ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE Elektrotechnická fakulta Katedra Experimentálnej elektrotechniky -

ILINSKÁ UNIVERZITA v ILINE Elektrotechnická fakulta Katedra Experimentálnej elektrotechniky - Návody na laboratórne cvi enia z predmetu Elektronika 1 Doc. Ing. Zden k Dostál, CSc. Ing. Miroslav ulík, PhD. - 2011

Recenzenti: doc. Ing. Bohuslav Lakota, CSc. doc. Ing. Zden k Matou ek, PhD. Schválila edi ná rada U v merom. 30/S/2011 Z. Dostál M. ulík, 2011 ISBN 978-80-554-0468-4 2

OBSAH Predhovor... 4 Zoznam pou it ch skratiek a symbolov... 5 Na úvod... 8 1. Meranie v obvode s diódami a stabilizátormi... 9 2. Meranie bipolárneho tranzistora... 26 3. Meranie NF zosil ova a... 37 4. Meranie tranzistorového zosil ova a... 48 5. Meranie tranzistora riadeného elektrick m po om... 52 6. Meranie zosil ova a so spätnou väzbou... 59 7. Meranie opera ného zosil ova a I... 66 8. Meranie opera ného zosil ova a II... 78 9. Meranie AVCH tyristorov... 83 10. Meranie RC oscilátora... 89 Po adovaná truktúra protokolu... 95 3

PREDHOVOR Ka dé strojné zariadenie, chemické linky ako aj elektrotechnické sústavy sú v sú asnosti doplnené elektronikou. Elektronické systémy plnia komunika nú a riadiacu funkciu. Forma tohto elektronického riadiaceho systému je zvy ajne realizovaná pomocou procesorovej jednotky, asto aj pomocou osobného po íta a. Pou ité sú iastky sú predov etk m v podobe integrovan ch obvodov, doplnen ch relatívne mal m po tom pasívnych prvkov. Be n pou ívate tieto prvky nemusí ani pozna. Av ak ka d elektrotechnik by mal ma preh ad o základn ch elektricky aktívnych a pasívnych prvkoch. Je potrebné si uvedomi, e v etky integrované obvody sú v podstate zostavené z tak chto elektricky aktívnych a pasívnych prvkov. Vysoko kolskí tudenti elektrotechnického zamerania sú od základnej koly, ale najmä na strednej kole viac alebo menej oboznamovaní s elektrotechnick mi sú iastkami. Na vysokej kole, najmä v predmete Elektrotechnika, si svoje znalosti o elektrotechnick ch prvkoch preh bia, i e by mali by schopní vykona stanovené základné merania. V sledky meraní tudenti spracujú do protokolu, ím by si mali overi získané znalosti a najmä sa s prvkami oboznámi tak, aby ich boli schopní pou íva najskôr u jednoduch ích, neskôr zlo itej ích zapojení. Sú asne by mali by schopní samostatne sa oboznamova s t mito prvkami hlb ie ako aj s in mi a nov mi prvkami. Skriptá sú ur ené pre tudentov 2. ro níku bakalárskeho túdia elektrotechnického zamerania. Majú napomôc oboznámi sa so základn mi elektrotechnick mi meraniami v elektrotechnike najme pre t ch tudentov, ktorí majú s elektrotechnikou malé praktické skúsenosti zo strednej koly. Pri príprave na laboratórne cvi enie je potrebné, aby tudenti na tudovali danú problematiku, prezentovanú aj na predná kach a aby sa oboznámili s priebehom merania. V laboratóriu potom s pomocou návodov mô u by schopní úlohy odmera a spracova protokol. V závere je potrebné stru ne vyhodnoti v sledky, ku ktor m meranie dospelo. Nie je vhodné v závere opisova postupy alebo podmienky merania. Autori 4

ZOZNAM POU IT CH SKRATIEK A SYMBOLOV A A-meter A I A P A U A UdB A PdB AFCH AVCH B BE CB D f f d f h f 0 f OP F FET FFCH G Hz I B I C I Cmax I D I E I G I I R I S I VST I V ST I prah I Z I 1 I 2 K SSU K SUR K t k n k ma MOS NF NP prechod NPN zosilnenie priamej cesty zosil ova a ampérmeter prúdové zosilnenie v konové zosilnenie napä ové zosilnenie pomerné napä ové zosilnenie pomerné v konové zosilnenie amplitúdovo frekven ná charakteristika ampér-voltová charakteristika írka frekven ného pásma polovodi ov prechod báza - emitor polovodi ov prechod kolektor - báza zberná elektróda drain frekvencia frekvencia dolná frekvencia horná frekvencia referen ná, naj astej ie 1kHz opakovacia frekvencia vratn rozdiel Field Effect Tranzistor polom riaden tranzistor fázovo frekven ná charakteristika riadiaca elektróda gate hertz prúd bázy prúd kolektora prúd kolektorovej straty bipolárneho tranzistora prúd zbernej elektródy drain prúd emitora prúd riadiacej mrie ky gate prúd závern prúd polovodi ovej diódy prúd emitujúcej elektródy source vstupn prúd v stupn prúd prahov prúd Zenerov prúd vstupn prúd v stupn prúd inite stabilizácie kolísaní v stupného napätia ku kolísaniu vstupného napätia inite stabilizácie kolísaní v stupného napätia ku kolísaniu vstupného prúdu asová stálos koeficient nelineárneho skreslenia kiloohm miliampér metal-oxid-semiconductor polovodi s kovov m oxidom nízkofrekven n styk polovodi ov ch truktúr typu N a typu P typ truktúry bipolárneho tranzistora 5

OZ opera n zosil ova PN prechod styk polovodi ov ch truktúr typu P a typu N PNP typ truktúry bipolárneho tranzistora P A pracovn bod tranzistora v triede A P AB pracovn bod tranzistora v triede AB P B pracovn bod tranzistora v triede B P C pracovn bod tranzistora v triede C P Cmax v kon kolektorovej straty bipolárneho tranzistora P 0 k udov pracovn bod P 1 vstupn v kon P 2 v stupn v kon RC generátor generátor sínusového signálu s spätnou väzbou, tvorenou rezistormi a kapacitormi R rezistor R B bázov odpor R C kolektorov odpor R E emitorov odpor R DS odpor medzi elektródami drain source R VST vstupn odpor R V ST v stupn odpor R Z za a ovací rezistor S emitujúca elektróda source SB zapojenie tranzistora so spolo nou bázou SC zapojenie tranzistora so spolo n m kolektorom SE zapojenie tranzistora so spolo n m emitorom S T strmos charakteristiky SV spätná väzba T OP opakovacia perióda U napätie U B napätie na báze U BE napätie báza - emitor U C napätie na kolektore U CE napätie kolektor emitor U CC napájacie napätie U DC napätie drain source U DS napätie drain source U GS napätie gate source U T prahové napätie U VST vstupné napätie U V ST v stupné napätie U 1 vstupné napätie U 2 v stupné napätie U Z Zenerovo napätie U 1 zmena vstupného napätia U 2 zmena v stupného napätia V volt VACH volt-ampérová charakteristika VF vysokofrekven n VVF ve mi vysoko frekven n ZD Zenerova dióda 6

zmena teploty zosilnenie spätnej väzby zosil ova a μa mikroampér fáza, fázov uhol A fázov posun signálu priamej väzba zosil ova a fázov posun signálu spätnej väzby zosil ova a uhlová frekvencia Ohm C stupe Celzia 7

