ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟ Ι ΡΥΜΑ ΣΕΡΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΚΑΙ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Ι. ΚΑΛΟΜΟΙΡΟΣ, Ν. ΧΑΣΤΑΣ, Θ. ΜΑΝΤΖΟΥ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ι. ΚΑΛΟΜΟΙΡΟΣ, ΕΠΙΚΟΥΡΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΣΕΡΡΕΣ 2010 i

2 Πρόλογος Το τεύχος αυτό περιλαµβάνει δώδεκα βασικές εργαστηριακές ασκήσεις για το µάθηµα «Αναλογικά Ηλεκτρονικά», που διδάσκονται οι σπουδαστές του Τµήµατος Πληροφορικής και Επικοινωνιών του ΤΕΙ Σερρών στο τέταρτο εξάµηνο των σπουδών τους. Έχει ληφθεί µέριµνα, ώστε οι ασκήσεις να ακολουθούν τη δοµή και το πνεύµα των θεωρητικών διαλέξεων και να λειτουργούν συµπληρωµατικά. Η πρώτη άσκηση είναι εισαγωγική και έχει σκοπό να υπενθυµίσει βασικούς κανόνες µελέτης ηλεκτρικών κυκλωµάτων και να διδάξει τη χρήση πηγών και οργάνων µέτρησης του εργαστηρίου. Στη συνέχεια, τρεις ασκήσεις αναφέρονται στη δίοδο, τρεις ασκήσεις διδάσκουν την πόλωση του τρανζίστορ και τη χρήση του σε κυκλώµατα ενισχυτών και τρεις ασκήσεις επικεντρώνονται στους τελεστικούς ενισχυτές. Οι τελευταίες δύο ασκήσεις αναφέρονται στα φίλτρα και στους ταλαντωτές. Το δεύτερο µέρος περιλαµβάνει ασκήσεις µε τον προσοµοιωτή Tina-Pro. Οι ασκήσεις αυτές εκτελούνται κατ οίκον από τους σπουδαστές, µε σκοπό την προετοιµασία τους πριν προσέλθουν για άσκηση στο εργαστήριο. Στη σύνταξη και τον έλεγχο αυτών των ασκήσεων ήταν σηµαντική η βοήθεια της σπουδάστριας Χριστίνας Τερζή, που εργάστηκε µε τον προσοµοιωτή στο πλαίσιο της πτυχιακής της εργασίας. Αυτή η σειρά των ασκήσεων είναι δοκιµαστική και έχει σκοπό να εντοπίσει παραλείψεις και λάθη. Οι συγγραφείς προσκαλούν τις υποδείξεις των σπουδαστών και κάθε ενδιαφερόµενου, ώστε να βελτιωθεί µε τον καλύτερο τρόπο το αποτέλεσµα. Ι. Καλόµοιρος Σέρρες 2009 ii

3 ΑΣΚΗΣΗ 1 ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΚΑΙ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης. Εξοικείωση του σπουδαστή µε την δηµιουργία αναλογικών κυλωµάτων πάνω σε ηλεκτρονική πλακέτα (raster) χρησιµοποιώντας απλά ηλεκτρονικά εξαρτήµατα, όπως αντιστάσεις και πυκνωτές καθώς και η µέτρηση βασικών ηλεκτρικών µεγεθών, όπως η τάση στα άκρα µιας αντίστασης και η ένταση ρεύµατος, χρησιµοποιώντας πολύµετρο και παλµογράφο. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Χειρισµός παλµογράφου και πολύµετρου. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης και των εργαστηριακών σηµειώσεων χρήσης του παλµογράφου. 1.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Ηλεκτρονική Πλακέτα ή raster Η ηλεκτρονική πλακέτα αποτελεί κατά κάποιο τρόπο ένα ηλεκτρονικό «πίνακα» πάνω στον οποίο µπορούµε να κατασκευάσουµε το κύκλωµα. Για τον λόγο αυτό παρέχει την δυνατότητα να συνδέσουµε ηλεκτρικά διάφορα ηλεκτρονικά εξαρτήµατα, χωρίς να χρησιµοποιήσουµε καλώδια για τις συνδέσεις αυτές. Στο σχήµα 1.1 φαίνεται η δοµή της ηλεκτρονικής πλακέτας που θα χρησιµοποιηθεί στο εργαστήριο. Κάθε τελεία αποτελεί και µια θέση (οπή) ενώ οι γραµµές που συνδέουν µεταξύ τους τις θέσεις (οπές) αποτελούν αγώγιµες ηλεκτρικές συνδέσεις µεταξύ των οπών (βραχυκυκλώµατα) έτσι ώστε να µπορούµε να συνδέσουµε ηλεκτρικά διάφορα ηλεκτρονικά στοιχεία µεταξύ τους. Παρατηρούµε ότι στις δύο πρώτες και στις δύο τελευταίες οριζόντιες γραµµές όλες οι οπές είναι βραχυκυκλωµένες µεταξύ τους, γιατί συνήθως στις γραµµές αυτές συνδέονται οι δύο πόλοι της πηγής που χρησιµοποιούµε για την τροφοδοσία του κυκλώµατος. Οι κατακόρυφες γραµµές συνδέουν αγώγιµα πέντε οπές µεταξύ τους, ενώ υπάρχουν δύο σειρές κατακόρυφων γραµµών αποτελούµενες από πεντάδες βραχυκυκλωµένων θέσεων. + V - V Σχήµα 1.1: ιάγραµµα ηλεκτρικών συνδέσεων ηλεκτρονικής πλακέτας (raster) 1

4 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η ηλεκτρονική πλακέτα αποτελείται από δύο ίδια τµήµατα όπως αυτό που φαίνεται στο σχήµα 1.1. Έτσι, υπάρχει η δυνατότητα σύνδεσης δύο ή περισσότερων διαφορετικών κυκλωµάτων ή ενός µεγάλου σε έκταση κυκλώµατος που απαιτεί µεγάλο αριθµό συνδέσεων Πολύµετρο Το πολύµετρο είναι το ηλεκτρονικό όργανο µε το οποίο µπορούµε να µετρήσουµε συνεχή και εναλλασσόµενη τάση, συνεχή ένταση ρεύµατος και ενεργό τιµή εναλλασσόµενου ρεύµατος. Επίσης, µπορούµε να µετρήσουµε αντίσταση καθώς και πολλά µεγέθη µη ωµικών στοιχείων, όπως για παράδειγµα τον συντελεστή ενίσχυσης ενός τρανζίστορ (τρανζιστορόµετρο). Η σύνδεση του πολύµετρου γίνεται σε σειρά ή παράλληλα ανάλογα µε την χρήση του ως αµπεροµέτρου ή βολτοµέτρου αντίστοιχα, επιλέγοντας ταυτόχρονα και την κατάλληλη κλίµακα για την µέτρηση του µεγέθους που θέλουµε να µετρήσουµε. Το πολύµετρο έχει τρεις υποδοχές. Μία υποδοχή µαύρου χρώµατος (Common) η οποία αντιστοιχεί στο ηλεκτρόδιο χαµηλού δυναµικού και δύο κόκκινες οι οποίες χρησιµοποιούνται σαν ηλεκτρόδιο υψηλού δυναµικού. Η µία χρησιµοποιείται για την µέτρηση µικρών σχετικά τάσεων και αντιστάσεων (µε την ένδειξη V/Ω) και η άλλη (µε την ένδειξη 10Α) για µεγαλύτερες εντάσεις ρεύµατος Πηγή Εναλλασσόµενης Τάσης (AC Generator) και Πηγή Συνεχούς Τάσης (DC Generator) Στο εργαστήριο των Αναλογικών Ηλεκτρονικών θα χρησιµοποιηθούν δύο διαφορετικές πηγές τάσης. Α) Πηγή εναλλασσόµενης τάσης (AC Generator) η οποία στην έξοδό της παράγει µια εναλλασσόµενη τάση καθορίζοντας την µορφή της, το πλάτος της και την συχνότητά της. Η µορφή της εναλλασσόµενης τάσης µπορεί να είναι ηµιτονοειδής, τετραγωνική, τριγωνική ή παλµική. Για να εφαρµόσουµε την εναλλασσόµενη τάση της πηγής στο κύκλωµα χρησιµοποιούµε οµοαξονικό καλώδιο (BNC) του οποίου o κεντρικός αγωγός καταλήγει σε ένα κόκκινο ακροδέκτη (υψηλό δυναµικό) και ο εξωτερικός αγωγός καταλήγει σε ένα µαύρο ακροδέκτη (χαµηλό δυναµικό ή γείωση). Οι δύο ακροδέκτες συνδέονται στις υποδοχές της ηλεκτρονικής πλακέτας. Β) Πηγή Συνεχούς Τάσης (DC Generator) η οποία οποία στην έξοδό της παράγει µια συνεχή τάση, δηλαδή τάση σταθερής τιµής. Η έξοδος της πηγής οδηγείται σε δύο ακροδέκτες, ένα κόκκινο που αντιστοιχεί στο υψηλό δυναµικό και έναν µαύρο που αντιστοιχεί στο χαµηλό δυναµικό ή στην γείωση. Για την εφαρµογή της σταθερής τάσης της πηγής στο κύκλωµα χρησιµοποιούµε δύο καλώδια (συνήθως ένα κόκκινο και ένα µαύρο) τα οποία συνδέονται στις υποδοχές της ηλεκτρονικής πλακέτας Παλµογράφος (Oscilloscope) Ο παλµογράφος είναι ένα όργανο που µπορεί να µετρήσει τάση ως συνάρτηση του χρόνου. Στον κατακόρυφο άξονα µετράται η τάση και στον οριζόντιο άξονα µετράται ο 2

