آزمایش شماره 5 طرح و ساخت منبع تغذیه

Transcript

1 آزمایش شماره 5 طرح و ساخت منبع تغذیه هدف: یک سو کردن ولتاژ متناوب به وسیله دیود نیمه هادی صاف کردن و بررسی ریپل )موجک( و اندازه گیری آن. وسایل آزمایش : ولتمتر- اسیلوسکوپ منبع ac دیود- مقاومت خازن الکترولیت- سلف مقدمه: با توجه به تئوری آزمایش 5 برای تبدیل ولتاژ متناوب به ولتاژ )جریان( یکسو شده از مشخصه های غیر خطی دیود استفاده می گردد که این عمل را یکسوسازی می نامند. حذف و از بین بردن حالت متغیر بودن جریان یکسو شده را صاف کردن )فیلتر کردن( گویند. در مدارهای یکسوساز با توجه به نوع مدار از یک دو یا چهار دیود برای یکسوسازی استفاده می شود و برای بهتر نمودن مشخصه منبع تغذیه در قسمت انتهایی از تنظیم کننده استفاده می شود. ترکیبی از یکسوساز صافی و تنظیم کننده را منبع تغذیه Supply) (Power می نامند. یکسو سازی با یک دیود: در حالت ایده آل یک دیود بایستی جریان را در جهت مستقیم به آسانی عبور دهد و در جهت معکوس مانع عبور آن گردد. دیودهای عملی مشخصه نزدیک به حالت ایده آل دارند به طور مثال دیودهای نیمه هادی افت ولتاژ کمی در جهت مستقیم دارند و از طرفی اجازه عبور یک جریان خیلی کمی را در جهت معکوس می دهند. از افت ولتاژ مستقیم و جریان معکوس با کمی خطا می توان چشم پوشی کرد. یک مدار یکسوساز عملی در شکل )- الف( نشان داده شده است. یک ترانسفورماتور ولتاژ ولت با فرکانس 5Hz را به ولتاژ خروجی مناسب )9( تبدیل می نماید که این ولتاژ به طور سری به ترکیب دیود و مقاومت برای تحلیل تقریبی دیود واقعی مانند دیود ایده آل نمایش داده می شود و از افت ولتاژ نمائیم ضمنا از مقاومت داخلی ترانسفورماتور صرفنظر می شود. به ازاء ولتاژ m sin t جریان مطابق شکل - ج است یعنی داریم L F اعمال می شود. و جریان معکوس صرف نظر i L m i 0 sin t L 0 t t )(

2 I L I L m Im IDC π π ج- شکل موج خروجی ب- مدار معادل الف- یکسو ساز نیم موج شکل مقصود از یکسو سازی به دست آوردن جریان مستقیم است مؤلفه DC جریان بار L صورت زیر می باشد: برابر مقدار متوسط I بوده و به I dc I dc 0 i d I m 0 / 38 m m t dt 0 cos t I m 0 sin t L L 0 )( جریان مقاومت بار در حالت نیم موج محاسبه شد که دیده می شود و مؤلفه DC تقریبا 0 درصد مقدار ماکزیمم است. همان طور که گفته شد نتیجه دلخواه یکسو سازی ایجاد جریان مستقیم است ولی عمال جریان خروجی مدار یکسو ساز عالوه بر مؤلفه DC شامل یک مؤلفه ac هم می باشد. برای اندازه گیری میزان خوب بودن یکسو سازی»ضریب موجک«(ripple) را بصورت زیر تعریف می کنیم. I r I ac dc مؤثر مؤلفه ac ac( rms) مؤلفه dc dc مقدار )0( چون اتالف توان در مقاومت بار همان مقدار rms جریان است و توان کل برابر است با اتالف توسط مؤلفه های مستقیم و متناوب I rms. L Idc. L Iac. L Iac Irms Idc )4( r I rm I I dc dc I I rms dc )5( اگر ضریب موجک کم باشد مدار به خوبی جریان متناوب را به جریان مستقیم تبدیل می کند )شکل (

3 ripple dc شکل مثال: با بکارگیری یک ولتمتر ac و DC ولتاژهای /5 ولت و 5 ولت قرائت شده است. ضریب موجک را حساب کنید. ac rms r dc 00% 6% حل : جریان ) rms I) یکسو کننده های نیم موج را روابط زیر به دست می آید. I مدار نیم موج rms I t m i dt I m sin 0 0 )6( با کمک نتایج فوق و روابط و 0 و رابطه 6 می توان ضریب رپیل را در مورد جریان نیم موج به دست آورد. r نیم موج I I m m. )7(. مدار یک سو کننده نیم موج را با عناصر زیر سوار کنید: از یک ترانسفورماتور 0 ولت به 9 ولت استفاده نمایید. 50Hz kω oscope dc ac (3) شکل 0 () ()

