ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Ι. Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ηλεκτρικών Βιομηχανικών Διατάξεων και Συστημάτων Αποφάσεων ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ Ι Σημειώσεις Εργαστηριακών Ασκήσεων

2 Α. Σήματα Η γραφική παράσταση της τάσης συναρτήσει του χρόνου είναι μία χρήσιμη μέθοδος για να περιγράφονται οι αλλαγές που συμβαίνουν στα ηλεκτρονικά κυκλώματα. Όταν η τιμή της τάσης παραμένει σταθερή σε συνάρτηση με τον χρόνο, τότε ονομάζεται συνεχής ή DC τάση. Η μορφή της φαίνεται στο σχήμα 1. Σχήμα 1: Συνεχής τάση Τα σήματα που αποτελούνται από επαναλαμβανόμενα σχήματα ονομάζονται κυματομορφές. Τα σήματα που εναλλάσσουν τα επίπεδα τάσης μεταξύ θετικών και αρνητικών τιμών ονομάζονται εναλλασσόμενα ή AC σήματα. Στο σχήμα 2 φαίνονται διάφορες εναλλασσόμενες κυματομορφές. Οι εναλλασσόμενες κυματομορφές έχουν ως χαρακτηριστικό τις ίσες περιοχές πάνω και κάτω από τον άξονα των Χ. Ανάλογα με το σήμα οι κυματομορφές διακρίνονται σε ημιτονoειδείς, τετραγωνικές, τριγωνικές και πριονωτές. ημιτονοειδής τριγωνική ίσες περιοχές ίσες περιοχές περίοδος Τ τετραγωνική περίοδος Τ ίσες περιοχές πριονωτή ίσες περιοχές περίοδος Τ περίοδος Τ Σχήμα 2: Εναλλασσόμενες κυματομορφές Η περίοδος της κυματομορφής ορίζεται ως ο χρόνος ενός πλήρους κύκλου της τάσης (από μηδέν σε μέγιστη θετική τιμή, μηδέν, μέγιστη αρνητική τιμή και πάλι μηδέν). Η συχνότητα της κυματομορφής ορίζεται ως ο αριθμός των κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Μονάδα μέτρησης της συχνότητας είναι το Hz (Hertz). 1 Hz αντιστοιχεί σε ένα κύκλο το δευτερόλεπτο, 1 khz (χιλιόκυκλος) σε χίλιους κύκλους το δευτερόλεπτο και 1 MHz (μεγάκυκλος) σε ένα εκατομμύριο κύκλους το δευτερόλεπτο.

3 Ημιτονοειδής κυματομορφή Το σχήμα της είναι ίδιο με αυτό του ημιτόνου από την τριγωνομετρία. Είναι η πιο γνωστή και χρήσιμη στα ηλεκτρονικά κυκλώματα κυματομορφή. Συνηθίζεται μάλιστα η εναλλασσόμενη ημιτονοειδής τάση να λέγεται απλώς εναλλασσόμενη τάση. περίοδος Τ πλάτος από κορυφή σε κορυφή πλάτος ή διακύμανση ενεργός τιμή ή rms τιμή συχνότητα f = 1/T Σχήμα 3: Ημιτονοειδής εναλλασσόμενη τάση Η περίοδος και η συχνότητα της ημιτονοειδούς κυματομορφής ορίζεται όπως και στις άλλες κυματομορφές. Το πλάτος είναι το ύψος του ημιτόνου. Η διακύμανση ή από κορυφή σε κορυφή πλάτος είναι το διπλάσιο του πλάτους (ύψος μεταξύ θετικής και αρνητικής κορυφής). Η ενεργός τιμή της εναλλασσόμενης τάσης ή rms τιμή (root mean square) ορίζεται ως η τιμή συνεχούς τάσης που παράγει την ίδια μέση ισχύ με την εναλλασσόμενη. Ως απλό παράδειγμα δίνεται η τροφοδότηση ενός λαμπτήρα από πηγή εναλλασσόμενης και συνεχούς τάσης. Η φωτεινότητα της λάμπας από την συνεχή τάση είναι σταθερή, γι αυτό το ρεύμα που ρέει είναι πάντοτε το ίδιο. Στην περίπτωση όμως της εναλλασσόμενης τάσης η φωτεινότητα μοιάζει να είναι σταθερή, ενώ στην πραγματικότητα μεταβάλλεται στο χρόνο όπως μεταβάλλεται και το ρεύμα. Αυτό που πραγματικά φαίνεται ως σταθερή φωτεινότητα είναι η μέση φωτεινότητα που παράγεται από την εναλλασσόμενη τάση. Αν τώρα ρυθμιστεί η συνεχής τάση σε τέτοια τιμή ώστε η φωτεινότητα που δίνει να είναι ακριβώς ίδια με αυτή της εναλλασσόμενης, τότε η τιμή αυτή της τάσης ονομάζεται ενεργός τιμή της εναλλασσόμενης τάσης. Οι ημιτονεοειδείς εναλλασσόμενες τάσεις παράγονται από περιστροφικές ηλεκτρικές μηχανές. Ένας κύκλος της κυματομορφής αντιστοιχεί σε μία πλήρη περιστροφή της μηχανής. Με αυτή τη λογική αντιστοιχίζεται ο πλήρης κύκλος (μία περίοδος) στις 360ο, ο μισός κύκλος στις 180ο, το τέταρτο του κύκλου στις 90ο και ούτω κάθε εξής. Η αντιστοίχιση αυτή του κύκλου σε μοίρες ονομάζεται φάση.

