Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΠΕΛΟΠΟΝΝΗΣΟΥ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ Τ.Ε. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Εργαστηριακές Ασκήσεις ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ (μέσω προσομοίωσης) Γιάννης Λιαπέρδος Καθηγητής Εφαρμογών ΣΠΑΡΤΗ 2014

2 2

3 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η σημασία της προσομοίωσης στη σχεδίαση και την υλοποίηση ενός κυκλώματος είναι καθοριστική, καθώς εξασφαλίζει την αρχική επιβεβαίωση της επιθυμητής συμπεριφοράς του και τον έγκαιρο εντοπισμό και τη διόρθωση τυχόν λειτουργικών προβλημάτων σε πρώιμο στάδιο, όπου το στοιχείο του κόστους δεν αποτελεί απαγορευτικό παράγοντα για την πραγματοποίηση αλλαγών και βελτιώσεων. Ο παρών εργαστηριακός οδηγός περιλαμβάνει σειρά ασκήσεων για την προσομοίωση αναλογικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων και έχει ως σκοπό την εξοικείωση των σπουδαστών με τις διαδικασίες της αναλογικής προσομοίωσης. Οι παρεχόμενες οδηγίες είναι σκόπιμα συνοπτικές ώστε, αφενός, να προκαλούν την αυτενέργεια και, αφετέρου, να είναι ανεξάρτητες από το λογισμικό προσομοίωσης το οποίο χρησιμοποιείται. Η σύνταξη αυτού του Οδηγού προέκυψε ως λύση ανάγκης, καθώς αναγκαζόμαστε να στραφούμε αποκλειστικά στην προσομοίωση για τη διεξαγωγή της εργαστηριακής άσκησης των σπουδαστών στα μαθήματα των ηλεκτρονικών. Κυριότερη αιτία αποτελεί η υποστελέχωση του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής η οποία, σε συνδυασμό με την πρόβλεψη εικοσιπενταμελών τμημάτων για την άσκηση των σπουδαστών υπό την καθοδήγηση ενός και μόνο επιβλέποντα, αποδυναμώνει τα εκπαιδευτικά οφέλη από την άσκηση σε «πραγματικό» εργαστήριο και αυξάνει τους κινδύνους οι οποίοι τη συνοδεύουν. Ελπίζουμε πως οι δυσκολίες θα αρθούν το συντομότερο δυνατό, ώστε ο παρών οδηγός να αποτελεί μόνο συμπληρωματικό βοήθημα για την άσκηση των σπουδαστών μας στο εργαστηριακό μέρος του μαθήματος των Αναλογικών Ηλεκτρονικών, και όχι το κυρίως εργαστηριακό εγχειρίδιο. Γιάννης Λιαπέρδος Αύγουστος

4 4

5 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΡΟΛΟΓΟΣ... 3 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ η ΑΣΚΗΣΗ: ΔΙΟΔΟΙ η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΔΙΟΔΩΝ η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΙΔΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΔΙΟΔΩΝ η ΑΣΚΗΣΗ: ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΠΟΛΙΚΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ η ΑΣΚΗΣΗ: ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ η ΑΣΚΗΣΗ: ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ - ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΤΕΛΕΣΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ η ΑΣΚΗΣΗ: ΤΑΛΑΝΤΩΤΕΣ η ΑΣΚΗΣΗ: ΦΙΛΤΡΑ

6 6

7 1 η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση των σπουδαστών με τον προσομοιωτή αναλογικών κυκλωμάτων και η εκτέλεση απλών προσομοιώσεων διάφορων τύπων σε κυκλώματα αποτελούμενα από απλά ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως πηγές τάσης, αντιστάτες, πυκνωτές, κ.λπ. Μέσω των προσομοιώσεων οι σπουδαστές θα έχουν την ευκαιρία να επιβεβαιώσουν θεμελιώδεις αρχές οι οποίες διέπουν τα ηλεκτρικά κυκλώματα, όπως ο νόμος του Ohm, οι κανόνες του Kirchhoff, κ.λπ ΝΟΜΟΣ ΤΟΥ OHM Σχεδιάστε κύκλωμα το οποίο να περιλαμβάνει πηγής σταθερής τάσης 10V, και αντιστάτη 1kΩ. Εκτελέστε DC ανάλυση στο κύκλωμα προκειμένου να προσδιορίσετε τις τάσεις στα διάφορα σημεία του, καθώς και το ρεύμα που το διαρρέει. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης να σημειώσετε την τάση στα άκρα του αντιστάτη και το ρεύμα το οποίο τον διαρρέει, και να επιβεβαιώσετε από αυτά τον νόμο του Ohm. Γειώστε υποχρεωτικά τον αρνητικό πόλο της πηγής σταθερής τάσης. Γιατί είναι απαραίτητη η χρήση της γείωσης σε κάθε κύκλωμα το οποίο προσομοιώνεται; Στο κύκλωμα του προηγούμενου βήματος τροποποιήστε την τιμή της αντίστασης στα 10kΩ, και παρεμβάλετε αμπερόμετρο σε κατάλληλη θέση του κυκλώματος ώστε να είναι δυνατή η μέτρηση του ρεύματος το οποίο διαρρέει τον αντιστάτη. Συνδέστε, επίσης, βολτόμετρο για τη μέτρηση της τάσης στα άκρα του αντιστάτη. Εκτελέστε DC ανάλυση και από τις ενδείξεις του βολτομέτρου και του αμπερομέτρου υπολογίστε την τιμή της αντίστασης και επιβεβαιώστε την ονομαστική της τιμή Στο κύκλωμα του προηγούμενου βήματος αντικαταστήστε την πηγή σταθερής τάσης με πηγή εναλλασσόμενης τάσης συχνότητας 1kHz και πλάτους 10V. Εκτελέστε DC ανάλυση και προσδιορίστε τις τιμές των τάσεων και των ρευμάτων. Τι παρατηρείτε; Για το κύκλωμα του προηγούμενου βήματος εκτελέστε AC ανάλυση. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προσδιορίστε την τιμή της αντίστασης. Ποια η διαφορά μεταξύ των αναλύσεων DC και AC; Για το ίδιο κύκλωμα εκτελέστε μεταβατική ανάλυση (transient). Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προσδιορίστε την τιμή της αντίστασης. Ποια η μορφή των αποτελεσμάτων της μεταβατικής ανάλυσης; Τροποποιήστε την τιμή της συχνότητας της πηγής εναλλασσόμενης τάσης στα 100kHz, και προσδιορίστε εκ νέου την τιμή της αντίστασης. Τι παρατηρείτε; 7

