Εργαστηριακή Ηλεκτρονική – Τμήμα κ. ΚαμπουράκηΣΗΜΜΥ 5ο εξάμηνο – Ακ. Έτος 2012-2013

Ομάδα Β2Πετυχάκη Βασιλική-Αγγελική

Πουλακάκης Λευτέρης Χαρισόπουλος Βασίλειος

Εργαστηριακή Άσκηση 1 – Υλοποίηση απλής ενισχυτικής βαθμίδας

Η πρώτη εργαστηριακή άσκηση υλοποιεί μια ενισχυτική βαθμίδα για οδήγηση ενός μικρού φορτίου παρόμοιου με αυτό ενός μεγαφώνου. Βασικό στοιχείο της ενισχυτικής βαθμίδας είναι η χρήση τελεστικών ενισχυτών, οι οποίοι αποτελούν το βασικότερο στοιχείο των αναλογικών ηλεκτρονικών. Έμφαση δίνεται στη σχεδόν ιδανική συμπεριφορά τους. Το σχηματικό διάγραμα του ενισχυτή που υλοποιήσαμε στο εργαστήριο είναι το ακόλουθο:

Ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή κάθε βαθμίδας:

1) Βαθυπερατό φίλτρο: χρησιμεύει στον περιορισμό των συχνοτήτων του σήματος που καλούμαστε να επεξεργαστούμε σε αυτές που ανήκουν στο ακουστικό φάσμα

2) Απομονωτής: χρησιμεύει για τη σωστή σύνδεση του φίλτρου με το επόμενο ενισχυτικό στάδιο (προενισχυτής), χωρίς απώλειες σήματος.

3) Προενισχυτής: χρησιμεύει για να φέρει το σήμα στην είσοδο του τελικού ενισχυτή στα κατάλληλα επίπεδα.

4) Στάδιο ισχύος: υλοποιείται με ενα BJT transistor και παρέχει στο φορτίο το ρεύμα που απαιτείται για τη σωστή λειτουργία του.

Στάδιο 1: Βαθυπερατό φίλτρο

Εικόνα 1: Διάγραμμα ενισχυτικής βαθμίδας

Το φίλτρο RC χρησιμοποιεί μια μεταβλητή αντίσταση (trimmer) και έναν πυκνωτή των 0,47 μF.

Πείραμα: στην είσοδο του φίλτρου συνδέεται ημιτονοειδές σήμα πλάτους 1V για τιμή αντίστασης = 250Ω. Εκτελέστηκαν 20 μετρήσεις για συχνότητα από 50 Hz έως και 30 kHz.

Για Rπ=250Ω Για Rπ=463Ω

f V out V in Gain(dB) V out V in Gain(dB)

50 2,12 2,14 -0.081 2,04 2,04 0

100 2,20 2,20 0 2,08 2,12 -0.165

200 2,08 2,04 0.168 2,01 2,08 -0.297

300 2,02 2,04 -0.085 1,88 2,04 -0.709

400 1,98 2,04 -0.259 1,74 2,04 -1.382

500 1,90 2,04 -0.660 1,62 2,00 -1.830

600 1,84 2,00 -0.724 1,52 2,00 -2.384

700 1,78 2,00 -1.012 1,42 1,96 -2.799

800 1,68 1,96 -1.339 1,30 1,92 -3.387

900 1,64 1,92 -1.369 1,22 1,92 -3.938

1k 1,56 2,00 -2.158 1,181 1,92 -4.228

2k 1,08 1,90 -4.906 0,704 1,88 -8.532

5k 0,52 1,80 -10.785 0,304 1,84 -15.639

10k 0,312 1,80 -15.222 0,192 1,80 -19.439

15k 0,224 1,80 -18.100 0,152 1,84 -21.659

20k 0,192 1,80 -19.439 0,144 1,76 -21.743

25k 0,176 1,78 -20.098 0,132 1,72 -22.299

30k 0,160 1,80 -21.023 0,120 1,54 -22.167

Ακολουθούν τα διαγράμματα Bode:

Εικόνα 2: Διάγραμμα βαθυπερατού φίλτρου

Υπολογισμός: η συχνότητα 3dB του βαθυπερατού φίλτρου δίνεται από τον τύπο

f 3dΒ=1

2π⋅Rπ C1. Επομένως όταν η Rπ λαμβάνει τιμές 100, 200, 300, 400 και 500 Ω η

συχνότητα 3dB του ενισχυτή είναι:

