การทดลองที่ 3 Op Amp Applications II and light detectors ... 2 Ex 3 OpAmpApp...

303303 Electrical Engineering Laboratory II Lab 3 1

ภาควชาวศวกรรมไฟฟา มหาวทยาลยนเรศวร

การทดลองท 3 Op Amp Applications II and light detectors ตอนท 1 Differential Amplifier Circuit

วตถประสงค

1. ประกอบวงจรขยายผลตาง (Differential Amp.) ไดถกตอง 2. อธบายการท างานของวงจร Differential Amp. ได 3. สามารถทดลองหาความสมพนธระหวางแรงดนอนพตกบแรงดนเอาตพตได

ทฤษฏ

Rf

Vout

-

+

RB

RA

Ri V1

V2

VB

รปท 1-1 จากวงจรรปท 1-1 จะเหนไดวา สญญาณอนพต 1V ปอนใหออปแอมปในลกษณะของวงจรแบบขยายกลบเฟส และมสญญาณ 2V ปอนใหออปแอมปในลกษณะของวงจรขยายแบบไมกลบเฟส นนคอ

iif1oV)R/R(V

Bif2o

V)R/R1(V แต )RR/(RVV

BAB2B

)RR/(R)R/R1(VVBABif22o

2o1ooVVV

2BABif1ifo

V)RR/(R)R/R1(V)R/R(V ...........................5.1 ถาให

iARR และ

fBRR

)VV(R/RV12ifo



ในท านองเดยวกน ))()((/)( 12 tvtvRRtv ifo …………………………………………………………5.2 เครองมอทใชในการทดลอง 1. มลตมเตอร 1 เครอง 2. ออสซลโลสโคป 2 บม 1 เครอง 3. IC OP-AMP เบอร 741 4. ความตานทานทใชงาน 27 k x2, 33 k , 47 k x2, 68 k , 100 k x3 5. สายตอวงจร 1 ชด 6. Function generator 1 เครอง การทดลองตอนท 1

1. ตอวงจรตามรปท 1-2 โดยตอขา Inverting I/P (VA) เขาทจด 1V และขา Non-Inverting I/P (VB) เขาทจด 2V ของ Resistive voltage divider

R2 100k

+12V

vout

VA

68k

741

-12V

4

72

3

6

-

+

+12V

VB

33k

R4 100k

R3 47k

R1 47k

V2

V1

100k

รปท 1-2

2. ใชโวลตมเตอรวดแรงดนอนพต )(1 AVV และ )(2 BVV บนทกคา

VVVA ..........................1 VVVB .............................2 หาคาความแตกตางของอนพตคอ V........................VV

AB

3. วดแรงดน oV บนทกคา V......................Vo

4. ค านวณคา oV จากสมการ ))(/( 12 ABo VVRRV

V......................



คาในขอ 3. และ ขอ 4. แตกตางกนหรอไมเพราะเหตใด ………………………………………............................................................................................................................………………………………………............................................................................................................................ 5. ปดแหลงจายไฟ กลบแรงดนอนพตโดยตอ จดท 1 )( 1V เขากบ BV และตอจดท 2 )( 2V เขากบ AV 6. ใชโวลตมเตอรวดแรงดนอนพต )(1 BVV และ )(2 AVV บนทกคา

VVVA ....................2 VVVB ....................1 หาความแตกตางของอนพตคอ V........................VV

AB

7. วดแรงดน oV บนทกคา V....................Vo

8. ค านวณคา oV จากสมการ ))(/( 12 ABo VVRRV

V...................... คาในขอ 7. แลวขอ 8. แตกตางกนหรอไมเพราะเหตใด ……………………………………………….………………………………………........................................................... ………………………………………............................................................................................................................ 9. ปดแหลงจายไฟอกครง เปลยนคา k27R

1 และ k27R

3 ท าการทดลองใหมตงแตขอ 1-4

และบนทกผลการทดลอง

V....................VVA1 V....................VV

B2

V........................VVAB

o

V วดได = ………………. V o

V ค านวณได = ………………… V 10. จากขอ 9. ปดแหลงจายไฟอกครง กลบแรงดนอนพตท าการทดลองใหมตงแตขอ 5-8 และบนทกผลการทดลอง