NA ÚVOD Základné rozdelenie charakteristík elektronick ch obvodov: 1. V-A charakteristika: popisuje závislos U = f (I) spravidla u jednotliv ch sú iastok elektronick ch obvodov. Mô e sa ale aj rie i samostatne pre vstupné resp. v stupné obvody tvorbranov. 2. A-V charakteristika: popisuje závislos I = f (U ) spravidla u jednotliv ch sú iastok elektronick ch obvodov. Mô e sa ale aj rie i samostatne pre vstupné resp. v stupné obvody tvorbranov. 3. Prechodová charakteristika: popisuje odozvu elektronick ch obvodov na jednotkov impulz resp. jednotkov skok. Spravidla sa udáva ako závislos U = f (t) resp. I = f (t). Príklad: u(t) [V] t [s] Obr. 1 Príklad prechodovej funkcie... 4. Prenosová charakteristika: popisuje závislos vybraného parametra elektronick ch obvodov (napr. zosilnenia) od frekvencie vstupného signálu. Táto charakteristika mô e by tzv. Amplitúdovofrekven ná A U = f ( f ), (potom AFCH) alebo Fázovo-frekven ná = f ( f ) (potom FFCH). 5. Prevodová charakteristika: popisuje závislos vybraného v stupného parametra elektronick ch obvodov od parametra na ich vstupe. Napr. U = f ( UVST ) resp. I ( ) VYST VYST = f I VST u zosil ova ov. 8

1. Meranie v obvode s diódami a stabilizátormi Teoretick rozbor Usmer ovacia dióda Dióda je polovodi ová elektronická sú iastka, ktorá vedie elektrick prúd len jedn m smerom. Hovoríme, e dióda prúd usmer uje. Ak prúd preteká cez diódu, je dióda zapojená v priepustnom smere. V opa nom, závernom smere, cez ideálnu diódu prúd nete ie, reálna dióda má ale tzv. závern prúd I R, ktor mô eme u kremíkov ch usmer ovacích diód pova ova blízky 0 (I R 0). Táto jej vlastnos ju predur uje na pou itie v usmer ova och, ktoré slú ia na usmernenie striedavého napätia na jednosmerné. Obr. 1.1 Usmer ovacia dióda Schottkyho dióda Schottkyho diódy vyu ívajú usmer ovacie vlastnosti priechodu kov - polovodi. Majú men í úbytok napätia v priepustnom smere ako oby ajné usmer ovacie diódy. V závernom smere sú schopné odoláva men ím napätiam oproti normálnym diódam, ale sú ve mi r chle. Tieto vlastnosti ich predur ujú na usmer ovacie aplikácie, napríklad v spínan ch zdrojoch. Obr. 1.2 Schottkyho dióda Kapacitná dióda (varikap) Kapacitná dióda alebo varikap je peciálna polovodi ová dióda, ktorá slú i ako napätím riaden kondenzátor. Princíp varikapu je zalo en na tom, e írka prechodu NP v závernom smere závisí na pripojenom napätí. Tento efekt sa objavuje pri v etk ch polovodi ov ch diódach, ale varikap je pre tento ú el peciálne prispôsoben. Varikapy sa pou ívajú predov etk m v laden ch obvodoch a v obvodoch, vy adujúcich premennú kapacitu. Varikapy sa v praxi vyu ívajú ako premenné kondenzátory. 9

Obr. 1.3 Kapacitná dióda Zenerova dióda Táto dióda za ne v závernom smere prepú a elektrick prúd pri ur itom presne definovanom napätí (3V, 5V, 12V at.). Pri tomto napätí nastáva nede truktívny prieraz peciálne pre tento ú el skon truovaného PN priechodu, ktor sa vyu íva v aplikáciách najmä na stabilizáciu napätia. Obr. 1.4 Zenerova dióda Tunelová dióda Je to dióda, ktorá vykazuje na ampérovej-voltovej (AV) charakteristike oblas záporného diferenciálneho odporu. Pri spätnom zapojení sa chová ako lineárny rezistor s mal m odporom. Oblas AV charakteristiky so záporn m dynamick m odporom vzniká vplyvom tunelového javu. Tunelové diódy sa pou ívajú v oscilátoroch a zosil ova och a do ve mi vysok ch frekvencií. Obr. 1.5 Tunelová dióda Luminiscen ná dióda Luminiscen ná dióda je polovodi ová elektronická sú iastka, ktorá vy aruje svetlo vo vidite nom frekven nom pásme pri priechode elektrického prúdu v priepustnom smere. Sveteln efekt je následkom rekombinácie elektrón-dierového procesu. Vlnová d ka vy arovaného svetla závisí od truktúry materiálu polovodi a a írky zakázaného pásu. 10

Obr. 1.6 Luminiscen ná dióda Teoretick rozbor stabilizátory Bloková schéma obvodu so stabilizátorom napätia je na Obr. 1.7: Obr. 1.7 Stabilizátor napätia Stabilizátory napätia sú elektronické obvody, ktoré sa pou ívajú v napájacích zdrojoch. Slú ia na minimalizáciu ve kosti zvlnenia jednosmerného napätia a na udr anie jeho kon tantnej hodnoty. Stabilizátory rozde ujeme na spojité (lineárne) alebo spínané. Spojité stabilizátory sa delia na parametrické a spätnoväzobné. Parametrické stabilizátory vyu ívajú na stabilizáciu napätia vhodnú AV charakteristiku niektor ch elektronick ch sú iastok (napr. Zenerovej diódy, usmer ovacej diódy, tlejivky a pod.) Spätnoväzobné stabilizátory vyu ívajú riadenie z v stupu a sú rie ené ako zlo itej ie elektronické obvody. Pre charakterizovanie vlastností stabilizátorov sa pou ívajú parametre: a) inite stabilizácie K SUU - udáva, ko kokrát stabilizátor zmen uje pomerné kolísanie napätia U 2 na v stupe stabilizátora vo i pomernému kolísaniu napätia U 1 na jeho vstupe. Udáva sa pri kon tantnej v stupnej zá a i R Z. (1.1) 11

b) inite stabilizácie K SUR - udáva, ko kokrát stabilizátor zmen uje pomerné kolísanie napätia U 2 na v stupe stabilizátora vo i pomernému kolísaniu prúdu I 2 na jeho vstupe. (1.2) c) asová stálos (drift) K t sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U 2 za ur ité asové obdobie, pri kon tantnom vstupnom napätí U 1, kon tantnej zá a i R Z a pri stálej teplote okolia. (1.3) d) Teplotná stálos K sa udáva relatívnou zmenou v stupného napätia U 2, ktorá sa vz ahuje na zmenu okolitej teploty, uvedenej K ( C). Meria a udáva sa pri kon tantnom vstupnom napätí U 1 a kon tantnej zá a i R Z. (1.4) Typy stabilizátorov napätia Pod a spôsobu stabilizácie sa stabilizátory napätia delia na: 1) parametrické stabilizátory napätia (riadené zo vstupu), 2) spätnoväzobné stabilizátory napätia (riadené z v stupu). Parametrické stabilizátory napätia Parametrické stabilizátory napätia sa pou ívajú na stabilizáciu napätia pri odoberan ch prúdoch rádovo jednotky a desiatky ma. Pre realizáciu t chto typov stabilizátorov sa pou ívajú elektronické prvky s vhodnou VA charakteristikou. Dobr m príkladom sú napríklad Zenerove diódy, ktoré sa pou ívajú pre stabilizáciu napätí rádovo jednotiek Voltov. Pre stabilizáciu napätí rádovo desiatok voltov sa pou ívajú tlejivky. 12