4 Σχήμα 4: Φάση εναλλασσόμενης ημιτονοειδούς κυματομορφής Όταν δύο κυματομορφές της ίδιας συχνότητας έχουν ταυτόχρονα τις κορυφές τους ονομάζονται συμφασικές. Αντίθετα όταν οι κορυφές έχουν χρονική διαφορά λέγεται ότι έχουν διαφορά φάσης (π.χ. διαφορά φάσης 90ο). Σχήμα 5: Συμφασικές και με διαφορά φάσης ημιτονοειδείς κυματομορφές Σύνθετες κυματομορφές Οι ημιτονοειδείς κυματομορφές μπορεί να αναμιχθούν με συνεχή σήματα ή άλλες ημιτονοειδείς κυματομορφές και να προκύψουν νέες κυματομορφές που καλούνται σύνθετες. Σχήμα 6: Σύνθετη κυματομορφή με συνεχή τάση Στο σχήμα 6 φαίνεται η σύνθεση μιας ημοτονοειδούς κυματομορφής με ένα DC σήμα. Η DC συνιστώσα της σύνθετης κυματομορφής είναι εύκολο να διαχωριστεί χρησιμοποιώντας έναν πυκνωτή. (Η επιλογή AC στο αντίστοιχο κανάλι εισόδου του παλμογράφου κόβει την DC συνιστώσα του σήματος, βάζοντας έναν πυκνωτή σε σειρά. Το σήμα ακέραιο απεικονίζεται με την επιλογή DC).

