PIOTR MADEJ ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z PODSTAW ELEKTRONIKI

Transkrypt

1 PIOT MADEJ ĆWICZENIA LABOATOYJNE Z PODSTAW ELEKTONIKI Mm Studentm, szczególne z przełmu weów. Ofcyna Wydawncza Pltechn Wrcławsej Wrcław 04

2 PIOT MADEJ ecenzent Janusz Ocepa Oracwane grafczne redacyjne Ptr Madej Wydan na pdstawe dstarcznych materałów Wszele prawa zastrzeżne. Żadna część nnejszej sąż, zarówn w całśc, ja we fragmentach, ne mże być reprduwana w spsób eletrnczny, ftgrafczny nny bez zgdy wydawcy właśccela praw autrsch. Cpyrght by Ofcyna Wydawncza Pltechn Wrcławsej, Wrcław 04 OFICYNA WYDAWNICZA POLITECHNIKI WOCŁAWSKIEJ wyb. Stansława Wyspańseg 7, Wrcław e-mal: fcwyd@pwr.wrc.pl ISBN

3 ĆWICZENIA LABOATOYJNE Z PODSTAW ELEKTONIKI SŁOWO OD AUTOA Opracwane jest przeznaczne przede wszystm dla studentów Wydzału Eletryczneg Pltechn Wrcławsej, erunów Autmatya btya raz Eletrtechna. Zawera nstrucje d ćwczeń labratryjnych z przedmtu Pdstawy Eletrn, prwadzneg w Instytuce Maszyn, Napędów Pmarów Eletrycznych. Pza zestawam zadań d wynana w trace zajęć wraz z uwagam dtyczącym dumentwana pracy, Czyteln znajdze tutaj dsyć bgate wprwadzena teretyczne, tóre mgą być taże pmcne d panwana materału wymaganeg d zalczena wyładu z teg przedmtu. Pdstawy Eletrn są teraz na wczesnych semestrach studów dlateg prgramy ćwczeń są szczegółw rzpsane raz d węszśc badań zaprpnwan przyłady tabel na wyn, przede wszystm w pczątwych tematach. Zasadncza część pracwana t trzynaśce rzdzałów 3, d pszczególnych tematów ćwczenwych. Ddatw psan zestawy aparatury, maet elementów na ażdym stanwsu labratryjnym (rzdz. 4) raz rdzaje badań mżlwych d wynana na nch. W Ddatu rzdz. 5 zameszczn syntetyczne pracwana netórych zagadneń, pszerzające wedzę Czytelna ułatwające przyswjene materału. Studentm, tórzy będą mel prblemy z blczenam, Autr pleca swje nne pracwana [4] [5], pdane w spse lteratury rzdz. 6. Materał zawarty w pracwanu mże taże psłużyć studentm nnych wydzałów erunów, tórzy mają wyład labratrum z przedmtów typu Pdstawy Eletrn, Ułady Eletrnczne, Elementy Ułady Eletrnczne, Eletrtechna Eletrna, tp. Prwadzący tae zajęca mgą adptwać część ćwczeń, raz plecć wynane częśc ch prgramu. Autr życzy Czytelnm pratycznych sucesów w tej nełatwej dzedzne, raz prs zgłaszane na adres: ptr.madej@pwr.edu.pl wszelch uwag pracwanu, w tym błędów ustere. AUTO 3

4

5 ĆWICZENIA LABOATOYJNE Z PODSTAW ELEKTONIKI SPIS OZDZIAŁÓW SPIS OZDZIAŁÓW BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA TANZYSTOOWE ŹÓDŁA PĄDOWE LINIOWY PZETWONIK SYGNAŁU NA TANZYSTOZE BIPOLANYM LINIOWY PZETWONIK SYGNAŁU NA TANZYSTOZE POLOWYM WZMACNIACZ OPEACYJNY ZECZYWISTE PAAMETY. UKŁAD WTÓNIKA I WZMACNIACZA NIEODWACAJĄCEGO LINIOWE PZETWONIKI SYGNAŁU NA WZMACNIACZU OPEACYJNYM. WZMACNIACZ ODWACAJĄCY, SELEKTYWNY I PZETWONIK U/I WZMACNIACZ ÓŻNICOWY NA WZMACNIACZU OPEACYJNYM NIELINIOWE PZETWONIKI SYGNAŁU NA WZMACNIACZU OPEACYJNYM. UKŁAD LOGAYTMUJĄCY, POMIAOWY PZETWONIK AC-DC GENEATO FALI SINUSOIDALNEJ GENEATOY FALI POSTOKĄTNEJ, TÓJKĄTNEJ.... FUNKTOY CYFOWE I UKŁADY KOMBINACYJNE PZEZUTNIKI BISTABILNE I UKŁADY SEKWENCYJNE WYPOSAŻENIE STANOWISK LABOATOYJNYCH DODATEK LITEATUA

6

7 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW. BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW Cel: Pznane właścwśc zasad stswana aparatury pmarwej w labratrum. Badana charaterysty przejścwych bernych czwórnów C przy prądze stałym (DC) prądze przemennym (AC). Ops ch właścwśc ja lnwych przetwrnów sygnałów. Zaps zesplny sygnałów transmtancj... WSTĘP TEOETYCZNY Najprstszym przyładem lnweg przetwrna sygnału mże być rezystr, prsty element dwuzacswy, czyl dwójn. Przetwarza n zgdne z prawem Ohma przepływający prąd na spade napęca. Przetwrzna zstała welść, a ne wartść. Mżna w tym przypadu wynać taże przetwrzene dwrtne; przyłżne d rezystra napęce zstaje przetwrzne na prąd płynący przez neg. Przy tych przetwrzenach współczynnem prprcjnalnśc przetwarzana jest ndutancja lub rezystancja rezystra. Ogólne dla lnweg przetwrna przy sygnałach snusdalnych pwnna zachdzć relacja: B = A + (.) B 0 gdze A wartść zesplna welśc wejścwej, pbudzena przetwrna, B wartść zesplna welśc wyjścwej, reacj, p przetwrzenu, wartść zesplna współczynna przetwarzana czyl transmtancj przetwrna, B 0 wartść pczątwa welśc wyjścwej, błąd zera. ys... ezystancyjny dzeln napęca ja berny przetwrn wartśc, ze źródłem sygnału wejścweg bcążenem wyjśca. Stswane w eletrnce przetwrn sygnału zawerają z reguły węcej nż jeden element są przynajmnej czwórnam; mają p parze zacsów wejścwych wyjścwych. Przyładem czwórna, przetwrna wartśc, tóry ma rzdzelne dzlwane pary zacsów wyjścwych d wejścwych jest transfrmatr. Najczęścej jedna jeden zacs wejścwy przetwrna jest płączny z jednym wyjścwym jest t tzw. masa punt dnesena dla sygnałów, np. zerwym ptencjale dla napęć, ja na rys... Czwórn berne, tórych badane jest tematem ćwczena, w przecweństwe d czwórnów atywnych ne mgą zwęszyć energ sygnału. Jeśl ne zawerają elementów grmadzących energę (ndensatr, cewa), znacza t taże nemżnść zwęszena mcy sygnału, a przetwrn wartśc (tae same welśc na wejścu wyjścu, np. napęce) ne zwęszą wartśc sygnału. Pazany na rys.. dzeln napęca jest jednym z najprstszych, bernych 7

8 PIOT MADEJ czwórnów przetwarzających wartść sygnałów napęcwych. Już sama nazwa sugeruje zmnejszane wartśc. Pneważ pazany na rys.. schemat zawera wyłączne elementy rzeczywste, ne ma ptrzeby zapsywać zesplnej zależnśc. Efetywna transmtancja napęcwa uef wąże efet napęce wyjścwe z pbudzenem słą eletrmtryczną generatra: U = L L uef Eg = Eg = U (.) S ( L ) + + g L + gdze U S sła eletrmtryczna zastępczeg źródła na zacsach wyjścwych, zgdne z twerdzenem Thevenna, rezystancja wewnętrzna zastępczeg źródła, rezystancja wyjścwa dzelna z przyłącznym źródłem sygnału, S = Eg = + + g ( ) U, + (.3) a wejścwa rezystancja dzelna, wdzana przez źródł sygnału ja bcążene ( ) + L =. (.4) Taa zależnść rezystancj wyjścwej czwórna d rezystancj źródła sygnału g rezystancj wejścwej czwórna d rezystancj bcążena L znacza, że ne jest n unlateralny, sygnał mże przepływać zarówn d wejśca d wyjśca, ja w przecwną strnę. Zależnść (.) uwzględna zarówn rezystr L bcążający wyjśca czwórna ja wewnętrzną rezystancję źródła sygnału g dlateg transmtancja napęcwa u ma ddatwy ndes ef (efetywna). Gdyby zdefnwać ją ja stsune tyl U /U a jeszcze ddatw przy brau bcążena, c w przypadu sygnału napęcweg znacza I = 0 A, t w sume będą trzy dmany taej transmtancj: g uef U L = =, (.5) E + + g g, L dwlne ( ) L g u U L = =, (.6) U + L dwlne ( ) L u0 U = U L Ω = + (.7) przy czym ja wdać uef u u0. (.8) Pdbne mżna psać dzałane dzelna prądu z rys..: I = g ef I g = I g = I S (.9) ( g ) + + L L + gdze I S prąd zastępczeg źródła na zacsach wyjścwych, zgdne 8