5 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις χρόνος. Η οθόνη του παλµογράφου είναι χωρισµένη σε τετράγωνα (divisions ή div) µε κατακόρυφες και οριζόντιες γραµµές, έτσι ώστε να είναι δυνατή η ακριβέστερη µέτρηση των δύο µεγεθών. Με τον παλµογράφο µπορούµε να µετρήσουµε συνεχή και εναλλασσόµενη τάση ενώ µετρώντας τον χρόνο µεταξύ δύο διαδοχικών σηµείων ίδιας τιµής εναλλασσόµενης τάσης µπορούµε να υπολογίσουµε την περίοδο άρα και την συχνότητα της τάσης που µετράται. Ο παλµογράφος έχει δύο κανάλια εισόδου, εποµένως υπάρχει η δυνατότητα ταυτόχρονης µέτρησης δύο τάσεων οποιασδήποτε µορφής. Για την µέτρηση κάθε τάσης χρησιµοποιούµε οµοαξονικό καλώδιο (BNC) το οποίο έχει την ιδιαιτερότητα ότι καταλήγει σε µια τσιµπίδα (probe) η οποία συνδέεται στο υψηλό δυναµικό και σε ένα µαύρο ακροδέκτη που συνδέεται στο χαµηλό δυναµικό ή στην γείωση Μέτρηση αντιστάσεων Η εύρεση της τιµής της αντίστασης ενός αντιστάτη γίνεται µε δύο τρόπους: Πίνακας Ι: Χρωµατικός κώδικας αντιστάσεων ΧΡΩΜΑ 1 ο ή 2 ο ή 3 ο Χρώµα Μαύρο 0 4 ο Χρώµα (Ανοχή) Καφέ 1 ± 1% Κόκκινο 2 ± 2% Πορτοκαλί 3 Κίτρινο 4 Πράσινο 5 Μπλε 6 Μοβ 7 Γκρι 8 Άσπρο 9 Χρυσό ± 5% Ασηµί ± 10% Σχήµα 1.2: Χρωµατικός κώδικας αντιστάσεων και η αντιστοίχηση των χρωµάτων στα αριθµητικά ψηφία της αντίστασης 3

6 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Α) Χρωµατικός κώδικας. Αντιστοιχώντας κάθε χρώµα των δακτυλίων που είναι τυπωµένοι επάνω στον αντιστάτη στα δύο πρώτα ψηφία ενός αριθµού που µας δίνει το µέγεθος της αντίστασης. Μία πραγµατική εικόνα ενός αντιστάτη µε τυπωµένους χρωµαττικούς δακτυλίους, καθώς και η σειρά των χρωµάτων φαίνονται στο σχήµα 1.2. Η αντιστοίχηση των χρωµάτων κάθε δακτυλίου µε τα ψηφία του αριθµού που αντιστοιχεί στην αντίσταση φαίνεται στον Πίνακα Ι. Η τιµή της αντίστασης βρίσκεται αν βάλουµε στην σειρά το πρώτο ψηφίο που αντιστοιχεί στο πρώτο χρώµα, το δεύτερο ψηφίο που αντιστοιχεί στο δεύτερο χρώµα και τον αριθµό των µηδενικών που αντιστοιχεί στο τρίτο χρώµα των χρωµατικών δακτυλίων και ονοµάζεται πολλαπλασιαστής. Ο τέταρτος δακτύλιος αντιστοιχεί στην ανοχή της τιµής της αντίστασης του αντιστάτη. Π.χ. Αν πάνω στον αντιστάτη υπάρχουν τυπωµένα οι χρωµατικοί δακτύλιοι Καφέ, Πράσινο, Πορτοκαλί και Χρυσό τότε η τιµή της αντίστασης ισούται µε: Καφέ Πράσινο Πορτοκαλί Χρυσό ± 5% ηλαδή η τιµή της αντίστασης είναι 1500 Ω ± 5% Β) Με πολύµετρο. Στην περίπτωση αυτή το πολύµετρο λειτουργεί σαν ωµόµετρο. Συνδέοντας παράλληλα την αντίσταση µε τους δύο ακροδέκτες του πολύµετρου (ανεξαρτήτως πολικότητας) διαβάζουµε απευθείας στην οθόνη την τιµή της αντίστασης. Η αντίσταση δεν πρέπει να είναι συνδεδεµένη στο κύκλωµα Μέτρηση διαφοράς δυναµικού ή τάσης Μπορούµε να µετρήσουµε την διαφορά δυναµικού ή πτώση τάσης σε µια αντίσταση ή σε ένα τµήµα ενός κυκλώµατος µε δύο τρόπους: Α) Με πολύµετρο. Το πολύµετρο στην περίπτωση αυτή λειτουργεί ως βολτόµετρο. Αν πρόκειται για κύκλωµα συνεχούς τάσης τότε η τάση που µετράµε θα έχει σταθερή τιµή. Συνδέοντας τον κόκκινο ακροδέκτη στο υψηλότερο δυναµικό και τον µαύρο ακροδέκτη στο χαµηλότερο δυναµικό τότε η ένδειξη του βολτοµέτρου θα είναι θετική. Αντίθετα, αν συνδέσουµε τον κόκκινο ακροδέκτη στο χαµηλότερο δυναµικό και τον µαύρο ακροδέκτη στο υψηλότερο δυναµικό τότε η ένδειξη του βολτοµέτρου θα είναι αρνητική. Συνήθως µας ενδιαφέρει η απόλυτη τιµή του βολτοµέτρου που είναι και η διαφορά δυναµικού που θέλουµε να µετρήσουµε. Αν πρόκειται για κύκλωµα εναλλασσόµενης τάσης το πολύµετρο µετράει την ενεργό τιµή της τάσης (V εν ή V rms ) στα άκρα µιας αντίστασης ή µεταξύ δύο σηµείων ενός κυκλώµατος. Η ενεργός τιµή της τάσης σχετίζεται µε το πλάτος της τάσης µε την εξίσωση: V 0 V εν = (1.1) 2 B) Με παλµογράφο. Στην περίπτωση που µετράµε συνεχή τάση, η ένδειξη στην οθόνη του παλµογράφου θα είναι µια συνεχόµενη γραµµή παράλληλη στον οριζόντιο 4

7 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις άξονα, λόγω του ότι η συνεχής τάση δεν µεταβάλλεται µε τον χρόνο. Το σηµείο τοµής της ευθείας µε τον κατακόρυφο άξονα µας δίνει την τιµή της τάσης που µετράµε. Αν µετράµε εναλλασσόµενη τάση τότε στην οθόνη σχηµατίζεται η µορφή της εναλλασσόµενης τάσης, δηλαδή η µεταβολή της τάσης ως συνάρτηση του χρόνου µε την προυπόθεση ότι έχουν γίνει σωστά οι ρυθµίσεις των ενδείξεων του παλµογράφου. Με τον τρόπο αυτό υπολογίζουµε το πλάτος της τάσης και την περίοδό της, από τις οποίες µπορούµε στη συνέχεια να υπολογίσουµε την ενεργό τιµή της τάσης και την συχνότητά της, αντίστοιχα Μέτρηση εντάσης ρεύµατος Για να µετρήσουµε την ένταση ρεύµατος σε κλάδο ενός κυκλώµατος πρέπει να συνδέσουµε το πολύµετρο σε σειρά, δηλαδή να διακόψουµε το κύκλωµα σε κάποιο σηµείο και να παρεµβάλλουµε το πολύµετρο. Στην περίπτωση αυτή το πολύµετρο λειτουργεί ως αµπερόµετρο. Αν το κύκλωµα είναι συνεχούς τάσης τότε η τιµή της έντασης ρεύµατος είναι σταθερή, ενώ αν το κύκλωµα είναι εναλλασσόµενης τάσης τότε η τιµή που µας δείχνει το αµπερόµετρο είναι η ενεργός τιµή ρεύµατος. Αυτή συνδέεται µε το πλάτος της έντασης ρεύµατος µέσω της εξίσωσης: Κανόνες Kirchhoff I 0 I εν = (1.2) 2 Οι κανόνες του Kirchhoff µας βοηθούν να υπολογίσουµε τις τάσεις στα άκρα κάθε ηλεκτρικού στοιχείου του κυκλώµατος και την ένταση ρεύµατος που διαρρέει κάθε κλάδο του κυκλώµατος. Για παράδειγµα, αν σε ένα κύκλωµα είναι γνωστές όλες οι διαφορές δυναµικού και οι αντιστάσεις, τότε µπορούµε εύκολα να επιλύσουµε το κύκλωµα δηλαδή να υπολογίσουµε τις εντάσεις ρεύµατος που διαρρέουν κάθε αντίσταση. Οι δύο κανόνες του Kirchhoff είναι οι εξής: Α) Πρώτος Κανόνας Kirchhoff Το άθροισµα των εντάσεων των ρευµάτων που πλησιάζουν σε ένα κόµβο ισούται µε το άθροισµα των εντάσεων των ρευµάτων που αποµακρύνονται από αυτόν. Ι in = Ι out (1.3) Ο κανόνας αυτός προκύπτει από την αρχή διατήρησης του φορτίου. Β) εύτερος κανόνας του Kirchhoff Το άθροισµα των διαφορών δυναµικού κατά µήκος ενός βρόγχου ενός κυκλώµατος ισούται µε µηδέν. V = 0 (1.4) Ο κανόνας αυτός προκύπτει από την αρχή διατήρησης της ενέργειας. 5