8 1.2. ΚΑΝΟΝΕΣ ΤΟΥ KIRCHHOFF Χρησιμοποιήστε τρεις πηγές ρεύματος των 1mA, 5mA και 10mA και διοχετεύσετε το ρεύμα τους σε αντιστάτη 1kΩ. Εκτελέστε κατάλληλη ανάλυση προκειμένου να προσδιορίσετε την τάση στα άκρα του αντιστάτη και υπολογίστε το συνολικό ρεύμα το οποίο τον διαρρέει προκειμένου να επαληθεύσετε τον 1 ο κανόνα του Kirchhoff Για το κύκλωμα του επόμενου σχήματος προσδιορίστε τις φορές των ρευμάτων καθώς και τις τιμές της έντασής τους, και επιβεβαιώστε τους υπολογισμούς σας μέσω προσομοίωσης ΙΣΟΔΥΝΑΜΗ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΔΙΚΤΥΩΜΑΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΑΤΩΝ Για το δικτύωμα των αντιστατών του επόμενου σχήματος συνδέστε μεταξύ των σημείων A και B πηγή σταθερής τάσης 10V και εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση ώστε να προσδιορίσετε την ένταση του ρεύματος το οποίο εισέρχεται στο σημείο Α. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να υπολογίσετε την ισοδύναμη αντίσταση μεταξύ των σημείων Α και Β. Επιβεβαιώστε θεωρητικά τον υπολογισμό σας Επαναλάβετε τη διαδικασία του προηγούμενου βήματος για τα σημεία Α και C Επαναλάβετε τη διαδικασία του προηγούμενου βήματος για τα σημεία A και D. 8

9 1.4. ΔΙΑΙΡΕΤΕΣ ΤΑΣΗΣ Διαθέτετε πηγή σταθερής τάσης 9V και τρεις αντιστάτες του 1kΩ. Να σχεδιάσετε κύκλωμα το οποίο να παράγει τάση 3V και να προσομοιώσετε τη λειτουργία του ΠΥΚΝΩΤΕΣ Εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση ώστε, εφαρμόζοντας στα άκρα πυκνωτή εναλλασσόμενη τάση, να παίρνετε την κυματομορφή του ρεύματος το οποίο τον διαρρέει. Τι παρατηρείτε; Εφαρμόστε στα άκρα πυκνωτή σταθερή τάση και εκτελέστε προσομοίωση προκειμένου να μετρήσετε το ρεύμα το οποίο τον διαρρέει. Τι παρατηρείτε; Εφαρμόστε στα άκρα πυκνωτή εναλλασσόμενη τάση και εκτελέστε προσομοίωση προκειμένου να μετρήσετε το πλάτος του ρεύματος το οποίο τον διαρρέει. Από τα πλάτη της τάσης και του ρεύματος υπολογίστε τη σύνθετη αντίσταση του πυκνωτή. Επαναλάβετε για διαφορετικές τιμές της συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης. Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε; Για το δικτύωμα των πυκνωτών του επόμενου σχήματος συνδέστε μεταξύ των σημείων A και B πηγή εναλλασσόμενης τάσης πλάτους 10V και συχνότητας 1kHz και εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση ώστε να προσδιορίσετε το πλάτος της έντασης του ρεύματος το οποίο εισέρχεται στο σημείο Α. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να υπολογίσετε την ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση μεταξύ των σημείων Α και Β. Επιβεβαιώστε θεωρητικά τον υπολογισμό σας Επαναλάβετε τη διαδικασία του προηγούμενου βήματος για τα σημεία Α και C. Όμοια για τα σημεία A και D. 9