9 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW z twerdzenem Nrtna, rezystancja wewnętrzna zastępczeg źródła, rezystancja wyjścwa dzelna z przyłącznym źródłem sygnału, g I S I g, = + g + ( ) = (.0) a wejścwa rezystancja dzelna prądu, wdzana przez źródł sygnału ja bcążene ( ) = + L. (.) g ys... ezystancyjny dzeln prądu ja berny przetwrn wartśc, ze źródłem sygnału wejścweg bcążenem wyjśca. Ten czwórn taże ne jest unlateralny, czym śwadczą zależnśc (.0) (.), w tórych wyraźne są wdczne wpływy g źródła na uładu L bcążena na uładu. Trzy dmany jeg transmtancj t: ef I g = =, (.) I + + g g, L dwlne ( ) g L I = =, (.3) I + + L dwlne L 0 I = I L 0 Ω = + (.4) przy czym taże ef 0. (.5) Dzałane bu czwórnów, tj. spsób przetwarzana sygnału mżna psać grafczne za pmcą charaterysty przejścwych np. w pstac zależnśc wartśc chwlwych u = f(u ) raz charaterysty częsttlwścwych, z pdzałem na f f ϕ f f. Charaterysty charaterysty mdułu fazy, np. u 0 = ( ) ( ) = u0 częsttlwścwe zwyle wyreśla sę ja wyresy lgarytmczne, czyl d mdułu transmtancj stsuje sę marę lgarytmczną, a zmenna nezależna częsttlwść ma w bu pdzałę lgarytmczną. Transmtancję napęcwą w merze lgarytmcznej, w [db] blcza sę z zależnśc: u[ db] = 0 lg u[ V/V]. (.6) 9

10 PIOT MADEJ Jeżel czwórn zawera lnwe elementy berne współpracuje z lnwym źródłem lnwym bcążenem, t jeg dzałane jest lnwe charaterystya przejścwa jest dcnem prstej (rys..3). Charaterysty częsttlwścwe tach czwórnów ja na rys... są taże dcnam prstych. Natmast nretne przyłady nnych charaterysty częsttlwścwych pdan przy mawanych w dalszej częśc czwórnach dln- górnprzepustwych. ys..3. Przyłady charaterysty rezystancyjneg dzelna napęca z rys..: a) charaterystya przejścwa (wartśc chwlwe), b) charaterysty częsttlwścwe mdułu argumentu. Transmtancja berneg czwórna mże zależeć d częsttlwśc, jeżel elementy uładów z rys... będą mpedancjam. Przyład pazan na rys..4. ys..4. Impedancyjny dzeln napęca ze źródłem sygnału wejścweg bcążenem wyjśca. Zesplna efetywna transmtancja czwórna z rys..4 ma pstać: uef U Z L Z = =, (.7) E + Z + Z g Z g, Z L dwlne ( Z Z ) L g tóra ne jest prsta d analzy. Pnżej psłużn sę prstszą wersją zesplnej transmtancj, tórą łatwej rzpsać na sładwe algebraczne lub wyładncze (mduł argument), a tórą mżna pmarw wyznaczyć za pmcą aparatury spełnającej z wystarczającą dładnścą warune brau bcążana wyjśca: u0 U = U Z L >> Z Z = Z + Z = e + jx ( + ) + j( X + X ) jϕ ( ) + jim( ) = e, u0 = u0 u0 = (.8) 0

11 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW + X X X + X u 0 =, ϕ = arctg arctg, (.9) + ( + ) + ( X + X ) ( ) = csϕ, Im( ) = sn. e u0 u0 u0 u0 ϕ (.0) Najprstszym czwórnam transmtancj zależnej d częsttlwśc są ułady górnprzepustwy dlnprzepustwy. Mgą ne być sładnam węszych uładów, celw zastswanym, np. uład górnprzepustwy d elmnacj wpływu puntów pracy (separacj stałprądwej) asadw płącznych stpn wzmacnaczy tranzystrwych. Uład dlnprzepustwy jest częst nepżądanym sładnem przetwrnów sygnałów; pratyczne ażdy element węzeł uładu ma jaąś pjemnść d pzstałych elementów a przede wszystm d masy uładu. Autr prpnuje przeanalzwane tych dwóch elementarnych uładów w warunach zblżnych d dealnych tj. ja zesplnych dzelnów napęca przy pmnęcu mpedancj źródła sygnału bcążena wyjśca raz z rezystancjam źródła bcążena. Uład z rys..5 ma przy Z g = 0 Ω Z L Ω transmtancję zapsaną w zal. (.). Wprwadzne d zależnśc parametry charaterystyczne teg uładu t jeg stała czaswa τ = C jej dwrtnść, dlna granczna, charaterystyczna pulsacja ω d = πf d = /τ, przy tórej mduł transmtancj ma / wartśc masymalnej (tj. 70,7%, rys..6), czyl w merze lgarytmcznej jest mnejszy 3 db. Jedncześne przy tej pulsacj przesunęce fazwe wyns Przy analze tach uładów, transmtancj zależnej d częsttlwśc, stsuje sę lne łamane na wyresach, aprsymujące rzeczywste charaterysty uładu, c pazan lnam przerywanym na rys..6. Nachylene charaterysty mdułu dla pulsacj mnejszych d dlnej grancznej ω d jest + 0 db/de, tj. mduł transmtancj rśne dzesęcrtne przy dzesęcrtnym wzrśce częsttlwśc. Zmana nachylena charaterysty aprsymacyjnej mdułu następuje przy pulsacj ω d w tym punce jest najwęsza różnca 3 db mędzy ną a rzeczywstą charaterystyą uładu. Z le aprsymacyjna charaterystya argumentu zmena nachylene przy pulsacjach 0 razy mnejszej 0 razy węszej d dlnej grancznej ω d, masymalna różnca w tych puntach w stsunu d rzeczywstej charaterysty wyns 5,7, a nachylene charaterysty przy pulsacj ω d wyns 45 /de. ys..5. Uład górnprzepustwy, przypade gólny z mpedancjam źródła sygnału bcążena. u0 = jx C = j ωc ωd = = + ωd j ω ω = = j ωτ 0,5 e ωd j arctg ω. (.)

12 PIOT MADEJ ys..6. Częsttlwścwe charaterysty mdułu argumentu (przesunęca fazweg) uładu górnprzepustweg, nebcążneg. Uładem przecwnym dzałanu d pprzedneg jest uład dlnprzepustwy; rys..7.8 raz zal. (.) przy Z g = 0 Ω Z L Ω. ys..7. Uład dlnprzepustwy, przypade gólny z mpedancjam źródła sygnału bcążena. ys..8. Częsttlwścwe charaterysty mdułu przesunęca fazweg uładu dlnprzepustweg, nebcążneg.