4 . ورودی اسیلوسکوپ را به دو سر مقاومت بار ببنیدید و شکل ولتاژ خروجی را که در روی صفحه آن مشاهده می کنید در جدول )( در محل مربوط رسم نمایید. در ضمن ماکزیمم ( m ( را به کمک اسیلوسکوپ اندازه بگیرید و با دانستن اندازه ( L ( مقدار I m را حساب کنید. 0. با کمک ولت متر DC اختالف پتانسیل DC دو سر L ( DC I( را محاسبه کنید و نتایج را در جدول )( یادداشت کنید و نسبت بدست می دهد مقایسه کنید و اختالف درصد را بیابید. را اندازه گیری نمایید و با دانستن اندازه L dc m 4. اندازه گیری باال را با کمک ولت متر ac تکرار کرده و اختالف پتانسیل ( rms ( دو سر مقدار جریان میانگین I را حساب کنید و آن را با نتیجه ای که رابطه )( I L ( rms I( را حساب کنید و در جدول یادداشت کنید. را بدست آورید و جریان متناوب I I rms m 5. با کمک رابطه 5 اندازه I rms را با استفاده از اندازه گیری های باال حساب کنید و نسبت آنچه رابطه نظری )7( نشان می دهد مقایسه کنید و اختالف درصد را محاسبه کنید. را بدست آورید و آن را با 6. ضریب موجک را با کمک رابطه 4 و اندازه گیری های باال محاسبه کنید و جدول را کامل نمایید و درصد اختالف را از آزمایش را با مقدار نظری آن در رابطه )9( داده شده به دست آورید. یکسو سازی با 4 دیود : مدار زیر یکسو ساز پل )شکل ( می باشد. در این حالت به علت استفاده از هر دو نیمه موج سینوسی مقدار DC بیشتری از حالت قبل با همان ترانسفورماتور را ایجاد می شود. سیکل مثبت موج سینوسی از مسیر abcd و سیکل منفی از مسیر dbca عبور خواهد کرد در نتیجه جریانی که در هر دو حالت از مقاومت بار می گذرد همیشه در یک جهت می باشد و مؤلفه DC دو برابر حالت یکسو سازی نیم موج می باشد. I dc m L Im )0( a 0 c L b m Im π π Idc=0.64 Im d شکل 4 یکسو ساز پل

5 یکی از عیوب مدار پل این است که 4 دیود در مدار الزم می باشد و در نتیجه در این مدار ولتاژی که در دو دیود تلف می شود همیشه با مقاومت بار ) L ) به طوری سری قرار دارند. نوع سوم مدار یکسو ساز تمام موج استفاده از ترانسفورماتور سه سر و دو دیود می باشد که ولتاژ ترانسفورماتور دو برابر ولتاژ ترانسفورماتور حالت پل می باشد ولی همان نتیجه پل را به دست می دهد سیم پیچ دوم ثانویه ولتاژ تهیه می کند. یک چنین سیم پیچی معکوس کننده فاز نامیده می شود وقتی که گذرد و در این حالت چون دیود را با فاز مخالف مثبت است جریان از دیود i D منفی است هیچ جریانی از دیود D نمی گذرد و بالعکس وقتی مثبت است جریان i D و خواهیم داشت: می گذرد و دیود I dc D می از قطع می باشد. بنابراین جریانی که از مقاومت بار در یک سیکل خواهد گذشت i i+ می باشد Im 0 I L m Im Idc=0.64 Im I π π ب- شکل موج خروجی الف- یکسو ساز تمام موج با ترانس سه سر شکل 5 مشابه قسمت قبل میتوان خواهیم داشت: I rms و ضریب موجک را برای مدار تمام موج بدست آورد. I مدار تمام موج rms I m )8 تمام موج r Im I m 0.48 ) گرچه استفاده از یکسو سازهای تمام موج به جای نیم موج مؤلفه ac خروجی را از % به %48 مؤلفه DC کاهش می دهند ولی برای مقصودهای مورد نظر مشخصه فوق رضایت بخش نیست.

6 7. کلیه اندازه گیری ها و محاسبات و رسم شکل هایی که در بندهای تا 6 در مورد ولتاژ یک سو شده نیم موج خواسته شده بود عینا در مدار یکسو کننده تمام موج باال )پل چهار دیودی( تکرار کرده و نتایج را در جدول های مربوط یادداشت کنید. 50Hz L oscope dc ac (3) () () شکل 6 : یکسو کننده تمام موج صافی : برای کاهش مقدار ولتاژ موجک از مدارهای صافی استفاده می شود. مدارهای صافی بین مقاومت بار و مدار یکسو ساز قرار می گیرند. از رایج ترین مدارهای صافی خازن می باشد که به صورت موازی با مقاومت بسته می شود. AC شکل 7 به جای فیلتر در شکل )5( می توان با توجه به نیاز از فیلترهای شکل زیر استفاده کرد. L L L L L شکل 8: انواع فیلتر

7 به طور مثال در شکل 6- الف- خازن را می توان تصور نمود که سدی با امپدانس کم برای مؤلفه ac موج یکسو شده می باشد که به عبارت دیگر می توان تصور نمود که بار الکتریکی در نیم سیکلی که دیود را هدایت می کند ذخیره می شود و در نیم سیکلی که جریان را هدایت نمی کند بار را تخلیه می نماید و تغییرات ولتاژ را کاهش می دهد. برای اینکه به طرز کار فیلترها آشنا شوید یک مثال ساده خواهیم آورد. بحث ریاضی و محاسبه ضریب موجک هر یک از مدارهای فوق به تفصیل در اکثر کتاب های الکترونیک آورده شده است. با توجه به شکل 7- اگر مقاومت دیود کم بوده و مدار به حال تعادل رسیده باشد کار صافی را می توان به این صورت شرح داد که در لحظه 0=t ولتاژ صفراست در صورتی که نقطه k به علت آنکه خازن قبال شارژ شده بود دارای ولتاژ باشد. به عبارت دیگر هنگامی که لحظه A K t=t می باشد A > K دیود هدایت نمی کند و پس از افزایش ولتاژ ورودی m sin t در می گردد و دیود هدایت می نماید. از طرف دیگر با شروع هدایت دیود خازن هم شارژ شده و ولتاژ دو سرش که همان L = K = C است افزایش می یابد و با کاهش ولتاژ ورودی عمل هدایت قطع می شود )زمان t( در زمانی که A > K شده خازن در مقاومت بار L طبق tt تخلیه می شود و این عمل تا نیم پریود بعدی تا زمان t ادامه می یابد و در این لحظه C 3 رابطه e L عمل هدایت دیود دوباره شروع می شود. مقدار متوسط یا مؤلفه DC در مقایسه با حالت نیم موج )بدون صافی( بیشتر و مؤلفه ac کمتر شده و ضریب موجک نیز به مقدار زیادی کاهش می یابد. شکل 9: صافی خازنی 8. در مدار شکل )9( یک خازن میکرو فارادی با مقاومت L موازی کنید )مثبت و منفی خازن شیمیایی را رعایت کنید( در این صورت مدار یکسو کننده همراه با صافی خازنی مانند شکل )7( شده است. با کمک اسیلوسکوپ شکل ولتاژ خروجی را r ac dc روی محورهای مدرج رسم نمایید )ولتاژ ac و DC را بدقت روی شکل مشخص کنید( ضریب موجک را از رابطه حساب کرده در جدول )0( یادداشت کنید. 9. بند 8 را با خازن میکروفارادی تکرار کرده و ضریب موجک را با بند 8 مقایسه کنید.