V....................VVB1 V....................VV

A2

V........................VVAB

o

V วดได = ………………. V o

V ค านวณได = ………………… V

ค าถามทายการทดลอง 1. จากวงจรรปท 1-2 ถาปอนรปคลนสญญาณแรงดน AV และ BV ดงรปตอไปน โดยมความถ 1 kHz ให

เขยนรปคลนสญญาณแรงดน oV ลงในกราฟรปท 1-1



VA

VB

VO

+2

+1

-2

-1

กราฟรปท 1-1

2. จากวงจรรปท 1-2 ถาปอนรปคลนสญญาณ sine แรงดน VVA 8 และ VVB 2 อยากทราบวาแรงดน oV มคาเทาไร เขยนรปคลนสญญาณแรงดน oV ลงในกราฟรปท 1-2

ppoV......................V

VO

กราฟรปท 1-2

สรปและวเคราะหผลการทดลอง ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................



ตอนท 2 Voltage Comparator Circuit

วตถประสงค 1. ประกอบวงจรเปรยบเทยบแรงดนกลบเฟส (Inverting Comparator Circuit) ได ถกตอง 2. อธบายการท างานของวงจรเปรยบเทยบแรงดนกลบเฟส (Inverting Comparator Circuit) ได 3. ประกอบวงจรเปรยบเทยบแรงดนไมกลบเฟส (Non-Inverting Comparator Circuit) ได 4. อธบายการท างานของวงจรเปรยบเทยบแรงดนไมกลบเฟส (Non-Inverting Comparator Circuit ได 5. สามารถน าวงจรเปรยบเทยบแรงดนมาประยกตในวงจร Light detector ได

ทฤษฎ 1. วงจรเปรยบเทยบแรงดน วงจรเปรยบเทยบแรงดนไมกลบเฟส

ถา Vi มากกวา Vref VO = + Vsat ถา Vi นอยกวา Vref VO = - Vsat

รปท 2-1

-

+vi

vref

vo

0

0

+V

-V Vi

Vo

t

t

¶ 2¶

¶ 2¶

+VSAT

-VSAT

t1 t2

Vref



วงจรเปรยบเทยบแรงดนกลบเฟส ถา Vi มากกวา Vref VO = - Vsat ถา Vi นอยกวา Vref VO = + Vsat

รปท 2-2 2. Visible and infrared light detectors

LDR

ตวตานทานไวแสง (Light Independent Resistor) หรอเรยกสน ๆ วา LDR ท ามาจากสารแคดเมยมซลไฟล (Cds) หรอแคดเมยมซลไนด (Cdse) ซงเปนสารประกอบชนดกงตวน ามาฉาบบนแผนเซรามคทใชเปนฐานรอง แลวตอขาจากสารท ฉาบเอาไวออกมาดงโครงสรางในรปท 2-3

-

+

vi

vref

vo

0

0

+V

-V

Vi

Vo

t

t

¶ 2¶

¶ 2¶

+VSAT

-VSAT

Vref

t1 t2



รปท 2-3 โครงสรางของ LDR

คณสมบตทางแสง LDR ไวตอแสงชวงคลน 400-1000 นาโนเมตร (1 นาโนเมตร = 10-9 เมตร) ซงครอบคลมชวงคลนทไวตอตาคน (400-700 นาโนเมตร) ดงนน LDR จงไวตอแสงอาทตย และแสงจากหลอด ไส หรอ หลอดเรองแสง และยงไวตอแสงอนฟาเรดทตามองไมเหนอกดวย (ชวงคลนตงแต 700 นาโนเมตรขนไป) คณสมบตทางไฟฟา อตราสวนของความตานทาน LDR ขณะทไมมแสงกบในขณะทมแสง อาจมคาตางกน 100, 1,000, 10,000 เทา แลวแต

แบบหรอรน ความตานทานในขณะไมมแสงจะอยในชวงตงแต 0.5 M ขนไป และความตานทานขณะทมแสงจะอยในชวง