Obr. 1.8 Parametrick stabilizátor napätia Spätnoväzobné stabilizátory napätia Spätnoväzobné stabilizátory rozde ujeme na sériové a paralelné. Sú as ami spätnoväzobn ch stabilizátorov napätia je regula n len, zdroj referen ného napätia, sníma odch lky a rozdielov zosil ova. Pri innosti stabilizátora je regula ná sú iastka ovládaná zosilnen m napätím z rozdielového zosil ova a, ktoré vzniká v dôsledku odch lky v stupného napätia U 2 od referen ného napätia. Obr. 1.9 Spätnoväzobn sériov stabilizátor napätia Literatúra [1] KESL, J.: Elektronika I analogová technika. BEN, Praha 2006. [2] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [3] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodi ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007 13

Laboratórne meranie Zadanie 1) Zmerajte AV charakteristiku polovodi ov ch diód. 2) Zmerajte odporov deli a stabilizátor napätia so Zenerovou diódou. 3) Meranie integrovan ch stabilizátorov napätia radu MA 78xx. Postup merania 1. Meranie AV-charakteristiky reálnej polovodi ovej diódy Najskôr zapojte prípravok pre priepustn smer a postupne zmerajte priepustné asti AVCH v etk ch 3 diód. Pracovisko zapojte pod a schémy: Obr. 1.10 Meranie AVCH diódy v priepustnom smere Zapojte A-meter cez predradn odpor R=10k na meranie asti AVCH v priepustnom smere s cie om zachyti as charakteristiky v rozsahu napätia 0 1 V. Dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P 1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi om prepojte zdierku B s anódou diódy, najskôr u diódy D1. Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah 1A, rozsah V-metra V 1 na hodnotu asi 15V. Voltmeter V 2 pou ite s vysok m vstupn m odporom, o je elektrónkov 14

alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre volty, alebo rozsah do 10V. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! Postupne nastavte 10 hodnôt U 1 potenciometrom P 1 a pre ka dú hodnotu od ítajte údaje U 2 a I. Hodnoty napätia U 1 volte v rozsahu do 1V, na t chto hodnotách budete meranie vykonáva. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P 1 zvy ujte napätie pod a V-metra V 1. Namerané hodnoty napätia U 2 a prúdu I zapí te do tabu ky 1.1 pre diódu D 1 a priepustn smer. Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte analogicky pre diódu D 2 a potom pre diódu D 3. Namerané hodnoty napätia U 2 a prúdu I zapí te do tabu ky 1.2 a 1.3. alej zapojte prípravok pre meranie AVCH v závernom smere. Postupne zmerajte AVCH v etk ch 3 diód v závernom smere. Pracovisko zapojte pod a schémy: Obr. 1.11 Meranie AVCH diódy v závernom smere Zapojte A-meter cez predradn odpor R=100 na meranie AVCH v závernom smere. Dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P 1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi om prepojte zdierku B s anódou diódy, najskôr u diódy D1. Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo ma, potom budete postupne zni ova rozsah na hodnoty rádovo μa. Rozsah V-metra V 1 nastavte na hodnotu asi 15V. Voltmeter V 2 pou ite s vysok m vstupn m odporom, o je elektrónkov alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre volty, alebo rozsah do 15V. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! 15

Postupne nastavte 10 hodnôt U 1 potenciometrom P 1 a pre ka dú hodnotu od ítajte údaje U 2 a I. Hodnoty napätia U 1 volte v rozsahu do 12V. Hodnoty napätia U 1 zapí te do tabu ky 1.1. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P 1 zvy ujte napätie na zvolené hodnoty pod a voltmetra V 1. Namerané hodnoty napätia U 2 a prúdu I zapí te do tabu ky 1.1 pre diódu D 1 v závernom smere. Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte pre diódu D 2 a potom pre diódu D 3. Namerané hodnoty napätia U 2 a prúdu I zapí te do tabu ky 1.2 a 1.3. Tab. 1.1 Namerané hodnoty pre diódu D1 Priepustn smer D1 Závern smer D1 Meranie U 1 I U 2 Meranie U 1 I U 2 íslo [V] [A] [V] íslo [V] [A] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Tab. 1.2 Namerané hodnoty pre diódu D2 Priepustn smer D2 Závern smer D2 Meranie U 1 I U 2 Meranie U 1 I U 2 íslo [V] [A] [V] íslo [V] [A] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Tab. 1.3 Namerané hodnoty pre diódu D3 Priepustn smer D3 Závern smer D3 Meranie U 1 I U 2 Meranie U 1 I U 2 16

íslo [V] [A] [V] íslo [V] [A] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Z nameran ch hodnôt zostrojte 3 grafy pre ka dú diódu osobitne U 2 = f(u 1 ), I=f(U 2 ). Z AVCH vyhodno te prahové napätie U P. V katalógu vyh adajte charakteristické hodnoty priepustného prúdu I F a záverného napätia U R pou it ch diód a porovnajte ich s nameran mi hodnotami. Poznámky: Pou ité typy Si diód sú: D1 usmer ovacia dióda KY130/80, D2 Zenerova dióda 3NZ70, D3 Schotkyho dióda 1N5819. Meranie AV charakteristiky v priepustnom smere zbyto ne nepredl ujte, nako ko dochádza k zahrievaniu diódy a potenciometra pretekajúcim prúdom. Pre meranie prúdu v závernom smere pou ite mikroampérmeter, napr. Metex P-10. 2. Meranie odporového deli a a stabilizátora napätia so Zenerovou diódou. Meranie odporového deli a Zmerajte závislosti U VYST = f(u VST ) a I VST = f(u VST ) odporového deli a. Najskôr zapojte prípravok pre meranie odporového deli a. Pracovisko zapojte pod a schémy: 17

Obr. 1.12 Meranie odporového deli a Zapojte meracie prístroje a dbajte na správnu polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P 1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi om prepojte zdierku B s rezistorom 75. Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo 1A, rozsah V-metra V 1 na hodnotu asi 15V. Voltmeter V 2 pou ite s vysok m vstupn m odporom, o je elektrónkov alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre volty, alebo rozsah do 15V. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! Do tabu ky 1.1 si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V 1 v rozsahu napätia do 12V, na ktor ch budete meranie vykonáva. Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P 1 zvy ujte napätie pod a V-metra V 1. Namerané hodnoty napätia U 2 a prúdu I zapí te do tabu ky v asti pre potenciometer. Vypnite napájanie obvodu. Meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou diódou. Zmerajte závislosti U VYST = f(u VST ) a I VST = f(u VST ) pre stabilizátor so Zenerovou Zapojte prípravok pre meranie stabilizátora napätia so Zenerovou diódou. Pracovisko zapojte pod a schémy: 18

Obr. 1.13 Meranie stabilizátora so Zenerovou diódou Zapojte meracie prístroje a dbajte na správnu polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P 1 na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Krátkym vodi om prepojte zdierku B s katódou Zenerovej diódy D1. Pred zapnutím nastavte rozsahy A-metra na rozsah rádovo do 1A, rozsah V-metra V 1 na hodnotu do 15V. Voltmeter V 2 pou ite s vysok m vstupn m odporom, to je elektrónkov alebo digitálny V-meter, nastavte na automatick rozsah pre volty, alebo rozsah do 15V. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! Do tabu ky si pripravte 10 hodnôt pre voltmeter V 1 v rozsahu do 12V, na ktor ch budete meranie vykonáva. Maximálne napätie bude 12V, ktoré dáva zdroj. Zapnite napájanie obvodu. Potenciometrom P 1 zvy ujte napätie pod a V-metra V 1. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky v asti pre stabilizátor napätia so ZD. Vypnite napájanie obvodu. Tab. 1.4 Meranie odporového deli a a stabilizátora napätia so ZD Odporov deli Stabilizátor napätia so ZD Meranie U 1 I U 2 Meranie U 1 I U 2 íslo [V] [A] [V] íslo [V] [A] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 19