5 Σύνθετες κυματομορφές προκύπτουν και από μία ημιτονοειδή κυματομορφή συγκεκριμένης συχνότητας που ονομάζεται βασική με άλλες ημιτονοειδείς που η συχνότητά τους αποτελείται από ακέραια πολλαπλάσια της βασικής, που ονομάζονται αρμονικές. Σχήμα 7: Σύνθετη κυματομορφή με αρμονικές Στο σχήμα 7 φαίνεται το αποτέλεσμα της σύνθεσης μίας κυματομορφής με την 3 η αρμονική της, καθώς και το αποτέλεσμα της σύνθεσης της νέας κυματομορφής με την 5 η αρμονική και στη συνέχεια με την 7η αρμονική. Όσο προστίθενται αρμονικές τόσο η κυματομορφή τείνει να γίνει τετραγωνική. Τετραγωνικές κυματομορφές Στο σχήμα 8 δίνεται μία τετραγωνική κυματομορφή Σχήμα 8: Τετραγωνική κυματομορφή Η περίοδος, το πλάτος, το πλάτος από κορυφή σε κορυφή ορίζονται όπως και πριν. Η διαφορά εδώ είναι ότι η ενεργός τιμή είναι ίση με το πλάτος, αφού ναι μεν η τάση εναλλάσσεται από θετικές σε αρνητικές τιμές αλλά η απόλυτη τιμή του πλάτους μένει σταθερή. Η τετραγωνική τάση μπορεί να αλλάζει πολύ γρήγορα από τις θετικές στις αρνητικές τιμές, αλλά αυτό δεν μπορεί να συμβεί στιγμιαία. Χαρακτηριστικό της τετραγωνικής κυματομορφής είναι ο χρόνος ανόδου που ορίζεται ως η διάρκεια που χρειάζεται η τάση από το 10% να φθάσει το 90% της μέγιστης τιμής της. Κύκλος λειτουργίας (duty cycle) ονομάζεται ο λόγος της διάρκειας του θετικού παλμού προς την περίοδο επί τοις εκατό. Όταν ο κύκλος λειτουργίας είναι 50% σημαίνει ότι η διάρκεια του θετικού και του αρνητικού παλμού είναι ίσες. Αύξηση του κύκλου λειτουργίας κατά 25%, σημαίνει κύκλος λειτουργίας 75%, δηλαδή τριπλάσια διάρκεια του θετικού παλμού σε σχέση με τη διάρκεια του αρνητικού. (Ο κύκλος λειτουργίας αλλάζει από το κουμπί SYM ή SYMMETRY της γεννήτριας).

6 Β. Μετρήσεις σε RC Κυκλώματα Ένας πυκνωτής με μία αντίσταση σε σειρά αποτελούν ένα RC κύκλωμα. Τα RC κυκλώματα χαρακτηρίζονται για την απόκρισή τους ως προς τη συχνότητα και ως προς το πλάτος. 1. Απόκριση ως προς τη συχνότητα Τα RC κυκλώματα επιτρέπουν να περάσει το σήμα σε κάποιες συχνότητες, ενώ σε άλλες το κόβουν. Γι αυτό, για την απόκρισή τους ως προς τη συχνότητα καλούνται φίλτρα. Διακρίνονται σε βαθυπερατά και υψιπερατά φίλτρα. Το βαθυπερατό φίλτρο αφήνει το σήμα να περάσει στις χαμηλές συχνότητες και το κόβει στις υψηλές. Αντίθετα το υψιπερατό αφήνει το σήμα να περάσει στις υψηλές συχνότητες και το κόβει στις χαμηλές. Το βαθυπερατό φίλτρο προκύπτει όταν το κύκλωμα έχει ως έξοδο τα άκρα του πυκνωτή (σχήμα 1), ενώ το υψιπερατό όταν το κύκλωμα έχει ως έξοδο τα άκρα της αντίστασης (σχήμα 2). Σχήμα 1: RC κύκλωμα Βαθυπερατό φίλτρο Σχήμα 2: RC κύκλωμα Υψιπερατό φίλτρο Καθώς αυξάνει η συχνότητα, μειώνεται η χωρητική αντίσταση XC, αφού είναι αντιστρόφως ανάλογη της συχνότητας. 1 2 fc Όταν μειώνεται η χωρητική αντίσταση μειώνεται και η συνολική αντίσταση του κυκλώματος και αφού η τάση είναι σταθερή, μικρότερη αντίσταση σημαίνει μεγαλύτερο ρεύμα κλάδου σειράς. Μεγαλύτερο ρεύμα σημαίνει μεγαλύτερη τάση στα άκρα της αντίστασης (αφού η τιμή της μένει σταθερή) και μικρότερη τάση στα άκρα του πυκνωτή (αφού η χωρητική αντίσταση μικραίνει με την αύξηση της συχνότητας) ώστε η συνολική τάση να είναι σταθερή και ίση με της πηγής. XC