10 1.6. ΠΗΝΙΑ Εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση ώστε, εφαρμόζοντας στα άκρα πηνίου εναλλασσόμενη τάση, να παίρνετε την κυματομορφή του ρεύματος το οποίο το διαρρέει. Τι παρατηρείτε; Εφαρμόστε στα άκρα πηνίου εναλλασσόμενη τάση και εκτελέστε προσομοίωση προκειμένου να μετρήσετε το πλάτος του ρεύματος το οποίο το διαρρέει. Από τα πλάτη της τάσης και του ρεύματος υπολογίστε τη σύνθετη αντίσταση του πηνίου. Επαναλάβετε για διαφορετικές τιμές της συχνότητας της εναλλασσόμενης τάσης. Σε ποιο συμπέρασμα καταλήγετε; Για το δικτύωμα των πηνίων του επόμενου σχήματος συνδέστε μεταξύ των σημείων A και B πηγή εναλλασσόμενης τάσης πλάτους 10V και συχνότητας 1kHz και εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση ώστε να προσδιορίσετε το πλάτος της έντασης του ρεύματος το οποίο εισέρχεται στο σημείο Α. Με βάση τα αποτελέσματα της προσομοίωσης να υπολογίσετε την ισοδύναμη σύνθετη αντίσταση μεταξύ των σημείων Α και Β. Επιβεβαιώστε θεωρητικά τον υπολογισμό σας Επαναλάβετε τη διαδικασία του προηγούμενου βήματος για τα σημεία Α και C. Όμοια για τα σημεία A και D ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΕΣ Υπολογίστε τον λόγο μετασχηματισμού ο οποίος απαιτείται για τον υποβιβασμό τάσης 220VAC σε 110VAC, και προσομοιώστε την αντίστοιχη διαδικασία χρησιμοποιώντας ιδανικό μετασχηματιστή Χρησιμοποιώντας κατάλληλο μετασχηματιστή μεσαίας λήψης και πηγή ημιτονοειδούς σήματος πλάτους 10V και συχνότητας 1kHz να προσομοιώσετε κύκλωμα παραγωγής δύο ημιτονοειδών σημάτων πλάτους 5V με διαφορά φάσης 180 ο. 10

11 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 2 η ΑΣΚΗΣΗ: ΔΙΟΔΟΙ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη της συμπεριφοράς μιας διόδου στην ορθή και στην ανάστροφη πόλωση, καθώς και η χάραξη της χαρακτηριστικής καμπύλης ρεύματος-τάσης μιας τυπικής διόδου πυριτίου ΑΝΤΙΣΤΑΣΗ ΔΙΟΔΟΥ ΣΤΗΝ ΟΡΘΗ ΚΑΙ ΣΤΗΝ ΑΝΑΣΤΡΟΦΗ ΠΟΛΩΣΗ Χρησιμοποιώντας μια δίοδο 1Ν4005 και το ωμόμετρο του προσομοιωτή σας μετρήστε την αντίσταση της διόδου στην ορθή πόλωση Αντιστρέφοντας τη φορά της διόδου του προηγούμενου βήματος, λάβετε εκ νέου μέτρηση για την αντίσταση. Τι μπορείτε να συμπεράνετε; 2.2. ΧΑΡΑΞΗ ΤΗΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗΣ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΟΔΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ Σχεδιάστε κατάλληλο κύκλωμα για τη χάραξη της χαρακτηριστικής ρεύματος τάσης διόδου 1Ν4005. Στο κύκλωμά σας θα πρέπει να συμπεριλάβετε πηγή τάσης η τιμή της οποίας θα σαρώνεται σε ένα εύρος που θα καλύπτει θετικές αλλά και αρνητικές τιμές (π.χ. [-20V, 20V]) και θα πρέπει να αξιοποιήσετε τη λειτουργία x-y για την απεικόνιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Υπόδειξη: Επιλέξτε «Analysis>Set Control Object» ώστε να καθορίσετε εύρος τιμών σάρωσης για την πηγή τάσης, και στη συνέχεια εκτελέστε ανάλυση παραμετρικής σάρωσης («Analysis > DC Analysis > DC Transfer Characteristic») Από την χαρακτηριστική του προηγούμενου βήματος προσδιορίστε την τιμή της τάσης κατωφλίου της διόδου Με τη βοήθεια της χαρακτηριστικής ρεύματος τάσης της διόδου 1Ν4005 προσδιορίστε τη στατική (DC) και τη δυναμική (AC) αντίσταση της διόδου όταν η τάση στα άκρα της είναι 0.6V. Όμοια για τάση 0.7V. 11