Z nameran ch hodnôt zostrojte 2 grafy pre odporov deli aj pre stabilizátor napätia so Zenerovou diódou: U 2 = f(u 1 ), I=f(U 1 ). V katalógu vyh adajte charakteristické hodnoty Zenerovho prúdu I Z a Zenerovho napätia U Z pre zapojenú Zenerovu diódu a porovnajte ich s nameran mi hodnotami. Poznámky: Pou it typy Zenerovy diódy: D1 3NZ70. 3. Meranie integrovan ch stabilizátorov napätia radu MA 78xx Zmerajte prenosovú charakteristiku U VYST = f(u VST ) ka dého stabilizátora radu MA78xx osobitne a prenosové charakteristiky U VYST4 = f(u VYST3 ) = f(u VYST2 ) = f(u VYST1 ) = f(u VST ) kaskády stabilizátorov. Meranie vykonajte v stave naprázdno, tj. pre I VYST4 = I VYST3 = I VYST2 = I VYST1 = 0. Na meranie prenosov ch charakteristík t chto stabilizátorov bol skon truovan prípravok, ktor umo uje mera nielen na ka dom stabilizátore osobitne, ale aj na kaskáde t chto stabilizátorov. Stabilizátory sú vyrábané ako integrované obvody a v praxi sa pomerne asto vyu ívajú. Na obrázku prípravku kaskády stabilizátorov je v hornej asti uvedená schéma regulovate ného Greatzovho usmer ova a. Vstupné striedavé napätie mô e by maximálne do 31V. V stupné napätie je jednosmerné, regulované potenciometrom P 1. V spodnej asti sú nakreslené dvojbrány, ka dá predstavuje zapojenie integrovaného stabilizátora radu MA78xx. Pod nákresom prípravku je schéma vnútorného zapojenia ka dého stabilizátora napätia a tabu ka maximálnych vstupn ch napätí pri menovitom v stupnom napätí stabilizátora. 20

Obr. 1.14 Prípravok kaskády stabilizátorov 21

Obr. 1.15 Meranie stabilizátora ka dého osobitne Pripojte meracie prístroje k prípravku a dajte pozor na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer Greatzovho usmer ova a na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V 1, V 2 a V 3 na hodnotu minimálne 30V. V- meter V 1 je striedav, V-meter V 2 a V 3 sú jednosmerné. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! Pre meranie prenosov ch charakteristík zvo te v dy minimálne 10 hodnôt napätia U 2 v rozsahu, odporú anom pre meran stabilizátor. Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmer ova a zvy ujte napätie na zvolené hodnoty U 2. Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U 3 zapí te do spolo nej tabu ky. Vypnite napájanie obvodu. Meranie opakujte pre al ie tri stabilizátory. Prepojte napájanie a V-metre V 1 a V 2 analogicky pre druh a tvrt stabilizátor. Potenciometer Greatzovho usmer ova a v dy nastavte do avej krajnej polohy, tj. na minimum. Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom Greatzovho usmer ova a zvy ujte napätie na zvolené hodnoty U 2. Dbajte na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty U 3 zapí te do tabu ky 1.5 a 1.6. 22

Tab. 1.5 Meranie stabilizátorov napätia radu MA78xx Stabilizátor MA 7824 Stabilizátor MA 7815 Meranie U 1 U 2 U 3 Meranie U 1 U 2 U 3 íslo [V] [V] [V] íslo [V] [V] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Tab. 1.6 Meranie stabilizátorov napätia radu MA78xx Stabilizátor MA 7812 Stabilizátor MA 7805 Meranie U 1 U 2 U 3 Meranie U 1 U 2 U 3 íslo [V] [V] [V] íslo [V] [V] [V] 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy U 3 =f(u 2 ) pre ka d stabilizátor. Grafy nakreslite do spolo ného obrázku. Potom zapojte prípravok pre meranie iastkov ch prenosov ch charakteristík U VYST4 = f(u VYST3 ) = f(u VYST2 ) = f(u VYST1 ) = f(u VST ) kaskády stabilizátorov napätia v stavu neza a enom, tj. I VYST1 = 0. K tomu pripojte na vstup prvého z ava stabilizátora, regulované napätie z regulovaného Greatzovho usmer ova a. Pracovisko zapojte pod a schémy: 23

Obr. 1.16 Meranie kaskády stabilizátorov Pripojte V-metre V 1 a V 2 v rámci tohto merania natrvalo na vstup a v stup regulovaného Greatzovho usmer ova a. Meranie na pozíciach V 3, V 4, V 5, V 6 mô ete realizova jedn m V-metrom postupne. Voltmetre V 3, V 4, V 5, V 6 zvo te s vysok m vstupn m odporom, aby ste neza a ovali jednotlivé stabilizátory. Zapojte meracie prístroje a dbajte na polaritu prístrojov. Nastavte potenciometer P 1 regulovaného Greatzovho usmer ova a na minimum, tj. do avej krajnej polohy. Pred zapnutím nastavte rozsahy V-metra V 1, V 2 a V 3 na hodnotu minimálne 30V. V- meter V 1 je striedav, V-meter V 2, V 3, V 4, V 5, V 6 sú jednosmerné. Ak by bolo potrebné meni rozsah meracích prístrojov, je potrebné obvod vypnú. Zapojenie si nechajte prekontrolova! Pre meranie charakteristík zvo te minimálne 20 hodnôt napätia U 2 v rozsahu, odporú anom pre meran stabilizátor a zapí te ich do tabu ky. Zapnite napájanie obvodu, potenciometrom zvy ujte napätie Greatzovho usmer ova a na zvolené hodnoty napätia U 2. Dajte pozor na maximálne napätie na vstupoch stabilizátotrov, aby neprekro ilo maximálnu prípustnú hodnotu. Namerané hodnoty zapí te do spolo nej tabu ky 1.7. Z nameran ch hodnôt zostrojte priebehy prenosov ch charakteristík U 3 =f(u 2 ), U 4 =f(u 2 ), U 5 =f(u 2 ), U 6 =f(u 2 ). Tieto charakteristiky zakreslite do spolo ného obrázku. 24

Tab. 1.7 Meranie kaskády stabilizátorov radu MA78xx 7824 7815 7812 7805 U 1 U 2 U 3 U 4 U 5 U 6 Meranie ~ = = = = = íslo [V] [V] [V] [V] [V] [V] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Poznámka: Ako stabiliza né prvky sú pou ité obvody MA7824, MA7815, MA7812, MA7805. V závere porovnajte priebehy prenosov ch charakteristík pri meraní ka dého stabilizátora napätia radu MA78xx osobitne a priebehy prenosov ch charakteristík kaskády t chto stabilizátorov. Zdôvodnite rozdiely v charakteristikách a vysvetlite mieru stabilizácie u oboch druhov zapojení. V imnite si zmeny stabilizovaného napätia pri minimálnom a maximálnom napätí, pri ktorom obvod stabilizuje v stupné napätie. Rovnako si v imnite mieru stabilizácie u kaskádového zapojenia. Literatúra 1. STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981. 2. STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981. 3. SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983. 4. SEIFRT, M.: Polovodi ové prvky a obvody na spracovanie spojit ch signálov. ALFA, Bratislava 1988. 5. LIMAN, O. PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990. 6. KESL, J.: Elektronika I analógová technika. BEN, Praha 2006. 7. LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007 25