8 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 1.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Μελέτη κυκλώµατος συνεχούς τάσης Κατασκεύαστε το κύκλωµα που φαίνεται στο σχήµα 1.3. ίνονται οι τιµές: V πηγής = 20V, 1 = 1KΩ, 2 = 2.2KΩ, 3 = 680 Ω, 4 = 1KΩ, 5 = 1.5KΩ V πηγής 2 4 Σχήµα 1.3: Κύκλωµα µε πηγή συνεχούς τάσης και δικτύωµα αντιστάσεων Μετρήστε µε το πολύµετρο την τάση στα άκρα κάθε αντιστάτη καθώς και την ένταση ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος και καταγράψτε τις τιµές στον Πίνακα ΙΙ. Πίνακας ΙΙ: Τιµές τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και έντασης ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος V 1 (V) V 2 (V) V 3 (V) V 4 (V) V 5 (V) I 1 (A) I 2 (A) I 3 (A) I 4 (A) I 5 (A) Α) Επαληθεύστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιο λόγο γίνεται αυτό. Β) Επαληθεύστε τον πρώτο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των εντάσεων των ρευµάτων που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιον λόγο γίνεται αυτό. 6

9 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Γ) Να µετρήσετε τις τιµές των αντιστάσεων χρησιµοποιώντας το πολύµετρο ως ωµόµετρο. Να συµπληρώσετε την Τρίτη στήλη του Πίνακα III. Συµπληρώστε την τελευταία στήλη, χρησιµοποιώντας τον χρωµατικό κώδικα. ) Σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος να υπολογίσετε την τιµή της αντίστασης, χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm. Να συµπληρώσετε την πρώτη στήλη του παρακάτω πίνακα (µπορεί να γίνει για εργασία στο σπίτι). Πίνακας ΙΙΙ Υπολογισµοί και µετρήσεις αντιστάσεων Κλάδος Υπολογισµός µε βάση τον νόµο του Ohm Μέτρηση της αντίστασης µε το πολύµετρο Χρήση του χρωµατικού κώδικα Μελέτη κυκλώµατος εναλλασσόµενης τάσης Αντικαταστήστε την πηγή συνεχούς τάσης µε την πηγή εναλλασσόµενης τάσης και αλλάξτε την σύνδεση της αντίστασης 5 όπως φαίνεται στο σχήµα 1.4. Ρυθµίστε το πλάτος της τάσης της πηγής σύµφωνα µε τις υποδείξεις των διδασκόντων V πηγής 2 ~ 4 Σχήµα 1.4: Κύκλωµα εναλλασσόµενης τάσης Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και µε το πολύµετρο την ένταση ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος και καταγράψτε τις τιµές στον Πίνακα ΙV. 7

10 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Πίνακας IV: Τιµές πλάτους τάσης στα άκρα κάθε αντιστάτη και ενεργός τιµή έντασης ρεύµατος σε κάθε κλάδο του κυκλώµατος Μέτρηση µε Παλµογράφο Μέτρηση µε Πολύµετρο V 0,1 (V) V 0,2 (V) V 0,3 (V) V 0,4 (V) V 0,5 (V) Ι εν,1 (Α) Ι εν,2 (Α) Ι εν,3 (Α) Ι εν,4 (Α) Ι εν,5 (Α) Α) Επαληθεύστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των πλατών των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιο λόγο γίνεται αυτό. Β) Επαληθεύστε τον πρώτο κανόνα του Kirchhoff από τις µετρήσεις των ενεργών τιµών των εντάσεων ρεύµατος που φαίνονται στον παραπάνω πίνακα. Αν υπάρχει απόκλιση από την θεωρία να εξηγήσετε για ποιον λόγο γίνεται αυτό Μέτρηση περιόδου εναλλασσόµενου σήµατος Α) Ρυθµίστε την έξοδο της γεννήτριας ακουστικών σηµάτων του εργαστηρίου σε συχνότητα 1KHz, σύµφωνα µε τις ενδείξεις της γεννήτριας. Συνδέστε την έξοδο της γεννήτριας µε την είσοδο του παλµογράφου. Ρυθµίστε το πλάτος του σήµατος στο 1V. Να καταγράψετε το σήµα που βλεέπετε στην οθόνη του παλµογράφου σε διάγραµµα µε βαθµονοµηµένους άξονες. Για την βαθµονόµηση των αξόνων να χρησιµοποιήσετε τις ενδείξεις του παλµογράφου (time/div και Volt/div). Μετρήστε την περίοδο του σήµατος και καταγράψτε την στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας V: Μέτρησης της περιόδου εναλλασσόµενου σήµατος µε παλµογράφο Συχνότητα σύµφωνα µε τις ενδείξεις της γεννήτριας 1ΚΗz 2KHz 3KHz 10KHz 100KHz Περίοδος Τ όπως µετράται µε τον παλµογράφο Συχνότητα f=1/t Β) Στη συνέχεια υπολογίστε τη συχνότητα, από την περίοδο που µετρήσατε, χρησιµοποιώντας τη σχέση f=1/t. Γ) Συµπληρώστε τον πίνακα V και για τις υπόλοιπες τιµές της συχνότητας. 8

11 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Στην γραπτή εργασία που θα παραδώσετε θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους αντίστοιχους πίνακες του φύλλου εργασίας. 2) Η επαλήθευση του πρώτου και δεύτερου κανόνα του Kirchhoff όπου αυτό ζητήθηκε καθώς και η αιτιολόγηση των αποκλίσεων από την θεωρία. 3) Χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm και τις τιµές της τάσης και έντασης ρεύµατος που καταγράψατε στον Πίνακα ΙΙ να υπολογίσετε τις τιµές της αντίστασης κάθε αντιστάτη του κυκλώµατος 1.3 (Πίνακας ΙΙΙ). Πόσο διαφέρουν οι τιµές αυτές από τις θεωρητικά αναµενόµενες τιµές που προκύπτουν από τον χρωµατικό κώδικα; 4) Από τα πλάτη των τάσεων στα άκρα κάθε αντιστάτη που καταγράψατε στον Πίνακα ΙΙΙ να υπολογίσετε τις ενεργές τιµές τάσης σύµφωνα µε την εξίσωση 1.1, που αναφέρονται στο κύκλωµα του σχήµατος ) Χρησιµοποιώντας τον νόµο του Ohm να υπολογίσετε τις τιµές της αντίστασης κάθε αντιστάτη του κυκλώµατος 1.4. Πόσο διαφέρουν οι τιµές αυτές από τις θεωρητικά αναµενόµενες τιµές που δόθηκαν ως δεδοµένα στην παράγραφο 1.2.2; 9

12 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 10

13 ΑΣΚΗΣΗ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΠΛΗΣ ΙΟ ΟΥ P-N ΚΑΙ ΙΟ ΟΥ ZENE Σκοπός της άσκησης. Συγκριτική µελέτη µεταξύ µιας απλής διόδου και µιας διόδου Zener στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της απλής διόδου και της διόδου Zener στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Μελέτη του κεφαλαίου 2 και της παραγράφου 3.4 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο. Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης 1 του Β µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων, µε τίτλο «Βοηθητικές εισαγωγικές σηµειώσεις στο Tina-Pro. Χαρακτηριστική της διόδου». Παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 2.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Απλή ίοδος Η απλή δίοδος κατασκευάζεται δηµιουργώντας σε έναν ενδογενή ηµιαγωγό όπως το πυρίτιο (Si) ή το γερµάνιο (Ge) δύο εξωγενείς ηµιαγωγούς p- και n-τύπου, προσθέτοντας προσµίξεις τρισθενούς ή πεντασθενούς στοιχείου αντίστοιχα. Στην πλευρά τύπου p οι φορείς πλειονότητας είναι οι οπές ενώ στην πλευρά τύπου n οι φορείς πλειονότητας είναι τα ηλεκτρόνια. Όταν γίνει η προσθήκη των προσµίξεων στις δύο πλευρές του ενδογενούς ηµιαγωγού γίνεται µετακίνηση οπών προς τον ηµιαγωγό τύπου n και ηλεκτρονίων προς τον ηµιαγωγό τύπου p, η οποία προκαλείται λόγω της µεγάλης διαφοράς συγκέντρωσης οπών και ηλεκτρονίων στις δύο πλευρές του ηµιαγωγού. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται «διάχυση ηλεκτρονιών και οπών». Αποτέλεσµα αυτού του φαινοµένου είναι η δηµιουργία µιας λεπτής περιοχής στην νοητή ένωση των δύο εξωγενών ηµιαγωγών. Ολόκληρη αυτή η περιοχή, που εκτείνεται εκατέρωθεν της επαφής µεταξύ των δύο ηµιαγωγών, ονοµάζεται περιοχή απογύµνωσης ή εκκένωσης (Depletion region). Στην περιοχή απογύµνωσης δεν υπάρχουν πλέον ελεύθεροι φορείς, λόγω του φαινοµένου της επενασύνδεσης (recombination) µεταξύ ηλεκτρονίων και οπών κατά την µετακίνησή τους από την µια περιοχή στην άλλη. Αντίθετα, στην περιοχή αυτή παραµένουν τα στατικά ιόντα του πλέγµατος, που είναι θετικά στην περιοχή τύπου n και αρνητικά στην περιοχή τύπου p. Έτσι, δηµιουργείται ένα εσωτερικό πεδίο στην περιοχή της επαφής και συνακόλουθα υπάρχει µια διαφορά δυναµικού, που σταδιακά εµποδίζει τη διάχυση των φορέων. Το φαινόµενο της διάχυσης σταµατάει όταν η διαφορά δυναµικού στην επαφή αποκτήσει τέτοια τιµή ώστε είναι αδύνατον να συνεχιστεί η µετακίνηση ηλεκτρονίων και οπών από την µια πλευρά του ηµιαγωγού στην άλλη. Αυτή η διαφορά δυναµικού ονοµάζεται φράγµα δυναµικού ή τάση κατωφλίου V 0 ή V D. Σε δίοδο πυριτίου το φράγµα δυναµικού είναι 0.7V. Σχ. 2.1 ίοδος ΡΝ (α) και το σύµβολο της (β) 11

