Obwody nieliniowe. Rysunek 1. Rysunek 2. Rysunek 3

Transkrypt

1 Obwody nieliniowe Rysunek 1 Rysunek 2 Rysunek 3 1. Narysuj schemat zasilania diody świecącej, której parametry graniczne przedstawiono na rysunku 1, a charakterystykę prądowo-napięciową na rysunku 2. Układ zasilania powinien zawierać: źródło napięcia, np.. baterię; rezystor i oczywiście diodę. 2. Dobierz wartość rezystora dla otrzymania największej jasności (rys. 3). Dioda jest koloru pomarańczowego. Napięcie zasilające (na baterii)) wynosi 5V. 3. Dorysuj do rysunku 2 charakterystykę prądowo-napięciową rezystora obliczonego w zadaniu 1. Jak będzie wyglądała charakterystyka szeregowego połączenia RD? Spróbuj ją narysować w zeszycie. Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 1

2 Układy i stany pracy tranzystora bipolarnego Wyposażenie stanowiska: tranzystor n-p-n, dioda świecąca, potencjometr liniowy10kω; rezystory R2: 100kΩ (brązowy, czarny, żółty); rezystor R1: 1kΩ (brązowy, czarny, czerwony); multimetr; zasilacz. Rysunek 2: a) WE b) WC c) WB 4. Jakie są układy pracy tranzystora bipolarnego? WE Wspólny emiter: Sygnał wejściowy podajemy na elektrody baza, i emiter. Sygnał wyjściowy otrzymujemy na elektrodach emiter, kolektor. WC Wspólny kolektor: Sygnał wejściowy podajemy na bazę i kolektora, a wyjściem sygnału są końcówki kolektor i emiter. WB Wspólna baza: Sygnał wejściowy podajemy na elektrody baza, i emiter, wyjście jest na wyprowadzeniach baza i kolektor. 5. Skąd, twoim zdaniem, się wzięły nazwy poszczególnych układów pracy? 6. Jakie są stany pracy tranzystora bipolarnego? Niezależnie od układu pracy tranzystora, niezbędne jest prawidłowe spolaryzowanie tranzystora. Gdy tranzystor pracuje jako wzmacniacz (liniowy) powinien pracować w stanie aktywnym. W układach impulsowych wykorzystuje się także stany zatkania i nasycenia. Dla zrozumienia poszczególnych stanów pracy warto wyobrazić sobie tranzystor jako dwie diody połączone jak na rysunku 3. Taki schemat zastępczy (rys. 3) jest także przydatny do prostego sprawdzenia, czy tranzystor nie jest uszkodzony wystarczy użyć testera diod lub omomierza. a) b) c) Rysunek 3:Tranzystor bipolarny n-p-n: a) symbol graficzny b) schemat zastępczy c) widok. W stanie aktywnym złącze (dioda) B-E jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze B-C w kierunku zaporowym. W stanie zatkania obydwa złącza są spolaryzowane w kierunku zaporowym, a w stanie nasycenia obydwa w kierunku przewodzenia. 7. Sprawdź tranzystor omówionym sposobem. 8. Obok symbolu tranzystora (rys. 3) narysuj strzałki napięć tak, aby tranzystor pracował w stanie aktywnym. Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 2

3 9. Zmontuj układ z tranzystorem pokazany na rys. 4. Regulując potencjometrem napięcie na bazie tranzystora, możemy uzyskać poszczególne stany pracy od zatkania poprzez stan aktywny do nasycenia. W stanie aktywnym mały prąd płynący przez potencjometr steruje większym prądem płynącym przez diodę. 10.W czasie kręcenia potencjometrem obserwuj diodę świecącą i mierz napięcia pomiędzy wyprowadzeniami B-E oraz B-C, aby stwierdzić w jakim stanie pracuje aktualnie tranzystor. Sporządź tabelką do zapisywania wyników pomiaru a później przeanalizuj wyniki i zapisz wnioski. 11.W jakim układzie pracuje tranzystor na rys. 4? 12.Jakie jest wzmocnienie tranzystora w stanie aktywnym? Aby to obliczyć wystarczy zmierzyć napięcia na rezystorach R1 oraz R2. Z prawa Ohma obliczymy prądy płynące przez rezystory, w więc zarazem prąd bazy i prąd kolektora. Wzmocnienie prądowe tranzystora β można obliczyć ze wzoru = I C I B, Rysunek 4: w którym I C to prąd kolektora tranzystora, prąd ten wpływa do kolektora, czyli płynie przez rezystor R 2. Analogicznie prąd I B płynie przez rezystor R 1. Rysunek 5: Schemat zastępczy wzmaczniacza z rys. 7 Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 3