13 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW 3. e j j j j j j -arctg j 0,5 0 + = + = + = = + = + = = g g g C C C u C X X X ω ω ω ω ω ω ωτ ω (.) Parametr ω g =πf g = /τ = /C t górna granczna pulsacja uładu. Pwyżej nej (rys..8) charaterystya mdułu transmtancj pada, z nachylenem 0 db/de. Przy pulsacj charaterystycznej ω g argument transmtancj ma w tym uładze 45, a nachylene tej charaterysty w tczenu ω g wyns 45 /de, ta ja w uładze górnprzepustwym. Trzecm przyładem prsteg uładu transmtancj zależnej d częsttlwśc jest pazany na rys..9 czwórn Wena, sładający sę z dwóch gałęz z elementam C, wejścwej z szeregwym płączenem wyjścwej z równległym płączenem. Jest t płączene uładu górnprzepustweg C dlnprzepustweg C. Stałe czaswe bu gałęz pwnny być sbe równe: τ = τ = C = τ = C. W przypadu dealneg źródła sygnału brau bcążena wyjśca transmtancja uładu jest psana zal. (.3) a jej braz grafczny pazan na rys..0. ys..9. Uład śrdwprzepustwy, tzw. czwórn Wena, przypade gólny z mpedancjam źródła sygnału bcążena.. e j j j j j -arctg j 0, = = = = + + = + + = ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ω ωτ ωτ ω ω ω u C C C (.3) Kształt zależnśc częsttlwścwej charaterysty mdułu transmtancj (rys..0) jest nazywany quas reznanswym, ze szczytem przy pulsacj charaterystycznej ω = /τ nachylenam zbczy 0 db/de, przy czym zadwalająca jaść werzchła będze gdy. Jeżel stałe czaswe gałęz nec sę różną, pulsację ω należy blczyć z

14 PIOT MADEJ τ = τ τ, (.4) = C C średnej gemetrycznej stałych czaswych. Masmum mdułu przy tej pulsacj będze mał wartść: ( ) = ( = ω ) u0 max u0 ω = (.5) + dla tzw. czwórna symetryczneg, = będze t /3, tj. 9,54 db. ys..0. Częsttlwścwe charaterysty mdułu przesunęca fazweg symetryczneg czwórna Wena tj. =, nebcążneg. Przy pulsacj ω argument równa sę 0, a nachylene jeg charaterysty dla czwórna symetryczneg = w tczenu tej pulsacj wyns dwa razy węcej nż dla pprzednch uładów: 90 db/de. Najwęszy błąd aprsymacyjnych charaterysty argumentu taeg czwórna, przy pulsacjach ω równych 0,ω 0ω wyns dsyć duż, 6,9, ł trzy razy węcej nż w pprzednch uładach... PACE PZED ZAJĘCIAMI Stpeń wynana puntu..3 rzutuje na cenę całej grupy. A) Zapznaj sę z właścwścam aparatury pmarwej, stswanej w ćwczenu (multmetry, generatr, scylsp) patrz zdjęca tabele w rzdzale 4. B) Oblcz transmtancje masymalne w [V/V] [db], mpedancje wejścwe wyjścwe dla badanych w ćwczenu uładów, tórych wyaz z wartścam elementów dla Twjej grupy znajdzesz w tab... Przyjmj, że warun pracy uładu są dealne, tj. wyjśce uładu ne jest bcążne a generatr sygnału ma zerwą mpedancję. C) W przypadu uładu zależnej częsttlwścw transmtancj blcz pulsację częsttlwść charaterystyczną, blcz mduł w [V/V] [db] raz argument w [ ] transmtancj przy pulsacjach równych charaterystycznej uładu, 0 razy mnejszej 0 razy węszej d nej. Przelcz blczne wartśc transmtancj na sładwe algebraczne: część rzeczywstą urjną. Uwaga. Stswane w ćwczenu elementy berne mają reślną przez prducenta tzw. tlerancję wartśc, tj. masymalną dpuszczalną względną dchyłę 4

15 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW rzeczywstej wartśc d znamnwej, tóra jest przypsana d elementu. ezystry w labratrum mgą meć tlerancję 5 % lub 0 % a ndensatry 0 % lub 0 %. W zwązu z tym szacwane teretyczne parametry uładu należy tratwać też ja znamnwe, a dchyła rzeczywstej ch wartśc zależy d tlerancj elementów zależnśc, z jaej blcza sę dany parametr, np. transmtancję. Przy prównanu wynów badań z wynam analzy teretycznej sprzed zajęć pamętaj tych tlerancjach. Mgą ne dać znaczne węsze różnce nż nepewnśc wprwadzane przez przyrządy pmarwe..3. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Badana wynasz na maece wzmacnaczy welstpnwych (rzdzał 4..); wyrzystasz tyl gnazda na elementy berne płączena mędzy nm. Tab... Wartśc elementów d uładów badanych w ćwczenu. Uład ezystancyjny dzeln napęca z rys.. Śrdwprzepustwy z rys..9 Element Numer grupy [Ω] 6,8 0 3,9,7 8, [Ω],7 0,8 0,33,0 0,68, [Ω] 6,8 8 4,7 5,6 C [nf] [Ω],,8 4,7,,8 C [nf] Badana rezystancyjneg dzelna napęca. A) Badane charaterysty przejścwej. Płącz uład z rys.. z wartścam elementów według danych w tab... Dłącz aparaturę d badana stałym napęcem (DC), zgdne z rys... ys... Uład pmarwy d badana rezystancyjneg dzelna przy stałym napęcu. Tab... Przyład tabel d zapsu wynów badana charaterysty przejścwej dzelna. Punt.3.A. Badane charaterysty przejścwej nebcążneg dzelna napęcweg przy DC. Przyrządy V:, V:. U znam [V] U [V] 0 (zwra) U [V] U znam [V] Uwag: U U [V] [V] Oblczna transmtancja: u0 = V/V. 5

16 PIOT MADEJ Zbadaj charaterystyę U = f(u ) uładu z d = 0 Ω L Ω, w zarese U ( 0 + 0) V, c V. Wyn wpsuj d tabel, np. taej ja tab... W sprawzdanu m.n. wyreśl tę charaterystyę, blcz średną wartść współczynna przetwarzana transmtancj, prównaj z teretyczną. B) Pmar pśredn rezystancj wyjścwej. Ustaw na wejścu dzelna nebcążneg wartść sygnału rzędu lu wltów. Odczytaj wartść napęca wyjścweg U zapsz d tab..3. Tab..3. Przyład tabel d zapsu wynów badana rezystancj wyjścwej wejścwej dzelna. Punt.3.B C. Pśredn pmar rezystancj wyjścwej wejścwej dzelna napęcweg przy DC. Przyrządy V:. mmerz: L [Ω] d [Ω] U [V] U = U = U 3 = U 4 = Uwag Oblczne rezystancje uładu: = Ω, f = Ω Następne ne zmenaj sygnału wejścweg, włącz ja bcążene uładu rezystr L =,7 Ω pwtórne dczytaj wartść napęca wyjścweg U, zapsz d tab..3. Z zależnśc na transmtancję dzelna nebcążneg bcążneg wyprwadź zależnść d blczena wyjścwej rezystancj dzelna ze zmerznych napęć wyjścwych U U zastswanej rezystancj bcążena L ; pamętaj, że U był stałe. C) Pmar pśredn rezystancj wejścwej. Pzstaw na wejścu sygnał z pprzedneg puntu, dłącz bcążene L, dczytaj zapsz d tab..3 napęce wyjścwe uładu bez bcążena U 3. Ne zmenaj wejścweg sygnału, dłącz szeregw z wejścem rezystr d =,7 Ω (według rys..), dczytaj zapsz d tab..3 napęce wyjścwe uładu U 4. Zmerz wartść użyteg rezystra L = d wpsz d tab..3; wyrzystasz ją d blczeń. Z zależnśc na transmtancję dzelna nebcążneg, z dealnym źródłem sygnału z rzeczywstym źródłem sygnału g = d > 0 Ω wyprwadź zależnść d blczena wejścwej rezystancj nebcążneg dzelna ze zmerznych napęć wyjścwych U 3 U 4 zastswanej rezystancj na wejścu d = g ; pamętaj, że E g był stałe..3.. Badana uładu śrdwprzepustweg. A) Wyznaczene częsttlwśc śrdwej badane charaterysty przejścwej. Płącz uład z rys..9 z wartścam elementów według danych w tab... Dłącz przyrządy pmarwe zgdne z rys... Ustaw wartść suteczną sygnału snusdalneg z generatra ł lu wltów. Wyznacz dśwadczalne częsttlwść śrdwą uładu f według ryterum fazy ϕ = 0 ; scylsp w trybe XY, na erane dcne prstej. Zbadaj przy tej częsttlwśc charaterystyę przejścwą U = f(u ) uładu nebcążneg, za pmcą sygnału AC snusdalneg wltmerza, np. w zarese wartśc sutecznej U = (0 5)V c V. Wyn zapsz w tabel, np. taej ja tab..4. 6