14 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Στο σχήµα 2.2 φαίνονται τα ιόντα του πλέγµατος, καθώς και τα ηλεκτρόνια και οι οπές σε δίοδο pn. Η απλή δίοδος pn έχει σαν κύριο χαρακτηριστικό λειτουργίας ότι επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος µόνο κατά την µία φορά. Για να κατανοήσουµε καλύτερα την λειτουργία της διόδου πρέπει να κατανοήσουµε τους δύο διαφορετικούς τρόπους πόλωσης της διόδου. Όταν συνδέσουµε τον ακροδέκτη υψηλού δυναµικού στον ηµιαγωγό τύπου p και τον ακροδέκτη χαµηλού δυναµικού στον ηµιαγωγό τύπου n, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.2, τότε έχουµε πολώσει την δίοδο ορθά (ορθή πόλωση, Forward bias). Με αυτόν τον τρόπο µειώνουµε το φράγµα δυναµικού µε αποτέλεσµα την ευκολότερη µετακίνηση των οπών από τον p-τύπου ηµιαγωγό στον n-τύπου ηµιαγωγό και αντίστροφα. Στην ορθή πόλωση της διόδου, όταν η τάση της πηγής ξεπεράσει την τιµή του φράγµατος δυναµικού, η ένταση του ρεύµατος αυξάνεται εκθετικά σαν συνάρτηση της τάσης. Για τις διόδους πυριτίου το φράγµα δυναµικού είναι περίπου 0.7V ενώ γενικότερα το φράγµα δυναµικού εξαρτάται από τον τρόπο κατασκευής της διόδου, όπως η συγκέντρωση προσµίξεων, το είδος του ηµιαγωγού και από άλλους παράγοντες. Σχήµα 2.2: Συνδεσµολογία πηγής συνεχούς τάσης για την ορθή πόλωση µιας απλής διόδου pn. V<V 0 (α) και V>V 0 (β). Αν συνδέσουµε αντίθετα τα ηλεκτρόδια της πηγής συνεχούς τάσης µε µια απλή δίοδο, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.3, τότε η δίοδος πολώνεται ανάστροφα (everse bias). Σχήµα 2.3: Συνδεσµολογία πηγής συνεχούς τάσης για την ανάστροφη πόλωση µιας απλής διόδου pn 12

15 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις Στην περίπτωση αυτή η δίοδος διαρρέεται από πολύ µικρή ένταση ρεύµατος (σχεδόν µηδενική) µέχρις ότου η τάση γίνει τόσο µεγάλη που η δίοδος φτάνει στα όρια αντοχής της και καταρρέει. Η τάση αυτή ονοµάζεται τάση κατάρρευσης. Η τάση κατάρρευσης εξαρτάται κυρίως από την κατασκευή της διόδου. Η χαρακτηριστική καµπύλη µιας απλής διόδου στην ορθή και στην ανάστροφη πόλωση φαίνεται στο σχήµα 2.4. Είναι εύκολα κατανοητό ότι η απλή δίοδος pn δεν πρέπει να πολώνεται σε µεγάλες τιµές ανάστροφης τάσης για να µην φτάσει στην κατάρρευση και εποµένως πάψει να λειτουργεί ως κανονική δίοδος. Ι (Α) Τάση Κατάρρευσης Oρθή Πόλωση V 0 ή V D Φράγµα υναµικού ή Τάση Κατωφλίου V (Volts) Aνάστροφη Πόλωση Σχήµα 2.4: Χαρακτηριστική καµπύλη τάσης ρεύµατος απλής διόδου pn Ευθεία φόρτου Εφαρµόζοντας τον δεύτερο νόµο του Kirchhoff για ένα απλό κύκλωµα που περιλαµβάνει πηγή, µία αντίσταση προστασίας και µια απλή δίοδο pn, όπως το σχήµα 2.5 (α) προκύπτει η εξίσωση: V πηγής = V + V D (2.1) Αν αντικαταστήσουµε την τάση στα άκρα της αντίστασης µε I, από τον νόµο του Ohm, και λύσουµε την εξίσωση ως προς V D προκύπτει η εξίσωση: V D = V πηγής I (2.2) Η εξίσωση αυτή αντιστοιχεί σε µια ευθεία γραµµή από την οποία προκύπτει η ένταση του ρεύµατος που διαρρέει την δίοδο σαν συνάρτηση της τάσης στα άκρα της. Η ευθεία αυτή ονοµάζεται ευθεία φορτίου (ή ευθεία φόρτου). Αν στην ίδια γραφική παράσταση σχηµατίσουµε την ευθεία φόρτου και την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου στην ορθή πόλωση, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.5, τότε το σηµείο τοµής των δύο καµπυλών θα µας 13

16 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου δώσει το σηµείο λειτουργίας Q της διόδου. Οι συντεταγµένες του σηµείου λειτουργίας αντιστοιχούν στο ρεύµα που διαρρέει την δίοδο και την τάση στα άκρα της. V πηγής / Ι (Α) I D Q V D V πηγής V (Volts) Σχήµα 2.5: (α) Κύκλωµα. (β) Ευθεία φορτίου και σηµείο λειτουργίας ίοδος Zener Η δίοδος Zener µοιάζει µε την απλή δίοδο ως προς την κατασκευή της, αλλά λειτουργεί σε διαφορετικές συνθήκες πόλωσης σε σχέση µε την απλή δίοδο. Στην ορθή πόλωση έχει την ίδια συµπεριφορά µε την απλή δίοδο, δηλαδή η ένταση του ρεύµατος είναι σχεδόν µηδέν µέχρι η τάση στα άκρα της να φτάσει την τιµή του φράγµατος δυναµικού και αυξάνεται εκθετικά όταν η τάση στα άκρα της ξεπεράσει το φράγµα δυναµικού. Η διαφορά µεταξύ της απλής διόδου pn και της διόδου Zener είναι η συµπεριφορά της στην ανάστροφη πόλωση. Όταν η τάση ανάστροφης πόλωσης στην δίοδο Zener γίνει ίση µε µια χαρακτηριστική τιµή που ονοµάζεται τάση Zener, τότε η τάση στα άκρα της διόδου παραµένει σχεδόν σταθερή ενώ η ένταση του ρεύµατος που τη διαρρέει αυξάνεται πολύ απότοµα. Αποτέλεσµα αυτού του φαινοµένου (φαινόµενο Zener) είναι η σταθεροποίηση της τάσης στα άκρα της διόδου, γεγονός που εκµεταλλευόµαστε στις εφαρµογές των διόδων Zener, όπως στο κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης που θα µελετηθεί στην εργαστηριακή άσκηση 4. Η δίοδος Zener συµβολίζεται όπως φαίνεται παρακάτω. 14

17 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις 2.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Χαρακτηριστική καµπύλη απλής διόδου pn Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 2.6. Χρησιµοποιείστε πηγή συνεχούς τάσης ρυθµιζόµενη από 0-40V. Η τιµή της αντίστασης 1 είναι 220Ω. H δίοδος πρέπει να είναι απλή δίοδος πυριτίου, όπως η 1N4001. Σε σειρά µε την δίοδο (διακόπτοντας το κύκλωµα) συνδέστε ένα µιλλιαµπερόµετρο ( πολύµετρο για τη µέτρηση ρεύµατος ), ώστε να µπορείτε να µετράτε το ρεύµα για κάθε τιµή της τάσης της πηγής. Χρησιµοποιήστε ένα δεύτερο πολύµετρο συνδεδεµένο παράλληλα µε τη δίοδο, ώστε να µπορείτε να µετράτε τις µεταβολές της τάσης πάνω στη δίοδο. Σχήµα 2.6: Κύκλωµα ορθής πόλωσης απλής διόδου Μεταβάλλετε την τάση της πηγής V πηγής ώστε να λαµβάνετε στο µιλλιαµπερόµετρο διαδοχικά τις τιµές του ρεύµατος που αναγράφονται στον Πίνακα Ι. Μετρήστε µε το πολύµετρο την τάση στα άκρα της διόδου V D, για κάθε ρύθµιση της τάσης της πηγής. Συµπληρώστε τις τιµές της τάσης για τις αντίστοιχες τιµές του ρεύµατος στον παρακάτω πίνακα. Πίνακας Ι: Τιµές ρεύµατος και τάσης για την ορθή πόλωση της απλής διόδου Ι(mA) V D (V) V πηγ Υπενθυµίζεται πως η απλή δίοδος δεν άγει κατά την ανάστροφη πόλωση άρα και το ρεύµα που διαρρέει τη δίοδο και κατά επέκταση το κύκλωµα είναι σχεδόν µηδέν. A) Να σχεδιάσετε σε µιλιµετρέ χαρτί την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου και να τη σχολισετε. 15