4 Proste układy z tranzystorem bipolarnym Tranzystor wzmacnia, co z pewnością zauważyłeś wykonując pomiary w punkcie 12. Prąd wpływający do bazy jest mniejszy od prądu wpływającego do kolektora mały prąd steruje dużym. Dlatego tranzystor jest podstawowym elementem wzmacniaczy, np. wzmacniacza gitarowego. Z tranzystorów buduje się także układy cyfrowe. Popularnym urządzeniem tego typu jest komputer i wszelkie urządzenia techniki komputerowej. Układy cyfrowe są praktycznie w każdym urządzeniu elektronicznym. W układach cyfrowych tranzystor przetwarza sygnały dwustanowe, więc bardzo często pracuje tylko w dwóch stanach nasycenia i zatkania. Z tranzystorów buduje się bramki, przerzutniki i inne bardziej złożone bloki, a z nich jeszcze bardziej złożone: pamięci, procesory, itp. 13.Jak zbudować czujnik wilgoci? Mały prąd płynący przez czujnik zostanie wzmocniony i będzie wystarczająco duży, aby zaświecić diodę. Z charakterystyki diody wynika, że świeci najjaśniej przy prądzie 30mA. Zakładając, że wzmocnienie tranzystora β wynosi 200, oblicz prąd, który musi wpłynąć do bazy. Oblicz rezystor R, aby w stanie nasycenia prąd płynący przez diodę wynosił 20mA. Wykonaj detektor wilgoci w układzie wspólnego emitera. 14.Jak zbudować komórkę statycznej pamięci RAM? Taka komórka to po prostu przerzutnik. W prostej wersji schemat układu może wyglądać jak na rysunku. Zbuduj układ i sprawdź jego działanie. Po włączeniu napięcia powinna zaświecić jedna z diod. Zmiana stanu przerzutnika następuje przez zwarcie bazy tranzystora do masy. Po zmianie stanu gaśnie jedna dioda i zaświeca się druga przerzutnik pamięta. Na tej zasadzie działają komórki statycznej pamięci RAM (S-RAM). Rysunek 6: Przerzutnik bistabilny 15.Jak zbudować przerywacz? Inna nazwa układu opisanego w punkcje 14 brzmi przerzutnik bistabilny, ponieważ ma dwa stany stabilne. Bardzo łatwo przerobić układ na przerzutnik astabilny. W tym celu w miejsce rezystorów R6 i R4 wstawimy kondensatory. Kondensatory o tak dużej pojemności (330uF) są zwykle kondensatorami elektrolitycznymi, które mają oznaczoną biegunowość (+, -). Odwrotne dołączenie kondensatora grozi uszkodzeniem, a nawet eksplozją. Zastanów się którą końcówkę dołączyć do minusa. Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 4

5 Wzmacniacze m. cz. 16.Jak zbudować wzmacniacz m. cz.? Wzmacniacz małej częstotliwości (m. cz.) pracuje najczęściej w układzie WE, ponieważ w tym układzie wzmacnia zarówno prąd jak i napięcie. Oczywiście należy zapewnić, aby tranzystor pracował w stanie aktywnym. Schemat typowego układu przedstawiono na rysunku 7. Rysunek 7: Prosty wzmacniacz m. cz. Rezystory R1 i R2 ustalają napięcie bazy. Rezystor R3 zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne dla sygnału wzmacnianego, które zmniejsza współczynnik zniekształceń harmonicznych. Wzmacniacze prawie mają zawsze ujemne sprzężenie zwrotne. Rezystor R4 zapewnia sprzężenie dla prądu stałego (stabilizuje punkt pracy). Kondensator C3 blokuje rezystor R4 dla składowej zmiennej (kondensator o odpowiednio dużej pojemności stanowi zwarcie dla prądu zmiennego). Wykonaj wzmacniacz. Lista elementów: R1 = 22kΩ, R2 = 10kΩ, R3=100Ω, R4=510Ω, R5=750Ω. 17.Do czego służą schematy zastępcze? W p. 6 poznałeś model (schemat zastępczy) tranzystora, który jest przydatny do przeprowadzenia prostego testu tranzystora przy pomocy omomierza. Do analizy parametrów wzmacniaczy stosuje się inne modele, np. pokazany na rysunku 7, Hybryd-П. Tranzystor składa się ze sterowanego źródła prądu i dwóch rezystorów. Pod schematem umieszczono wzory do obliczeń elementów schematu zastępczego. r = U T I B r o = U CE U A I C g m = I C U T Rysunek 8: Model hybryd П U T = k T q Oblicz elementy modelu tranzystora pracującego we wzmacniaczu z rys. 6. Do obliczeń przyjmij: U CC = 20 V, U T = 26 mv, β = 100, U A = V, U CE = V, I B = μa, I C = ma. 18.Do czego się wykorzystuje schematy zastępcze wzmacniacza? Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 5