8 . بندهای 8 و 9 را برای یکسو کننده تمام موج تکرار کرده و تغییرات ضریب موجک را به ترتیب نسبت به بندهای 8 و 9 مقایسه نموده و در مکانهای A و B جدول )0( یادداشت کنید.. در مدار یکسو کننده تمام موج با صافی خازنی ( F =c( مقاومت اهمی را بردارید و بجای آن مقاومت 47 اهمی قرار دهید. ضریب موجک را نسبت به حالت قبل ( F =c و =( k مقایسه نموده و در مکان C جدول )0( یادداشت کنید.. بند را با مقاومت 7 اهم نیم وات انجام داده و تغییر ضریب موجک را نسبت به بند در مکان D جدول )0( یادداشت کنید. تنظيم كننده ولتاژ( egulator ): برای تنظیم ولتاژ خروجی یک منبع تغذیه و بستگی نداشتن آن به تغییرات ولتاژ ورودی و بار خروجی از مدارهای تنظیم کننده ولتاژ استفاده میشود در این مدارها معموال از المپ های گازدار و یا دو قطبی های نیمه هادی )دیود زنر( وترانسفورماتور های اشباع شده استفاده می شود از دیود زنر در تغذیه معکوس به عنوان تنظیم کننده ولتاژ استفاده می کنند که ولتاژ دو سر آن مستقل از جریان خواهد بود شکل 8- ج نمونه یک تنظیم کننده ولتاژ را نشان می دهد که به وسیله دیود زنر ساخته شده است. شرط الزم برای ثابت بودن ولتاژ دو سر مقاومت S < Z L می باشد. I z s z L : : : شکل 0. چرا با افزایش ظرفیت خازن صافی ضریب موجک کاهش می یابد 4. چرا با کاهش مقاومت بار L ضریب موجک افزایش می یابد 5. می دانید کاهش مقاومت بار L مقدار ریپل را افزایش می دهد. حال اگر L را خیلی کم انتخاب کنیم آیا می توان برای از بین بردن ریپل خازن صافی را به هر اندازه بزرگ انتخاب کرد در این زمینه کامال توضیح دهید. توجه داشته باشید که ماکزیمم توان خروجی ترانسفورماتور یک مقدار ثابتی بوده و همچنین دیودها قادر به تحمل یک حداکثر جریانی می باشند.

9 آزمایش شماره 6 رسم منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور ترانزیستور وسیله ای است که جایگزین المپهای خالء الکترونیک شد و توانست همان خاصیت المپها را با ولتاژهای کاری پایین تر مصرف توان و قیمت پایین تر سرعت باال و حجم کمتر داشته باشد.ترانزیستورها عموما" برای تقویت جریان الکتریکی و یا برای عمل کردن در حالت سوییچ بکار برده می شوند. یک ترانزیستور پیوندی از اتصال سه الیه کریستال نیمه هادی مانند سیلیکون و ژرمانیوم تشکیل می شود. الیه وسطی را بیس (Base) و دو الیه جانبی را امیتر (Emitter) و کلکتور (Collector) می نامند. در یک ترانزیستور (NPN) PNP بیس از کریستال نوع (P) N و امیتر و کلکتور از نوع (N) P می باشند. در عمل ضخامت الیه بیس بسیار کمتر از دوالیه دیگر و میزان ناخالصی امیتر چند برابر بیشتر از بیس است. اساس كار ترانزیستور شکل برای درک بهتر اساس کار ترانزیستور بهتر است ترانزیستور را در ناحیه فعال مورد مطالعه قرار دهیم و به همین منظور مداری مطابق شکل در نظر می گیریم. در اینجا بحث را به ترانزیستور PNP اختصاص می دهیم و طبیعتا در نوع دیگر فقط نقش الکترون ها و حفره ها )حامالن بار( جابه جا می شود. همان طور که مالحظه می گردد اتصال کلکتور-بیس به صورت معکوس و امیتر-بیس مستقیم بایاس شده است. می دانیم که جریان معکوس یک اتصال P-N تقریبا ثابت و مستقل از ولتاژ خارجی است و اگر بخواهیم جریان معکوس را افزایش دهیم باید به نحوی میزان حامل های اقلیت را باال ببریم ( حامل اقلیت در کریستال نوع P می شود الکترون ). اول توجه خود را به بایاس معکوس کلکتور-بیس معطوف کنید مدار امیتر-بیس را باز در نظر بگیرید و به جای امیتر یک مولد حفره فرضی بگذارید که با نرخ ثابتی حامل های اقلیت را به الیه N تزریق می کند. با افزایش این نرخ جریان معکوس کلکتور-بیس افزایش می یابد و همچنان مستقل از ولتاژ اعمالی است.

