το ρεύμα συλλέκτη του ενός τρανζίστορ τροφοδοτεί το ρεύμα βάσης του άλλου και μέσω θετικής ανατροφοδότησης, τα δύο τρανζίστορ παραμένουν σε αγωγιμότητα και μάλιστα σε κόρο. Έτσι, η πύλη μπορεί πλέον να απενεργοποιηθεί. Η τάση V AK κατά την αγωγιμότητα μειώνεται γιατί η τάση V CEQ1 είναι σε κόρο και η τάση V ΒEQ2 είναι περίπου 0.65 V. Η τελική τιμή της V AK γίνεται ίση με V H. I A I G3 I G2 I G1 I H V R V H V ΒΟ2 V ΒΟ3 V ΒΟ1 V AK Σχήμα 1: Χαρακτηριστική SCR 83

88 84

89 ΤΕΙ ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τ.Ε. ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ Ι (ΕΡ) Άσκηση 8 Θυρίστορ SCR ΕΠΩΝΥΜΟ ΟΝΟΜΑ Α.Μ. ΤΜΗΜΑ ΗΜ/ΝΙΑ ΔΙΕΞΑΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/ΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ:.... /..../

90 Πρακτική Άσκηση Αντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η μελέτη του ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου SCR. Θα τροφοδοτηθεί ένα SCR με τάσεις dc και θα γίνει μελέτη του ως διακόπτης. Για την διεξαγωγή της άσκησης χρειάζονται δύο τροφοδοτικά dc, ένα 15V dc και ένα σταθερής εξόδου στα 12V dc, καθώς και τρία πολύμετρα. 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως στο παρακάτω σχήμα προσέχοντας τις πολικότητες των πηγών. Θέστε 12 V στο ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό της εξόδου. Βραχυκυκλώστε τα σημεία B και G και συνδέστε τη λάμπα. Η αντίσταση προστασίας έχει τιμή 22 Ω. 22 Ω I A A 15 V R 1 10 KΩ Α λάμπα Α I G 12 V V B G Κ 470 Ω 0 Σχήμα 1. Σύνδεση κυκλώματος JFET 2) Λήψη μετρήσεων α) Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο R1 στην ελάχιστη τιμή. Γυρίστε το R1 αργά, έως ότου η λάμπα να ανάψει. Εκείνη τη στιγμή μετρήστε και σημειώστε το ρεύμα σκανδαλισμού I GΤ. Αυτό είναι το ρεύμα σκανδαλισμού που αντιστοιχεί σε τάση V AK = 12 V. Αν η τάση V AK ήταν διαφορετική τότε και το ρεύμα σκανδαλισμού θα είχε άλλη τιμή. β) Παρατηρείστε ότι κατά τη μετάβαση του SCR σε αγωγιμότητα το I A αυξάνεται απότομα και η V AK μειώνεται σημαντικά. Σημειώστε το ρεύμα ανόδου I A και την τάση ανόδου καθόδου V AK κανονικής λειτουργίας του SCR στον Πίνακα 1. γ) Διακόψτε το βραχυκύκλωμα μεταξύ των σημείων B και G και παρατηρείτε ότι το SCR συνεχίζει να βρίσκεται σε αγωγιμότητα. δ) Μειώστε σταδιακά την τάση του τροφοδοτικού από τα 12 V έως ότου το SCR να σταματήσει να άγει. Παρατηρείστε το Ι Α ακριβώς πριν μηδενιστεί. Αυτή είναι η τιμή για το I H. Σημειώστε το I H στον Πίνακα 1. Για να έρθει το SCR σε αγωγιμότητα ξανά, πρέπει η διαδικασία να επαναληφθεί από την αρχή. 86