Rπ (Ω) f 3dB (Hz)

100 3386

200 1683

300 1129

400 847

500 647

Εικόνα 3: Διάγραμμα Bode για 250Ω

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

Illustration 4: Διάγραμμα Bode για 463Ω

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

-25

-20

-15

-10

-5

0

Ερώτηση: ποιά η λειτουργία του βαθυπερατού φίλτρου στο κύκλωμα του ενισχυτή;

Απάντηση: το βαθυπερατό φίλτρο επιτρέπει τη διέλευση μόνο των συχνοτήτων του ακουστικού φάσματος, αυτές δηλαδή που καλείται να επεξεργαστεί ο ενισχυτής.

Στάδιο 2: Απομονωτής

Το στάδιο αυτό αποτελείται από έναν τελεστικό ενισχυτή LM741 σε συνδεσμολογία ακόλουθου και τις αντιστάσεις R1,R2=100 kΩ για την DC ανάλυση. Για την AC ανάλυση το διάγραμμα είναι το ακόλουθο:

Ο απομονωτής σε AC ζεύξη έχει επιπλέον στο στάδιο της εισόδου έναν ηλεκτρολυτικό πυκνωτήC2=0,5 μF .

ΠείραμαDC μετρήσεις: στην DC συνδεσμολογία, συνδέσαμε στην είσοδο του απομονωτή σήμα DC τιμής από 0 έως +10V. Με το πολύμετρο, μετρήσαμε την τάση στην έξοδο του απομονωτή. Για την DC ανάλυση, αφαιρέσαμε το διαιρέτη R1/R2.

Εικόνα 5: Διάγραμμα απομονωτή DC ανάλυσης

Εικόνα 6: Απομονωτής σε AC ανάλυση

V in V out

0.0 2.108

0.5 2.108

1.0 2.108

1.5 2.109

2.0 2.108

2.5 2.122

3.0 2.51

3.5 3.04

4.0 3.54

4.5 4.05

5.0 4.53

5.5 5.06

6.0 5.55

6.5 6.03

7.0 6.54

7.5 7.05

8.0 7.53

8.5 8.03

9.0 8.53

9.5 8.95

10.0 9.48

H DC χαρακτηριστική του απομονωτή με βάση τις άνω μετρήσεις είναι η ακόλουθη:

AC μετρήσεις: Για την AC ανάλυση, προσθέσαμε τον διαιρέτη τάσης στο κύκλωμα. Συνδέσαμε στην είσοδο ημιτονοειδές σήμα μηδενικής DC συνιστώσας και πλάτους 500mV. Μεταβάλλαμε τη συχνότητα εισόδου από 1 kHz έως 1 ΜΗz και μετρήσαμε το σήμα εξόδου με τον παλμογράφο.

f(kHz) V in (V) V out (V)

1 0.54 0.54

50 0.56 0.53

100 0.60 0.54

150 0.59 0.53

200 0.61 0.5

250 0.6 0.49

300 0.62 0.48

350 0.62 0.48

400 0.62 0.475

450 0.604 0.44

500 0.602 0.41

550 0.62 0.38

600 0.608 0.36

650 0.612 0.34

700 0.616 0.32

750 0.612 0.3

800 0.604 0.29

850 0.608 0.26

900 0.598 0.25

Εικόνα 7: Χαρακτηριστική DC απομονωτή0 2 4 6 8 10 12

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

950 0.602 0.24

1000 0.6 0.22

Ερώτηση Ι: Ποιός είναι ο ρόλος των αντιστάσεων R1 και R2 στο κύκλωμα;

Απάντηση Ι: χρησιμεύουν για την υλοποίηση του διαιρέτη τάσης.

Ερώτηση ΙΙ: τι θα συμβεί αν η τιμή των R1,R2 διπλασιαστεί ή υποδεκαπλασιαστεί;

Απάντηση ΙΙ: Ο διπλασιασμός ή ο υποδεκαπλασιασμός των αντιστάσεων δεν αλλάζει το λόγο

μεταφοράς καθώς αυτός δίνεται συναρτήσει του λόγουR2

R1R2. Ωστόσο, μεταβάλλεται το

ρεύμα που διαρρέει τον διαιρέτη τάσης. Οπότε η ισχύς που θα πρέπει να παρέχει το τροφοδοτικό στη μια περίπτωση θα υποδιπλασιάζεται και στην άλλη περίπτωση θα δεκαπλασιάζεται.