2. Meranie bipolárneho tranzistora Teoretick rozbor Princíp innosti bipolárneho tranzistora objavili v závere roku 1947 dvaja americkí fyzici John Bardeen a Walter Houser Brattain a neskôr ho vysvetlil Wiliam Bradford Shockley. Zosil ovanie slab ch elektrick ch signálov, ktoré sa dovtedy uskuto ovalo vo vy erpanej banke elektrónky, sa tranzistorom podarilo uskuto ni v pevnej fáze hmoty. Nov princíp v znamne etril energiu a podstatne zmen il rozmery zosil ovacieho prvku. Základn princíp innosti bipolárnych tranzistorov Bipolárny tranzistor, pod a Obr. 2.1 je vhodne technologicky upravená monokry talická do ti ka, ktorá je dvomi rozhraniami rozdelená na tri vrstvy. Usporiadanie vrstiev umo uje vytvára dve modifikácie tranzistorov PNP a NPN: Obr. 2.1 Usporiadanie bipolárnych tranzistorov a) typ PNP, b) typ NPN Princíp innosti NPN tranzistorov je nasledovn : Pre tranzistor typu NPN by bolo zapojené napätie medzi kolektorom a emitorom (kladné napätie U je na kolektore C a záporné napätie U na emitore E) je prechod BE v priepustnom smere a CB je závernom smere. V tomto prípade medzi emitorom a kolektorom EC nepreteká prúd (preteká len minoritn prúd). Ak prilo íme na bázu B napätie a cez prechod BE v priepustnom smere za ne preteka prúd, elektróny za nú prúdi z emitora cez bázu do kolektora. Tu hovoríme, e tranzistor sa za ína otvára. Pri kremíkov ch tranzistoroch treba na otvorenie 0,5 V a 0,7 V na prechode BE, pri germániov ch tranzistoroch je to okolo 0,25 V. Pri odpojení napätia z bázy B sa tranzistor opä vráti do nevodivého stavu. Pri ve k ch bázov ch prúdoch sa báza správa ako N-polovodi. Z tranzistora sa stane akoby jeden N-blok, t.j. úplne sa otvorí. Ke sa v tomto prípade bude stále zvy ova bázov prúd, kolektorov prúd sa u alej zvy ova nebude. Tento stav naz vame saturácia. Pri zmene napájacích napätí sa bude saturovan tranzistor zatvára. Na zr chlenie procesu 26

vypínania tranzistor sa vo VF obvodoch pridáva do tranzistora medzi kolektor a bázu CB e te tzv. antisatura ná dióda. Zapojenie bipolárnych tranzistorov Existujú tri spôsoby zapojenia bipolárnych tranzistorov - zapojenie so spolo nou bázou (SB), so spolo n m emitorom (SE) a zapojenie so spolo n m kolektorom (SC).. Obr. 2.2 Zapojenie bipolárnych NPN tranzistorov: a) so SB, b) so SE, c) so SC. Naj astej ie sa pou íva zapojenie so spolo n m emitorom, preto e ním mo no dosiahnu prúdové i napä ové zosilnenie. Zapojenie so spolo n m kolektorom sa vyzna uje predov etk m ve mi ve k m vstupn m odporom, ale napä ové zosilnenie je blízke 1. Vysok vstupn a nízky v stupn odpor tohto zapojenia sa vyu íva najviac. Zapojenie SC sa ale vyzna uje aj ve k m prúdov m zosilnením. Zapojenie SB je ale prúd emitora len o málo vä í ako prúd v kolektore. V zapojení so spolo nou bázou je mo né dosiahnu len zosilnenie napätia, preto sa tento spôsob pou íva málo. Pri rôznych zapojeniach s tranzistormi sa merajú nasledujúce charakteristiky: vstupné charakteristiky III. kvadrant, závislos I B = f ( U BE ), v stupné charakteristiky I. kvadrant, závislos I C = f ( U CE ), prevodové charakteristiky II. kvadrant, závislos I C = f ( I B ). 27

Na základe t chto charakteristík je potom mo né ur i, ako sa v danom zapojení bude tranzistor správa - tzn. aké prúdy a napätia budú na jednotliv ch v vodoch tranzistora. Obr. 2.3 Zobrazenie charakteristík tranzistora Literatúra [1] HOTTMAR, V. 2005.Analógové obvodové systémy I Predná ky 1-EDIS, 2005. U, ISBN 80-8070-449-X. [2] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983 [3] LIMAN, O. PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990 [4] STRÁNSK, J. - a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981 [5] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007 28

Laboratórne meranie Zadanie 1) Zmerajte v stupnú AVCH bipolárneho tranzistora I C = f(u CE ) pri I B = kon t. v zapojení so SE. 2) Zmerajte vstupnú charakteristiku bipolárneho tranzistora U BE = f(i B ) pri U CE = kon t. v zapojení so SE. 3) Zmerajte prevodnú AVCH bipolárneho tranzistora I C = f(i B ) pri U CE = kon t. v zapojení so SE. 4) Z nameranej siete jednosmern ch charakteristík ur ite pre polohu pracovného bodu dvojbránové h ik parametre v zapojení so SE. Postup merania Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE Meracie prístroje zapojte pod a zodpovedajúcej schémy, obrázok 2.4: Obr. 2.4 Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora Pripojte zdroje jednosmerného napätia U DC1, U DC2 s polaritou pod a druhu tranzistora NPN. Pre tranzistor typu NPN by bol zapojen analogicky, av ak s odpovedajúcou polaritou pripojeného vstupného a kolektorového napätia. Potenciometre P 1 a P 2 nastavte na minimum, to je do avej krajnej polohy. Na meracích prístrojoch nastavte predpokladané maximálne rozsahy hodnôt. Zapojenie si nechajte prekontrolova! 29

Zapnite napájanie zdroje. Potenciometrom P 1 nastavujte prúd I B na hodnotu pod a tabu ky nameran ch hodnôt a udr ujeme ju kon tantnú. Potom potenciometrom P 2 nastavujte hodnoty napätia U CE v rozsahu 2 11V. Merajte hodnoty prúdu I C, I C = f ( U CE ) pre I B =kon t. Namerané hodnoty I C zapisujte do tabu ky 2.1. I B [μa] 10 30 50 80 100 Tab. 2.1 Meranie v stupn ch AVCH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE.Namerané hodnoty I C = f(u CE ) pri I B = kon t. U CE [V] 2 3 4 5 7 9 11 I C [ma] U CE [V] 2 3 4 5 7 9 11 I C [ma] U CE [V] 2 3 4 5 7 9 11 I C [ma] U CE [V] 2 3 4 5 7 9 11 I C [ma] U CE [V] 2 3 4 5 7 9 11 I C [ma] Pre meran tranzistor vypo ítajte hodnoty P Cmax a hodnoty I Cmax pre zadané U CE. Vypo ítané hodnoty zapí te do tabu ky 2.2. U CE [V] I Cmax [m A] P Cmax [W ] Tab. 2.2 V po et hodnoty P Cmax a hodnoty I Cmax pre zadané U CE 2 3 4 5 7 9 11 Z nameran ch hodnôt zostrojte grafy pre v etky I B : C f ( U CE ) Z vypo ítan ch hodnôt zostrojte grafy: P C max = f( U CE ), I C max = f( U CE ). I = pre I B =kon t. 30