17 . BIENE UKŁADY LINIOWYCH PZETWONIKÓW SYGNAŁÓW ys... Badane czwórna sygnałem zmennym, np. snusdalnym z przyładem blczana wartśc parametrów czwórna z dczytów z scylspu w trybe XY, c x c y t stałe anałów. Tab..4. Przyład tabel d zapsu wynów badana charaterysty przejścwej uładu seletywneg. Punt.3.A. Badane charaterysty przejścwej uładu śrdwprzepustweg sygnałem snusdalnym f = f = Hz. Przyrządy V:, V:. U znam [V] U [V] 0 (zwra) U Uwag: [V] Oblczna transmtancja: u0 = V/V. W sprawzdanu m.n. wyreśl tę charaterystyę, blcz średną wartść transmtancj napęcwej współczynna przetwarzana, prównaj z blczenam wynanym przed zajęcam. Czy mżlwe jest zbadane rezystancj wejścwej wyjścwej uładu w ta sam spsób, ja pprzedneg? Wsazówa: przyjrzyj sę rys..9 zależnścm (.3) (.4), sfrmułuj wns. B) Badane charaterysty częsttlwścwej. Przy stałej wartśc napęca sygnału przemenneg z generatra, rzędu lu wltów zbadasz charaterysty częsttlwścwe mdułu argumentu transmtancj w uładze z rys... Odczytasz wartśc napęć na wejścu wyjścu uładu raz wymary elpsy (b B) z eranu scylspu w trybe XY. Prpnwane punty charaterysty (znamnwe wartśc częsttlwśc), ja rtnśc wyznacznej dśwadczalne częsttlwśc śrdwej: f/f = /0, /, /3, 4/5,, 5/4, 3/,, 0. Wyn zapsuj d tabel, taej ja np. tab..5. Sprawdź przy włącznej lnwej pdstawe czasu w scylspe częsttlwścach f = f /0, f = 0f, ja zna ma przesunęce fazwe blczane z wymarów elpsy. Uwzględnj t przy wypełnanu blczenam tab..5. Wyreśl be charaterysty, z lgarytmcznym salam częsttlwśc mdułu transmtancj raz lnwą salą argumentu transmtancj. Prównaj wyn badań z teretycznym blczenam sprzed zajęć. 7

18 PIOT MADEJ Tab..5. Przyład tabel d zapsu wynów badana charaterysty częsttlwścwej uładu seletywneg z rys..9. Punt.3.B. Badane zależnśc mdułu transmtancj przesunęca fazweg d częsttlwśc w uładze seletywnym. Przyrządy V: V:, Częstścmerz:, Oscylsp:. L.p. f znam = f U U B b u0 u0 ϕ [Hz] [V] [V] [dz] [dz] [V/V] [db] [ ] f /0 f / 3 f /3 4 4f /5 5 f 6 5f /4 7 3f / 8 f 9 0f Uwag: 8

19 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA. DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA Cel: Pratyczne pznane uładów d badana charaterysty statycznych dd półprzewdnwych, dcnów (zaresów): przewdzena, zatana, przebca. Przyswjene ształtu charaterysty ch matematyczneg psu. Pznane badane najprstszych uładów aplacyjnych dd. Ćwczene ma bgaty prgram, szczególne w częśc teretycznej analtycznej, dlateg Autr pleca rzdzelene przygtwana sprawzdana na częśc, wynywane ddzelne przez pszczególne sby w grupe... WSTĘP TEOETYCZNY... INFOMACJE OGÓLNE, CHAAKTEYSTYKI APOKSYMUJĄCE Dda jest najprstszym dwuńcówwym przyrządem półprzewdnwym, nesymetrycznej charaterystyce napęcw-prądwej, czyl zależnej d erunu przyłżena napęca d ddy lub erunu przepływu prądu przez ną. Charaterystya ta jest pnadt nelnwa. Ne jest t przypade czy wada ddy. Celw ta ją snstruwan, wyrzystując złącze p-n dwóch bszarów półprzewdna różnym type przewdnctwa lub złącze m-s (metalpółprzewdn), aby wyrzystać w uładach jej asymetrę. Ddy stsuje sę w welu uładach: prstwnach, detetrach, mdulatrach, stablzatrach parametrycznych, bwdach reznanswych strjnych napęcw, grancznach, bwdach zabezpeczających, przetwrnach lgarytmcznych wyładnczych, mnżnach, sygnalzatrach detetrach ptycznych, td. W charaterystyce ddy (rys..) mżna wyróżnć trzy zaresy: zares przewdzena (a na rys..) przy plaryzacj ddatnej, zwanej plaryzacją w erunu przewdzena; napęce U F = U D plusem d andy, ddatn prąd I F = I D płyne przez ddę d andy d atdy, szyb pratyczne wyładncz rsnąc z napęcem, zares zatana (b na rys..) przy plaryzacj ujemnej, zwanej plaryzacją wsteczną, napęce U D = U mnusem d andy, bardz mały ujemny prąd I D = I płyne przez ddę d atdy d andy, newele rsnąc z napęcem, zares przebca (c na rys..), taże przy plaryzacj wstecznej, prąd I rśne lawnw p przerczenu prgu przebca U B przez napęce U. Krzywa na rys.. jest przyładem charaterysty unwersalnej ddy rzemwej, tóra mże pracwać np. ja prstwncza lub mpulswa; zwróć uwagę na różne sale dla ddatneg ujemneg napęca U D prądu I D. Gruba cągła lna t charaterystya sameg złącza półprzewdnweg, tóre jest wewnątrz ddy. Grube przerywane lne pazują wpływ na właścwśc ddy rezystancj: szeregwej S wprwadznej przez bszar półprzewdna d złącza d ntatów, ntaty wyprwadzena, równległej upływu l wprwadznej przez bszar pwerzchnwy złącza prawę ddy. 9

20 PIOT MADEJ ys... Oznaczene ddy, defncje welśc w bwdze z ną raz jej charaterystya napęcwprądwa. Pdan przyładwe wartśc dla rzemwej ddy unwersalnej. Pazan wpływ zmany temperatury złącza T j raz rezystancj szeregwej S rezystancj upływu l na ształt charaterysty. ys... Pwęszny wycne charaterysty z rys.. wół pczątu uładu współrzędnych. Sale na półsach ujemnej ddatnej są jednawe. Wzrst temperatury złącza ddy T j w [K] lub ϑ j w [ C], w bu przypadach przyrst w [deg], wsute wzrstu temperatury tczena (T a lub ϑ a ) lub wzrstu mcy tracnej w ddze (P D ), sutuje (cene przerywane lne na rys..): malenem spadu napęca przewdzena U F na ddze przy stałym prądze przewdzena I F, czyl U F ma ujemny współczynn temperaturwy, rzędu mv/deg, wzrstem prądu wsteczneg I przy stałym napęcu wstecznym U, zmana ł dwurtna przy T j = + 0 deg, 0

21 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA wzrstem napęca przebca, jeżel przebce jest typu lawnweg, ja w przyładze, gólne ten typ przebca występuje, gdy U B 7 V, lub malenem napęca przebca, jeżel przebce jest typu Zenera, w bardz slne dmeszwanych złączach, U B 5 V. Zwąze prądu złącza I j z napęcem na nm U j (gruba cągła lna na rys..) psuje zależnść wyładncza, zwana równanem Shcleya. Perwtna wersja, zaprpnwana przez Shcleya I j U j I S exp, (.) ϕt musała być zmdyfwana, aby dbrze psywać przebeg charaterysty współczesnych dd. Przede wszystm wprwadzn tzw. emsyjnść złącza M, współczynn, przez tóry jest mnżny ptencjał eletrtermczny ϕ T raz szeregwą rezystancję ddy S sttną przy dużych prądach przewdzena rezystancję upływu l sttną w stane zatana U D I DS U I D I S exp + M ϕt l D. (.) Oznaczena welśc w zależnścach (.) (.): U j, I j napęce na złączu prąd przez neg płynący, U D, I D napęce na ddze prąd przez ną płynący, I S wsteczny prąd nasycena złącza, bardz mały, rzędu fa µa, S, l rezystancje ddy; szeregwa statyczna upływu, bcznująca, ϕ T tzw. ptencjał eletrtermczny, = T/q, ϕ T = 5,9 mv dla T = 300 K, ϕ T = 5,9 mv T/300 K, stała Bltzmanna =, J/K = 8,6 0 5 ev/k, q ładune elementarny = e =, C, M emsyjnść złącza (współczynn recyjny) = a nawet 4, zależny d technlg zaresu prądu. Przy pse charaterysty ddy splaryzwanej w erunu przewdzena nezbyt dużym prądze, np. d /0 grancznej średnej wartśc I F(AV)M mżna zależnść (.) uprścć d pstac I D I S U D U D exp I > D I S exp. (.3) UD la MϕT MϕT MϕT Z le w zarese zatana, przy napęcu wstecznym pwyżej ł V zależnść przestaje być wyładnczą a staje sę pratyczne lnwą (napęce U D prąd I D ujemne!) U I + D D I S. (.4) l Inny prstszy, nżyners ps charaterysty ddy pera sę na dcnach prstej, dzę czemu ma n prste dwzrwane za pmcą schematu zastępczeg. Dwe jeg wersje, różnące sę uwzględnenem rezystancj ddy r D w zarese przewdzena pazan na rys..3. Puntem zmany dcna aprsymująceg

