CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego

Transkrypt

1 WFiIS LABORATORIUM Z ELEKTRONIKI Imię i nazwisko: 1.. TEMAT: ROK GRUPA ZESPÓŁ NR ĆWICZENIA Data wykonania: Data oddania: Zwrot do poprawy: Data oddania: Data zliczenia: OCENA CEL ĆWICZENIA: Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zastosowaniem diod i wzmacniacza operacyjnego μ A741 w następujących układach nieliowych: -generator funkcyjny; -wzmacniacz logarytmiczny; -miernik średniej częstości impulsów; -przetwornik prąd stały/prąd zmienny (AC/DC); Wprowadzenie Dioda jest elementem półprzewodnikowym. Jej działanie opiera się na właściwościach pojedynczego złącza P-N i jego nieliowej charakterystyce prądowo napięciowej: KU I = I e ( ) 1 q K = kt gdzie: I jest prądem przepływającym przez diodę i powodujący spadek napięcia U, zaś I jest pewną stałą o wymiarze prądu. W układach elektronicznych ma ona szereg zastosowań. Przede wszystkim używana jest jako element prostowniczy, element logarytmiczny lub zabezpieczający prąd. Dioda może również spełniać zadanie kondensatora o regulowanej pojemności - waraktora. Osobnym zastosowaniem są diody świecące. Buduje się również specjalne diody działające na efekcie Zenera. Stosowane są w układach prostowniczych i jako ograniczniki prądu. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 1

2 1 Generator funkcyjny Rys.1 Generator funkcyjny Wzmacniacz operacyjny μa741 w układzie diodowy generatora funkcyjnego został zastosowany po to, aby można było aproksymować funkcję nieliową do wyników naszych obserwacji. Metoda aproksymacji polega na dopasowaniu poszczególnych odcków za pomocą regresji liowej do punktów otrzymanych przez nas w doświadczeniu. Dokładność tego rodzaju aproksymacji jest określana przez liczbę zastosowanych odcków. Całą krzywą w postaci lii łamanej tworzy się przez sumowanie poszczególnych odcków wytwarzanych oddzielnie, tzn. każdy z odcków ma odpowiednie napięcie określające punkty załamania i nasycenia. Nachylenie charakterystyki zależy od współpracującego z diodą rezystora R, a punkty jej załamania od napięcia polaryzującego U. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz

3 Statyczna charakterystyka przejściowa U = f( U ) dla U = 15V ; U [V] U [V] -,5,5 1-7,9-1,46 9-6,96-1,5,69 8-6, -,91 7-5,4 -,5 1,15 6-4,9-3 1,46 5-3,11-3,5 1,71 4 -,17-4,4 3,5-1,91-5,98 3-1,55-6 3,95,5-1,8-7 4,9-1,5-8 5,86 1,5 -,75-9 6,8 1 -,54-1 7,76,5 -,6,4 Powyższa tabela jest zebraniem wyników pomiarów napięcia wyjściowego U w funkcji napięcia wejściowego U. Charakterystyka przejściowa U [V] U [V] Powyższy wykres przedstawia charakterystykę przejściową dla generatora funkcyjnego pokazanego na rysunku 1. Na wykresie przedstawione są punkty pomiarowe oraz proste dopasowane metodą regresji liowej. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 3

4 1) Lia regresji dla odcka górnego: y =,955x 1,785 Współczynnik kierunkowy:,955 Odcięta: 1,785 ) Lia regresji dla odcka środkowego: y =,59x, 517 Współczynnik kierunkowy:,59 Odcięta:, 517 3) Lia regresji dla odcka dolnego: y =,96x+ 1,6767 Współczynnik kierunkowy:,96 Odcięta: 1,6767 Dla zakresu napięć, dla których żadna z diod nie jest załączona (środkowy odcek), obliczamy wzmocnienie: R f 7,5kΩ Kv = = =,5 V R 15kΩ V Z kolei wzmocnienie układu dla napięć, przy których jedna z diod przewodzi wynosi: R f 7,5kΩ Kv = = = 1, V 1 V R R 15kΩ 14,3kΩ V V ( ) ( ) Widać, że wyniki doświadczalne (współczynnik nachylenia prostych na wykresie) zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. Na podstawie wykresu wyznaczono punkty załamania charakterystyki przejściowej dla generatora funkcyjnego. Wynoszą one odpowiednio: P( 4 V;,4 V) 1 P( + 4 V;,17 V) Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 4