Meranie vstupn ch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE Meracie prístroje zapojte pod a schémy zapojenia, obrázok 2.4. Meraná charakteristika U = f I ) pre U CE = konst. BE ( B Na meranie pou ite zapojenie so SE. Potenciometrom P 2 nastavte postupne kon tantné hodnoty U CE v rozsahu 1 11V. Potenciometrom P 1 me te prúd bázy I B pod a hodnôt v alej uvedenej tabu ke a na elektrónkovom voltmetri od ítajte napätie bázy U BE. POZOR! V podstate meriate AVCH diódy v priepustnom smere. Aby ste charakteristiku zmerali o najpresnej ie, musíte ve mi citlivo nastavova prúd I B. Pre hodnoty I B = 2 50μA merajte so zaraden m odporom R B = 10k, pre hodnoty I B > 50μA merajte bez zaradeného odporu R B. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 2.3. Tab. 2.3 Meranie vstupn ch VACH bipolárneho tranzistora v zapojení so SE U CE [V] Namerané hodnoty U BE = f(i B ) pri U CE = kon t. 1 2 5 9 11 I B [μa] 2 5 10 20 50 100 200 500 U BE [V] I B [μa] 2 5 10 20 50 100 200 U BE [V] I B [μa] 2 5 10 20 50 100 U BE [V] I B [μa] 2 5 10 20 50 U BE [V] I B [μa] 2 5 10 20 50 U BE [V] Meranie prúdov ch prenosov ch charakteristík v zapojení so SE Meracie prístroje zapojte pod a schémy (zapojenie z predchádzajúcej úlohy merania). I = f ( I B ) pre U CE = konst. (2.1) C 31

Potenciometrom P 2 nastavte zadané napätie U CE pod a hodnôt v alej uvedenej tabu ke. Potenciometrom P 1 nastavujte stanovené me te prúd bázy I B a od ítajte odpovedajúce hodnoty prúdu I C. Nastavené a namerané hodnoty zapí te do tabu ky 2.4. Pre hodnoty I B = 2 50μA merajte so zaraden m odporom R B, pre hodnoty I B > 50μA merajte bez zaradeného odporu R B. U CE [V] 1 2 5 9 11 Tab. 2.4 Meranie prúdov ch prenosov ch charakteristík v zapojení so SE Namerané hodnoty I C = f(i B ) pri U CE = kon t. I B [μa] 10 20 50 100 150 200 I C [ma] I B [μa] 10 20 50 100 150 200 I C [ma] I B [μa] 10 20 50 100 150 I C [ma] I B [μa] 10 20 50 80 I C [ma] I B [μa] 10 20 50 70 I C [ma] Rie enie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora Meracie prístroje zapojte pod a schémy, obrázok 2.4. 32

Obr. 2.4 Rie enie nastavenia pracovného bodu bipolárneho tranzistora Tranzistor je zapojen ako NF jednostup ov zosil ova. Tak to tranzistorov obvod mô eme opísa tyrmi nezávisl mi rovnicami pre premenné I B, U BE, I C, U CE a ich rie ením ur i h adané hodnoty pre pracovn bod P A. Rovnice v stupn ch charakteristík: I = h22 pre I B = konst. (2.2) C U CE Rovnica kolektorového obvodu (zostavená pod a 2. Kirchhoffovho zákona): ( I I ) U + DC 2 = RC I C + U CE + RE B C (2.3) Rie ením dostaneme za a ovaciu priamku a prenesením priese níku s v stupn mi charakteristikami dostaneme závislos I C = f(i B ) v II. Kvadrante charakteristík. Rovnica vstupn ch charakteristík: U = h11 pre U CE = konst. (2.4) B I B Rovnica obvodu bázy (odvodená analogicky ako rovnica kolektorového obvodu): ( I I ) U + DC1 = RB I B + U BE + RE B C (2.5) Rie ením tejto rovnice dostaneme sie priamok v III. kvadrante charakteristík, ktoré pretínajú vstupnú charakteristiku. Nako ko sú tieto priamky pre rôzne prúdy I C 0, potom prenesením t chto priese níkov do II. kvadrantu charakteristík dostaneme opä funk nú závislos I C = f(i B ). Priese ník s krivkou I C = f(i B ) je h adan m pracovn m bodom P 0. Prenesením pracovného bodu P 0 po rovnobe kách do I. a III. kvadrantu charakteristík je mo né na osiach od íta zodpovedajúce hodnoty I C, U CE, I B, U BE. 33

Príklad Je dan obvod pod a schémy pre NF jednostup ov zosil ova, zapojen pod a obrázku 2.4, s hodnotami: U C = 15V, U B = 4V, R C = 680, R E = 200, R B = 20k. Vypo ítajte dva body pre kon trukciu za a ovacej priamky, vypo ítajte hodnotu prvkov vstupného obvodu pre nastavenie pracovného bodu v triede A. Vypo ítajte h ike parametre pre vypo ítan pracovn bod tranzistora. Rie enie: 1) V prvom kroku vypo ítame prúd I C rie ením rovnice v stupného obvodu U DC2 = R C I C +U CE +R E (I B +I C ) bod A: I C = 0 I B = 0 U DC2 = U CE = 15V bod B: U CE = 0 I B = 0 U DC 2 15 I C = = = 0, 017A (2.6) R + R 880 C E Body A a B vyneste na osi U CE a I C v stupnej charakteristiky tranzistora a spojte ich. Vznikne za a ovacia priamka. Priese níky s charakteristikami preneste do II. kvadrantu ako závislos I C = f(i B ) a vykreslite ich. 2) V al om kroku rie te rovnicu vstupného obvodu. Po ítajte prúd I B pre zadané hodnoty prúdu I C. U DC1 = R B I B +U BE +R E (I C +I B ) (2.7) U DC1 4 bod C: I C = 0 U BE = 0 I B = = = 198μA R + R 20200 B E (2.8) bod D: I C = 0 I B zvoli o osi men í ako bolo vypo ítané, napr. 180μA U BE = U B -(R B +R E )I B = 4 3,6 = 0,4V (2.9) Vyneste body C a D a zakreslite priamku pre I C = 0. al ie priamky sa zostrojujú takto: Prúd I C treba voli z radu napr. 2, 4, 6,... ma a a vypo ítajte I B pre I C = 2mA pri U BE = 0. bod E: I B U DC = R 1 E R E R B I C = 4 0,4 20200 = 178μA (2.10) Pri zmene I C o 2mA sa potom zmení I B o 20μA. Potom pre: I C = 4mA bude: I B = 158μA 34

I C = 6mA I C = 8mA I C = 10mA I C = 12mA I C = 14mA bude: I B = 138μA bude: I B = 118μA bude: I B = 98μA bude: I B = 78μA bude: I B = 58μA at. Hodnoty I B sa vynesú na os I B a zakreslia sa rovnobe ky s priamkou pre I C = 0. Vzniknú priese níky so vstupnou charakteristikou pre U CE = 7V a tieto sa prenesú do II. kvadrantu ako funkcia I C = g(i B ). Priese ník s I C = f(i B ) je h adan pracovn bod so súradnicami: P 0 { I C = 9mA; U CE = 7V I B = 70μA; U BE = 600mV}. 3) V tomto pracovnom bode je mo né vypo íta h ike parametre: 3 U BE 40.10 3 h 11E = = = 0,4.10 = 400 pre U 6 CE = konst. (2.11) I 100.10 B U 120.10 3 BE 3 h 12E = = = 19,3. 10 pre konst. U CE 6,2 I B = (2.12) 3 I C 10,1.10 3 h 21 E = = = 0,166.10 = 166 pre U 6 CE = konst. (2.13) I 60.10 h B 3 I C 0,75.10 4 = = = 0,75. S pre I B = konst. (2.14) U 10 22E 10 CE Úlohy na zapracovanie do protokolu: Do protokolu uvies podmienky, za ktor ch meranie prebiehalo (teplota, atmosférick tlak). Z nameran ch hodnôt zostroji sie v stupn ch charakteristík pre zadané hodnoty I B, I C = f(u CE ) pri I B = kon t., popísa súradnicové osy, vyzna i medzné hodnoty pre meranie (I Cmax, U CEmax, P Cmax ) pre tranzistor KF508 a vynies krivku kolektorovej straty P Cmax = U CE. I C. Z nameran ch hodnôt analogicky zostroji sie prenosov ch I C = f(i B ) pri U CE = kon t. a vstupn ch U BE = f(i B ) pri U CE = kon t. charakteristík pre zadané hodnoty U CE. V sieti statick ch charakteristík vy íta pre katalógov pracovn bod dan hodnotami U CE a I C, parametre h 11E, h 12E, h 21E, h 22E tak, aby bolo na prv poh ad vidno, odkia boli od ítané iastkové delty ( I C, U CE, I B, U BE ) a porovna ich s katalógov mi hodnotami. Vyhodnoti spôsoby merania tranzistora z h adiska pou ite nosti v elektrickom obvode. 35