12 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 3 η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΔΙΟΔΩΝ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη τυπικών εφαρμογών των διόδων, όπως στην ημιανόρθωση και στην πλήρη ανόρθωση εναλλασσόμενων τάσεων κ.λπ ΗΜΙΑΝΟΡΘΩΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Σχεδιάστε κύκλωμα για την ημιανόρθωση εναλλασσόμενης τάσης ενεργού τιμής 6VRMS και συχνότητας 50Hz, και προσομοιώστε τη λειτουργία του Για την ημιανορθωμένη κυματομορφή εξόδου του κυκλώματος του προηγούμενου ερωτήματος προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα Προσθέστε στο κύκλωμα ημιανόρθωσης κατάλληλο πυκνωτή εξομάλυνσης (χωρητικότητας της τάξης των μf) και προσομοιώστε τη λειτουργία του. Προσδιορίστε εκ νέου την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου, συγκρίνετε με την περίπτωση απουσίας πυκνωτή εξομάλυνσης, και σχολιάστε Επαναλάβετε το προηγούμενο βήμα για διαφορετικές τιμές χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; Διατηρώντας σταθερή την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης, προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου του κυκλώματος για διαφορετικές της αντίστασης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; 3.2. ΠΛΗΡΗΣ ΑΝΟΡΘΩΣΗ ΕΝΑΛΛΑΣΣΟΜΕΝΗΣ ΤΑΣΗΣ Χρησιμοποιώντας δύο διόδους και ιδανικό μετασχηματιστή μεσαίας λήψης, σχεδιάστε κύκλωμα για την πλήρη ανόρθωση εναλλασσόμενης τάσης ενεργού τιμής 6VRMS και συχνότητας 50Hz, και προσομοιώστε τη λειτουργία του. Συγκρίνετε τη μορφή της κυματομορφής εξόδου του κυκλώματος σε σχέση με την αντίστοιχη κυματομορφή κυκλώματος ημιανόρθωσης Για την πλήρως ανορθωμένη κυματομορφή εξόδου του κυκλώματος του προηγούμενου ερωτήματος προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα. 12

13 Προσθέστε στο κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης κατάλληλο πυκνωτή εξομάλυνσης (χωρητικότητας της τάξης των μf) και προσομοιώστε τη λειτουργία του. Προσδιορίστε εκ νέου την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου, συγκρίνετε με την περίπτωση απουσίας πυκνωτή εξομάλυνσης, και σχολιάστε Επαναλάβετε το προηγούμενο βήμα για διαφορετικές τιμές χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; Διατηρώντας σταθερή την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης, προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου του κυκλώματος για διαφορετικές της αντίστασης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; Χρησιμοποιώντας γέφυρα διόδων, σχεδιάστε κύκλωμα για την πλήρη ανόρθωση εναλλασσόμενης τάσης ενεργού τιμής 6VRMS και συχνότητας 50Hz, και προσομοιώστε τη λειτουργία του. Συγκρίνετε τη μορφή της κυματομορφής εξόδου του κυκλώματος σε σχέση με την αντίστοιχη κυματομορφή κυκλώματος ημιανόρθωσης Για την πλήρως ανορθωμένη κυματομορφή εξόδου του κυκλώματος του προηγούμενου ερωτήματος προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα Προσθέστε στο κύκλωμα πλήρους ανόρθωσης κατάλληλο πυκνωτή εξομάλυνσης (χωρητικότητας της τάξης των μf) και προσομοιώστε τη λειτουργία του. Προσδιορίστε εκ νέου την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου, συγκρίνετε με την περίπτωση απουσίας πυκνωτή εξομάλυνσης, και σχολιάστε Επαναλάβετε το προηγούμενο βήμα για διαφορετικές τιμές χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; Διατηρώντας σταθερή την τιμή της χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης, προσδιορίστε την ενεργό τιμή και την DC συνιστώσα της κυματομορφής εξόδου του κυκλώματος για διαφορετικές της αντίστασης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; 3.3. ΠΕΡΙΟΡΙΣΤΗΣ ΤΑΣΗΣ Προσομοιώστε τη λειτουργία του κυκλώματος του επόμενου σχήματος. Ποια η χρησιμότητα του κυκλώματος; 13

14 14

15 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 4 η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΙΔΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΔΙΟΔΩΝ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη ειδικών τύπων διόδων και χαρακτηριστικών εφαρμογών τους 4.1. ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΟΔΟΥ ΦΩΤΟΕΚΠΟΜΠΗΣ Σχεδιάστε κατάλληλο κύκλωμα για τη χάραξη της χαρακτηριστικής ρεύματος τάσης της διόδου φωτοεκπομπής CQX35A. Στο κύκλωμά σας θα πρέπει να συμπεριλάβετε πηγή τάσης η τιμή της οποίας θα σαρώνεται σε ένα εύρος που θα καλύπτει θετικές αλλά και αρνητικές τιμές (π.χ. [- 20V, 20V]) και θα πρέπει να αξιοποιήσετε τη λειτουργία x-y για την απεικόνιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Υπόδειξη: Επιλέξτε «Analysis>Set Control Object» ώστε να καθορίσετε εύρος τιμών σάρωσης για την πηγή τάσης, και στη συνέχεια εκτελέστε ανάλυση παραμετρικής σάρωσης («Analysis > DC Analysis > DC Transfer Characteristic») Από την χαρακτηριστική του προηγούμενου βήματος προσδιορίστε την τιμή της τάσης κατωφλίου της διόδου. Συγκρίνετε με την τιμή της τάσης κατωφλίου τυπικής διόδου πυριτίου και σχολιάστε ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΟΔΟΥ ZENER Σχεδιάστε κατάλληλο κύκλωμα για τη χάραξη της χαρακτηριστικής ρεύματος τάσης της διόδου Zener 1N2804. Στο κύκλωμά σας θα πρέπει να συμπεριλάβετε πηγή τάσης η τιμή της οποίας θα σαρώνεται σε ένα εύρος που θα καλύπτει θετικές αλλά και αρνητικές τιμές (π.χ. [-20V, 20V]) και θα πρέπει να αξιοποιήσετε τη λειτουργία x-y για την απεικόνιση των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης. Υπόδειξη: Επιλέξτε «Analysis>Set Control Object» ώστε να καθορίσετε εύρος τιμών σάρωσης για την πηγή τάσης, και στη συνέχεια εκτελέστε ανάλυση παραμετρικής σάρωσης («Analysis > DC Analysis > DC Transfer Characteristic») Από την χαρακτηριστική του προηγούμενου βήματος προσδιορίστε την τιμή της τάσης κατωφλίου της διόδου, καθώς και την τιμή της τάσης Zener (V Z ) ΣΤΑΘΕΡΟΠΟΙΗΣΗ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟ ZENER Σχεδιάστε κύκλωμα για την ημιανόρθωση και την εξομάλυνση εναλλασσόμενης τάσης πλάτους 10V και συχνότητας 50Hz, επιλέγοντας κατάλληλες τιμές των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ώστε η ελάχιστη τιμή της τάσης εξόδου του κυκλώματος να είναι μεγαλύτερη από 6V. 15