22 PIOT MADEJ charaterystyę jest umwne napęce prgwe załączena U TO, prównaj z rys... Pneważ gałąź rzeczywstej charaterysty przewdzącej ddy ma w ażdym punce nne nachylene, mdel z rys..3b jest dładny dla nretneg puntu pracy ddy, reślnej wartśc prądu przewdzena. ys..3. Schematy zastępcze dpwadające m uprszczne charaterysty ddy. D dda dealna, przewdząca już d małych ddatnch napęć, U TO umwne napęce załączena ddy. S dda rzemwa, Ge dda germanwa. Zastępcza rezystancja r D jest sumą rezystancj dynamcznej r d złącza przy reślnym jeg prądze I F raz wspmnanej już szeregwej rezystancj S ddy a rezystancję r d wyznacza sę z pchdnej zależnśc (.3) r d r = r +, (.5) D g d d I U D D S MϕT =. (.6) I Lna prsta aprsymująca przewdzene ddy na rys..3b ma równane F I F U F UTO =, (.7) r D w przyjaźnejszej frme U = r I + U, (.8) F D tóreg współczynn r D U TO łatw wyznaczyć z dwóch zmerznych puntów charaterysty. Ddy Zenera wyrzystuje sę d stablzacj napęca. Pracują ne w zarese przebca (rys..4) znamnwa wartść napęca przebca przy reślnym prądze wstecznym jest ch pdstawwym, tlerwanym parametrem, np. V ± 5 % przy 5 ma. Pprawnejsza nazwa tych dd t stablstry, bwem tyl w newelej ch grupe, napęcu przebca pnżej ł 5 V występuje czyste zjaws Zenera. Prąd przy pracy w zarese przebca mus być granczny d wartśc wynającej z grancznej wartśc mcy ddy P DM przy temperaturze tczena ϑ a 5 C. Jeżel temperatura tczena jest wyższa, należy zmnejszyć dpuszczalną mc d P Dm, zgdne z zależnścą F TO

23 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA I Z max P = U Dm Zn P = U DM Zn ϑ ϑ j max j max ϑ 5 a max ϑ = C U j max Zn ϑ a max th j a, (.9) gdze: I Zmax granczny ne nszczący prąd wsteczny w zarese przebca przy reślnej masymalnej temperaturze tczena ϑ amax, P DM granczna mc ddy w temperaturze tczena ϑ amax 5 C, P Dm granczna mc ddy w temperaturze tczena ϑ amax > 5 C, U Zn znamnwa wartść napęca przebca, pdana przez prducenta, ϑ jmax granczna temperatura złącza ddy, zależna d typu ddy, np. dla rzemwej rzędu (50 00) C, th j-a rezystancja termczna, mara przeszód w dprwadzanu cepła z ddy, mędzy złączem ddy a tczenem, w [deg/w]. przebce stablzacja UZ IZ przewdzene lan ys..4. Oznaczene, charaterystya parametry rzemwej ddy stablzacyjnej Zenera. Natmast mnmalny prąd, przy tórym mżna uznać, że dda już stablzuje, na lew d lana charaterysty z rys..4 t dzesęć prcent granczneg prądu wyznaczneg z mcy P DM : I I PDM =. (.0) 0 0U ZM Z mn = Jest t warune dsyć stry w przypadu dd napęcach przebca (6 ) V, tóre już dbrze stablzują d sete mramperów, ale jest plecany d stswana w pratyce ja gólny dla wszystch dd stablzacyjnych. Właścwśc ddy Zenera w zarese przebca stablzacj mżna zamdelwać pdbne ja w zarese przewdzena (rys..5), twrząc prsty bwód zastępczy, tóreg charaterystya w pstac dcnów prstej aprsymuje rzeczywstą charaterystyę. Najbardzej uprszczny ta mdel z rys..5a zawera dla Zn 3

24 PIOT MADEJ plaryzacj wstecznej ddę dealną D, źródł prgweg napęca przebca U Z rezystr r Z dpwadający dynamcznej rezystancj tej gałęz charaterysty: r Z g Z I U Z Z. (.) Ta rezystancja, pdbne ja rezystancja w zarese przewdzena zależy d prądu, ale ne aż ta slne, ja w zależnśc (.6). Mżna zatem dla węszeg zaresu wartśc prądu, a nawet pratyczne dla całeg zaresu stablzacj przyjąć jedną jej wartść. Ops dcna charaterysty w zarese przebca, przy pmnęcu prądu upływu wywłaneg przez l, w frme przyjaznej d analzy ma pstać: U = r I + U, (.) gdze U Z I Z t wsteczne napęce prąd w zarese stablzacj. Z Z Z Z ys..5. Schematy zastępcze dpwadające m uprszczne charaterysty ddy Zenera. D dda dealna, przewdząca już d małych ddatnch napęć, U TO umwne napęce załączena ddy, U Z napęce prgwe przebca, r z dynamczna rezystancja ddy w zarese przebca.... STABILIZATO PAAMETYCZNY NAPIĘCIA NA DIODZIE ZENEA Najprstszy ze stablzatrów stałeg napęca zawera tyl dwa elementy, ddę Zenera rezystr (rys..6). Zasada jeg dzałana pera sę na wyrzystanu ształtu charaterysty tej ddy w zarese przebca, gdze dużym zmanm prądu twarzyszą newele zmany napęca. ys..6. Stablzatr parametryczny napęca stałeg na ddze Zenera (D, ) ze źródłem zaslającym rezystrem bcążena L. 4

25 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA Zmany napęca zaslana prądu bcążena muszą być przejęte przez zmany prądu płynąceg przez ddę, a te wpływają na zmanę napęca wyjścweg pprzez dynamczną rezystancję ddy r Z : I U ± U U U U U ± I = = ±, (.3) I U U ± I = L m L L ( ± δ ) L, (.4) I Z = I I I = I I, (.5) Z U U = I r, (.6) Z Z Z gdze t zmany bezwzględne a δ t względne. ezystancja wyjścwa taeg stablzatra jest w pratyce równa dynamcznej rezystancj ddy r Z = r r, (.7) Z Z bezwzględny współczynn stablzacj napęcwej uładu G u w [V/V] jest pratyczne równy G u U L rz rz =, (.8) U + ( r ) L Z a względny w [%/%] S u δu δ U = G u U U rzu U (.9) sprawnść w [%] P P η 00% = 00% Zn. (.0) U I U I U U L 00% ( U U ) Zn.. PACE PZED ZAJĘCIAMI Stpeń wynana puntu..3 rzutuje na cenę całej grupy. A) Oblcz błędy metdy w uładach d badana charaterysty dd; są ne spwdwane pbrem mcy przez przyrządy pmarwe. W uładze z rys..7 bjawa sę t zwęszną wartścą prądu płynąceg przez ampermerz prąd wltmerza, w uładze z rys..8 zwęszną wartścą napęca merzneg przez wltmerz spade napęca na ampermerzu. W uładze pprawneg pmaru napęca (UPPN) z rys..7a blcz wartść prądu I V płynąceg przez wltmerz rezystancj V = 0 MΩ gdy napęce U F jest rzędu 0,0 V, V. Oblcz jeg udzał względny (czyl błąd w %) w merznym przez ampermerz prądze I A = 0 µa. 5