V závere vyjadrite, ako sú uvedené spôsoby merania tranzistora potrebné pre praktickú aplikáciu tranzistora do elektrického obvodu. Literatúra [1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981. [2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981. [3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983. [4] SEIFRT, M.: Polovodi ové prvky a obvody na spracovanie spojit ch signálov. ALFA, Bratislava 1988. [5] LIMAN, O. PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990. [6] KESL, J.: Elektronika I analógová technika. BEN, Praha 2006. 36

3. Meranie NF zosil ova a Teoretick rozbor Nízkofrekven n (NF) zosil ova je zosil ova, ktorého úlohou je zosilni ak ko vek nízkofrekven n signál pre jeho al ie spracovanie. Príkladom ich zapojenia je napr. v konov zosil ova, napä ov zosil ova at. NF zosil ova e sa delia na: 1) Predzosil ova e, ktor ch úlohou je zosilni signál ve mi nízkej úrovne, získan napríklad z napä ov ch sníma ov. V etky takéto signály sa zosil ujú napä ovo. 2) V konové zosil ova e, ktoré zosil ujú v etky signály napä ovo a prúdovo. Základné parametre NF zosil ova ov Základné parametre, ktoré charakterizujú NF zosil ova e, sú: 1) V konové zosilnenie: (3.1) 2) Prúdové zosilnenie: (3.2) 3) Napä ové zosilnenie: (3.3) 4) Zisk: udáva sa v db, pri om mô e by napä ov, v konov alebo prúdov : (3.4) (3.5) (3.6) 37

5) Amplitúdovo-frekven ná charakteristika, ktorá vyjadruje závislos zosilnenia NF zosil ova a od frekvencie. Pri om: f d, f h - hrani né (medzné) frekvencie, f 0 - stredná frekvencia. Obr. 3.1 Amplitúdovo-frekven ná charakteristika NF zosil ova a 6) Fázovo-frekven ná charakteristika vyjadruje závislos fázového posunu v stupného signálu NF zosil ova a od frekvencie: Obr. 3.2 Fázovo-frekven ná charakteristika NF zosil ova a 7) Lineárne skreslenie vzniká vplyvom frekven n ch závislostí vlastn ch sú iastok a prejavuje sa zmenou tvaru v stupného signálu, vzh adom na signál vstupn. Skreslenie je spôsobené odch lkami v amplitúde a vo fáze. Pre neskreslen prenos musí plati, e zosilnenie je kon tantné v celom rozsahu frekvencií. 38

8) Nelineárne skreslenie sa prejavuje prítomnos ou vy ích harmonick ch zlo iek, ktor ch frekvencia mô e by celistv m násobkom základnej frekvencie, napr. frekvencie siete. Nelineárne skreslenie vzniká vplyvom zapojen ch nelineárnych sú iastok a je dané koeficientom nelineárneho skreslenia k n : (3.7) kde: A i je amplitúda i-tej harmonickej. A 1 je amplitúda 1. harmonickej, U je po et harmonick ch. 9) Dynamick rozsah D je ur en lineárnou as ou amplitúdovej charakteristiky a je definovan vz ahom: (3.8) kde: U 1max je maximálna amplitúda vstupného napätia na lineárnej asti amplitúdovej charakteristiky, U 1min je minimálna amplitúda tohto napätia. Triedy zosil ova ov Niektoré vlastnosti NF zosil ova ov závisia od toho, v ktorom mieste v stupnej charakteristiky zosil ovacieho prvku je umiestnen tzv. k udov pracovn bod P O. Pod a toho rozli ujeme 4 triedy zosil ova ov: triedu A (P A ), triedu B (P B ), triedu AB (P AB ) a triedu C (P C ). Trieda A: U zosil ova a triedy A sa k udov pracovn bod P A nachádza v strede za a ovacej priamky v stupnej AV charakteristiky a uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je 360 (prúd te ie t mto prvkom po as celej periódy vstupného signálu). Zosil ova triedy A sa vyu íva predov etk m v aplikáciách, kde sa nekladie dôraz na zosilnenie a ú innos, ale vy aduje sa malé skreslenie signálu. 39

Obr. 3.3 Charakteristiky NF zosil ova a triedy A Trieda B: U zosil ova a triedy B sa k udov pracovn bod P B nachádza v mieste minimálneho kolektorového prúdu, na za a ovacej priamke zosil ovacieho prvku a AV charakteristike pre prúd I B = 0. Uhol otvorenia je 180 (prúd te ie t mto prvkom len po as jednej pol periódy vstupného signálu). V porovnaní so zosil ova om v triede A má toto zapojenie vä iu ú innos. Nev hodou je vy ie skreslenie v dôsledku neharmonického v stupného signálu. 40

Obr. 3.4 Charakteristiky NF zosil ova a triedy B Trieda AB: U zosil ova a triedy AB sa k udov pracovn bod P AB nachádza na za a ovacej priamke v asti AV charakteristiky pre I B = (0 a 0,5I B max ) a uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je v intervale od 180 do 360 stup ov. Parametre zosilnenia a skreslenia sú na hodnotách medzi hodnotami pre zosil ova triedy A a triedy B. 41

Obr. 3.5 Charakteristiky NF zosil ova a triedy AB Trieda C: U zosil ova a v triede C sa k udov pracovn bod P C nachádza v inom kvadrante ako u zosil ova ov tried A, AB, B. Naj astej ie je to mimo 1. kvadrant, to je v 2. kvadrante. Uhol otvorenia zosil ovacieho prvku je v tomto prípade men í ako 180. Nev hodou tohto zapojenia je vysoké skreslenie. Obr. 3.6 Charakteristiky NF zosil ova a triedy C 42

Literatúra [1] KOTISA, Z. : NF Zesilova e I,II,III,IV. Praha: BEN - technická literatúra, 2002. [2] JURKOVI, K. ZODL, J.: Príru ka nízkofrekven nej obvodovej techniky. Bratislava, Alfa 1985. [3]http://sk.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADzkofrekven%C4%8Dn%C3%BD_zosil%C 5%88ova%C4%8D [4] LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007 43

Laboratórne meranie Zadanie 1) Zmerajte prenosovú amplitúdovo-frekven nú charakteristiku predlo eného NF zosil ova a u 2 = f(f) a vypo ítajte napä ové zosilnenie A u = u 2 /u 1. 2) Zmerajte závislosti v stupného v konu: P 2 = f(u BC ), P 2 = f(u 1 ). Postup merania Meracie prístroje zapojte pod a schémy, obrázok 3.6. Obr. 3.7 Zapojenie NF zosil ova a Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu NF generátor na minimum. Na osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik). Zapojenie si nechajte prekontrolova! Meranie prenosovej amplitúdovo-frekven nej charakteristiky u u 2 A db = 20log pre: u 1 = kon t. (3.9) 1 Pripojte napájacie napätie U CC = 15V. Skontrolujte, i je k udov prúd zosil ova a < 50mA. (Ak je vä í, nepokra ova v meraní a skuto nos oznámi vyu ujúcemu.) Nastavte v stupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u 1 = 10mV resp. f = 1kHz a od ítajte amplitúdu napätia u 2. Na osciloskope skontrolujte priebeh v stupného napätia, i nie je skreslen. (V prípade skreslenia nastaví priebeh vyu ujúci regula n m odporom vnútri prípravku.) Vstupné napätie u 1 udr ujte po celú dobu merania kon tantné. 44