7 Στο βαθυπερατό φίλτρο, αύξηση της συχνότητας σημαίνει μείωση του πλάτους εξόδου, αφού η έξοδος είναι στα άκρα του πυκνωτή. Έτσι το σήμα κόβεται στις υψηλές συχνότητες και αντίστροφα περνάει στις χαμηλές. Στο υψιπερατό φίλτρο, αύξηση της συχνότητας σημαίνει αύξηση του πλάτους εξόδου, αφού η έξοδος είναι στα άκρα της αντίστασης. Έτσι το σήμα περνάει στις υψηλές συχνότητες και αντίστροφα κόβεται στις χαμηλές. Διαφορά φάσης Ο πυκνωτής με την αντίσταση έχουν διαφορά φάσης 90ο. Η τάση στα άκρα της αντίστασης VR προηγείται της τάσης εισόδου VS, ενώ η τάση στα άκρα του πυκνωτή VC έπεται της εισόδου. Η διαφορά φάσης μεταξύ τάσης εισόδου και εξόδου στο RC κύκλωμα επομένως είναι μία γωνία μεταξύ 0 και 90 μοιρών, όπως φαίνεται στο σχήμα 3. Σχήμα 3: Διαφορά φάσης σε RC κύκλωμα Το ρεύμα είναι πάντοτε συμφασικό με την τάση στα άκρα της αντίστασης. Επομένως η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και ρεύματος κλάδου σειράς, ταυτίζεται με την διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και τάσης στα άκρα της αντίστασης. Σύμφωνα με το παραπάνω σχήμα προκύπτει ότι η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και ρεύματος κλάδου σειράς δίνεται από τις σχέσεις: tan 1 VC VR ή tan 1 XC R Όσο αυξάνει η συχνότητα, αφού η τάση στα άκρα του πυκνωτή VC μειώνεται και η τάση στα άκρα της αντίστασης VR αυξάνεται, τόσο πλησιάζει η τάση εισόδου VS την VR και άρα η γωνία θ μικραίνει. Άρα η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου στο μεν βαθυπερατό (έξοδος η VC) μεγαλώνει καθώς αυξάνει η συχνότητα, στο δε υψιπερατό (έξοδος η VR) μικραίνει καθώς αυξάνει η συχνότητα. Μέτρηση διαφοράς φάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου Στο υψιπερατό φίλτρο η έξοδος VR προηγείται της εισόδου, ενώ στο βαθυπερατό η έξοδος VC έπεται της εισόδου. Η διαφορά φάσης δίνεται από την μέτρηση Δt μεταξύ των δύο κυματομορφών (υποδιαιρέσεις x κλίμακα TIME/DIV) όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Στο μεν βαθυπερατό είναι: φ = -2πfΔt και σε μοίρες φ = -360οfΔt στο δε υψιπερατό: φ = 2πfΔt και σε μοίρες φ = 360οfΔt

8 Σχήμα 4: Μέτρηση διαφοράς φάσης Γυρίζοντας το TIME/DIV στη θέση Χ-Υ του παλμογράφου προκύπτει ένα σχήμα Lissajous και η διαφορά φάσης δίνεται όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Προκειμένου να μετρηθεί σωστά η διαφορά φάσης μ αυτόν τον τρόπο θα πρέπει 1) η έξοδος να είναι στο κανάλι Y του παλμογράφου και η είσοδος στο κανάλι X του παλμογράφου, 2) τα Volts/Div και των δύο καναλιών να είναι στην ίδια κλίμακα και 3) να γειωθούν αρχικά και τα δύο κανάλια, να τοποθετηθεί η κουκίδα που εμφανίζεται στο κέντρο της οθόνης του παλμογράφου και έπειτα οι διακόπτες των δύο καναλιών να ρυθμιστούν στη θέση DC. Σχήμα 5: Μέτρηση διαφοράς φάσης με σχήμα Lissajous Μέτρηση διαφοράς φάσης μεταξύ ρεύματος κλάδου σειράς και εισόδου Προκειμένου να μετρηθεί η διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος κλάδου σειράς και εισόδου μετράται η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και VR, αφού η τάση στα άκρα της αντίστασης είναι συμφασική με το ρεύμα. Στο υψιπερατό κύκλωμα, που η έξοδος είναι στα άκρα της αντίστασης R, η διαφορά φάσης μεταξύ εισόδου και εξόδου ταυτίζεται με τη διαφορά φάσης μεταξύ ρεύματος κλάδου σειράς και εισόδου. Στο βαθυπερατό κύκλωμα που η έξοδος είναι στα άκρα του πυκνωτή C, θα πρέπει να οδηγηθεί η τάση στα άκρα της R στο ένα κανάλι του παλμογράφου, προκειμένου να μετρηθεί η διαφορά φάσης μεταξύ VR και εισόδου. Θα πρέπει όμως στην περίπτωση αυτή να προσεχθεί το κοινό σημείο αναφοράς που γίνεται η μέτρηση, δηλαδή η γείωση. Αν οδηγηθεί η είσοδος και η VR στα δύο κανάλια του παλμογράφου, ενώ η έξοδος είναι στα άκρα του πυκνωτή θα συμβεί βραχυκύκλωμα στα άκρα του πυκνωτή όπως φαίνεται στο σχήμα 6, με αποτέλεσμα το κύκλωμα να αλλάξει και να μην γίνεται σωστά η μέτρηση (θα δείχνει διαφορά φάσης 0, αφού στην ουσία στο κύκλωμα πλέον θα υπάρχει μόνο η αντίσταση).