ตงแต 10 K ลงมาทนแรงดนสงสดไดมากกวา 100 V และทนก าลงไฟไดประมาณ 50 mW

รปท 2-4 กราฟแสดงความไวของ LDR ทความยาวคลนตาง ๆ กน เทยบกบตาคน

การวดความตานทานของ LDR เมอซอ LDR มาใชงาน อาจไมรคาความตานทานของ LDR และเนองจาก LDR ทนก าลงไฟฟาไดเพยงประมาณ 50 mW ดงนนถาใชโอหมมเตอรสเกล R วดความตานทานของ LDR อาจท าความเสยหายใหกบ LDR ได การวดความตานทานของ LDR อาจท าไดโดยออมโดยอาศยวงจรแบงแรงดน ไดความสมพนธระหวาง V และ V’ ดงน



รปท 2-5

การน า LDR ไปใชงาน

จากหลกการดงกลาวแลวจะเหนวาเมอมแสงสวางมาตกทตว LDR กระแสทไหลผานตว LDR จะสง เนองจากมความตานทานต า และเมอไมมแสงความตานทานของ LDR มคาสง ท าใหกระแสไหลไดนอย จงอาจน า LDR ไปเปนสวนประกอบของมเตอรวดวามเขมแสงไดดงน

รปท 2-3 การใช LDR เปนสวนประกอบของวงจรมเตอรวดแสงอยางงาย

รปท 2-4 การใช LDR ในวงจรควบคมดวยแสง

RLDR



หรอสามารถน าไปใชกบวงจร Voltage comparator ไดดงแสดงในรปท 2-12 ซงปกตแลวคาของ R1 ควรเลอกใหมคา 3 ถง

5 เทา ของ ตว LDR ในขณะทแสงปกต เชนถาวดความตานทานของ LDR ได 400 กควรเลอกใชความตานทาน R1

ประมาณ 1200 ถง 2200 และการเปลยนคา R1 เปนการปรบ sensitivity ของวงจร photo detector

โฟโตไดโอด (Photo Diode)

โฟโต ไดโอด (Photo Diode) เปนอปกรณเชงแสงชนดหนง ทประกอบดวยสารกงตวน าชนด P และสารกงตวน าชนด N รอยตอถกหอหมดวยวสดทแสงผานได เชน กระจกใส โฟโตไดโอดมอย 2 แบบ คอแบบทตอบสนองตอแสงทเรามองเหน และแบบทตอบสนองตอแสงในยานอนฟาเรด ในการใชงานจะตองตอโฟโตไดโอดในลกษณะไบอสกลบ

โฟโต ไดโอด (Photo Diode) จะยอมใหกระแสไหลผานไดมากหรอนอยนนขนอยกบปรมาณความเขมของแสง โดยกระแสทไหลในวงจรจะแปรผกผนกบความเขมของแสงทมาตกกระทบ เมอโฟโตไดโอดไดรบไบอสกลบ (Reverse Bias) ดวยแรงดนคาหนงและมแสงมาตกกระทบทบรเวณรอยตอ ถาแสงทมาตกกระทบมความยาวคลนทเหมาะสมจะมกระแสไหลในวงจร ลกษณะทวไปขณะไบอสตรง (Forward Bias ) จะยงคงเหมอนกบไดโอดธรรมดาคอยอมใหกระแสไหลผานได

รปท 2-7 แสดงสญลกษณ และการไบอสใชงาน

โฟโตไดโอดเมอเทยบกบ LDR (ตวตานทานทแปรคาตามแสง) แลวโฟโตไดโอดมการเปลยนแปลงคาความตานทานเรวกวา LDR มาก จงนยมน าไปประยกตงานในวงจรทตองการความเรวสง เชน เครองนบสงของ, ตวรบรโมทคอนโทรล, วงจรกนขโมยอนฟาเรดเปนตน



เนองจากโฟโตไดโอดใหคาการเปลยนแปลงของกระแสตอแสงต า คออยในชวง 1-10 nA เทานน ดงนนการใชงานโฟโตไดโอดจงตองมตวขยายกระแสเพมเตม ผผลตจงหนมาใชทรานซสเตอรเปนตวขยายกระแสเพมเตมอยในตวถงเดยวกน ซงเรยกวาโฟโตทรานซสเตอร (Photo Transistor)