10 شکل یک اتصال P-N در حالت بایاس مستقیم می تواند عمل تزریق حفره را انجام دهد و با توجه به نازک بودن الیه بیس و درصد کم ناخالصی آن فقط مقدار کمی از حفره ها با الکترون های الیه بیس ترکیب و خنثی می شوند و عمده ی حفره ها جذب کلکتور می شوند. در نتیجه با در نظر گرفتن کل مدار تقویت جریان بین بیس و کلکتور انجام می گیرد و برای جریان ها روابط زیر برقرار خواهد بود: مشخصه خروجی β به طور کلی وقتی از مشخصه خروجی ترانزیستور صحبت می کنیم منظور منحنی های تغییرات جریان خروجی بر حسب ولتاژ خروجی و به ازاء مقادیر مختلف جریان ورودی می باشد. از روی آن می توان بعضی از پارامترهای ترانزیستور را بدست آورد. در اتصال امیتر مشترک جریان خروجی ولتاژ خروجی و جریان ورودی می باشد. الف- به منظور بدست آوردن منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور مدار زیر را ببندید. سر ترانزیستور نوع NPN و از جنس سیلیسیم می باشد. در ازای جریانهای ثابت 5 A و 4 و 0 و و و = شکل 0 تغییرات I B را رسم نمایید)ابتدا جداول مربوط راکامل کنید و سپس نمودار تغییرات I c I c بر حسب c را ثبت کرده و منحنی تغییرات آن بر حسب c را رسم کنید(. I B b به مقدار این مقاومت بدست می آید )برای بدست آوردن جریانهای فوق ولتاژ دو سر b از تقسیم ولتاژ دو باید b = 0 4 5

11 باشد( و I c برابر است با می باشد که باید در. حداکثر توانی که ترانزیستور BC 7 می تواند تحمل کند 0 mw C C حین آزمایش دقت شود که حاصلضرب CE I c از 0mw بیشتر نشود. ب- مدار زیر را ببندید و قبل از آزمایش سعی کنید عمل آن را آنالیز نمایید. فرکانس منبع سینوسی 5 Hz قرار دهید و به ازاء جریانهای مختلف تفسیر کنید. ( A ( شکل منحنی را روی اسیلوسکپ مشاهده نموده رسم نمایید و سپس I B شکل 4 این مدار اساس کار دستگاه Curve-tracer می باشد که جزئیات و طرز کار آن را میتوانید در آزمایشگاه مشاهده نمایید )ترانزیستور مورد استفاده BC 7 می باشد(.. چگونگی تشخیص پایه های ترانزیستور توسط مولتی مترهای دیجیتال و آنالوگ موجود در آزمایشگاه شرح دهید )نوع )PNP و NPN ا. گر در مدار شکل )( بخواهیم ترانزیستور PNP( )BC 77 ار دهیم و دیگر المانها و نیز محل ورودی های اسیلوسکوپ را تعویض نکنیم چه تغییراتی باید در مدار فوق حاصل شود تا منحنی مشخصه بر روی اسیلوسکوپ دیده شود محورهای I C CE را بر روی صفحه اسیلوسکوپ مشخص نموده و یک شکل فرضی رسم نمایید و

12 آزمایش 7 تقویت كننده های یک طبقه ترانزیستور در فركانسهای پایين و سيگنالهای كوچک مشخصه ترانزیستور حول نقطه کار آن تا حدود زیادی خطی است بنابراین می توان در این حد بر طبق خصوصیات ترانزیستور معادل هایی برای آن در نظر گرفت. یکی از معادله ها معادله هیبرید نام دارد که در آن ترانزیستور را به صورت شبکه ای چهار قطبی با دو ورودی و دو خروجی در نظر می گیرند. مثال در حالت امیتر مشترک ولتاژ و جریان های ورودی )بیس( و خروجی )کلکتور( شبکه را تشکیل می دهند که دوتای آن ها را مستقل فرض می کنیم و بر حسب دوتای دیگر می نویسند مثال اگر b و i c را از هم مستقل بدانیم داریم: b =f (v c i b ) I c =f (v c i b ) وقتی می گوییم شبکه خطی است بدین معنی است که می توان تابعیت پارامترهای آن را به صورت زیر نوشت: v b =h i b +h v c )( i c =h i b +h v c )( h و h و h و h را پارامترهای هیبرید ترانزیستور می گویند و می توان از روی معادالت مفاهیم خاصی برای آن ها به دست آورد: h h h h v i b v v i i b v c 0 b c i b 0 c ib v b v c 0 c i b 0 امپدانس ورودی )وقتی خروجی اتصال کوتاه است( عکس ضریب تقویت ولتاژ )وقتی که ورودی باز است( ضریب تقویت جریان پیشرو )وقتی خروجی اتصال کوتاه است( عکس مقاومت خروجی )وقتی ورودی باز است(