16 Για την τάση εξόδου του κυκλώματος του προηγούμενου ερωτήματος προσδιορίστε την ενεργό τιμή της κυμάτωσης καθώς και την DC της συνιστώσα και υπολογίστε τον λόγο των δύο μεγεθών Τροποποιήστε κατάλληλα το κύκλωμα ημιανόρθωσης και εξομάλυνσης το οποίο σχεδιάσατε, ώστε να επιτύχετε τη σταθεροποίηση της τάσης εξόδου με τη βοήθεια της διόδου Zener 1Ν2804. Προσδιορίστε εκ νέου την ενεργό τιμή της κυμάτωσης καθώς και την DC της συνιστώσα και υπολογίστε τον λόγο των δύο μεγεθών. Συγκρίνετε με τις τιμές που βρήκατε πριν την εισαγωγή στο κύκλωμα της λειτουργίας της σταθεροποίησης. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; Μελετήστε τη συμπεριφορά του προηγούμενου κυκλώματος για διαφορετικές τιμές ωμικού φορτίου στην έξοδό του. Τι παρατηρείτε; 4.4. ΨΑΛΙΔΙΣΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ ΔΙΟΔΟΥΣ ZENER Προσομοιώστε τη λειτουργία του κυκλώματος του επόμενου σχήματος, όπου η πηγή εναλλασσόμενης τάσης VG1 παρέχει σήμα πλάτους 10V και συχνότητας 50Hz. Ποια η χρησιμότητα του κυκλώματος; Αντικαταστήστε την πηγή εναλλασσόμενης τάσης με πηγή σταθερής τάσης και εκτελώντας σάρωση των τιμών τάσης εισόδου από 0 έως 20V προσδιορίστε τη συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος, δηλαδή τη σχέση της τάσης εξόδου με την τάση εισόδου. 16

17 5 η ΑΣΚΗΣΗ: ΜΕΛΕΤΗ ΔΙΠΟΛΙΚΟΥ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη του διπολικού τρανζίστορ (bipolar junction transistor - BJT) μέσω χαρακτηριστικών εφαρμογών του ΑΚΟΛΟΥΘΟΣ ΕΚΠΟΜΠΟΥ Σχεδιάστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος, με τιμές στοιχείων R B = 270 Ω και R E = 3.3 kω. Να χρησιμοποιηθεί το τρανζίστορ 2Ν2222Α και η τάση τροφοδοσίας Vcc να τεθεί ίση με 15V. Χρησιμοποιώντας πηγή εναλλασσόμενης τάσης τροφοδοτήστε την είσοδο του κυκλώματος με ημιτονικό σήμα συχνότητας 1 khz και πλάτους 5 V. Προσδιορίστε την κυματομορφή στην έξοδο και σχολιάστε. Ποια η τιμή της απολαβής τάσης; V CC R B Προσδιορίστε εκ νέου την κυματομορφή στην έξοδο και την απολαβή τάσης αφού τροποποιήσετε το κύκλωμα όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Η τάση V EE να τεθεί στα -15V. Σε ποια συμπεράσματα καταλήγετε; V CC (+) (-) R B (+) (-) V out V ΕΕ 17