5 Wzmacniacz logarytmiczny Rys. Wzmacniacz logarytmiczny Charakterystyka U = f( U ) dla prądu stałego. U [V] U [V], -3,,3-3,44,4-3,61,5-3,73,1-4,9,15-4,31, -4,46,3-4,68,4-4,84,5-4,96,6-5,6,7-5,15,8-5,,9-5,9 1-5,35-5,75 3-5,99 4-6,17 5-6,31 6-6,4 7-6,51 8-6,59 9-6,67 1-6, ,79 1-6, , , , ,4 18-7,6 19-7,7 Powyższa tabela jest zestawieniem wyników otrzymanych w czasie pomiaru. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 5

6 Charakterystyka wzmacniacza logarytmicznego,1, U [V] U [V] Na wykresie można zaobserwować logarytmujące właściwości układu. Świadczy to o poprawnym wykonaniu zadania. Krzywa dopasowana do punktów pomiarowych jest postaci: y =,574x 5,3955 W równaniu: x = log( U ) y = U Ostatecznie krzywa dopasowana do punktów pomiarowych ma postać: U =,574 log( U ) 5,3955 Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 6

7 3 Integrator Rys. 3 Integrator Zależność napięcia wyjściowego U od częstości f dla napięcia wejściowego U = 1V C1= 1 pf f [khz] U [V] 4 8, , ,39 3 7,1 5 5,97 4, , 1,48 5 1,3 4, 1,1 3,4,94,4,69 1,7,5 1,34,8,9,6,4,41,19 Tabela 1 C= 1 nf f [khz] U [V] 4,5 8,78 3,6 7,86 3 6,81,65 5,84, 4,88 1,8 4,3 1,1,54,7 1,7,5 1,,3,77,,56 Tabela Powyższe tabele są zestawieniem danych pomiarowych dla dwóch różnych konfiguracji układu. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 7

8 Dla kondensatora: C1 = 1 pf U [V] f [khz] Powyższy wykres przedstawia zależność napięcia wyjściowego U od częstotliwości f dla konfiguracji z kondensatorem C1 = 1 pf. Dla kondensatora: C = 1 nf U [V] f [khz] Powyższy wykres przedstawia zależność napięcia wyjściowego U od częstotliwości f dla konfiguracji z kondensatorem C = 1nF. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 8

9 Zauważono, że jeśli amplituda impulsów prostokątnych jest stała i czas trwania impulsów dostateczny do naładowania kondensatora dozującego C d, to w każdym cyklu pracy do kondensatora C przekazywany jest ładunek UC d. Dla średniej częstości f średni prąd ładowania C jest równy fuc d. Kondensator rozładowuje się przez opór prądem R. Stąd w stanie równowagi mamy zależność U = UCd Rf. Dla wyższych częstości czas trwania impulsu nie jest wystarczający do naładowania kondensatora dozującego C d i układ przestaje działać prawidłowo. Zjawisko to można zaobserwować na powyższych wykresach. U Zaobserwowano, że przy wzroście pojemności C d o rząd wielkości, zakres pracy maleje o rząd wielkości, co można wytłumaczyć na podstawie następującego wzoru: U f = U C R Widać stąd, że średnia częstotliwość jest odwrotnie proporcjonalna do pojemności, co też potwierdziło doświadczenie. Jednocześnie zauważono, że zmiana amplitudy sygnału wejściowego też ma wpływ na zakres pracy. Jest to zależność odwrotnie proporcjonalna do średniej częstotliwości, czyli wzrost amplitudy powoduje spadek średniej częstotliwości pracy, co również wynika z powyższego wzoru. d Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 9

10 4 Przetwornik AC/DC Rys. 4 Przetwornik AC/DC Charakterystyka statyczna prostownika U = f( U1) dla układu przetwornika AC/DC z rysunku 1. U [V] U [V] -8-7,3-7 -7,1-6 -6,1-5 -5,8-4 -4,7-3 -3,5 - -,3-1 -1,,7m 1-1, -,4 3-3,7 4-4,9 5-5,1 6-6,15 7-7,17 Zestawienie danych pomiarowych. Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 1

11 Charakterystyka statyczna prostownika U [V] U [V] Powyższy wykres przedstawia charakterystykę statyczną prostownika. Na wykresie widać proste dopasowane za pomocą metody regresji. Ich równania to odpowiednio: y = 1, 146x, 57 y = 1, 55x+, 74 Na podstawie powyższych równań wyznaczono nachylenia (tzn. współczynniki kierunkowe) dopasowanych prostych. Wynoszą one odpowiednio: a1 = 1, 146 a = 1, 55 Diody i wzmacniacze operacyjne w układach nieliowych Agata Rachwał i Jacek Mostowicz 11