Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας

Transcript

1 Άσκηση 10 Στοιχεία ηλεκτρονικής τεχνολογίας ΔΙΟΔΟΣ Οι περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι τηλεοράσεις, τα στερεοφωνικά συγκροτήματα και οι υπολογιστές χρειάζονται τάση dc για να λειτουργήσουν σωστά. Αφού η τάση της γραμμής είναι εναλλασσόμενη, το πρώτο πράγμα που απαιτείται είναι η μετατροπή της ac τάσης της γραμμής σε dc τάση. Το τμήμα της ηλεκτρονικής διάταξης που παράγει αυτή τη dc τάση ονομάζεται τροφοδοσία. Μέσα στο τροφοδοτικό υπάρχουν κυκλώματα που επιτρέπουν τη ροή του ρεύματος σε μία μόνο κατεύθυνση. Τα κυκλώματα αυτά ονομάζονται ανορθωτές και στα οποία η παρουσία των διόδων είναι απαραίτητη. Αντικείμενο της εργαστηριακής αυτής άσκησης είναι η επαφή με το κυκλωματικό στοιχείο της διόδου και ο πειραματισμός με τα κυκλώματα που κάνουν χρήση της στην υλοποίηση ενός αριθμού από λειτουργίες. Η δίοδος είναι το απλούστερο και το πιο θεμελιώδες μη γραμμικό κυκλωματικό στοιχείο. Αποτελεί τη βάση σχεδόν όλων των κυκλωματικών στοιχείων σε ημιαγωγούς. Στο σχήμα 6 δίδεται το κυκλωματικό σύμβολο της διόδου και οι συνδεσμολογίες ορθής και ανάστροφης πόλωσης. Στην ορθή πόλωση ένα μεγάλο ρεύμα ID διαρρέει τη δίοδο η τιμή του οποίου δίδεται από το νόμο επαφής, ενώ στην ανάστροφη πόλωση η δίοδος διαρρέεται από ένα πολύ μικρό ρεύμα, το ανάστροφο ρεύμα κόρου IS, το οποίο σε πολλές εφαρμογές μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο. Υπό αυτό το πρίσμα η δίοδος μπορεί να θεωρηθεί ως μία βαλβίδα ρεύματος μονής ροής:

2 Σχήμα 1: α) Κυκλωματικό σύμβολο διόδου, β) ορθή πόλωση και γ) ανάστροφη πόλωση Ο θετικός ακροδέκτης της διόδου ονομάζεται άνοδος (anode) και ο αρνητικός κάθοδος (cathode). Η συνηθισμένη ωμική αντίσταση αποτελεί γραμμική διάταξη (linear device), επειδή η γραφική παράσταση του ρεύματός της σε σχέση με την τάση είναι μία ευθεία γραμμή. Η δίοδος διαφέρει. Αποτελεί μη γραμμική διάταξη (non-linear device), επειδή η γραφική παράσταση του ρεύματος με την τάση δεν σχηματίζει ευθεία γραμμή. Ο λόγος είναι το φράγμα δυναμικού (barier potential). Όταν η τάση της διόδου είναι μικρότερη από το φράγμα δυναμικού τότε, το ρεύμα της διόδου είναι μικρό. Όταν η τάση της διόδου υπερβαίνει το φράγμα δυναμικού, τότε το ρεύμα της διόδου αυξάνεται γρήγορα. Στο σχήμα 7 δίδεται η χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης της διόδου (στατική χαρακτηριστική διόδου). Διακρίνονται οι περιοχές ορθής (VD>0) και ανάστροφης (VD<0) πόλωσης καθώς και η περιοχή κατάρρευσης (VD<-VZ). Επίσης, στο σχήμα διακρίνεται η τάση αποκοπής VD0 της διόδου για την οποία η δίοδος παύει να άγει όταν (VD<VD0) στην ορθή πόλωση και ονομάζεται τάση αποκοπής ή τάση καμπής (τάση κατωφλίου) της διόδου. Σχήμα 2: Στατική χαρακτηριστική διόδου