18 5.2. ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑ DARLINGTON Για το κύκλωμα του ερωτήματος να θέσετε στην είσοδο σταθερή τάση 5V και να προσδιορίσετε το ρεύμα βάσης και το ρεύμα συλλέκτη του τρανζίστορ. Ποια είναι η τιμή του β του τρανζίστορ; Στο κύκλωμα του προηγούμενου ερωτήματος αντικαταστήστε το τρανζίστορ με συνδεσμολογία Darlington αποτελούμενη από δύο τρανζίστορ του ίδιου τύπου (2Ν2222Α) και προσδιορίστε εκ νέου το ρεύμα βάσης, το ρεύμα συλλέκτη και το β της συνδεσμολογίας Darlington. Ποια η σχέση του β της συνδεσμολογίας Darlington με το β ενός μεμονωμένου τρανζίστορ; 5.3. ΤΟ ΔΙΠΟΛΙΚΟ ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΩΣ ΠΗΓΗ ΡΕΥΜΑΤΟΣ Σχεδιάστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος και προσδιορίστε τις τιμές του ρεύματος βάσης και του ρεύματος συλλέκτη σαρώνοντας την τιμή της αντίστασης Rc μεταξύ 1kΩ και 5kΩ. Τι παρατηρείτε; Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προτείνετε πρακτική εφαρμογή του κυκλώματος. +15V +5V R B 470 2N2222A 1k Σχεδιάστε τη γραφική παράσταση του λόγου του ρεύματος συλλέκτη προς το ρεύμα βάσης, για διαφορετικές τιμές της αντίστασης Rc. Σε ποια περιοχή λειτουργίας βρίσκεται το τρανζίστορ για τις διαφορετικές τιμές της αντίστασης Rc; 18

19 6 η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη του ενισχυτή τάσης κοινού εκπομπού ΜΕΛΕΤΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ Σχεδιάστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος και προσομοιώστε τη λειτουργία του προκειμένου να προσδιορίσετε τις τιμές του δυναμικού στους ακροδέκτες του τρανζίστορ. Με βάση τις τιμές αυτές να βρείτε την περιοχή λειτουργίας του τρανζίστορ Εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση προκειμένου να πάρετε σε κοινό διάγραμμα τις κυματομορφές εισόδου και εξόδου του κυκλώματος. Ποια είναι η απολαβή τάσης; Ποια η διαφορά φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου; Εκτελέστε την προσομοίωση του προηγούμενου ερωτήματος αφού θέσετε την αντίσταση R5 στην τιμή των 2kΩ. Πώς μεταβάλλεται η απολαβή τάσης του ενισχυτή και γιατί; Εκτελέστε εκ νέου την προσομοίωση θέτοντας την αντίσταση R5 στην τιμή των 5kΩ. Τι παρατηρείτε ως προς τη μορφή του σήματος εξόδου, και γιατί; Επαναφέρετε την τιμή της αντίστασης R5 στην αρχική τιμή της (3.3kΩ) και αντικαταστήστε το τρανζίστορ με ένα 2Ν2221. Υπολογίστε την απολαβή του ενισχυτή και σχολιάστε, λαμβάνοντας υπόψη σας τις τιμές του β για τα τρανζίστορ 2Ν2222 και 2Ν2221. Ποιο μειονέκτημα αναδεικνύεται; 19

20 6.2. ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΕΝΙΣΧΥΤΗ ΚΟΙΝΟΥ ΕΚΠΟΜΠΟΥ Με βάση το κύκλωμα του προηγούμενου μέρους, σχεδιάστε ενισχυτή τάσης κοινού εκπομπού με απολαβή ίση με 3. 20

21 7 η ΑΣΚΗΣΗ: ΤΡΑΝΖΙΣΤΟΡ ΕΠΙΔΡΑΣΗΣ ΠΕΔΙΟΥ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη των τρανζίστορ επίδρασης πεδίου, και συγκεκριμένα των MOSFETs και τυπικών εφαρμογών τους ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ MOSFET Χρησιμοποιώντας το κύκλωμα του επόμενου σχήματος σαρώστε την τιμή της πηγής τάσης VS1 από 0 έως 30V προκειμένου να πάρετε τη σχέση μεταξύ της τάσης πύλης-εκροής και του ρεύματος το οποίο διαρρέει το MOSFET. Ποιες περιοχές της χαρακτηριστικής αντιστοιχούν στην αποκοπή, στη γραμμική περιοχή και στην περιοχή κόρου; Ποια η τιμή της τάσης κατωφλίου του MOSFET; Χρησιμοποιώντας το κύκλωμα του επόμενου σχήματος σαρώστε την τιμή της πηγής τάσης VS1 από 0 έως 30V προκειμένου να πάρετε τη σχέση μεταξύ της τάσης πηγής-εκροής και του ρεύματος το οποίο διαρρέει το MOSFET. Επαναλάβετε για τιμές της πηγής σταθερής τάσης V1 ίσες με 0V, 5V, 10V και 20V. Ποιες περιοχές των χαρακτηριστικών αντιστοιχούν στην αποκοπή, στη γραμμική περιοχή και στην περιοχή κόρου; 21

22 7.2. ΤΟ MOSFET ΩΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ Προσομοιώστε το κύκλωμα του σχήματος, θέτοντας ως σήμα εισόδου VG1 τετραγωνικούς παλμούς συχνότητας 1kHz με στάθμες 0V και 5V, ώστε να πάρετε σε κοινό διάγραμμα τις κυματομορφές εισόδου (VM1) και εξόδου (VM2). Πώς λειτουργεί το MOSFET στο συγκεκριμένο κύκλωμα; Μπορείτε να σκεφθείτε μια πρακτική εφαρμογή του; 7.3. ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΜΕ MOSFET Προσομοιώστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος θέτοντας ως σήμα εισόδου (VG1) ημιτονοειδή κυματομορφή πλάτους 0.1V, συχνότητας 1kHz και με DC offset +5V, προκειμένου να πάρετε σε κοινό διάγραμμα τις κυματομορφές εισόδου (VG1) και εξόδου (VM1). Ποια η διαφορά φάσης μεταξύ των σημάτων εισόδου και εξόδου; Ποια η απολαβή τάσης του ενισχυτή; 22