Ερώτηση ΙΙΙ: Ποιος ο ρόλος του πυκνωτή C2 ; Γιατί είναι τόσο μεγάλος;

Απάντηση ΙΙΙ: Ο ρόλος του πυκνωτή είναι καταρχάς να αποκόπτει την τυχούσα DC συνιστώσα του σήματος που θα μπορούσε να οδηγήσει τον ενισχυτή σε κορεσμό, αφετέρου να αποκόπτει τυχόν σήματα που δεν ανήκουν στην ακουστική περιοχή. Ο λόγος που είναι τόσο μεγάλος είναι για να μην παραμορφώνει το σήμα εισόδου.

Στάδιο 3: Ο προενισχυτής

Ο προενισχυτής αποτελείται από έναν τελεστικό 741 σε αναστρέφουσα συνδεσμολογία. Οι αντιστάσεις είναι R3=5.6 kΩ και R4=100 kΩ .

Συνδέουμε στην είσοδο του προενισχυτή μια ημιτονοειδή τάση πλάτους 100mV και συχνότητας 1 kHz και μετράμε την τάση εξόδου στον παλμογράφο για συχνότητες μέχρι 1 Mhz.

f(kHz) V out Κέρδος Ενίσχυσης/20

1 1.841 1.265

2 1.881 1.274

3 1.881 1.274

4 1.861 1.269

5 1.841 1.265

6 1.841 1.265

7 1.861 1.269

8 1.841 1.265

9 1.821 1.260

10 1.821 1.260

20 1.741 1.240

30 1.581 1.198

50 1.341 1.127

100 0.880 0.944

200 0.540 0.732

300 0.400 0.602

400 0.30 0.477

500 0.240 0.382

1000 0.180 0.255

Ερώτηση: Αν στην αντίσταση R3 συνδεθεί παράλληλα ένα δικτύωμα RC τι συμπεριφορά αναμένεται από τον προενισχυτή;

Εικόνα 8: Διάγραμμα bode πλάτους0 200 400 600 800 1000 1200

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Απάντηση: Στο αρχικό κύκλωμα η συνάρτηση μεταφοράς ήταν G s =−R4

R3. Με την

προσθήκη του δικτυωμάτος αυτή γίνεταιG ' s=

−R4R3

1R3R'

⋅ 1

1 1sC ' R '

κάτι που σημαίνει

ότι πλέον στις υψηλές συχνότητες το κέρδος του ενισχυτή αυξάνεται.

Ερώτηση: Ποιος ο ρόλος του C3 στη λειτουργία του κυκλώματος;

Απάντηση: Ο C3 αρχικά φορτίζεται από την τάση τροφοδοσίας και έπειτα παρακολουθεί την τάση, εξασφαλίζοντας την προστασία από υπερτάσεις καθώς αποθηκεύει την επιπλέον ενέργεια που θα διοχετευόταν στο κύκλωμα. Ακόμη σε περίπτωση απότομης διακοπής λειτουργίας εξασφαλίζει ότι το κύκλωμα θα σταματήσει να λειτουργεί με ομαλό τρόπο και όχι ακαριαία.

Ερώτηση: Γιατί ο μη αναστρέφων ακροδέκτης του προενισχυτή συνδέεται στο διαιρέτη τάσης R1 /R2;

Εικόνα 9: Σύνδεση RC δικτύου

Εικόνα 10: Κύκλωμα ενισχυτή μέχρι το στάδιο εξόδου

Απάντηση: Εξαιτίας της πόλωσης από την DC συνιστώσα το σήμα μεταβάλλεται γύρω από τη μάση τιμή γείωσης και τροφοδοσίας, με αποτέλεσμα την αποφυγή των ψαλιδισμών στην έξοδο του προενισχυτή.

Στάδιο 4: Στάδιο εξόδου

Το στάδιο εξόδου αποτελείται από ενα transistor npn ικανό να οδηγήσει μεγάλα ρεύματα.