Merajte amplitúdu napätia v stupného napätie u 2 v závislosti od frekvencie vstupného napätia u 1. Frekvenciu tohto napätia nastavujte z radu 10, 20, 50, 100... Hz a desa a sto násobky základného radu. Namerané v sledky zapí te do tabu ky 3.1. Tab. 3.1 Hodnoty merania frekven nej charakteristiky NF zosil ova a f[hz] u 2 [V] A u = u 2 /u 2(1kHz) [-] 10 20 50 100 200 500 1000 2000 4000 8000 16000 32000 64000 100000 u 1 = 50mV A UdB = 20log(u 2 /u 1 ) [db] A db = 20log(u 2 /u 2(1kHz) ) [db] A PdB = 10logP 2 /P 1 [-] Z nameran ch hodnôt vypo ítajte pomerné zosilnenie v stupného napätia u 2 ku v stupnému napätiu pri frekvencii 1kHz u 2 1kHz, zosilnenie v decibeloch A UdB, pomerné zosilnenie v stupného napätia k 1kHz v decibeloch A db, v konové zosilnenie v decibeloch u2 u2 A PdB. Pou ite vz ahy: F( f ) = 20log [ db] a AdB = 20log [ db] u u 1(1kHz) Namerané a vypo ítané hodnoty vyneste do grafov: u = f ( ), A u = f (f ), I 2 f A UdB = f (f ), A db = f (f ), A PdB = f (f ) pri u 1 = kon t. V grafoch znázornite a vyhodno te írku pásma pre pokles o 3dB. Meranie v stupného v konu Meranie v konu P 2 = f(u B ) Pre meranie v stupného v konu P 2 = f(u B ) zapojte zdroj napájacieho napätia zosil ova a a nastavte napätie U CC = 15V. Skontrolujte, i k udov prúd zosil ova a je 50mA. Pre meranie k udového prúdu odpojte vstup NF zosil ova a (tj. v stup NF generátora)! Nastavte v stupné napätie a frekvenciu NF generátora na hodnoty u 1 = 10mV resp. f = 1kHz. 45

Na osciloskope skontrolujte priebeh v stupného napätia u 2, i nie je skreslen. Zní te napájacie napätie U CC na 0V, potom postupne zvy ujte a do hodnoty U B = 15V, pritom od ítajte príslu né napätie na za a ovacom odpore R Z = 8,4. Namerané hodnoty zapí te do tabu ky 3.2. Tab. 3.2 Hodnoty merania k udového prúdu NF zosil ova a P 2 = f(u B ), u 1 = 10mV, f = 1kHz, R Z = 8,4 U CC [V] u 2 [V] i 2 [A] P 2 [W] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Z nameran ch hodnôt vypo ítajte pomocou vz ahov: prúd i 2 = u 2 /R Z a v stupn v kon P 2 = u 2 2 /R Z. Po dobu celého merania udr iavajte kon tantné vstupné napätie u 1 = 10mV a frekvenciu f = 1kHz. Vypo ítané hodnoty vyneste do grafu P 2 = f(u CC ). Meranie v konu P 2 = f(u 1 ) Pre meranie v stupného v konu P 2 = f(u 1 ) zapojte zdroj napájacieho napätia zosil ova a pod a obrázku 3.6 a nastavte napätie U CC = 15V. Nastavte frekvenciu NF generátora na frekvenciu f = 1kHz. Postupne zvy ujte vstupné napätie z u 1 = 0V a do u 1 = 100mV pod a hodnôt, uveden ch v tabu ke 3.3. Napätia, namerané na rezistore R Z = 8,4 zapí te do tabu ky 3.3. Tab. 3.3 Meranie v stupného v konu P 2 46

P 2 = f(u 1 ), U CC = 15V, f = 1kHz, R Z = 8,4 u 1 [mv] u 2 [V] P 2 [W] 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Z nameran ch hodnôt vypo ítajte v stupn v kon opä pomocou vz ahu: P 2 = u 2 2 /R Z. Vypo ítané hodnoty vyneste do grafu P 2 = f(u 1 ). Úlohy na zapracovanie do protokolu: Do protokolu uve te podmienky, za ktor ch meranie prebiehalo (teplota, vlhkos, atmosférick tlak). Z nameran ch a vypo ítan ch hodnôt zostrojte v etky po adované charakteristiky pre v etky iastkové merania. V hodné je pou itie logaritmickej stupnice frekven nej osi. V grafe ur ite írku prená aného pásma B meraného zosil ova a na úrovni poklesu o - 3dB. V závere vyhodno te, ako sa mení v stupn v kon P 2 zosil ova a v závislosti na ve kosti U CC a u 1 a o z toho vypl va pre pracovn re im zosil ova a. Literatúra [1] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika I. SNTL/ALFA, Praha, 1981. [2] STRÁNSK, J. a kol.: Polovodi ová technika II. SNTL/ALFA, Praha, 1981. [3] SUCHÁNEK, V. a kol.: Dioda, tranzistor a tyristor názorn. SNTL, Praha 1983. [4] SEIFRT, M.: Polovodi ové prvky a obvody na spracovanie spojit ch signálov. ALFA, Bratislava 1988. [5] LIMAN, O. PELKA, H.: Elektronika bez balastu ALFA, Bratislava 1990. [6] KESL, J.: Elektronika I analógová technika. BEN, Praha 2006. [7]LAKOTA, B.: Zdroje elektrickej energie I. AOS, Liptovsk Mikulá, 2007 47

4. Meranie tranzistorového zosil ova a Laboratórne meranie Zadanie 1) Vypo ítajte základné vlastnosti predlo eného tranzistorového NF zosil ova a pre napájacie napätie U CC = 9V a za a ovací odpor R Z = 10k. Vypo ítané vlastnosti overte meraním vlastností tohto zosil ova a. Postup merania Najskôr zmerajte hodnoty odporov R 1, R 2, R C a R E (na prípravku) pri odpojenom napájacom zdroji. Pomocou grafu charakteristík tranzistora ur ite hodnoty parametrov k udového pracovného bodu P 0 = P A ( pre U CE, I C, I B, U BE ). Prúd bázy I B má by zvolen tak, aby zosil ova pracoval v triede A (s vyu itím nákresu za a ovacej priamky a dynamickej prevodnej charakteristiky v grafe charakteristík tranzistora, obrázok 3.3 ). Pre zvolen k udov pracovn bod P 0 a zmerané hodnoty odporov R C a R E vypo ítajte potrebnú ve kos odporov R 1, R 2, graficky ur ite maximálnu amplitúdu v stupného napätia a napä ové zosilnenie zosil ova a A U = u 2 /u 1. Niektoré vz ahy 4.1 a 4.3, potrebné pre popis pomerov na prípravku zosil ova a: U = Rc + U CE + U Re U B Rc RC IC ( I I ) U + I Re = RE B C U R + U BE + U Re = U B U + U U = (4.1) 1 (4.2) BE Re R1 = I B + (4.3) R2 Zapojte prípravok pod a schémy na obrázku 4.1. Pred zapnutím nastavte frekvenciu a amplitúdu na NF generátore na minimum. Na osciloskope nastavte minimálnu citlivos (5V/dielik) Zapojenie si nechajte prekontrolova! 48