23 Θέστε την αντίσταση R1 στην τιμή 9kΩ και υπολογίστε εκ νέου την απολαβή τάσης του ενισχυτή. Τι παρατηρείτε; Τροποποιήστε κατάλληλα το προηγούμενο κύκλωμα ώστε να επιτύχετε απολαβή τάσης ίση με 2. 23

24 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 8 η ΑΣΚΗΣΗ: ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ - ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη διαφορικού ενισχυτή με διπολικά τρανζίστορ, καθώς και των βασικών ιδιοτήτων του τελεστικού ενισχυτή ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Με βάση τον ενισχυτή κοινού εκπομπού του επόμενου σχήματος να σχεδιάσετε τον αντίστοιχο διαφορικό ενισχυτή, και να προσομοιώσετε τη λειτουργία του εφαρμόζοντας κατάλληλα διαφορικά σήματα στις εισόδους του. Ποια είναι η διαφορική απολαβή τάσης του ενισχυτή; Στις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή τον οποίο σχεδιάσατε εφαρμόστε ημιτονικό σήμα κοινού τρόπου με πλάτος 0.5Vpp, συχνότητα 1kHz και DC offset +5V. Ποια η απολαβή κοινού τρόπου; Με βάση τις τιμές της διαφορικής απολαβής και της απολαβής κοινού τρόπου τις οποίες προσδιορίσατε στα δύο προηγούμενα βήματα, υπολογίστε τον λόγο απόρριψης κοινού τρόπου του διαφορικού ενισχυτή. Αξιολογήστε τον διαφορικό ενισχυτή με βάση την τιμή του λόγου απόρριψης κοινού τρόπου τον οποίον υπολογίσατε. Ποια θα ήταν αυτή στην ιδανική περίπτωση; 24

25 8.2. ΤΕΛΕΣΤΙΚΟΣ ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ Προσομοιώστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος προκειμένου να προσδιορίσετε την τάση εξόδου του τελεστικού ενισχυτή καθώς και τις τιμές των ρευμάτων τα οποία διέρχονται από τις εισόδους του. Ποιες οι τιμές που θα αναμέναμε αν ο τελεστικός ενισχυτής ήταν ιδανικός; Σαρώνοντας τις τιμές της τάσης εισόδου (V1) του κυκλώματος μεταξύ -10V και +10V να προσδιορίσετε τη συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος (δηλαδή, τη σχέση της τάσης εξόδου του VM3 με την τάση εισόδου του V1) και να βρείτε την απολαβή τάσης ανοιχτού βρόχου του τελεστικού ενισχυτή. Ποια η χρησιμότητα του κυκλώματος; Προσομοιώστε το ακόλουθο κύκλωμα προκειμένου να προσδιορίσετε την τάση εξόδου του τελεστικού ενισχυτή. Ποια τιμή θα αναμένατε στην ιδανική περίπτωση, και γιατί; 25

26 9 η ΑΣΚΗΣΗ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΩΝ ΤΕΛΕΣΤΙΚΩΝ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη των κυριότερων πρακτικών εφαρμογών των τελεστικών ενισχυτών ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΤΑΣΗΣ Σχεδιάστε και προσομοιώστε κύκλωμα αναστρέφοντα ενισχυτή τάσης με τον τελεστικό ενισχυτή 741. Η επιθυμητή απολαβή τάσης είναι 10. Να προσδιορίσετε με κατάλληλη προσομοίωση σάρωσης τη συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή και να βρείτε το μέγιστο πλάτος του σήματος εισόδου το οποίο δεν οδηγεί σε ψαλίδιση της εξόδου Σχεδιάστε και προσομοιώστε κύκλωμα μη αναστρέφοντα ενισχυτή τάσης με τον τελεστικό ενισχυτή 741. Η επιθυμητή απολαβή τάσης είναι 11. Να προσδιορίσετε με κατάλληλη προσομοίωση σάρωσης τη συνάρτηση μεταφοράς του ενισχυτή και να βρείτε το μέγιστο πλάτος του σήματος εισόδου το οποίο δεν οδηγεί σε ψαλίδιση της εξόδου ΑΠΟΜΟΝΩΤΗΣ Σχεδιάστε και προσομοιώστε κύκλωμα απομονωτή με τη βοήθεια του τελεστικού ενισχυτή 741. Εκτελέστε κατάλληλη προσομοίωση προκειμένου να προσδιορίσετε την αντίσταση εισόδου του κυκλώματος. Ποια η τιμή την οποία θα αναμένατε στην ιδανική περίπτωση; 9.3. ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ Σχεδιάστε και προσομοιώστε κύκλωμα με τέσσερις εισόδους V 1, V 2, V 3 και V 4, το οποίο θα παρέχει στην έξοδό του την τιμή V o =2 V V 2-2 V V Να προσομοιώσετε τη λειτουργία του κυκλώματος του σχήματος της επόμενης σελίδας, θέτοντας ως σήμα εισόδου (VG1) τετραγωνική κυματομορφή συχνότητας 1kHz, πλάτους 2V και με μηδενικό offset. Ποια η χρησιμότητα του κυκλώματος; Στο κύκλωμα του προηγούμενου ερωτήματος εναλλάξτε τη θέση πυκνωτή και αντίστασης και προσομοιώσετε τη λειτουργία του κυκλώματος, θέτοντας ως σήμα εισόδου (VG1) ημιτονική κυματομορφή συχνότητας 1kHz, πλάτους 1V και με μηδενικό offset. Συγκρίνετε την κυματομορφή εισόδου με την κυματομορφή εξόδου. Ποια η χρησιμότητα του κυκλώματος; 26