9 Σχήμα 6: Λάθος σύνδεση προκειμένου να οδηγηθεί η VR προς μέτρηση στον παλμογράφο Για να γίνει σωστά η μέτρηση θα πρέπει να αλλάξει το + και το της γεννήτριας, ώστε η είσοδος με την VR να έχουν κοινό σημείο αναφοράς στη γείωση, όπως φαίνεται στο σχήμα 7. Σχήμα 7: Σωστή σύνδεση προκειμένου να οδηγηθεί η VR προς μέτρηση στον παλμογράφο 2. Απόκριση ως προς το πλάτος Τα RC κυκλώματα για την απόκριση τους ως προς το πλάτος διακρίνονται σε ολοκληρωτές και διαφοριστές. Το κύκλωμα RC ολοκληρώνει την είσοδο όταν η έξοδος είναι στα άκρα του πυκνωτή (σχήμα 1), ενώ διαφορίζει την είσοδο όταν η έξοδος είναι στα άκρα της αντίστασης (σχήμα 2). Για παράδειγμα η ολοκλήρωση της εισόδου όταν είναι τετραγωνικός παλμός 10 V δίνεται στο σχήμα 8, ενώ η διαφόρισή της δίνεται στο σχήμα 9. φόρτιση εκφόρτιση Σχήμα 8: Ολοκλήρωση τετραγωνικού παλμού σε RC κύκλωμα (έξοδος τα άκρα του πυκνωτή) Σχήμα 9: Διαφόριση τετραγωνικού παλμού σε RC κύκλωμα (έξοδος τα άκρα της αντίστασης)

10 Χαρακτηριστικό των κυκλωμάτων RC είναι η σταθερά χρόνου τ που είναι ίση με το γινόμενο των τιμών της αντίστασης και του πυκνωτή (τ = R.C). Αν η διάρκεια του παλμού εισόδου είναι μεγαλύτερη ή ίση από το πενταπλάσιο της τιμής της σταθεράς χρόνου, τότε ο πυκνωτής στο κύκλωμα φορτίζεται και εκφορτίζεται πλήρως. Στο σχήμα 10 φαίνεται πώς μεταβάλλεται η έξοδος καθώς αυξάνει η σταθερά χρόνου για το βαθυπερατό φίλτρο ολοκληρωτή RC κύκλωμα και στο σχήμα 11 πώς μεταβάλλεται η έξοδος καθώς αυξάνει η σταθερά χρόνου για το υψιπερατό φίλτρο διαφοριστή RC κύκλωμα. Για τον ολοκληρωτή φαίνεται πως όσο αυξάνει η σταθερά χρόνου, η έξοδος τείνει σε σταθερή DC τιμή, ενώ για τον διαφοριστή τείνει να δίνει τετραγωνικό παλμό. Σχήμα 10: Έξοδος ολοκληρωτή RC κυκλώματος καθώς αυξάνει η σταθερά χρόνου Σχήμα 11: Έξοδος διαφοριστή RC κυκλώματος καθώς αυξάνει η σταθερά χρόνου