13 برای تشخیص ماهیت فیزیکی پارامترها معموال اندیس های عددی را که در پایین پارامترهای هیبریدی نوشته شده است به اندیس های حرفی تبدیل می کنند. h =h i h =h r h =h f h =h o input résistance with output short- circuit reveres-open-circuit voltage amplification forward short-circuit current gain output conductance with input open-circuit با آنچه گفته شده شبکه زیر را می توان ساخت که معادالت دو سر آن کامال از معادالت )( و )( پیروی می کند. B Ib hie Ic C be hrece hfeib /hoe ce E E اندیس e در پارامتر نشان دهنده این است که ترانزیستور در حالت امیتر مشترک بسته شده است اکنون با قرار دادن این شبکه به عنوان معادل ترانزیستور در هر مداری می توان خصوصیات مدار را محاسبه نمود. یکی از مزیت های معادل هیبرید این است که ورودی و خروجی از یکدیگر مجزا هستند و این در محاسبات سهولت زیادی ایجاد خواهد کرد. عالوه بر این پارامترهای h زیاد دور از ذهن نیستند و می توان آن ها را فورا از روی منحنی مشخصه ترانزیستور بدست آورد مثال h fe همان است یا h oe ضریب زاویه منحنی ce بر حسب i ce است. این پارامترها را اغلب کارخانه سازنده برای هر ترانزیستور در نقطه کار معینی می دهد در غیر این صورت می توان آن ها را به راحتی از طریق اندازه گیری به دست آورد. خط بار DC در تمامی کاربردهای ترانزیستور که در آنها مسئله ی خطی بودن حائز اهمیت است تغییرات جریان و ولتاژ ترانزیستور باید در ناحیه فعال منحنی مشخصه صورت پذیرد. به عبارت دیگر نقطه کار ترانزیستور باید در محل مناسبی در ناحیه فعال تثبیت شود. منظور از نقطه ی کار نقطه ای از منحنی مشخصه است که مختصات آن جریانها و ولتاژهای ترانزیستور را در حالتی که هیچ منبع سیگنالی در مدار وجود ندارد مشخص می نماید. جریان و ولتاژ نقطه کار توسط منبع DC تامین می گردد و در یک تقویت کننده ترانزیستوری توان الزم جهت تقویت سیگنال ورودی از همین منبع DC گرفته می شود. اگر معادله ی KL را در حلقه خروجی مدار )حلقه شامل دهنده یک خط راست با شیب مشخص است که که محور ) بنویسیم به رابطه ای بین و میرسیم که نشان را در نقطه قطع می کند ( ولتاژ منبع

14 تغذیه.)DC چون این معادله باید همواره برقرار باشد خط مذکور تغییرات "خط بار "DC می نامند. و ترانزیستور را مشخص می کندو آن را حال مدار زیر را ببندید و با اندازه گیری CE و I C نقطه کار ترانزیستور را در جدول معین کنید. 560Ω سوال : بر روی منحنی مشخصه ترانزیستور )نمودار ( خط بار استاتیک را رسم نموده نقطه کار را روی آن مشخص نمایید. I I C B CE Cte سوال : از روی منحنی مشخصه ترانزیستور ضریب تقویت جریان را تعیین کنید.

15 اینک مداری را که به صورت فوق بایاس شده است به عنوان یک تقویت کننده امتیر مشترک بررسی میکنیم. برای این کار ورودی را توسط یک خازن به منبع ولتاژ سینوسی و خروجی را نیز توسط یک خازن به اسیلوسکوپ متصل نمایید. همچنین یک خازن میکرو فارادی با مقاومت E موازی کنید )شکل زیر(. + i K Ci K c.k E K Co + - BC07 + CE - o تغييرات ضریب تقویت با فركانس تاکنون بحثی در مورد بستگی ضریب تقویت تقویت کننده ها به فرکانس صورت نگرفته است علت این از یک جهت به این خاطر بود که ما خازن را کال برای سینگنال ac اتصال کوتاه فرض کرده ایم درحالیکه این طور نیست و در هر فرکانسی امپدانس ورودی مقدار غیر صفر دارد حتی مقدار این امپدانس در فرکانس های کم می تواند قابل توجه باشد. به همین دلیل وقتی یک تقویت کننده چند مرحله ای را که با خازن کوپل شده است بررسی می کنیم مشاهده میکنیم در فرکانس های پایین ضریب تقویت به شدت کاهش می یابد تا به صفر می رسد. در فرکانس های باال به خاطر وجود خازن های پراکنده در خود عنصر ترانزیستور دوباره ضریب تقویت کاهش می یابد به طوری که ضریب تقویت بر حسب فرکانس شکل زیر را پیدا می کند: fl fh f فرکانسی را که ضریب تقویت توان به ازای آن نصف می شود فرکانس 3db افت میگویند که دو حد دارد و f H و f L پهنای باند فرکانس تقویت کننده را با f H f- L مشخص می کنند. برای دیدن اثر فرکانس اسیالتور را روی 0KHZ تنظیم کنید.