3 Δηλαδή όταν η δίοδος είναι ορθά πολωμένη δεν υπάρχει σημαντικό ρεύμα μέχρι η τάση της διόδου να γίνει μεγαλύτερη από το φράγμα δυναμικού. Από την άλλη, όταν η δίοδος είναι ανάστροφα πολωμένη, δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου ανάστροφο ρεύμα, μέχρι η τάση της διόδου να φτάσει την τάση κατωφλίου. Τότε δημιουργείται μεγάλη ποσότητα ανάστροφου ρεύματος, καταστρέφοντας τη δίοδο. Υπάρχουν διάφορα είδη ημιαγώγιμων διόδων, όπως φαίνεται και στο σχήμα 8: Δίοδος LED Φωτοδίοδος Δίοδος Schottky SCR Δίοδος Tunnel Varicap Δίοδος Zener Σχήμα 8: Διάφοροι τύποι ημιαγώγιμων διόδων. Στο σχήμα 9 δίδεται η εικόνα της διόδου Ν4148 που θα χρησιμοποιηθεί στην άσκηση. Η πλευρά της καθόδου της διόδου σημειώνεται με τη χαρακτηριστική μαύρη λωρίδα Σχήμα 9: Η δίοδος Ν4148 Ημιανορθωτής Στο σχήμα 10 παρουσιάζει το κύκλωμα ενός απλού ημιανορθωτή. Η πηγή ac δημιουργεί ημιτονοειδή τάση. Η θετική ημι-περίοδος της τάσης πηγής θα πολώσει ορθά την δίοδο, οπότε η θετική ημι-περίοδος της τάσης πηγής θα εμφανιστεί στα άκρα της

4 αντίστασης φορτίου. Στην αρνητική ημι-περίοδο, η δίοδος είναι αρνητικά πολωμένη, με συνέπεια η δίοδος να λειτουργεί σαν ανοιχτός διακόπτης. Σχήμα 10: Κύκλωμα ιδανικού ημιανορθωτή. Στο σχήμα 11 που ακολουθεί παρουσιάζεται η γραφική παράσταση της κυματομορφής της τάσης εισόδου V in καθώς και της τάσης V out ενός ημιανορθωτή. Σχήμα 11: Είσοδος ημιανορθωτη, έξοδος ημιανορθωτή. Στο κύκλωμα αυτό του ημιανορθωτή ή ανορθωτή ημικύματος, η δίοδος, άγει τις θετικές ημιπεριόδους, αλλά δεν άγει τις αρνητικές. Η κυματομορφή αυτού του είδους ονομάζεται σήμα ημικύματος ή ημικύμα. Η τάση ημικύματος δημιουργεί ρεύμα φορτίου μίας κατεύθυνσης, δηλαδή ρέει προς μία μόνο κατεύθυνση.

5 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΗ 1η α. Συνδέστε το κύκλωμα του σχήματος 13 Σχήμα 13 Χρησιμοποιήστε αντίσταση R = 1 kω, πυκνωτή με χωρητικότητα C = 1 μf. Μεταβάλλοντας τη συχνότητα της γεννήτριας στην περιοχή 0 v 10 khz καταγράψτε σε κατάλληλο πίνακα το δυναμικό V in και V out με τη βοήθεια του πολύμετρου. Αποδώστε σε γραφική παράσταση το λόγω V out / V in ως συνάρτηση της συχνότητας. Σχολιάστε το αποτέλεσμα. β. Επαναλάβετε την άσκηση για το κύκλωμα του σχήματος 14 Σχήμα 14 γ. Όμοια για τη συνδεσμολογία του σχήματος 15

6 Σχήμα 15 Όπου L είναι πυκνωτής με συντελεστή αυτεπαγωγής L = 44 mh. Άσκηση 2η α. Συνδέστε το κύκλωμα του σχήματος 16 Σχήμα 16 Όπου R = 1kΩ. β. Να παρατηρηθεί στον παλμογράφο η τάση εισόδου V in καθώς και η τάση εξόδου V out. Σχολιάστε το αποτέλεσμα. γ. Μεταβάλλοντας το πλάτος της τάσης εισόδου V in, παρατηρήστε πως συμπεριφέρεται η τάση εξόδου V out. δ. Για διάφορες συχνότητες της τάσης εισόδου V in, παρατηρήστε πως συμπεριφέρεται η τάση εξόδου V out. Ανορθωτής Πλήρους Κύματος Το σχήμα 1 δείχνει έναν ανορθωτή πλήρους κύματος (Full-wave rectifier). Ο ανορθωτής πλήρους κύματος ισοδυναμεί με δύο ημιανορθωτές. Λόγω της διάταξης αυτής κάθε ανορθωτής έχει τάση εισόδου ίση με τη μισή της τάσης της πηγής. Η δίοδος D 1 άγει κατά την θετική ημιπερίοδο, ενώ η D 2 άγει κατά την αρνητική ημιπερίοδο. Αυτό έχει ως συνέπεια το ανορθωμένο πλέον ρεύμα να διαρρέει την αντίσταση καθ όλη τη διάρκεια μίας περιόδου και όχι μόνο κατά τη διάρκεια της μισής περιόδου, όπως συμβαίνει στην περίπτωση του ημιανορθωτή. Ο ανορθωτής πλήρους κύματος λειτουργεί σαν δύο ημιανορθωτές συνδεδεμένους κατά αντίθεση (back to-back).