18 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Χαρακτηριστική καµπύλη διόδου Zener Αντικαταστήστε την απλή δίοδο µε µια δίοδο Zener (V Z = 4.7 V) όπως φαίνεται στο σχήµα 2.7. Επαναλάβετε τα προηγούµενα πειράµατα µεταβάλλοντας την τάση της πηγής όπως φαίνεται στους Πίνακες ΙΙ και ΙΙΙ για την ορθή και ανάστροφη πόλωση της διόδου Zener αντίστοιχα. Καταγράψτε τις τιµές της τάσης στα άκρα της διόδου Zener µετρώντας την µε το πολύµετρο για την ορθή V Z και ανάστροφη πόλωση V Z- της διόδου στους Πίνακες ΙΙ και IΙΙ αντίστοιχα. Για να εφαρµόσουµε αρνητικές τιµές τάσης στην πηγή αντιστρέφουµε την συνδεσµολογία των καλωδίων της πηγής πάνω στην ηλεκτρονική πλακέτα (raster). Σχήµα 2.7: Κύκλωµα ορθής πόλωσης διόδου Zener Πίνακας IΙ: Τιµές ρεύµατος και τάσης για την ορθή πόλωση της διόδου Zener Ι Ζ (ma) V Ζ (V) V πηγ Πίνακας ΙΙΙ: Τιµές τάσης της πηγής για την ανάστροφη πόλωση της διόδου Zener V πηγής (V) V Ζ- (V) I Ζ- (ma) 16

19 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές ασκήσεις A) Να σχεδιάσετε σε µιλιµετρέ χαρτί την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου Zener. Β) Υπολογίστε προσεγγιστικά το φράγµα δυναµικού της διόδου από τις πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους Πίνακες ΙΙΙ και VΙ. Στην γραπτή εργασία θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στους αντίστοιχους πίνακες του φύλλου εργασίας. 2) Εφαρµόστε τον δεύτερο κανόνα του Kirchhoff στο κύκλωµα του σχήµατος 2.6 και εξάγετε την εξίσωση της ευθείας φόρτου. Να βρείτε τα δύο σηµεία τοµής της ευθείας φόρτου µε τους άξονες της γραφικής παράστασης ρεύµατος τάσης. 3) Σχεδιάστε σε κοινό διάγραµµα την χαρακτηριστική καµπύλη της απλής διόδου και την ευθεία φόρτου. Να δείξετε το σηµείο τοµής της ευθείας φόρτου µε τη χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου το οποίο ονοµάζεται και σηµείο λειτουργίας Q της διόδου. 4) Σχεδιάστε σε κοινό διάγραµµα τις γραφικές παραστάσεις των χαρακτηριστικών καµπυλών της απλής διόδου και της διόδου Zener. Ποιες είναι οι οµοιότητες και ποιες οι διαφορές µεταξύ των δύο γραφικών παραστάσεων; 5) Υπάρχει διαφορά στην τιµή που προσεγγιστικά υπολογίσατε µεταξύ του φράγµατος δυναµικού της απλής διόδου και της διόδου Zener; ικαιολογήστε την απάντησή σας σε κάθε περίπτωση. 6) Ποια είναι η τάση Zener όπως προκύπτει από την χαρακτηριστική καµπύλη της διόδου Zener στην ανάστροφη πόλωση; 7) Πως θα αλλάξει το σηµείο λειτουργίας Q αν αντικαταστήσουµε την αντίσταση 1 µε µία άλλη αντίσταση µεγαλύτερης ή µικρότερης τιµής; ικαιολογήστε την απάντησή σας. 17

20 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 18

21 ΑΣΚΗΣΗ 3 ΜΕΛΕΤΗ ΑΠΛΗΣ ΙΠΛΗΣ ΑΝΟΡΘΩΣΗΣ ΕΞΟΜΑΛΥΝΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Σκοπός της άσκησης. Μελέτη της απλής και διπλής ανόρθωσης εναλλασσόµενης τάσης µε χρήση διόδων. Μελέτη της επίδρασης πυκνωτή στην εξοµάλυνση της ηµιανορθωµένης ή διπλά ανορθωµένης τάσης. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της απλής διόδου στην ορθή και ανάστροφη πόλωση. Μελέτη των παραγράφων από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο (A. P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, 2007). Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης προσοµοίωσης 2 µε τίτλο «Απλή-πλήρης ανόρθωση», του Β µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων και παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 3.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Απλή Ανόρθωση Η βασική ιδιότητα της απλής διόδου είναι ότι επιτρέπει τη διέλευση του ρεύµατος µόνο προς την µία κατεύθυνση, όταν η δίοδος είναι ορθά πολωµένη. Αντίθετα, όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη το ρεύµα έχει πολύ µικρή τιµή µε αποτέλεσµα να θεωρούµε ότι το κύκλωµα δεν διαρρέεται από ρεύµα. Η ιδιότητα αυτή καθιστά την δίοδο βασικό στοιχείο των κυκλωµάτων απλής ανόρθωσης. Απλή ανόρθωση ονοµάζουµε την κατά το ήµισυ ανόρθωση µιας εναλλασσόµενης τάσης. Το κύκλωµα του σχήµατος 3.1 είναι ένα κύκλωµα απλής ανόρθωσης. Αποτελείται από ένα µετασχηµατιστή τάσης, ο οποίος λειτουργεί σαν µια πηγή εναλλασσόµενης τάσης υποβιβάζοντας την τάση από τα 220V στην τάση του δευτερεύονοτς πηνίου, από µία απλή δίοδο και µια αντίσταση φορτίου L. D 1 V πηγής L Σχήµα 3.1: Κύκλωµα απλής ανόρθωσης µε δίοδο pn. 19

22 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η εφαρµοζόµενη εναλλασσόµενη τάση στην έξοδο του µετασχηµατιστή τάσης είναι ηµιτονοειδής και περιγράφεται από την εξίσωση: V = V sinωt (3.1) 0 Η µορφή της τάσης στην έξοδο του µετασχηµατιστή αποτελεί την τάση εισόδου του κυκλώµατος και φαίνεται στο σχήµα 3.2(α). Η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου L αποτελεί την τάση εξόδου του κυκλώµατος και έχει την µορφή που φαίνεται στο σχήµα 3.2(β). Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος είναι ορθά πολωµένη, οπότε επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος µέσα από αυτήν. Το αποτέλεσµα είναι ότι η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης φορτίου είναι της ίδιας µορφής µε την τάση εισόδου του κυκλώµατος. Κατά την αρνητική ηµιπερίοδο η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη, οπότε δεν επιτρέπει το ρεύµα να διέλθει από αυτήν µε αποτέλεσµα η πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης φορτίου να είναι σχεδόν µηδενική. V 0 V (V) V V (V) t (s) t (s) - V 0 Σχήµα 3.2: (α) Ηµιτονοειδής τάση εισόδου (β) Ηµιανορθωµένη τάση εξόδου Όπως φαίνεται στο σχήµα 3.2(β) η τάση εξόδου, που ονοµάζεται ηµιανορθωµένη τάση, δεν παίρνει αρνητικές τιµές, ενώ οι θετικές τιµές της παραµένουν σχεδόν ανεπηρέαστες σε σχέση µε την τάση εισόδου. Το µέγιστο της ηµιανορθωµένης τάσης δεν ισούται µε το µέγιστο της τάσης εισόδου V 0 αλλά µε V καθώς η πτώση τάσης στα άκρα της διόδου είναι 0.7 V, ίση µε το φράγµα δυναµικού της διόδου. Προσθέτοντας τον πυκνωτή χωρητικότητας C παράλληλα στην αντίσταση φόρτου L το κύκλωµα µετατρέπεται σε κύκλωµα εξοµάλυνσης της ηµιανορθωµένης τάσης (σχήµα 3.1 µε την προσθήκη του πυκνωτή C). Στο σχήµα 3.3 φαίνεται η εξοµαλυµένη τάση εξόδου του κυκλώµατος µετά την προσθήκη του πυκνωτή. Κατά την θετική ηµιπερίοδο όσο η τάση εισόδου αυξάνεται µέχρι να φτάσει στην µέγιστη τιµή της, η δίοδος είναι ορθά πολωµένη επιτρέποντας την διέλευση ηλεκτρικού ρεύµατος µε αποτέλεσµα να φορτίζεται ο πυκνωτής, καθώς η τάση στα άκρα του ισούται µε την τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Η µέγιστη τάση στα άκρα του πυκνωτή είναι ίση µε την µέγιστη τιµή της ηµιανορθωµένης τάσης V Όταν η τάση της πηγής µειώνεται τείνοντας να µηδενιστεί µειώνεται η τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου άρα και του πυκνωτή. Ο φορτισµένος πυκνωτής εκφορτίζεται µέσω της αντίστασης φορτίου, µε αποτέλεσµα η µείωση της τάσης στα άκρα της αντίστασης να είναι πιο αργή από την µείωση της τάσης εισόδου της πηγής και να µην ακολουθεί την ίδια µορφή. Ας θυµηθούµε ότι στην 20