16 ولتاژ خروجی مدار را بدون اینکه شکل موج خروجی اعوجاجی داشته باشد یعنی شکل موج خروجی کامال سینوسی باشد روی اسیلوسکوپ مشاهده کنید و سپس بدون اینکه در دامنه )ولتاژ( موج ورودی تغییری ایجاد کنید برای بازه فرکانسی 5 هرتز تا مگاهرتز o متصل کنید.( i و A v = o / i را در جدول یادداشت کنید. )می توانید برای اندازه گیری i بدون اینکه خروجی اسیالتور را از مدار قطع نمایید اسیلوسکوپ را به دو سر ورودی حال منحنی A را بر حسب فرکانس به صورت تمام لگاریتمی در نمودار رسم نمایید. f f f سوال 0: نقاط 0dB )نیم قدرت( را روی منحنی پیدا کنید و از آنجا )پهنای باند تقویت کننده( را به دست آورید. سوال 4: ولتاژ ورودی در فرکانس 3KHz را رفته رفته زیاد کنید و ماکزیمم ورودی را قبل از آنکه خروجی اعوجاج پیدا کند اندازه گیری کنید. از روی منحنی مشخصه ترانزیستور توضیح دهید که چه چیز این ولتاژ را محدود می کند سوال 5: نقش خازنهای ورودی و خروجی و همچنین C E چیست

17 آزمایش 8 تقویت كننده های كلکتور مشترك و بيس مشترك الف- تقویت كننده كلکتور مشترك مدار زیر را ببندید: منحنی مشخصه ضریب تقویت ولتاژ بر حسب فرکانس را با اندازه گیری v o و v i برای بازه فرکانسی 5 هرتز تا مگاهرتز )جدول ( به صورت تمام لگاریتمی در نمودار رسم نمایید. )ولتاژ ورودی را به گونه ای تنظیم کنید که شکل موج خروجی بدون اعوجاج باشد( ب- تقویت كننده بيس مشترك مدار فوق را به صورت زیر تغییر دهید. cc=+v Ci=Co=uF c + - Co - + Cb + 00uF- e Ci

18 منحنی مشخصه ضریب تقویت ولتاژ بر حسب فرکانس را با اندازه گیری v o و v i برای بازه فرکانسی 5 هرتز تا مگاهرتز )جدول ( به صورت تمام لگاریتمی در نمودار رسم نمایید. )ولتاژ ورودی را به گونه ای تنظیم کنید که شکل موج خروجی بدون اعوجاج باشد( چیست سوال : با مراجعه به اینترنت بگویید مزایای سه نوع تقویت کننده امیتر مشترک کلکتور مشترک و بیس مشترک

19 آزمایش 9 مروری كوتاه بر مشخصات و طرز كار تقویت كننده های عملياتی )Operational Amplifiers( تقریبا یک سوم آی سی های خطی را تقویت کننده های عملیاتی تشکیل می دهند. چنانچه مدار داخل آن را مشاهده کنید یک آپ امپ دارای چندین طبقه تقویت کننده تفاضلی است و اغلب آن ها دارای دو ورودی و یک خروجی می باشند. یکی از معروفترین و پر مصرف ترین تقویت کننده های عملیاتی آپ امپ مدل A74 است که مورد بررسی و آزمایش قرار خواهد گرفت در زیر نام چند کارخانه که سازنده آی سی های مشابه با A74 هستند آورده شده است. µa74 Mc 74 LM 74 SN774 Fair child Motorla National semiconductor Texas Instrument امپدانس ورودی امپدانس خروجی و ضریب تقویت آپ امپ از لحاظ تئوری در هر مدار خطی می توان از قانون تونن استفاده نموده و مدار معادل آن را در مدار قرار داد. بنابراین با. th A( استفاده از قانون تونن مدار معادل یک آپ امپ را می توان به صورت شکل )( نمایش داد که در آن ) +cc + + o Zin - - in Zo -cc شکل

20 در جدول زیر مقادیر ایده آل برای یک تقویت کننده عملیاتی و هم چنین مقادیر بدست آمده از برگه مشخصه کارخانه سازنده برای آپ امپ A74 نشان داده شده است. Z in Z o A Max. freq. ایده آل 0 A74 M 75 00,000.5MHz سمبل نمایشی آپ امپ جهت صرفه جویی در زمان برای هر المان از یک سمبلی استفاده می شود. شکل )a( سمبل یک تقویت کننده عملیاتی را نشان می دهد که در آن عالمت )-( به معنی ورودی معکوس )نشان دهنده اختالف فاز 8 درجه ای بین و out عالمت )+( به معنی ورودی مستقیم )نشان دهنده همفاز بودن - out و ورودی + ( می باشد. سمبل قدیمی آپ امپ در شکل )b( نمایش داده شده که در مدارهای جدید کاربرد چندانی ندارد. و نیز cc o + - +cc o -cc -cc a b شکل نقشه پایه های A74 کارخانه های سازنده آی سی معموال آن را در قالب های مختلف ساخته و با یک حرف که در آخر شماره آی سی قرار می گیرد نوع قالب (Package) را تعیین می کنند. به طور مثال کارخانه Fairchild سازنده آی سی A74 در چهار نمونه مختلف آن را عرضه می کند که در پایین نشان داده شده است.

21 package شماره آی سی حرف آخر تعداد پایه ها Metal can pack. 8 K A74H Pual- In-Line (DIL) 8 N نوع پالستیکی A74N نوع شیشه ای J Dual In- Line (DIL) 4 D A74D Flat 0 F A74F نقشه پایه های ردیف اول ( A74H ) و ردیف دوم ( A74N ) در زیر نشان داده شده و برای ردیف سوم و چهارم می توانید به برگه مشخصه آی سی مراجعه کنید. برای تشخیص پایه ها حتما توجه کنید که در کاتولوگ شمای باال و پایینی نقشه پایه ها را تعیین می کنند. مشخصات آپ امپ مورد استفاده در این آزمایش )مقادیر ماکزیمم ( i ( + cc - cc و همچنین مقدار A( v را از ورقه مشخصه کارخانه سازنده در جدول 0 یادداشت کنید DIL Metal can 5 شکل 0 پایه و 5: تنظیم صفر خروجی null( )offset پایه : ورودی معکوس ( - ) پایه :3 ورودی مستقیم ( + ) پایه :7 منبع تغذیه پشت ( cc ) + پایه :4 منبع تغذیه منفی ( cc ) - پایه 6: خروجی ای سی ( o (