7 Σχήμα 1: (α) Ανορθωτής πλήρους κύματος, (β) Ισοδύναμο κύκλωμα θετικής ημιπεριόδου, (γ) Ισοδύναμο κύκλωμα αρνητικής ημιπεριόδου και (δ) Έξοδος πλήρους κύματος Το σχήμα 1β αντιστοιχεί στη θετική ημιπερίοδο. Η δίοδος D 1, που είναι ορθά πολωμένη κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου, δημιουργεί θετική τάση φορτίου, όπως δηλώνουν και τα πρόσημα + και στα άκρα της αντίστασης R. Το σχήμα 1γ παρουσιάζει το αντίστοιχο κύκλωμα κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου. Κατά την αρνητική ημιπερίοδο η δίοδος D 2 είναι αρνητικά πολωμένη με συνέπεια και αυτή όπως και η D 1 να δημιουργεί θετική τάση στα άκρα της αντίστασης. Κατά τη διάρκεια και των δύο ημιπεριόδων το ρεύμα στα άκρα της αντίστασης έχει την ίδια θετική πολικότητα και το ρεύμα διαρρέει την αντίσταση προς την ίδια

8 κατεύθυνση. Το κύκλωμα αυτό ονομάζεται ανορθωτής πλήρους κύματος επειδή έχει μετατρέψει την ac τάση εισόδου σε παλμική dc τάση εξόδου, όπως φαίνεται και στο σχήμα 1γ. Γέφυρα Ανόρθωσης Το σχήμα 2α δείχνει μία γέφυρα ανόρθωσης. Πρόκειται ουσιαστικά για έναν ανορθωτή πλήρους κύματος, αφού δημιουργεί τάση εξόδου πλήρους κύματος. Οι δίοδοι D 1 και D 2 άγουν κατά τη θετική ημιπερίοδο ενώ οι δίοδοι D 3 και D 4 άγουν κατά την αρνητική ημιπερίοδο. Αυτό έχει ως συνέπεια το ανορθωμένο πλέον ρεύμα να διαρρέει την αντίσταση κατά την διάρκεια και των δύο ημιπεριόδων. Το σχήμα 2β δείχνει το ισοδύναμο κύκλωμα κατά τη διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου. Όπως φαίνεται στο σχήμα 2β, οι δίοδοι D 1 και D 2 είναι ορθά πολωμένες, με συνέπεια τη δημιουργία θετικής τάσης, όπως δηλώνουν και τα πρόσημα στα άκρα της αντίστασης. Το σχήμα 2γ παρουσιάζει το ισοδύναμο κύκλωμα κατά τη διάρκεια της αρνητικής ημιπεριόδου. Οι δίοδοι D 3 και D 4 είναι ορθά πολωμένες, με αποτέλεσμα τη δημιουργία θετικής τάσης στα άκρα της αντίστασης, όπως και στην προηγούμενη περίπτωση κατά την διάρκεια της θετικής ημιπεριόδου. Δηλαδή η γέφυρα ανόρθωσης λειτουργεί σαν δύο ζεύγη ημιανορθωτών. Κατά τη διάρκεια μίας περιόδου (δηλαδή της θετικής και της αρνητικής ημιπεριόδου), η τάση στα άκρα της αντίστασης έχει την ίδια θετική πολικότητα και το ρεύμα που την διαρρέει βρίσκεται στην ίδια κατεύθυνση. Με το κύκλωμα αυτό επιτυγχάνεται η μεταβολή της ac τάσης εισόδου, σε παλμική dc τάση εξόδου όπως φαίνεται χαρακτηριστικά και στο σχήμα 2δ. Η διαφορά της γέφυρας ανόρθωσης, από τον ανορθωτή πλήρους κύματος που αναλύθηκε προηγουμένως, έγκειται στο γεγονός ότι στην περίπτωση της γέφυρας ανόρθωσης γίνεται εκμετάλλευση όλης της τάσης που δίνει η πηγή, γεγονός που δεν επιτυγχάνεται στην περίπτωση του ανορθωτή πλήρους κύματος.

9 Σχήμα 2: (α) Γέφυρα ανόρθωσης, (β) Ισοδύναμο κύκλωμα θετικής ημιπεριόδου, (γ) Ισοδύναμο κύκλωμα αρνητικής ημιπεριόδου και (δ) Έξοδος πλήρους κύματος

10 Πειραματικό μέρος Συνδέστε το κύκλωμα του σχήματος 3. Συνδέστε τα άκρα της αντίστασης στo κανάλι I του παλμογράφου και τα άκρα της γεννήτριας στο κανάλι II του παλμογράφου. Ρυθμίστε τους επιλογείς του παλμογράφου που καθορίζουν τη θέση του κάθε σήματος, ώστε να συγκρίνετε τα δύο σήματα. Δικαιολογείστε την κυματομορφή που προκύπτει. Σχ.3.