23 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις εκφόρτιση του πυκνωτή παίζει ρόλο η σταθερή χρόνου του κυκλώµατος L C. Η εκφόρτιση του πυκνωτή συνεχίζεται και κατά την διάρκεια της αρνητικής ηµιπεριόδου της τάσης εισόδου της πηγής στην διάρκεια της οποίας η δίοδος είναι ανάστροφα πολωµένη. Στην επόµενη θετική ηµιπερίοδο της τάσης εισόδου, όταν η τάση εισόδου γίνει ίση µε την παραµένουσα τάση στα άκρα του πυκνωτή, η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου αυξάνεται και πάλι, µέχρι να φτάσει την µέγιστη τιµή της ηµιανορθωµένης τάσης. Αυτή η εξοµαλυµένη τάση τείνει να γίνει συνεχής. Αν ανορθώσουµε ( χωρίς πυκνωτή ), µια τιµή συνεχούς τάσης, τότε αυτή θα δίνεται από την εξίσωση: V = 0.318V (3.2) π 0 V DC = 0 Η τιµή αυτή είναι µια µέση τιµή της εξοµαλυµένης τάσης και είναι η τιµή που θα µετρήσουµε µε ένα πολύµετρο στα άκρα της αντίστασης φόρτου σε κλίµακα DC. Η παραµένουσα τιµή της τάσης στα άκρα του πυκνωτή, µεταξύ των δύο θετικών ηµιπεριόδων της τάσης εισόδου, εξαρτάται από την τιµή της χωρητικότητας του πυκνωτή C. Ίδια θα είναι και η τιµή της τάσης στην αντίσταση φορτίου. Όσο µεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα τόσο πιο αργή είναι η µείωση της τάσης εξόδου, λόγω της βραδύτερης εκφόρτισης του πυκνωτή µέσω της αντίστασης φορτίου L. H σταθερά χρόνου εκφόρτισης του πυκνωτή ισούται µε: τ = L C (3.3) Η σταθερά χρόνου πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερη συγκρτικά µε την περίοδο T της τάσης εισόδου, ώστε να έχουµε βραδύτερη εκφόρτιση του πυκνωτή. ηλαδή θα πρέπει να ισχύει τ >> Τ. V V (V) t (s) Σχήµα 3.3: Εξοµάλυνση ηµιανορθωµένης τάσης 21

24 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου ιπλή ή Πλήρης Ανόρθωση Η διπλή ή πλήρης ανόρθωση είναι µια δεύτερη πολύ σηµαντική εφαρµογή της απλής διόδου. Το κύκλωµα πλήρους ή διπλής ανόρθωσης φαίνεται στο σχήµα 3.4. Το κύκλωµα αυτό επιτυγχάνει την πλήρη ανόρθωση της εναλλασσόµενης τάσης χρησιµοποιώντας γέφυρα διόδων, δηλαδή µια διάταξη τεσσάρων απλών διόδων οι οποίες είναι συνδεδεµένες σε σειρά ανά δύο µε την ίδια πολικότητα. Κατά την θετική ηµιπερίοδο οι δίοδοι D 2 και D 3 είναι ορθά πολωµένες, οπότε το ρεύµα διέρχεται µέσα από αυτές, ενώ οι δίοδοι D 1 και D 4 είναι ανάστροφα πολωµένες και δεν επιτρέπουν την διέλευση του ρεύµατος. Εποµένως, η τάση στα άκρα της αντίστασης φορτίου θα ακολουθεί την τάση εισόδου, µε το ρεύµα να έχει την φορά που φαίνεται στο σχήµα 3.4. Κατά την αρνητική ηµιπερίοδο οι δίοδοι D 1 και D 4 είναι ορθά πολωµένες οπότε το ρεύµα διέρχεται µέσα από αυτές, ενώ οι δίοδοι D 2 και D 3 είναι ανάστροφα πολωµένες και δεν επιτρέπουν την διέλευση του ρεύµατος. V πηγής I D 1 D 2 L C D 3 D 4 Σχήµα 3.4: Κύκλωµα διπλής ή πλήρους ανόρθωσης µε γέφυρα διόδων V 0 V (V) V V (V) t (s) t (s) - V 0 Σχήµα 3.5: (α) Τάση εισόδου (β) Πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου 22

25 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Η τάση στα άκρα της αντίστασης φόρτου θα ακολουθεί και πάλι την τάση εισόδου, αλλά λόγω του ότι η φορά του ρεύµατος που διέρχεται από την αντίσταση φόρτου δεν αλλάζει, η τάση στα άκρα της θα έχει και πάλι θετικό πρόσηµο. Στο σχήµα 3.5(α) φαίνεται η ηµιτονοειδής τάση εισόδου του µετασχηµατιστή και στο σχήµα 3.5(β) φαίνεται η τάση εξόδου του κυκλώµατος στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Η τάση αυτή ονοµάζεται πλήρως ή διπλά ανορθωµένη τάση. Παρατηρούµε ότι η τάση εξόδου έχει πάντα θετικό πρόσηµο. Συνδέοντας πυκνωτή χωρητικότητας C παράλληλα στην αντίσταση φόρτου επιτυγχάνεται η εξοµάλυνση της πλήρως ανορθωµένης τάσης, η οποία φαίνεται στο σχήµα 3.6. Ο µηχανισµός εκφόρτισης του πυκνωτή µέσω της αντίστασης φορτίου είναι και πάλι ο ίδιος, µε την διαφορά ότι στην πλήρως ανορθωµένη τάση το πρόσηµο της τάσης εξόδου είναι πάντα θετικό για όλες τις ηµιπεριόδους και τα χρονικά διαστήµατα µεταξύ των µεγίστων τιµών τάσης είναι µικρότερα συγκρτικά µε την ηµιανορθωµένη τάση. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα να επιτυγχάνουµε ευκολότερα εξοµάλυνση της πλήρως ανορθωµένης τάσης. Η τιµή της συνεχούς τάσης που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση ισούται µε: 2V = 0.636V (3. 4) π 0 V DC = 0 Γίνεται εύκολα κατανοητό ότι η τιµή της συνεχούς τάσης V DC, που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση είναι διπλάσια από την τιµή της συνεχούς τάσης V DC της ηµιανορθωµένης τάσης. Όσον αφορά στην σταθερά χρόνου εκφόρτισης του πυκνωτή, αυτή ισούται µε: τ = L C και πρέπει να είναι όσο το δυνατόν µεγαλύτερη από την περίοδο T της τάσης εισόδου. Σχήµα 3.6: Εξοµάλυνση διπλά ανορθωµένης τάσης 23

26 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η µεταβολή της εξοµαλυµένης τάσης εξόδου µεταξύ των δύο ακραίων τιµών της ονοµάζεται ονοµάζεται τάση κυµάτωσης και δίνεται από την εξίσωση: Ι DC Vκ = (3.5) fc όπου f η συχνότητα της εναλλασσόµενης τάσης της πηγής, C η χωρητικότητα του πυκνωτή και I DC το αντίστοιχο συνεχές ρεύµα της εξοµαλυµένης τάσης. 2.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Απλή ανόρθωση και εξοµάλυνση ηµιανορθωµένης τάσης Ακολουθήστε τα παρακάτω βήµατα: 1. Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 3.7 χωρίς να συνδέσετε τον πυκνωτή. Η τιµή της αντίστασης φόρτου L είναι 1.5KΩ. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση στα άκρα του µετασχηµατιστή (V πηγής ) και βρείτε το πλάτος της εναλλασσόµενης τάσης και την συχνότητά της. V 0,πηγής =... f πηγής = Κατόπιν, µετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου. D 1 V πηγής L C Σχήµα 3.7: Κύκλωµα απλής ανόρθωσης V 0,L = Να συγκρίνετε το πλάτος της τάσης εισόδου µε το πλάτος της τάσης εξόδου. Τι παρατηρείτε; Να δικαιολογήσετε την παρατήρησή σας. 24

27 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 3. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου: V DC =.. Υπολογίστε την συνεχή τάση εξόδου που αντιστοιχεί στην ηµιανορθωµένη τάση V DC χρησιµοποιώντας την εξίσωση (3.2). V DC V0 = = 0.318V 0 π =... Τι παρατηρείτε; ικαιολογήστε την απάντησή σας. 4. Συνδέστε πυκνωτή χωρητικότητας C 1 = 47 µf παράλληλα στην αντίσταση φόρτου L. Μετρήστε την τάση V DC στα άκρα της αντίστασης φόρτου µε το πολύµετρο: V DC =.. Να συγκρίνετε τις τιµές συνεχούς τάσης που µετρήσατε στα άκρα της αντίστασης φόρτου πριν συνδέσετε τον πυκνωτή και µετά την σύνδεσή του. Τι παρατηρείτε; Εξηγήστε που οφείλεται η διαφορά. 5. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης V κ στα άκρα της αντίστασης φορτίου. Μεγεθύνετε όσο µπορείτε την κυµάτωση, κάνοντας τις κατάλληλες ρυθµίσεις στον παλµογράφο. V κυµάτωσης1 = Αντικαταστήστε τον πυκνωτή χωρητικότητας C 2 = 47 µf µε έναν άλλο χωρητικότητας C = 470 µf. Μετρήστε πάλι την τάση κυµάτωσης. V κυµάτωσης2 = Υπολογίστε την τάση κυµάτωσης και για τις δύο τιµές χωρητικότητας του πυκνωτή C 1 και C 2 από την εξίσωση (3.5). Ι DC Vκ 1 = =... fc Ι DC Vκ 2 = =... fc Υπάρχει διαφορά µεταξύ της τάσης κυµάτωσης V κυµάτωσης1, V κυµάτωσης2 και της τάσης κυµάτωσης που υπολογίσατε από την σχέση (3.5); ικαιολογήστε την παρατήρησή σας. 25