27 27

28 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 10 η ΑΣΚΗΣΗ: ΤΑΛΑΝΤΩΤΕΣ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη κυκλωμάτων ταλαντωτών με τελεστικό ενισχυτή ως ενεργό στοιχείο ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ HARTLEY Προσομοιώστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος εκτελώντας προσομοίωση μεταβατικής απόκρισης για χρόνο 200ms, θέτοντας ως αρχική τιμή της τάσης εξόδου του κυκλώματος τα 100mV. Υπολογίστε τη συχνότητα και το πλάτος της ταλάντωσης και πειραματισθείτε με τις τιμές των στοιχείων προκειμένου να διαπιστώσετε πώς επηρεάζουν τη συμπεριφορά του κυκλώματος Καταργήστε την αρχική συνθήκη για την τάση εξόδου και προσομοιώστε εκ νέου το κύκλωμα. Τι παρατηρείτε και γιατί; 28

29 10.2. ΤΑΛΑΝΤΩΤΗΣ COLPITTS Προσομοιώστε το κύκλωμα του επόμενου σχήματος εκτελώντας προσομοίωση μεταβατικής απόκρισης για χρόνο 200ms, θέτοντας ως αρχική τιμή της τάσης εξόδου του κυκλώματος τα 100mV. Υπολογίστε τη συχνότητα και το πλάτος της ταλάντωσης και πειραματισθείτε με τις τιμές των στοιχείων προκειμένου να διαπιστώσετε πώς επηρεάζουν τη συμπεριφορά του κυκλώματος. 29

30 ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΑΣΚΗΣΗΣ: 11 η ΑΣΚΗΣΗ: ΦΙΛΤΡΑ Σκοπός της άσκησης είναι η μελέτη απλών κυκλωμάτων παθητικών και ενεργών φίλτρων ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ΠΡΩΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Διαθέτετε αντιστάτες του 1kΩ. Σχεδιάστε τα παθητικά φίλτρα πρώτης τάξης του επόμενου πίνακα με συχνότητα αποκοπής 1kHz και προσομοιώστε τη λειτουργία τους. Επιβεβαιώστε από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης την τιμή της συχνότητας αποκοπής. Παθητικά στοιχεία R-L R-L R-C R-C Τύπος (επιλεκτικότητα) LPF HPF LPF HPF Συνάρτηση Συχνότητα Μεταφοράς Αποκοπής 1 H() s R L f 1 s C 2 L R s H() s R R fc s 2 L L 1 Hs () f 1 1 C RCs 2 RC s Hs () 1 1 f s C 2 RC RC ΠΑΘΗΤΙΚΑ ΦΙΛΤΡΑ ΔΕΥΤΕΡΗΣ ΤΑΞΗΣ Έστω το κύκλωμα του επόμενου σχήματος. Να προσδιορίσετε τον τύπο (επιλεκτικότητα) του φίλτρου το οποίο υλοποιεί και να εξηγήσετε ποιοτικά την εξάρτηση της απολαβής και της φάσης από τη συχνότητα του σήματος στην είσοδο του φίλτρου Εκτελέστε κατάλληλη AC προσομοίωση του κυκλώματος, κατά την οποία η συχνότητα του σήματος εισόδου να σαρωθεί από 1Hz έως 1MHz. Από τα αποτελέσματα της προσομοίωσης προσδιορίστε την εξάρτηση της απολαβής και της φάσης από τη συχνότητα του σήματος στην είσοδο του φίλτρου, και υπολογίστε τις συχνότητες αποκοπής. 30

31 11.3. ΕΝΕΡΓΑ ΦΙΛΤΡΑ ΠΡΩΤΗΣ ΤΑΞΗΣ Έστω το κύκλωμα του επόμενου σχήματος. Να προσδιορίσετε τον τύπο (επιλεκτικότητα) του φίλτρου το οποίο υλοποιεί και να προσδιορίσετε θεωρητικά την εξάρτηση της απολαβής και της φάσης από τη συχνότητα του σήματος στην είσοδο του φίλτρου Συγκρίνετε τα συμπεράσματα της θεωρητικής ανάλυσης με τα αποτελέσματα κατάλληλης AC προσομοίωσης του κυκλώματος, στην οποία η συχνότητα του σήματος εισόδου να σαρωθεί από 1Hz έως 1MHz. Υπάρχουν αποκλίσεις από τα συμπεράσματα της θεωρητικής μελέτης, και γιατί; 31