โฟโตทรานซสเตอร (Photo Transistor)

โฟโตทรานซสเตอร (Photo Transistor) ประกอบดวยโฟโตไดโอดซงตออยระหวางขาเบสกบคอลเลคเตอร ของทรานซสเตอร ดงรปท 2-8 กระแสทเกดขนจากการเปลยนแปลงของแสงจะถกขยายดวยทรานซสเตอร (Transistor) ในการใชงานโฟโตทรานซสเตอร รอยตอระหวางเบส-อมตเตอร (Base-Emitter) จะตอไบอสกลบ (Reverse Bias) ทรอยตอนเองเปนสวนทท าใหเกดการแปลงคากระแสทขนอยกบความเขมแสง

รปท 2-8 แสดงสญลกษณ โครงสราง และวงจรสมมล ของโฟโตทรานซสเตอร

เมอไบอสกลบ (Reverse Bias) ทรอยตอระหวางเบสกบคอลเลคเตอร (Base-Collecter) และมแสงตกกระทบทบรเวณรอยตอ กระแสอนเนองจากแสง (IP) จะถกขยายดวยอตราขยายของทรานซสเตอรเปนกระแสอมตเตอร (IE) และถาไบอสตรงทขาเบสดวยกระแสเบส (IB) จากภายนอกกจะถกขยายรวมกบกระแสเนองจากแสง (IP) ดวย

ถา ให IP = กระแสทเกดขนเนองจากแสง

IB = กระแสเบสทมาจาก ภายนอก



IE = กระแสอมตเตอร

hfe = อตราขยายของทรานซสเตอร

จากสมการของทรานซสเตอรคอ

IC = hfeIB

และ IE = IC + ( IB ± IP )

จะได IE = IC + ( IB ± IP ) hfe + I

จะเหนไดวากระแส IE เปลยนแปลงตามกระแส IP ดวยอตราขยายถง hfe+1 เทาซงถา IP มคาเปลยนแปลงจาก 1-10nA และถา hfe มคาประมาณ 100 จะไดคา IE เปลยนแปลงจาก 100nA ถง 1mA

อตราขยายกระแสยงสงจะท าใหผลตอบสนองตอแสงจะไวขน การท าใหคา hfe สงๆ จะตองท าใหรอยตอระหวางเบสกบคอลเลกเตอรมพนทมาก แตกท าใหกระแสรวไหลสงขนดวย เพราะรอยตอจะถกไบอสกลบ (Reverse Bias)

Infrared LED (IR)

อนฟราเรด (Infrared) เปนแสงทไมสามารถมองเหนไดดวยตาเปลา มความถอยในชวง 1011 – 1014 Hz หรอความยาวคลน 10-3 – 10-6 เมตร เนองจากแสงอนฟราเรดมความยาวคลนทสนมคณสมบตทเดน คอ จะเดนทางเปนแนวเสนตรง และไมสามารถเดนทางผานสงกดขวางหรอวตถได จงเปนทนยมน ามาใชในการสอสารในระยะสน ๆ เชน รโมทส าหรบควบคมวทย โทรทศน หรอตรวจจบสงของตางๆ เปนตนอนฟราเรดเซนเซอรจะประกอบดวย 2 สวนใหญ ๆ คอ สวนตวรบ และตวสง



รปท 2-9

สวนตวสง จะท าหนาทสงแสงอนฟราเรดใหกบเครองรบ ใช IR LED เปนตวขบแสงอนฟราเรด แสงทสงออกมาจะมชวงความถทสงกวาความถของแสงธรรมดา ทว ๆ ไป คอ มากกวา 20 kHz

สวนตวรบ จะใช โฟโตไดโอด โฟโตทรานซสเตอร หรอ แอลดอาร เปนตวรบแสงกไดโดยททงเครองรบและสง จะตองตอบสนองความถเทากน เพราะถาไมเทากนจะท าใหไมสามารถรบสงสญญาณได

การท างานของอนฟราเรดเซนเซอร

อนฟราเรดเซนเซอรจะมหลกการท างาน คอ สงแสงอนฟราเรดจากเครองรบไปยงเครองสงโดยจะแบงออกเปน 2 ประเภทใหญ ๆ คอ เครองรบและเครองสงอยทเดยวกน และเครองรบเครองสงอยคนละทกน