28 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Πλήρης ή διπλή ανόρθωση και εξοµάλυνση πλήρως ανορθωµένης τάσης Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 3.8 χωρίς να συνδέσετε τον πυκνωτή. Η τιµή της αντίστασης φόρτου L παραµένει 1.5KΩ. Χρησιµοποιήστε και πάλι τον µετασχηµατιστή ως πηγή εναλλασσόµενης τάσης (V πηγής ). Χρησιµοποιήστε ως δεδοµένες τις ίδιες τιµές πλάτους, τάσης και συχνότητας που µετρήσατε στο προηγούµενο πείραµα της απλής ανόρθωσης. V πηγής D 1 D 2 L C D 3 D 4 Σχήµα 3.8: Κύκλωµα πλήρους ή διπλής ανόρθωσης Κατόπιν, ακολουθήστε τα εξής βήµατα: 1. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου, στα άκρα της αντίστασης φορτίου. V 0,L = Να συγκρίνετε το πλάτος της τάσης εισόδου µε το πλάτος της τάσης εξόδου. Τι παρατηρείτε; Να δικαιολογήστε την παρατήρησή σας. 2. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης φόρτου. V DC =.. 3. Υπολογίστε την συνεχή τάση εξόδου V DC που αντιστοιχεί στην πλήρως ανορθωµένη τάση που δίνεται από την εξίσωση (3.4). V DC 2V 0 = = 0.636V π 0 =... Να συγκρίνετε την τιµή που µετράτε µε αυτήν που µετρήσατε στο βήµα Συνδέστε τον πυκνωτή χωρητικοτήτας C 1 = 47 µf παράλληλα στην αντίσταση φόρτου L. Μετρήστε την τάση V DC στα άκρα της αντίστασης φορτίου µε το πολύµετρο. 26

29 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις V DC1 =.. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης V κ στα άκρα της αντίστασης φόρτου, µεγεθύνοντας την κυµάτωση στον παλµογράφο. V κυµάτωσης1 = Αντικαταστήστε τον πυκνωτή χωρητικότητας C 2 = 47 µf µε έναν άλλο χωρητικότητας C = 470 µf. Μετρήστε την συνεχή συνιστώσα της τάσης V DC. V DC2 =.. Μετρήστε την τάση κυµάτωσης µε τον παλµογράφο. V κυµάτωσης2 = Συγκρίνετε µεταξύ τους την τάση κυµάτωσης και την DC συνιστώσα που µετρήσατε στα βήµατα 4 και 5. Τι παρατηρείτε; Που οφείλονται οι διαφορές; 7. Υπολογίστε την τάση κυµάτωσης V κ που δίνεται από την εξίσωση (5) και για τις δύο τιµές χωρητικότητας των πυκνωτών που συνδέσατε: Ι DC Vκ 1 = =... fc Ι DC Vκ 2 = =... fc Υπάρχει διαφορά στις τιµές της τάσης κυµάτωσης V κυµάτωσης1 και V κυµάτωσης2 και σε αυτές που υπολογίσατε θεωρητικά; ικαιολογήστε την απάντησή σας. Στην γραπτή εργασία θα πρέπει να περιλαµβάνονται τα ακόλουθα: 1) Όλες οι πειραµατικές µετρήσεις που καταγράψατε στα αντίστοιχα πειράµατα του φύλλου εργασίας. 2) Να σχεδιαστούν σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινή γραφική παράσταση η τάση εισόδου, η ηµιανορθωµένη τάση εξόδου πριν συνδέσουµε τον πυκνωτή και η εξοµαλυµένη ηµιανορθωµένη τάση εξόδου µετά την παράλληλη σύνδεση του πυκνωτή C 1 στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Να δοθεί έµφαση στην αρίθµηση των αξόνων καθώς και στην αποτύπωση των µεγίστων τιµών των τάσεων και της τάσης διακύµανσης. 3) Να σχεδιαστούν σε µιλιµετρέ χαρτί σε κοινή γραφική παράσταση η τάση εισόδου, η πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου πριν συνδέσουµε τον πυκνωτή και η πλήρως ανορθωµένη τάση εξόδου µετά την παράλληλη σύνδεση του πυκνωτή C 1 στα άκρα της αντίστασης φόρτου. Να δοθεί έµφαση στην αρίθµηση των αξόνων καθώς στην αποτύπωση των µεγίστων τιµών των τάσεων και της τάσης διακύµανσης. 27

30 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 28

31 ΑΣΚΗΣΗ 4 ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΙΟ Ο ZENE, ΚΥΚΛΩΜΑ ΨΑΛΙ ΙΣΤΗ ΚΑΙ ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗ Σκοπός της άσκησης. Μελέτη της σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener, του ψαλιδιστή και του πολλαπλασιαστή τάσης. Προαπαιτούµενες γνώσεις. Λειτουργία της διόδου Zener στην ανάστροφη πόλωση. Μελέτη των παραγράφων 3.5, 4.7 και 4.8 από το προτεινόµενο διδακτικό εγχειρίδιο (A. P. Malvino, Βασική Ηλεκτρονική, Εκδόσεις Τζιόλας 2007). Μελέτη του θεωρητικού µέρους της άσκησης. Απαραίτητη προετοιµασία. Εκτέλεση της άσκησης 3 του Β µέρους των εργαστηριακών σηµειώσεων, µε χρήση του προσοµοιωτή. Παράδοση της σχετικής γραπτής αναφοράς. 4.1 ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Σταθεροποίηση τάσης µε δίοδο Zener Στην εργαστηριακή άσκηση 3 µελετήθηκε το κύκλωµα της πλήρους ή διπλής ανόρθωσης µε γέφυρα διόδων. Η τάση εξόδου του κυκλώµατος της πλήρους ανόρθωσης µπορεί να εξοµαλυνθεί συνδέοντας ένα πυκνωτή (C 1 ) παράλληλα στην αντίσταση φόρτου. Ακόµη όµως και η εξοµαλυµένη τάση δεν µπορεί να θεωρηθεί αυστηρά συνεχής, δηλαδή τάση σταθερής τιµής ανεξάρτητης του χρόνου, λόγω της διακύµανσης που παρουσιάζει. Η διακύµανση αυτή, παρόλο που είναι µικρή, δεν µας επιτρέπει να χρησιµοποιήσουµε το κύκλωµα σε εφαρµογές όπου η σταθερότητα της τάσης παίζει κρίσιµο ρόλο. Επίσης η σταθερότητα της τάσης είναι επιθηµητή για την ελαχιστοποίηση του ηλεκτρονικού θορύβου, που δηµιουργεί προβλήµατα στην λειτουργία και στην απόδοση των κυκλωµάτων. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα σε κυκλώµατα µε τρανζίστορ που λειτουργούν ως ενισχυτές. s V πηγής D 1 D 2 D 3 D 4 C 1 Z L C 2 Σχήµα 4.1: Κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener 29

32 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου Η σταθεροποίηση της τάσης επιτυγχάνεται µε τα κυκλώµατα σταθεροποίησης όπως αυτό που φαίνεται στο σχήµα 4.1. Το κύκλωµα αυτό είναι ένα κύκλωµα εξοµάλυνσης της πλήρως ανορθωµένης τάσης, όπως µελετήθηκε στην άσκηση 3, µε την διαφορά ότι έχει προστεθεί µία αντίσταση σε σειρά s για προστασία του κυκλώµατος και µια δίοδος Zener παράλληλα στην αντίσταση φόρτου. Πάντοτε βέβαια στο κύκλωµα υπάρχει και η αντίσταση φόρτου L στα άκρα της οποίας µπορούµε να µετρήσουµε την τάση εξόδου. Η αντίσταση φορτίου αντιπροσωπεύει τον καταναλωτή, τον οποίο θέλουµε να τροφοδοτήσουµε µε τάση. Από το σχήµα 4.1 φαίνεται ότι η δίοδος Zener είναι ανάστροφα πολωµένη. Γνωρίζουµε ήδη ότι όταν η τάση στα άκρα της διόδου Zener γίνει ίση µε την τάση Zener τότε παραµένει σχεδόν σταθερή ενώ το ρεύµα που την διαρρέει µεταβάλλεται απότοµα. Η ιδιότητα αυτή της διόδου Zener την καθιστά κατάλληλη για την χρησιµοποίησή της σε κυκλώµατα σταθεροποίησης τάσης. Η τάση στα άκρα της διόδου Zener, άρα και της αντίστασης φόρτου, είναι σχεδόν σταθερή. Όµως, παρουσιάζει και πάλι µια µικρή διακύµανση, η οποία είναι µικρότερη από αυτή του κυκλώµατος πλήρους ανόρθωσης Κυκλώµατα ψαλιδιστών Οι ψαλιδιστές είναι κυκλώµατα που χρησιµοποιούνται για την αποκοπή ενός µέρους µιας εναλλασσόµενης τάσης (σήµατος) πάνω ή κάτω από µια ορισµένη τιµή. Οι ψαλιδιστές χρησιµοποιούνται σε κυκλώµατα όπου η εναλλασσόµενη τάση δεν θέλουµε να υπερβαίνει µια συγκεκριµένη τιµή είτε για λόγους προστασίας είτε για λόγους µορφοποίησης του σήµατος. Τα κυκλώµατα ψαλιδιστών κατασκευάζονται χρησιµοποιώντας απλές διόδους ή διόδους Zener ή συνδυασµό αυτών. Στο σχήµα 4.2 φαίνεται ένα τέτοιο κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή. Οι δύο δίοδοι Zener είναι αντίθετα συνδεδεµένες έτσι ώστε η πόλωση της µιας να είναι αντίθετη από την πόλωση της άλλης. Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος Ζ 1 είναι ορθά πολωµένη µε την τάση στα άκρα της να ισούται µε το φράγµα δυναµικού (περίπου 0.7V) ενώ η δίοδος Ζ 2 είναι ανάστροφα πολωµένη. Το ρεύµα εποµένως που διαρρέει τις δύο διόδους είναι µηδενικό µε αποτέλεσµα η τάση στα άκρα των δύο διόδων που αποτελεί και την τάση εξόδου του κυκλώµατος να µεταβάλλεται σύµφωνα µε την τάση εισόδου της πηγής εναλλασσόµενης τάσης. S V πηγής ~ Ζ 1 Ζ 2 Σχήµα 4.2: Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή τάσης µε διόδους Zener 30