22 پایه 8: به جایی وصل نمی شود )NC( طرز كار آپ امپ در حالت بدون فيدبک در این حالت ولتاژ خروجی از رابطه زیر به دست می آید: o A ( o ) البته ولتاژ خروجی نمی تواند از + cc تجاوز کند )حد باال(. به دلیل باال بودن ضریب تقویت )به طور مثال برای A74 داریم: 00,000 A o مثبت میل خواهدکرد و بالعکس. (نتیجه می گیریم که اگر + مقدار جزئی بزرگتر از - باشد خروجی تقویت کننده به حداکثر ولتاژ 0 0 cc cc به طوری که مشاهده می شود خروجی دو حالت بیشتر نمی تواند انتخاب کند)حد باال و حد پایین(. بدین ترتیب به کمک آپ امپ می توان دو ولتاژ را با یکدیگر مقایسه کرد. استفاده از آپ امپ به عنوان یک مقایسه كننده مدار شکل 4 را بسته و هر دو ورودی 0+ را از یک خروجی منبع تغذیه DC بگیرید. منبع تغذیه را روشن کرده و ولتاژ دو سر دیود زنر )ولتاژ شکست دیود زنر( را اندازه گیری کنید. i ورودی را از خروجی دیگر منبع تغذیه DC بگیرید. اسیلوسکوپ را در حالت DC قرار داده و به o متصل نمایید. سپس با تغییر ورودی در محدوده 3 i 0 مقدار را o مشاهده کرده و در جدول 4 ولتاژ ورودی و خروجی را یادداشت کرده سپس ) i o ) را در نمودار بکشید شکل 4 سوال : علت استفاده از دیود زنر در مدار شکل 4 چیست ولتاژ شکست اندازه گیری شده را گزارش کنید. سوال : اگر جای ورودی + و را در شکل 4 عوض کنیم چه تغییری در خروجی مدار پیش خواهد آمد

23 سوال 0: با انجام محاسبات ولتاژ ورودی ( i ( بحرانی را به دست آورید و با ولتاژ به دست آمده مقایسه کنید. سوال 4: با تحلیل هایی که انجام داده اید بگویید مدار شکل 4 چه کاری می کند استفاده از آپ امپ در كاربردهای زمان سنجی اسیلوسکوپ را در حالت DC قرار داده مدار شکل 5 را بسته و به ازای i += v کلید s را در لحظه 0=t ببندید و با زمانسنج زمان بحرانی را اندازه گیری کنید. سپس شکل موج خروجی (t) o را در نمودار رسم کنید. برای این کار چند بار آزمایش را تکرار کنید و سپس با متوسط گیری زمان بحرانی را به دست آورید. هر بار قبل از بستن کلید بار خازن را با اتصال کوتاه دو سرآن به وسیله سیم تخلیه کنید. آزمایش باال را برای i 8+= v تکرار کنید و نتیجه را روی نمودار منعکس نمایید... i S M k k + + o - + _ 0uF سوال 5: اثر تغییرات ولتاژ ورودی i شکل 5 را روی منحنی (t) o بررسی کنید. سوال 6: با انجام محاسبات زمان بحرانی را به دست آورید و با زمان به دست آمده مقایسه کنید. سوال 7: این مدار چگونه می تواند در زمان سنجی کاربرد داشته باشد آیا از این مدار می توان برای اندازه گیری خازن استفاده کرد چگونه طرز كار آپ امپ با استفاده از فيدبک در این حالت نیز به دلیل باال بودن ضریب تقویت مدار می توان نوشت: o A ( o ) o 0 A o

24 و است در این حالت به دلیل وجود فیدبک o روی + )یا - ( اثر گذاشته و باعث می شود + و - با هم برابر بمانند. پس کافی A f در مدارتعیین کرده و با مساوی قرار دادن آن ها ضرایب تقویت با فیدبک را - را به دست آورد. + تقویت كننده معکوس ورودی به پایه - اعمال شده و خروجی با ورودی 80 o اختالف فاز دارد. i - + o 0 i o o Af i 0 i i i Ii Ii تقویت كننده مستقيم در این حالت ورودی به پایه + اعمال شده و خروجی با سیگنال ورودی هم فاز است. i + - o 0 o 0 i Af i 0 i i i ( op. amp.) Ii Ii

25 یلضافت هدننك تیوقت.دهد یم یجورخ هب ار یدورو ژاتلو ود لضافت زا یبیرض رادم نیا 0 o یعومجم هدننك تیوقت.دهد یم یجورخ هب ار یدورو ژاتلو ود عومجم زا یبیرض رادم نیا i i i + - o + - o

26 كاربرد آپ امپ به عنوان یک تقویت كننده مستقيم یا معکوس مدار تقویت کننده معکوس را ببندید. سیم مثبت یک خروجی منبع تغذیه را به 9+ و سیم منفی را به زمین وصل کنید. سیم منفی خروجی دیگر را به 9- و سیم مثبت آن خروجی را به زمین متصل نمایید. ژنراتور موج سینوسی را به وصل v i کنید. )دامنه را به گونه ای انتخاب کنید که موج خروجی بدون اعوجاج باشد.( سپس با تغییر فرکانس ورودی از 500Hz تا i 500 KHz دامنه ولتاژ خروجی دامنه ولتاژ ورودی و پاسخ فرکانسی مدار یعنی o را در جدول 5 یادداشت کرده و سپس پاسخ فرکانسی مدار بر حسب فرکانس را در نمودار 0 رسم نمایید. )حول نقطه 3db نقاط بیشتری اندازه گیری کنید.( همین آزمایش را برای مدار تقویت کننده مستقیم انجام دهید و جدول 6 را پر کرده و روی نمودار 0 منحنی مربوطه را بکشید. سوال 8: مقاومت ورودی دو مدار این آزمایش را با هم مقایسه کنید. سوال 9: چنانچه ژنراتور موج سینوسی دارای مولفه DC باشد با چه روشی می توان این مولفه را حذف کرد. سوال : ماکزیمم ولتاژ ورودی جهت داشتن خروجی بدون اعوجاج در مدارهای شکل 0 چقدر است )در فرکانس )f=khz