Μετρήσεις

DC ανάλυση: V B=4.89VV C=9,16VV E=4,28V

AC ανάλυση:

f (kHz) V in(V ) V out (V )

1 1.96 0.48

10 1.4 1.18

50 1.35 1.23

100 1.33 1.25

500 1.34 1.26

1 MHz 1.33 1.26

2 MHz 1.35 1.28

3 MHz 1.4 1.33

4 MHz 1.58 1.5

5 MHz 1.36 1.28

Ερώτηση: Πώς θα συνδεθεί στην είσοδο ημιτονοειδές σήμα πλάτους 1V και DC τιμής 5V;

Απάντηση: Προκειμένου να συνδέσουμε το επιθυμητό σήμα, θα πρέπει να πολώσουμε το transistor στη βάση του εφαρμόζοντας τροφοδοσία 10V σε ένα διαιρέτη τάσης 2 ίδιων αντιστάσεων 180Ω.

Ερώτηση: Ποιός ο λόγος χρήσης του πυκνωτή C4 ;

Απάντηση: Ο συγκεκριμένος πυκνωτής χρησιμοποιείται για τη σωστή σύνδεση του φορτίου στο κύκλωμα, αφού αποκόπτει την ανεπιθύμητη τυχούσα DC συνιστώσα και δεν επηρεάζει την πόλωση του transistor.

Ερώτηση: Τι συνεπάγεται υποδεκαπλασιασμός της RE ;

Απάντηση: Αντικαθιστώντας το ισοδύναμο Thevenin του πολωμένου κυκλώματος, βρίσκουμε

ότιI E=

V BB−V BE

RE+RB

b+1, όπου V BB είναι η ισοδύναμη τάση πόλωσης βάσης και είναι ίση με 5 V

και η RB ίση με 90Ω. Υποδεκαπλασιάζοντας την RE αυξάνουμε το ρεύμα εκπομπού και άρα και την πτώση τάσης στα άκρα της αντίστασης RE . Επομένως, για μεγάλη αύξηση του ρεύματος εκπομπού αντιμετωπίζουμε την πιθανότητα της λειτουργίας του transistor σε κατάσταση αποκοπής.

Ερώτηση: Τι συνεπάγεται υποδεκαπλασιασμός της RL ? Ποια ειναι η συνθήκη μέγιστης μεταφοράς ισχύος;

Απάντηση: Το κέρδος τάσης δίνεται από τον τύπο AV =(1+β) RE // RL

rπ+(1+β )RE // RLενώ το κέρδος

ρεύματος από A I=(1+β )RB

RB+r π+(1+β ) RE // RL. Από τις προδιαγραφές του transistor έχω β = 80.

Οπότε αρχικά A I=81⋅90

90+r π+81⋅6.31και AV = 81⋅6.31

rπ+81⋅6.31όπου r π=

V T

I B=25.2mV0.987 I E

και

τελικά r π=0.177Ω οπότε A I⋅AV=0.99⋅12.12=11.99 .

Υποδεκαπλασιάζοντας την RL ,έχω Α Ι=81⋅90

90+0.177+81⋅0.779=47.56 και AV =0.99 οπότε

Α Ι⋅AV=47.084 .

Για να έχουμε τη μέγιστη μεταφορά ισχύος, θα πρέπει η μερική παράγωγος του κερδους ισχύος (AV⋅A I ) ως προς την RL να είναι ίση με 0.

Εργαστηριακή Άσκηση 2 – Υλοποίηση Απλού Γραμμικού Τροφοδοτικού

Σκοπός αυτής της εργαστηριακής άσκησης είναι η υλοποίηση ενός απλού γραμμικού τροφοδοτικού με χρήση διόδων (απλές διόδους ένωσης και zener) και τρανζίστορ

Το τροφοδοτικό που κατασκευάσαμε έχει την μορφή που απεικονίζει η εικόνα και αποτελείται από τις εξής βαθμίδες:

1. Η πρώτη βαθμίδα, όπως άλλωστε φαίνεται και από την εικόνα 1, είναι ένας μετασχηματιστής που χρησιμοποιείται για να μειώσουμε την τάση που παίρνουμε απο την ΔΕΗ (230V σε rms) σε μία τάση (επίσης AC) που θα μας δίνει την έξοδο που θέλουμε.