11 3. Χρήση breadboard για υλοποίηση κυκλωμάτων Προκειμένου να υλοποιήσετε τα κυκλώματα RC των σχημάτων 1 και 2 θα χρησιμοποιήσετε ένα breadboard όπως δίνεται στο σχήμα 12. Σχήμα 12: Βreadboard για υλοποίηση κυκλωμάτων Στις εσωτερικές λωρίδες του breadboard οι θέσεις είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους κάθετα, ενώ στις εξωτερικές λωρίδες οι θέσεις είναι βραχυκυκλωμένες μεταξύ τους οριζόντια όπως δείχνουν και οι κίτρινες γραμμές στο σχήμα 12. Οι βραχυκυκλωμένες θέσεις αποτελούν κοινό σημείο (στις εσωτερικές λωρίδες ανά πέντε θέσεις κάθετα και στις εξωτερικές ανά είκοσι θέσεις οριζόντια). Για την πραγματοποίηση ενός πυκνωτή σε σειρά με μία αντίσταση αρκεί να τοποθετηθούν το ένα άκρο της αντίστασης σε βραχυκυκλωμένη θέση με το ένα άκρο του πυκνωτή όπως φαίνεται στο σχήμα 13. Σχήμα 13: Υλοποίηση RC κυκλωμάτων με χρήση breadboard

12 Γ. Μετρήσεις σε διάταξη ημιανόρθωσης Για την μετατροπή εναλλασσομένου τάσεως σε συνεχή χρησιμοποιούνται ανορθωτικά στοιχεία. Η ανόρθωση μπορεί να είναι απλή οπότε ονομάζεται και ημιανόρθωση ή πλήρης οπότε ονομάζεται και διπλή ή πλήρης ανόρθωση. Η άσκηση 3 αφορά στην ημιανόρθωση της τάσης. 4. Ημιανόρθωση Ημιανόρθωση της τάσης προκύπτει όταν η έξοδος είναι ίση με την είσοδο από ντ έως ντ+τ/2 και μηδέν από ντ+τ/2 έως (ν+1)τ όπως φαίνεται στο σχήμα 1. Σχήμα 1: Ημιανορθωμένη τάση Η ημιανόρθωση επιτυγχάνεται με μία δίοδο η οποία άγει όταν η τάση στα άκρα της είναι θετική (λειτουργεί σαν βραχυκύκλωμα), ενώ δεν άγει όταν η τάση στα άκρα της είναι αρνητική (λειτουργεί σαν ανοικτοκύκλωμα), όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Στο σχήμα 2 επίσης φαίνεται η χαρακτηριστική καμπύλη Id = f(vd) της ιδανικής διόδου. Σχήμα 2: Λειτουργία και χαρακτηριστική καμπύλη ιδανικής διόδου

13 Στην πραγματικότητα η δίοδος δεν είναι ιδανική. Στο σχήμα 3 δίνεται το ισοδύναμο κύκλωμα μιας πραγματικής διόδου, όπου η δίοδος προσομοιώνεται με μία πτώσης τάσης 0.7 V στα άκρα της και με μία αντίσταση. Η χαρακτηριστική καμπύλη της πραγματικής διόδου φαίνεται επίσης στο σχήμα 3. Λόγω της πτώσης τάσης στα άκρα της το ρεύμα παραμένει μηδέν για ακόμη 0.7 V, ενώ λόγω της αντίστασης υπάρχει μία γραμμική αύξηση (κλίση ευθείας) του ρεύματος συναρτήσει της τάσης. Σχήμα 3: Ισοδύναμο κύκλωμα και χαρακτηριστική καμπύλη πραγματικής διόδου Επίδραση υψηλής συχνότητας Στην υψηλή συχνότητα τη λειτουργία της διόδου επηρεάζουν παρασιτικές χωρητικότητες αφού ως γνωστόν: 1 2 fc Η παρασιτική χωρητικότητα ισοδυναμεί με έναν πυκνωτή παράλληλα στην δίοδο. Στην υψηλή συχνότητα η χωρητική αντίσταση γίνεται πολύ μικρή δημιουργώντας αγώγιμη διαδρομή. XC Η δίοδος δεν είναι ιδανική και δεν σταματά να άγει ακαριαία όταν η τάση γίνεται αρνητική, χρειάζεται κάποιο χρόνο για να έλθει στην κατάσταση μη αγωγής, τον αντίστροφο χρόνο επαναφοράς (reverse recovery time). Το φαινόμενο αυτό είναι πιο έντονο στην υψηλή συχνότητα. Μέτρηση πλάτους και διακύμανσης Το κύκλωμα που ζητείται να πραγματοποιήσετε εργαστηριακά δίνεται στο σχήμα 4. Σχήμα 4: Κύκλωμα διάταξης ημιανόρθωσης Για να μετρηθεί σωστά το πλάτος της ημιανορθωμένης τάσης θα πρέπει να γειωθεί πρώτα το κανάλι εξόδου, έπειτα να τεθεί στη θέση dc ο μεταγωγός του καναλιού και να μετρηθεί το πλάτος από το μηδέν της