26 PIOT MADEJ ys..7. Uład pprawneg pmaru napęca (UPPN) d badana charaterysty dd: a) zaresu przewdzena, b) zaresu przebca - stablzacj przy wstecznej plaryzacj ddy Zenera. Pwtórz blczena dla przypadu badana charaterysty stablzacj, w zarese przebca, w uładze z rys..7b, gdy U Z = 6,8 V a I A = 00 µa. W uładze pprawneg pmaru prądu (UPPP) z rys..8 blcz wartść spadu napęca U A na ampermerzu rezystancj A = 0, V/I zares = 0 Ω gdy prąd wsteczny ddy jest rzędu 0,50 µa. Oblcz jeg udzał względny (czyl błąd w %) w merznym przez wltmerz napęcu U V = 0,0 V. ys..8. Uład pprawneg pmaru prądu (UPPP) d badana charaterysty dd w zarese zatana. B) Przygtuj, przeanalzuj prcedurę wyznaczana parametrów w mdelach psach dd, w tzw. nżynersm pse (dwudcnwym z parametram U T0 r D ), w zmdyfwanym równanu Shcleya (parametry M I S ), zgdne z uwagam w punce.3.4 CZĘŚCI DOŚWIADCZALNEJ. C) Oblcz wartśc welśc w uładze stablzatra parametryczneg z rys..6: czewane współczynn stablzacj napęcwej G u S u raz rezystancję wyjścwą uładu; przyjmj d blczeń znamnwe wartśc = 00 Ω, U = 5 V, L = 0,8 Ω raz ddy U Zn = 6,8 V r Zn = 8,0 Ω, w warunach ja wyżej prądy w uładze raz mce: ddawaną przez źródł P, tracną w ddze P D w rezystrze P, dstarczną d bcążena P, sprawnść uładu, w prcentach, czyl stsune mcy dstarcznej d bcążena P d mcy ddanej przez źródł P..3. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA W ćwczenu zbadasz charaterysty statyczne dd raz netóre z dd zastsujesz w uładach na maece Ułady Zaslające w częśc Stablzatry (lewa dlna część, rys. 4.3). Pdane w nawase parametry dd t dpuszczalny uśrednny prąd przewdzena I F(AV)M dpuszczalne wsteczne napęce pracy U WM : 6

27 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA D dda unwersalna rzemwa, typ N448 (I F(AV)M = 0, A, U WM = 75 V), D dda mpulswa Schtty eg, typ N589 (I F(AV)M = A, U WM = 40 V), D 3 dda Zenera, pprawnej stablstr, typ BZP683-C6V8, (I F(AV)M = 0, A, U Zn = 6,8 V, w zarese stablzacj P DM = 0,4W, ϑ jmax = 50 C), D 4 dda śwecąca LED, lr d wybru (I F(AV)M = 30mA, U WM = 5 V)..3.. Badana zaresu przewdzena dd. Płącz uład pprawneg pmaru napęca (UPPN) z rys..7. Tab... Przyład tabel d zapsu wynów badań dd w erunu przewdzena. Charaterysty przewdzena I F =f(u F ) dd. Uład z rys..7a, przyrządy V:, A:. dzaj typ ddy D : unwersalna rzemwa, N448 Lp. U F [V] I Fznam [ma] I F [ma] Uwag 0,0 0, Badaj w nm zależnść I F = f(u F ) w erunu przewdzena wszystch czterech dd włącznych zgdne z rys..7a przy prądach I F = 0/00 µa///0 ma. Wbrew zapsw charaterysty reguluj prąd za pmcą źródła E v rezystra v (ndes v d varable czyl zmenny, regulwany) ta jest wygdnej, ale tabele wyresy w sprawzdanu wynaj zgdne z zapsem I F = f(u F ). Wyn zapsuj d tabel, np. tach ja tab... Zaznacz w tabel dla ddy LED wartść prądu I F pczątu śwecena raz wyraźneg śwecena..3.. Badana zaresu stablzacj ddy Zenera. W uładze z pprzedneg puntu włącz ddę Zenera zgdne z rys..7b. Przed badanem blcz, czy ne przerczysz dpuszczalnej mcy w ddze P Dm. Ja jest zwąze mędzy mcam ddy P Dm P DM? Tab... Przyład tabel d zapsu wynów badań ddy w zarese stablzacj, erune wsteczny. Charaterystya stablzacj I Z =f(u Z ) ddy Zenera. Uład z rys..7a, przyrządy V:, A:. dzaj typ ddy D 3 : stablzacyjna (Zenera), BZP683-C6V8 Lp. U Z [V] I Zznam [ma] I Z [ma] Uwag 0,

28 PIOT MADEJ Badaj charaterystyę wsteczną ddy w zarese stablzacj (przebca) I Z = f(u Z ). Ta, ja w pprzednm punce reguluj prąd, ale wartśc będą nne I Z = 0,///5/0/30/50 ma. Wyn zapsuj d tabel, np. taej ja tab Badana zaresu zatana dd. Płącz uład pprawneg pmaru prądu (UPPP) z rys..8. Zbadaj charaterystyę I = f(u ) zares zatana wszystch dd przy plaryzacj wstecznej, łączne z ddą Zenera. Zaleca sę zaczęce tych badań d ddy Schtty eg. Teraz reguluj napęce: U = 0,/0,5//5 V. Wyn zapsuj d tabel, np. tach ja tab..3. Tab..3. Przyład tabel d zapsu wynów badań dd w zarese zatana. Charaterysty zatana I =f(u ) dd. Uład z rys..8, przyrządy V:, A:. dzaj typ ddy Lp. U znam [V] 0, 0, D : mpulswa dda Schtty eg, N589 U [V] I [µa] Uwag.3.4. Uwag d pracwana badań charaterysty dd w sprawzdana. W prgrame EXCEL stsuj d lustracj swch badań tyl typ wyresu XY, ze salam lnwym lub lgarytmcznym! Wyreśl charaterysty przewdzena (wszyste ddy razem) w salach lnwych a następne półlgarytmcznych (sala s napęcwej lnwa a s prądwej lgarytmczna). Ja jest ształt charaterysty półlgarytmcznych czym śwadczy? Wyreśl taże charaterystyę zaresu stablzacj ddy Zenera w salach lnwych, z przesunęcem pczątu sal napęcwej. Wyznacz analtyczne lub wyreślne parametry mdelu pratyczneg (psu nżynerseg) wszystch dd dla erunu przewdzena (U TO, r D ) w tczenu puntu prądze,5 ma raz ddy Zenera w zarese stablzacj (U Z, r Z ) dla puntu 0 ma, blcz stsune rezystancj dd /r (z badań: statycznej d dynamcznej) w tczenu teg puntu. Dla dd D D 4 wyznacz parametry M, I S w mdelu równanu Shcleya z wynów w zarese przewdzena: I F = I S {exp[u F /(M 6mV)] }. Uprść równane przez usunęce ; edy mżesz t zrbć, jeżel M dla dd unwersalnych prstwnczych M 4 dla dd LED? Przy analze przyjmj nretną wartść błędu pmnęca, np. 0,5%. Pdzel strnam uprszczne równana dla dwóch puntów, przy prądach 0, ma, prównaj wyznaczny I S ze zmerznym prądam wstecznym. Druga, mnej pracchłnna dsnalsza metda, t wyrzystane równana wyładnczej ln trendu d wyresów półlgarytmcznych utwrznych w aruszu alulacyjnym, np. EXCEL. W tym przypadu w wersj wyresu d 8

29 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA wyznaczena równana ln trendu mussz drzucć dane leżące wyraźne pza prstą, np. dla ddy LED przy prądze I F = 0 ma Badana uładu prstwna. Płącz uład prstwna jednpłówweg z rys..9 z rzemwą ddą unwersalną. Nastaw parametry snusdalnej fal z generatra: ł 5 V/500 Hz. ezystancja g t wewnętrzna, własna generatra. ys..9. Uład prstwna jednpłówweg z fltrem pjemnścwym, bcążenem przyrządam d badana. W trace badań zmerzysz: wartść suteczną napęca wejścweg U AC, wartść średną (sładwą stałą) napęca wyjścweg U, wartść suteczną sładwej zmennej, czyl tętneń na wyjścu U AC. Przerysujesz z scylspu lub sftgrafujesz przebeg chwlwych wartśc napęca wyjścweg uładu, na tle napęca wejścweg. Wynaj badana uładu bez ndensatra fltrująceg (prstwane na wartść średną) raz z nm, C = 0 µf (prstwane na wartść szczytwą), w bu przypadach z bcążenem wyjśca rezystancjam, lejn L = 0/,0/ 0,5/0,3 Ω. Wyn zapsuj d tabel, np. taej ja tab..4. Tab..4. Przyład tabel d zapsu wynów badań prstwna bez z fltrem pjemnścwym. Charaterysty prstwna jednpłówweg U =f(/ L ) U AC =f(/ L ). Uład z rys..9, przyrządy V AC :, V DC :, V AC :, scyl.:. Warun Pmary Oblczena Lp. C fltr [µf] L [Ω] U AC [V] U DC [V] U AC [V] U DC /U AC [ ] U AC /U DC [%] Uwag , , , ,3 9