6 Do tzw. analizy małosygnałowej wzmacniacza, tranzystor zastępujemy modelem hybryd П, kondensatory sprzęgające i blokujące oraz źródła napięcia zastępujemy zwarciami. Drugi schemat narysujemy do obliczenia punktu pracy. W tym przypadku kondensatory stanowią rozwarcie. Przyjmując, że prąd bazy jest β razy mniejszy od prądu kolektora, oraz że napięcie na złączu B-E wynosi 0,7V, można dobrać rezystory dla zapewnienia właściwego punktu pracy. Pamiętaj, że punkt pracy decyduje o parametrach modelu tranzystora. Narysuj schemat zastępczy wzmacniacza dla składowej zmiennej (małosygnałowy), według schematu ideowego z rys Jak nazywa się najbardziej przydatny przyrząd pomiarowy? Oscyloskop. Przyrząd ten umożliwia obserwację przebiegu czasowego i pomiar wielkości charakteryzujących ten przebieg, a w szczególności: okresu i wartości międzyszczytowej napięcia. Bardzo często wykorzystuje się oscyloskop do diagnostyki układów elektronicznych. Przykładowo: podajemy na wejście wzmacniacza napięcie sinusoidalne z generatora i mierzymy napięcie na wyjściu. Wykonaj pomiary wartości międzyszczytowej sygnału na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Oblicz wzmocnienie, jako stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego. Czy badany wzmacniacz zniekształca sygnał? 20.Jak zbudowana jest bramka NAND? Bramki to elementy techniki cyfrowej. Obecnie bramki częściej wykonuje się z tranzystorów unipolarnych, nie omawianych na tym kursie. Standardowa bramka NAND, zbudowana z tranzystorów bipolarnych (serii TTL), została przedstawiona na rysunku 8. Układ scalony o oznaczeniu SN7400 zawiera 4 takie bramki. Napięcie zasilające dla serii TTL powinno wynosić Ucc = 5V. Jak widać bramka składa się z czterech tranzystorów, a jeden z ich ma dwa emitery. Gdy na obydwa wejścia A, B bramki podamy stan wysoki (powiedzmy napięcie o wartości Ucc), na wyjściu Y pojawi się stan niski około 0V. Gdy przynajmniej na jednym wejściu jest stan niski (zero logiczne) na wyjściu panuje stan wysoki (jedynka logiczna). A B Rysunek 10: Symbol bramki NAND Y Rysunek 9: Schemat wewnętrzny bramki AND TTL (Układ scalony 7400) Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 6

7 Tranzystor jako klucz elektroniczny 21.Jak z wyjścia bramki sterować żarówką? Jak zapewne pamiętasz, układ WE umożliwia wzmocnienie zarówno napięcia jak i prądu. Dzięki temu z wyjścia bramki cyfrowej, na której napięcie zwykle nie przekracza 5V, można sterować żarówką o wyższym napięciu znamionowym. Rysunek 11: Sterowanie żarówką Żarówka o napięciu znamionowym U N = 12V o mocy znamionowej P N = 5W zasilana napięciem znamionowym pobiera prąd I N = P N U N = 5W 12V =0,417 A Oblicz wartość rezystora R1 wg schematu z rys. 10, aby tranzystor pracował w stanie nasycenia (żarówka zaświeci). Przyjmij: napięcie sterujące U S = 3V, napięcie zasilające U CC = 12V i stałoprądowy współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora (ang. DC Current Gain) h FE = A jak sterować przekaźnikiem? Przekaźniki umożliwiają włączanie dużych prądów, a przy tym zapewniają izolację galwaniczną układu sterowania od układu sterowanego. Przekaźnik składa się z cewki (wyprowadzenia A1, A2) oraz styków, które służą do załączania stosunkowo dużych prądów i napięć. Przedstawiony tu przekaźnik może załączać urządzenia o mocy pozornej do 2200 VA, np. żelazko. Rysunek 12: Schemat wyprowadzeń przekaźnika miniaturowego RM-83-1P Cewka przekaźnika podobnie jak żarówka może być sterowana za pomocą tranzystora, jednak trzeba pamiętać o zabezpieczeniu przeciwprzepięciowym. Zabezpieczenie można zrealizować za pomocą diody Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 7

8 włączonej równolegle z cewką. Odczytaj z katalogu wartość rezystancji cewki o oznaczeniu kodowym 1012 przekaźnika RM83 i oblicz rezystor R1. Pozostałe założenia jak w poprzednim punkcie. Tabela 1: Parametry cewek przekaźników miniaturowych RM83 (Relpol) 23.Jak dioda zabezpiecza układ z przekaźnikiem? Rysunek 13: a) b) W stanie nasycenia (rys. 12 a) prąd płynie ze źródła Ucc przez przekaźnik i tranzystor. Część energii elektrycznej gromadzi się w cewce w postaci pola magnetycznego. W stanie zatkania energia zgromadzona w cewce indukuje prąd, który przepływa przez diodę i energia pola magnetycznego zamienia się w ciepło. Zbuduj układ wg schematu z rys. 12. Zbadaj przy pomocy oscyloskopu przebieg napięcia na kolektorze tranzystora. Na wejście Us podaj sygnał prostokątny z generatora funkcyjnego o częstotliwości 1 Hz i wartościach napięć: minimalnej 0V i maksymalnej 3V. Grzegorz Cygan Zajęcia dodatkowe z elektroniki 8