2. Η δεύτερη βαθμίδα είναι ένας ανορθωτής τάσης σε συνδεσμολογία γέφυρας που έχει σκοπό να μετατρέψει το AC σήμα σε DC.

3. Η τρίτη βαθμίδα είναι ο εξομαλυντής ο οποίος εξομαλύνει τις μεγάλες μεταβολές της τάσης εξόδου του ανορθωτή μειώνοντας τις υψηλές DC τάσεις για την δημιουργία μίας πιο σταθερής τάσης.

4. Η τέταρτη και τελευταία βαθμίδα είναι ένας σταθεροποιητής τάσης που είναι υπεύθυνο για τη τελική DC τάση εξόδου του τροφοδοτικού, η οποία πρέπει να είναι ανεξάρτητη από όλες τις μεταβολές (φορτίου ή τάσης στη έξοδο του εξομαλυντή).

Ακολουθούν λοιπόν τα στάδια της κατασκευής:

Στάδιο 1: Ανορθωτής γέφυρας

Για τον σχεδιασμό επομένως του ανορθωτή χρησιμοποιούμε απλές διόδους και μία αντίσταση RL = 1kΩ.

Πείραμα: Οι μετρήσεις που έγιναν είναι οι ακόλουθες.

Εικόνα 11: Διάγραμμα απλού γραμμικού τροφοδοτικού

Εικόνα 12: Ανορθωτής γέφυρας

RL

V o dc 21,7V

V o p−p 36V

Επομένως από τη σχέση V o p−p=V m−2Vd η θεωρητική τιμή της V o είναι 37.6 - 1.4 = 36.2 V. Έχουμε λαβει υπόψιν ότι η πτώση τάσης της διόδου είναι 0.7 V ενώ η V m=37.6V . Παρατηρούμε επομένως μικρή απόκλιση στις μετρήσεις και τις θεωρητικές τιμές.

Στάδιο 2: Ανορθωτής με φίλτρο πυκνωτή (Εξομαλυντής)

Το πείραμα αυτό έχει δύο σκέλη. Στο πρώτο μέρος κατασκευάζουμε το κύκλωμα που φαίνεται στην εικόνα 3 χρησιμοποιώντας RL=1kΩ και διαδοχικά πωκνωτές χωρητικότητας C= 100μF και C= 1000μF, ενώ σε δεύτερη φάση συνδέουμε στο κύκλωμα 2 αντιστάσεις των 180Ω, δηλαδή

RL=180180=360Ω , και τους δυο πυκνωτές.

Πείραμα: Οι μετρήσεις που έγιναν παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα.

RL=1kΩ RL=360kΩ

C= 100μF C= 1000μF C= 100μF C= 1000μF

V o dc 33,4V 33,3V 15,16V 19,5V

V o p−p 3,361V 320mV 564mV 584mV

V w 3.52 V 352 mV 9,77 V 977 mV

Η κυμάτωση δίνεται από τον τύπο V w=V max

2 f R Cόπου f = 50Hz και V max=V m−2Vd .

Παρατηρούμε ότι η αύξηση της χωρητικότητας του πυκνωτή εξομάλυνσης έχει ιδιαίτερα θετική επίδραση στη μείωση της κυμάτωσης.Στάδιο 3: Σταθεροποιητής τάσης

RL = 1KΩ RL = 180Ω RL = 90ΩV o( DC ) 10,43 10,05 10,03

Εικόνα 13: Ανορθωτής με φίλτρο πυκνωτή

RL = 1kΩ RL = 1kΩVin(V) Vout(V)25 10,2323 10,2120 10,1717 10,12V2 = 15 10,06

Vin = 20V και RL = 1kΩT1 T2

VBE 0,17 0,55VCE 4,30 9,22VCB 3,60 9,76

Στάδιο 4: Κατασκευή τροφοδοτικού

Ερώτηση: Ποίος ο ρόλος ύπαρξης των πυκνωτών C2 και C3 στο κύκλωμα; Πώς ονομάζονται; Απάντηση: Οι πυκνωτές C2 και C3 λειτουργούν προστατευτικά για το κύκλωμα καθώς μπορούν σε περίπτωση κινδύνου να απομονώσουν το τροφοδοτικό από το υπόλοιπο κύκλωμα στο οποίο είναι συνδεδεμένο και αποκαλούνται πυκνωτές απόζευξης.