30 PIOT MADEJ W sprawzdanu m.n. blcz dla wszystch przypadów stsune U DC /U AC współczynn tętneń t = (U AC /U DC ) 00%. Wyreśl rdzny charaterysty U = f(/ L ) t =f(/ L ); parametrem w tych wyresach będze pjemnść fltrująca C. Prównaj wartśc, charaterysty ształty przebegów wyjścwych, sfrmułuj wns Badane uładu stablzatra parametryczneg z ddą Zenera. Płącz uład parametryczneg stablzatra napęca z rys..0, z ddą stablzacyjną zbadaną w pt ys..0. Uład parametryczneg stablzatra napęca z bcążenem przyrządam d badana. Zbadaj zależnść U = f(u ) dla U = /3/5/7 V, przy ażdym napęcu zastsuj cztery rezystancje bcążena wyjśca uładu L = /,5/0,8/0,47 Ω. Który z wltmerzy dstępnych w labratrum zastsujesz ja V d pmaru napęca wyjścweg stablzatra? Wyn zapsuj d tabel, np. taej ja tab..5. W sprawzdanu m.n. wyreśl dwe rdzny charaterysty: U = f(u ) dla L = parametr raz U =f(/ L ) dla U = parametr, be z dpwednm przesunęcem pczątu uładu współrzędnych. Tab..5. Przyład tabel d zapsu wynów badań stablzatra z ddą Zenera. Parametryczny stablzatr napęca, charaterysty U = f(u ) U = f(/ L ). L [Ω] Uład z rys..0, przyrządy V :, V :. U znam [V] U [V] U [V] 500 U [V] 80 U [V] 470 U [V] Oblcz z wynów badań współczynn stablzacj G u, S u wyjścwą rezystancję uładu w lcach śrda charaterysty. Przyjmj, że stała rezystancja bcążena L znacza w pratyce stały prąd bcążena I. Oblcz prądy mce w źródle, ddze bcążenu, sprawnść uładu (stsune mcy w bcążenu d mcy ddanej ze źródła) w zależnśc d L przy U = 5 V w zależnśc d U przy L = 80 Ω. Wynaj wyresy zależnśc prądów, mcy sprawnśc w uładze d dwrtnśc rezystancj bcążena / L d napęca wejścweg U. 30

31 . DIODY PÓŁPZEWODNIKOWE. CHAAKTEYSTYKI, MODELE, ZASTOSOWANIA.3.7. W sprawzdanu m.n. prównaj wyn blczeń teretycznych przed zajęcam z wynam badań elementów uładów raz wynam blczeń wynanych na ch pdstawe, sfrmułuj wns. 3

32

33 3. TANZYSTOOWE ŹÓDŁA PĄDOWE 3. TANZYSTOOWE ŹÓDŁA PĄDOWE Cel: Pznana zasad dzałana, budwy badana perwszych uładów na tranzystrach; źródeł stałych prądów. Pznane dśwadczalne właścwśc tranzystra w różnych stanach pracy. W ćwczenu zastsujesz tranzystry bplarne n-p-n typu BC548B, p-n-p typu BC556B, tranzystry plwe (unplarne) złączwe z anałem n: JFETn typu N446 lub typu BF45. Parametry ch zestawn w tab. 3.3 na ńcu rzdzału. 3.. WSTĘP TEOETYCZNY Źródła prądwe są znaczne rzadzej stswane d źródeł napęcwych. Z reguły są budwane ja stablzatry prądwe zaslane napęcw, z tranzystram pdstawwym elementam atywnym lub ch zestawam w uładach scalnych. Najprstsza wersja taeg źródła ma jedną wartść wyjścweg prądu I, a tranzystr jest jeg parametrycznym stablzatrem. Wyrzystywany jest ta zares charaterysty tranzystra, w tórym jest mała zależnść prądu tranzystra równeg wyjścwemu prądw źródła I d spadu napęca U na bcążenu źródła L. Są t zaresy płaseg, prawe równległeg przebegu zależnśc prądu letra I C w tranzystrze bplarnym d napęca letr-emter U CE przy prądze bazy I B = parametr lub zależnśc prądu drenu I D w tranzystrze plwym d napęca dren-źródł U DS przy napęcu brama-źródł U GS = parametr. Lepsze właścwśc, tj. przede wszystm mnejszą zależnść wyjścweg prądu I d zman napęca zaslana U SUP raz d zman rezystancj bcążena wyjśca L ma źródł, w tórym jest bwód ntrl wartśc wyjścweg prądu raz bwód recj tej wartśc. Tae bwdy ma stablzatr mpensacyjny w najprstszej wersj newele sę różn uładw d prądweg stablzatra parametryczneg. Kntrlę prądu realzuje sę za pmcą rezystra włączneg w wyjścwe cz źródła, a tranzystr jest mparatrem elementem prównującym spade napęca z teg rezystra z napęcem wzrcwym raz jest taże elementem wzmacnającym wynawczym, rygującym wartść wyjścweg prądu zależne d wynu prównana. ys. 3.. Schematy zastępcze bcążnych źródeł prądwych; a) źródł jednej, stałej wartśc, b) źródł wartśc sterwanej napęcem lub prądem. Wyres c) rdzna charaterysty wyjścwych bplarneg tranzystra n-p-n, lustrująca mżlwść wyrzystana g w źródle parametrycznym stablzatrze prądu. 33

34 PIOT MADEJ Właścwśc źródła stałej wartśc prądu mżna psać najprstszym dwuelementwym, dwójnwym schematem zastępczym ja na rys. 3.a. Wydrębnn na nm wyraźne znamnwy prąd źródła I g prąd wyjścwy I. T zróżncwane wyna z stnena wewnętrznej rezystancj, różnej d nesńcznśc. Zastswane w źródle tranzystry sterwane elementy eletrnczne umżlwają taże zmanę wartśc prądu wyjścweg za pmcą wartśc welśc wejścwych (sterujących), napęca U lub prądu I. W tam przypadu źródł jest czwórnem przetwarzającym sygnał sterujący na prądwy sygnał wyjścwy, najprstszym schemace zastępczym ja na rys. 3.b. ysune 3.c brazuje przyładw dla tranzystra bplarneg zarówn deę jeg wyrzystana ja stablzatra parametryczneg prądu w źródle stałej wartśc, ja mżlwść zman prądu, tj. sterwana wartścą d wejśca lub przez bwód recj w stablzatrze mpensacyjnym. Na rysunu są wyjścwe charaterysty tranzystra I C = f(u CE ) w uładze WE, przy prądze bazy I B ja parametrze. Wdać na nch, że przy stałym, wymusznym prądze bazy I B zmany prądu letra I C spwdwane zmanam napęca letr-emter U CE będą newele, tym mnejsze, m mnejszy prąd letra. Zmana welśc sterującej, w tym przypadu z defncj jest t prąd bazy, pwduje przejśce tranzystra na nną gałąź charaterysty, z nnym prądem letra. W przyblżenu mżna załżyć, że sterwane jest lnwe, tj. w tym przypadu, że stała jest transmtancja prądwa 0 czwórna z rys. 3.b. W schematach uładów pazanych na rys. 3. pmnęt dla prstty bwdy zaslana. Każdy uład z elementam atywnym (tutaj z tranzystram) mus być zaslany jaść teg zaslana (nestałść, przydźwę secwy, szumy) mże meć wpływ na jaść uładu, c w przypadu stablzatra psuje sę m.n. współczynnem stablzacj OPIS FOMALNY DZIAŁANIA ŹÓDŁA Przyjęte ułady zastępcze źródeł prądwych ja na rys. 3. sutują prstym psem matematycznym ch dzałana, dtyczącym charaterysty wyjścwej. W bu źródłach z rys. 3. prąd wyjścwy I jest c najwyżej równy prądw I g wsute stnena dzelna prądweg, utwrzneg przez rezystancję wewnętrzną wyjścwą rezystancję bcążena L : I L = I g = I g. (3.) + + L Ułame w statnej wersj zależnśc (3.) jest pdzałem dzelna prądweg. W wersj źródła sterwaneg z rys. 3.b trzeba ddatw psać ddzaływane welśc sterującej wejścwej. Przy sterwanu wejścwym napęcem: L L L I = I g = y0 U = yu (3.) + + gdze y0 t transmtancja admtancyjna czyl transadmtancja własna uładu (bez bcążena, tzn. przy zwarcu wyjśca prądweg) a y jest transadmtancją uładu bcążneg nretną rezystancją L. Natmast przy sterwanu wejścwym prądem zmena sę typ transmtancj, teraz jest prądwa: I = I g = 0 I = I. (3.3) + + L L L 34