33 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις Όταν η τάση της πηγής γίνει ίση µε το άθροισµα της τάσης Zener της διόδου Ζ 2 και του φράγµατος δυναµικού της διόδου Ζ 1 τότε η δίοδος Ζ 2 θα διατηρήσει σταθερή την τάση στα άκρα της ανεξάρτητα από την τάση της πηγής. Άρα η τάση εξόδου θα σταθεροποιηθεί στην τιµή: V = + (4.1) out 0.7 VZ 2 όπου V Z2 η τάση Zener της διόδου Ζ 2. Στην αρνητική ηµιπερίοδο η δίοδος Ζ 1 θα είναι ανάστροφα πολωµένη ενώ η δίοδος Ζ 2 ορθά πολωµένη. Εποµένως η τάση εξόδου θα ισούται µε: V = + (4.2) out 0.7 VZ1 όπου V Z1 η τάση Zener της διόδου Ζ 1. Στο σχήµα 4.3 φαίνεται η τάση εισόδου και η τάση εξόδου για το κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή του σχήµατος 4.2. Αν υποθέσουµε ότι η τάση Zener και των δύο διόδων είναι 10V και το πλάτος τάσης της πηγής είναι 15V τότε η τάση εξόδου θα είναι ψαλιδισµένη πάνω από τα 10V στις θετικές τιµές και κάτω από -10V στις αρνητικές τιµές. Για αυτόν τον λόγο το κύκλωµα αυτό ονοµάζεται διπλός ψαλιδιστής. Μπορούµε εύκολα να τροποποιήσουµε την τάση εξόδου χρησιµοποιώντας τις κατάλληλες διόδους έτσι ώστε να περιορίσουµε την τάση εξόδου µέσα στο επιθυµητό εύρος. Σχήµα 4.3: Τάση εισόδου (διακεκοµµένη γραµµή) και τάση εξόδου (συνεχής γραµµή) ενός διπλού ψαλιδιστή µε διόδους Zener (V Z = 10V) Κύκλωµα διπλασιαστή Πολλαπλασιαστές ονοµάζονται τα κυκλώµατα που παράγουν στην έξοδό τους µια συνεχή τάση πολλαπλάσια της εναλλασσόµενης τάσης εισόδου. Στην άσκηση αυτή θα µελετήσουµε το κύκλωµα του διπλασιαστή όπως φαίνεται στο σχήµα

34 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου C 1 D 2 V πηγής D 1 C 2 Σχήµα 4.4: Κύκλωµα διπλασιαστή Το συγκεκριµένο κύκλωµα αποτελείται από δύο ανορθωτές που σχηµατίζονται από µία απλή δίοδο και ένα πυκνωτή. Κατά την θετική ηµιπερίοδο η δίοδος D 2 είναι ανάστροφα πολωµένη και η δίοδος D 1 ορθά πολωµένη. Το ρεύµα διαρρέει την δίοδο D 1 ενώ ταυτόχρονα ο πυκνωτής C 1 φορτίζεται και η τάση στα άκρα του ισούται µε την µέγιστη τάση της πηγής, ενώ ο πυκνωτής C 2 παραµένει αφόρτιστος. Όταν η τάση της πηγής µειώνεται η δίοδος D 1 πολώνεται ανάστροφα λόγω της τάσης του πυκνωτή C 1 που εκφορτίζεται. Αντίθετα η δίοδος D 2 πολώνεται ορθά µε αποτέλεσµα να επιτρέπει την διέλευση του ρεύµατος. Ο πυκνωτής C 2 φορτίζεται και η µέγιστη τάση στα άκρα του θα ισούται µε το άθροισµα της τάσης εισόδου της πηγής και της τάσης του πυκνωτή C 1 : V C2 = V 0 sinωτ + V C1 (4.3) Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα µετά από λίγες περιόδους η τάση στα άκρα του πυκνωτή C 2 να αποκτήσει µια µέγιστη σταθερή τιµή που είναι διπλάσια του πλάτους της τάσης εισόδου της πηγής V C2 =2V 0. Όταν ο πυκνωτής αποκτήσει τάση στα άκρα του ίση µε 2V 0 η δίοδος D 2 παραµένει ανάστροφα πολωµένη όπως επίσης και η δίοδος D 1. Εποµένως, στην έξοδο του κυκλώµατος η τάση εξόδου είναι διπλάσια του πλάτους της τάσης εισόδου της πηγής. 32

35 Αναλογικά Ηλεκτρονικά, Εργαστηριακές Ασκήσεις 4.2 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ Σταθεροποίηση τάσης µε δίοδο Zener OSC1 s=470ω s 220,0 + Ch1 - + Ch2 - VG1 T1 G1 1N1183 C1 47,0u Z1 1N2804 L 1,5k C1=470µF Σχήµα 4.5: Κύκλωµα σταθεροποίησης τάσης µε δίοδο Zener 1. Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 4.5. Η τιµή της αντίστασης s είναι 220Ω, η αντίσταση φόρτου είναι L = 1.5KΩ, η τάση Zener της διόδου είναι V Z = 4,7V ο πυκνωτής C 1 έχει χωρητικότητα 470µF. 2. Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης στα άκρα της πηγής και υπολογίστε την συχνότητά της. V 0,πηγής =... f πηγής = Κατόπιν µετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση στα άκρα του πυκνωτή C1. Σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. 4. Μετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση κυµάτωσης V κ στα άκρα του πυκνωτή C 1. Για το σκοπό αυτό ρυθµίστε τον παλµογράφο σε λειτουργία AC και µεγεθύνετε την κυµάτωση, ώστε να τη µετρήσετε µε ακρίβεια. V κυµάτωσηςc1 =.. 5. Στη συνέχεια µετρήστε µε τον παλµογράφο την τάση εξόδου στα άκρα της αντίστασης φορτίου και σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. Μετρήστε την τάση κυµάτωσης πάνω στην αντίσταση φορτίου. Για το σκοπό αυτό ρυθµίστε τον παλµογράφο σε λειτουργία AC και µεγεθύνετε την κυµάτωση, ώστε να τη µετρήσετε µε ακρίβεια. V κυµάτωσηςl = Υπάρχει διαφορά στην µορφή της τάσης στα άκρα του πυκνωτή C1 και στα άκρα της αντίστασης φορτίου; Περιγράψτε τις διαφορές. Πως διαφέρει από αυτές τις δύο τάσεις η τάση της πηγής; 33

36 Ι. Καλόµοιρου, Ν. Χαστά, Θ. Μάντζου 6. Μετρήστε µε το πολύµετρο την συνεχή συνιστώσα της τάσης εξόδου στα άκρα της αντίστασης L. V L =.. ικαιολογήστε την τιµή της τάσης στην αντίσταση φορτίου. Τι θα γίνει αν αλλάξετε τη δίοδο zener και βάλετε στη θέση της κάποια άλλη µε διαφορετικό δυναµικό zener; 7. Να αλλάξετε τον πυκνωτή C1 και να βάλετε στη θέση του πυκνωτή 10µF. Να µετρήσετε πάλι την τάση κυµάτωσης πάνω στην αντίσταση φορτίου. Ποιες αλλαγές παρατηρείτε; Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή µε διόδους Zener S V πηγής ~ Ζ 1 Ζ 2 Σχήµα 4.6: Κύκλωµα διπλού ψαλιδιστή τάσης µε διόδους Zener Κατασκευάστε το κύκλωµα του σχήµατος 4.6. Η τιµή της αντίστασης s είναι 4.7KΩ, η τάση Zener των διόδων είναι V Z = 4.7V, η τάση της πηγής είναι V πηγής = 20 V p-p και η συχνότητά της f = 50 Hz. Καταγράψτε µε τον παλµογράφο την τάση εισόδου στα άκρα της πηγής και σχεδιάστε την σε βαθµονοµηµένους άξονες. Μετρήστε το πλάτος της τάσης εισόδου: V 0,εισόδου =... Μετρήστε µε τον παλµογράφο το πλάτος της τάσης εξόδου στα άκρα των διόδων. V 0,εξόδου =... Να σχεδιάσετε σε κοινή γραφική παράσταση τις τάσεις εισόδου και εξόδου. 34