14 γείωσης, όπως για παράδειγμα στην εικόνα του σχήματος 5. Αντίθετα η διακύμανση μετράται από κορυφή σε κορυφή. Σχήμα 5: Πλάτος και διακύμανση ημιανορθωμένης τάσης 5. Εξομάλυνση ημιανορθωμένης τάσης Η εξομάλυνση της ημιανορθωμένης τάσης επιτυγχάνεται τοποθετώντας παράλληλα στην αντίσταση εξόδου έναν πυκνωτή. Σχήμα 6: Εξομάλυνση ημιανορθωμένης τάσης Ο πυκνωτής εξομαλύνει την ημιανορθωμένη τάση προσθέτοντας dc συνιστώσα στην έξοδο, όπως φαίνεται στο σχήμα 7. Σχήμα 7: Εξομάλυνση ημιανορθωμένης τάσης με πυκνωτή Μεγαλύτερη χωρητικότητα προκαλεί στην ίδια είσοδο μεγαλύτερη εξομάλυνση, όπως φαίνεται στο σχήμα 8. Στο β απεικονίζεται η έξοδος όταν έχει παραλληλισθεί με την αντίσταση μεγαλύτερη χωρητικότητα απ αυτήν του α.

15 β α Σχήμα 8: Εξομάλυνση ημιανορθωμένης τάσης για διαφορετικούς πυκνωτές Ως συντελεστής εξομάλυνσης ορίζεται η ποσοστιαία ελάττωση της διακύμανσης. Δηλαδή η διαφορά της διακύμανσης με τον πυκνωτή ΔVC από την διακύμανση χωρίς τον πυκνωτή ΔVR προς τη διακύμανση χωρίς τον πυκνωτή επί τοις εκατό. Συντελεστής εξομάλυνσης = VR VC 100 VR Η επίδραση του πυκνωτή στην ημιανορθωμένη τάση δίνεται στο σχήμα 9. α β γ Σχήμα 9: Εξομάλυνση της ημιανορθωμένης τάσης με πυκνωτή Στο πρώτο τέταρτο της περιόδου η δίοδος άγει επιτρέποντας στον πυκνωτή να φορτιστεί μέχρι την τιμή Vp(in) 0.7V, όπως φαίνεται στο σχήμα 9α. Όταν η είσοδος αρχίζει να μειώνεται από την κορυφή της (9β), ο πυκνωτής εκφορτίζεται και η δίοδος σταματά να άγει αφού η κάθοδος γίνεται πιο θετική από την άνοδο. Ο πυκνωτής συνεχίζει να εκφορτίζεται δια μέσου της αντίστασης με ρυθμό που καθορίζει η σταθερά χρόνου τ=rc (που συνήθως είναι μεγαλύτερη συγκριτικά με την περίοδο εισόδου). Όσο μεγαλύτερη είναι η σταθερά χρόνου τόσο λιγότερο εκφορτίζεται ο πυκνωτής. Όταν η τάση εισόδου ξεπεράσει την τάση στα άκρα του πυκνωτή κατά 0.7V περίπου η δίοδος αρχίζει και πάλι να άγει όπως φαίνεται στο σχήμα 9γ.