35 3. TANZYSTOOWE ŹÓDŁA PĄDOWE Frmalne be welśc wejścwe U raz I są ze sbą zwązane pprzez wejścwą rezystancję sterwaneg źródła: U = I, nezależne d teg, tóra z nch jest naprawdę dprwadzna z zewnątrz ja sterująca. Dlateg mżna np. sterwać źródłem z tranzystrem bplarnym za pmcą napęca, pmm teg, że ten tranzystr z zasady sweg dzałana jest przetwrnem prądu na prąd ŹÓDŁA PĄDOWE Z TANZYSTOAMI BIPOLANYMI Najprstsze źródł prądwe w uładze parametryczneg stablzatra prądu pwnn pza tranzystrem zawerać bwód wymuszający stały prąd bazy teg tranzystra, pratyczne nezależny d zman zaslana bcążena źródła. Zazwyczaj słada sę n (rys. 3.) z bardz prsteg parametryczneg stablzatra napęca na ddze Zenera (dda D rezystr ) raz rezystra B, przetwarzająceg napęce z ddy U Z na prąd bazy I B tranzystra. Obcążene źródła L na ry. 3.a ne jest płączne z masą. Ta spsób włączena bcążena częst jest newygdny lub wręcz nedpuszczalny. Zaradzć temu mżna wprwadzając d uładu newelą mdyfacją, ja na rys. 3.b; zmenn punt dłączena masy raz napęce zaslana na ujemne. Mędzy rysunam 3.a b jest jeszcze frmalna różnca w zastrzałwanu prądu wyjścweg źródła I raz spadu napęca U na bcążenu L. W rezultace wartśc bu welśc są ujemne w uładze na rys. 3.b, mm dładne taej samej pracy uładów. W perwszym przypadu frmalnym erunu decyduje zna źródła zaslająceg E C raz erune prądu letra I C tranzystra. W drugm przyjęt, że prąd I jest ddatn, gdy przepływa ze źródła przez bcążene d masy, a napęce jest zdefnwane w dnesenu d masy. ys. 3.. Przyłady źródeł prądwych w uładze stablzatra parametryczneg, z tranzystrem bplarnym n-p-n: a) bcążene L ne płączne z masą, zaslane ddatne, prąd wyjścwy ddatn, b) bcążene L płączne z masą, zaslane ujemne, prąd wyjścwy ujemny. W uładze z rys. 3.a prąd wyjścwy jest ddatn, wprst równy prądw letrwemu tranzystra. Wartść jeg mżna ustalć przy danym egzemplarzu tranzystra przez dbór ddy Zenera pżądanym napęcu przebca U Z raz dbór wartśc rezystra B. W dealnym przypadu, przy stałej temperaturze, gdy w przyblżenu: prąd letra I C ne zależy d napęca letr-emter U CE, napęce baza-emter U BE ne zależy d prądu bazy I B napęca letr-emter U CE, napęce U Z ne zależy d prądu I Z płynąceg przez ddę, pdstawwa zależnść dla uładu ma pstać: I I C U Z U BE = β 0I B = β0 cnst. (3.4) B 35

36 PIOT MADEJ Współczynn β 0 wyrażający wpływ prądu bazy na prąd letra jest pdstawwą właścwścą tranzystra; jeg statycznym wzmcnenem prądwym w uładze WE (wspólneg emtera). Przy newelch zmanach prądu bazy, w tczenu średnej wartśc, czyl w tczenu puntu pracy ppq tranzystra należy psłużyć sę wzmcnenem prądwym przyrstwym (małsygnałwym) β: I A IC β h fe (3.5) I C 0 he hfe = h e I, β B A W przypadu brau danych wartśc jedneg z tych współczynnów, mżesz przyjąć d blczeń jednawą wartść bu, ale pamętaj różncy defncyjnej! Pazan nżej dść prsty przyład prjetwana uładu parametryczneg stablzatra prądu, aby uśwadmć, czym t sę różn d zwyłeg zadana. Zaczyna sę d dbru napęca zaslana. Idealne bcążene źródła prądweg t zwarce, L = Lmn = 0 Ω, natmast dpuszczalny zares rezystancj bcążena jest granczny d góry napęcem zaslana E C : L max U max EC mn UCE mn = =, (3.6) I I gdze U CEmn t granczne napęce, przy tórym punt pracy tranzystra ne wchdz jeszcze w bszar spadu rzywych p lewej strne wyresu na rys. 3.c. Jest n węsze d napęca nasycena U CEsat. Uważa sę, że w tach warunach tranzystr mże pracwać w uładach lnwych. Zwyle przyjmuje sę U CEmn ł (0,5 ) V dla tranzystrów małej mcy przy newelch prądach źródła raz (,5 3) V dla tranzystrów dużej mcy przy węszych prądach. Należy sprawdzć, czy wybrany tranzystr mże pracwać w uładze, na pdstawe atalgwych warunów granczających ple jeg bezpecznej pracy na wyjścwych charaterystyach w uładze WE: B I I I U C < I CE max C max < P, C max E j max a max ( ϑ ) = P, a max C max U ϑ CM CE max ϑ j max < U ϑ 5 CE0 C, (3.7) gdze: P CM granczna dpuszczalna mc w tranzystrze w reślnych warunach chłdzena, przy temperaturze tczena ϑ a 5 C, P Cmax (ϑ amax ) ja wyżej, ale przy temperaturze tczena dchdzącej d reślnej masymalnej ϑ amax, np. 60 C; uwaga ϑ amax < ϑ jmax, ϑ jmax masymalna, dpuszczalna temperatura złącza (junctn) przyrządu półprzewdnweg, tutaj tranzystra, np. 50 C. Pdstawwy zwąze dla prądów w uładze stablzatra napęca na ddze D: I Z EC U Z = I I B = I B (3.8) pzwala dbrać rezystr d uładu. Przy blczanu trzeba jedna brać pd uwagę mżlwe granczne wartśc prądów, napęć. I ta, ze względu na rzrzuty prducyjne wartśc β 0 mędzy egzemplarzam tranzystrów: 36

37 3. TANZYSTOOWE ŹÓDŁA PĄDOWE I I I B mn = pratyczne przyjmj 0, I B max =. (3.9) β β 0 max Zmany napęca zaslana, pchdząceg np. z prsteg nestablzwaneg zaslacza secweg, pwdują rzrzuty prądu I płynąceg przez rezystr : E C 0 mn mn U Z EC max U Z = I mn I I max =. (3.0) Prąd ddy Zenera ne mże być zbyt duży, b t grz przerczenem dpuszczalnej mcy znszczenem ddy: I Z I Z max P = D max U ( ϑ ) Z a max P = U DM Z ϑ ϑ j max j max ϑ a max 5 C. (3.) Prąd ten ne mże być też za mały, b jaść stablzacj sę pgarsza (duży wzrst rezystancj zastępczej ddy), rańcw dda wychdz z zaresu stablzacj. Przyjmuje sę: I Z I Z mn P = 0 U DM Z P = D max ( ϑ 5 C) a 0 U Z. (3.) Zaleca sę, w ramach pracy własnej, tae przeształcene pdanych zależnśc, aby dstać warun na wartść rezystra. Przy wybrze nretnej wartśc należy pamętać, że rzeczywste wartśc napęca przebca ddy Zenera U Z rezystancj mgą różnć sę d znamnwych (5 0) % zachwać bezpeczny dstęp d grancznych wartśc. Autr prpnuje ja pratyczną zasadę zastswane w tam przypadu średnej gemetrycznej z blcznych granc. Jaść źródła jest defnwana przynajmnej dwma parametram. Jeden z nch psuje nedealnść plegającą na sńcznej rezystancj wyjścwej, bjawającej sę zmanam prądu wyjścweg I przy zmane napęca wyjścweg U, czyl przy zmane rezystancj bcążena L (rys. 3.a b). Welścą psującą t zjaws jest parametr h e tranzystra, z grupy parametrów małsygnałwych. Jest n wyjścwą ndutancją dynamczną tranzystra w uładze WE: h e IC IC IC he = [µs], (3.3) r U U U ce CE gdze r ce t zastępcza wyjścwa rezystancja dynamczna tranzystra w tych warunach, U Y t tzw. ptencjał Earleg, umwna welść wartśc dla tranzystrów rzemwych małej mcy: 00 V dla n-p-n, 50 V dla p-n-p. Jeżel zmany rezystancj bcążena są na tyle szybe, że ne zmena sę pratyczne mc wydzelająca sę w tranzystrze, czyl temperatura jeg złączy pzstaje stała, t wyjścwa zastępcza ndutancja źródła jest pratyczne równa: CE Y I I IC G = = he. (3.4) U U U r CE ce Jeżel jedna zmany bcążena są tae, że zdąży zmenć sę temperatura złączy tranzystra, np. gdy wzrśne, należy spdzewać sę ddatweg efetu, 37