27

28 گزارش آزمایش شماره 5 طرح و ساخت منبع تغذیه نام و نام خانوادگی: شماره دانشجویی: جدول کمیت شکل موج m I m DC اندازه I DC I DC /I m نوع مدار اندازه گیری اختالف اندازه نظری گیری درصد گیری نیم موج تمام موج جدول rms I rms I rms I rms /I m ضریب موجک کمیت اختالف درصد اندازه گیری نظری اختالف درصد اندازه گیری نظری محاسبه اندازه گیری نوع مدار نیم موج. تمام موج 0.48

29 جدول 0 ac DC تغییر ضریب ضریب موجک موجک)درصد( اندازه گیری اندازه گیری کمیت نوع مدار نیم موج c 00F L K نیم موج c 000F L K تمام موج A c 00F L K تمام موج B c 000F L K تمام موج C c 000F L 470 تمام موج D c 000F L 70

30

31 آزمایش شماره 6 رسم منحنی مشخصه خروجی ترانزیستور نام و نام خانوادگی: شماره دانشجویی: نکات مهم: قبل از شروع آزمایش از سالم بودن اسیلوسکوپ مولتی متر و هر دو خروجی منبع تغذیه اطمینان حاصل نمایید. در نمودار بایستی عنوان نمودار عنوان محورها واحد اندازه گیری و تقسیم بندی مشخص باشد. برای کشیدن نمودار پس از تکمیل جدول مربوطه بازه مناسب را انتخاب کنید. به نقاط رسم شده در نمودار منحنی فیت نکنید تنها نقاط را با خط راست به هم متصل نمایید. b = 0 I b = 0 CE () C () I C (ma) b = I b = 0 CE () C () I C (ma) b = I b = 0 CE () C () I C (ma)

32 b = 3 I b = 30 CE () C () I C (ma) b = 4 I b = 40 CE () C () I C (ma) b =5 I b = 50 CE () C () I C (ma)

33

34

35 گزارش آزمایش شماره 7 تقویت كننده یک طبقه اميتر مشترك نام و نام خانوادگی: شماره دانشجویی: نکات مهم: قبل از شروع آزمایش از سالم بودن اسیلوسکوپ و اسیالتور و سیم های رابط اطمینان حاصل نمایید در هر جدول ستون )سطر( طوسی رنگ به» عنوان» و «واحد» اندازه گیری اختصاص دارد که بایستی طبق تشخیص خودتان آن را پر نمایید در هر نمودار بایستی عنوان نمودار عنوان محورها واحد اندازه گیری و تقسیم بندی را مشخص کنید. برای کشیدن نمودار بازه مناسب را پس از تکمیل جدول مربوطه انتخاب کنید. به نقاط رسم شده در نمودار منحنی فیت نکنید! نقاط را فقط با خط راست به هم متصل نمایید. جدول نمودار منحنی مشخصه ترانزیستور BC جدول

36 نمودار

37

38 دستور آزمایش 8 تقویت كننده های كلکتور مشترك و بيس مشترك نام خانوادگی: شماره دانشجویی: نکات مهم: قبل از شروع آزمایش از سالم بودن اسیلوسکوپ و اسیالتور و سیم های رابط اطمینان حاصل نمایید. در هر جدول ستون )سطر( طوسی رنگ به»عنوان«و»واحد«اندازه گیری اختصاص دارد که بایستی طبق تشخیص خودتان آن را پر نمایید. در هر نمودار بایستی عنوان نمودار عنوان محورها واحد اندازه گیری و تقسیم بندی مشخص باشد. برای کشیدن نمودار بازه مناسب را پس از تکمیل جدول مربوطه انتخاب کنید. به نقاط رسم شده در نمودار منحنی فیت نکنید! نقاط را فقط با خط راست به هم متصل نمایید. جدول نمودار

39 جدول نمودار

40

41 نام و نام خانوادگی: شماره دانشجویی: گزارش آزمایش شماره 9 مروری كوتاه بر مشخصات و طرز كار تقویت كننده های عملياتی نکات مهم: قبل از شروع آزمایش از سالم بودن اسیلوسکوپ مولتی متر و هر دو خروجی منبع تغذیه اطمینان حاصل نمایید. در هر جدول ستون )سطر( طوسی رنگ به عنوان و واحد اندازه گيری اختصاص دارد که بایستی طبق تشخیص خودتان آن را پر نمایید. در هر نمودار بایستی عنوان نمودار عنوان محورها واحد اندازه گیری و تقسیم بندی مشخص باشد. برای کشیدن نمودار پس از تکمیل جدول مربوطه بازه مناسب را انتخاب کنید. به نقاط رسم شده در نمودار منحنی فیت نکنید تنها نقاط را با خط راست به هم متصل نمایید. جدول جدول نمودار

42 نمودار جدول 0 جدول 4

43 نمودار 0