เครองรบและเครองสงอยทเดยวกน ใชหลกการสะทอนกบวตถเมอมวตถผานหรอขวางกนอย เพอใหระบบท างานแตถาวตถไมสะทอนแสงหรอสะทอนแสงไดนอย เชนวตถสด า ตวเซนเซอรกจะไมท างานหรอท างานไดไมด

เครองรบเครองสงอยคนละทกน อาศยหลกการของการตดเสนทางเดนของแสง เมอมการตดเสนทางเดนของแสงระบบจะท างาน โดยจะมการน าไปประยกตใชงานมากมาย เชน ท าวงจรตรวจจบคนเดนผาน เปนตน

เครองมอและอปกรณทใชในการทดลอง 1. มลตมเตอร 1 เครอง 2. ออสซลโลสโคป 2 บม 1 เครอง 3. IC OP-AMP เบอร 741 1 4. ไดโอดเปลงแสง (LED) 1

5. ความตานทานทใชงานคา 1kx2, 10k, 560, 47k, 2k

RX TX



6. สายตอวงจร 1 ชด 7. Infrared sensor & Photo transistor TCRT5000 1 9. LDR 1

10. R ปรบคาได (VR) 50k 1 การทดลองตอนท 2 .1 Simple Non-inverting Comparator

1.1 ตอวงจรตามรปท 2- 10 เพอวดรปสญญาณไฟ DC

1kΩ

+12V

vout

741

-12V

4

7

2

3

6

-

+

vref

50kΩ

2kΩ

R1 10kΩ

12V

+12V

vi

รปท 2-10 Simple Non-inverting Comparator

เมอ Vi < VRef แลว VO = -VSAT (LED OFF) Vi > VRef แลว VO = + VSAT (LED ON)

1.2 ปอนแหลงจายไฟกระแสตรงใหแกวงจร ถา LED ตดสวางใหปรบตวตานทานปรบคาได จนกระทง LED ดบ 1.3 ใชออสซลโลสโคปวดแรงดน Vref ทขา 2 ของไอซ เทยบกบ GND บนทกคา Vref =……………………… V. 1.4 ใชออสซลโลสโคปวดแรงดน Vi ทขา 3 ของไอซ เทยบกบ GND คอยๆ ปรบตวตานทานปรบคาได จนกระทง

LED ตดสวาง อานคาแรงดนขณะนน แลวบนทกผลลงในตารางท 1 1.5 ทดลองอกตามล าดบขอ 1.1-1.4 โดยเปลยนคา R1 ใหมตามตารางท 1 และบนทกผลลงในตารางท 1



ตารางท 1 R1 Vref ทวดได Vi (LED On) ทวดได

20K 10K 1K

1.6 ทดลองอกตามล าดบขอ 1.1-1.5 ซ าอกครงโดยเอาตวตานทานปรบคาไดออก ปอนสญญาณ Vi เปนรปคลน Sine Wave ใหไดความถ 200 Hz ขนาด 4 VP-P ใช Oscilloscope เลอกวดสญญาณ DC อนพตและเอาตพตท R1 คาตางๆ เปรยบเทยบกน แลวเขยนรปคลนทไดลงในตารางกราฟรปท 2-1 , 2-2 และ 2-3

V/Div ______________

Time/Div____________

ตารางกราฟรปท 2-1



V/Div ______________

Time/Div____________


V/Div ______________

Time/Div____________




การทดลองตอนท 2.2 การใช light detectors กบ non-inverting comparator 1. ตอวงจรดงรปท 2-11 วดคา V’ ขณะมแสง V’ =________________

ขณะไมมแสง V’ =________________

2. ค านวนคาความตานทานของ LDR จากสมการ โดย V=+12 V

ขณะมแสง RLDR=_____________ ขณะไมมแสง RLDR=_____________

รปท 2-11 2. ตอวงจรดงรปท 2-12 ปรบ VR จน LED ดบ แลวสงเกตการณท างานของวงจร วดคาความตานทาน VR ขณะนน วดคา Voltage ทขา input และ outputของ Op Amp ขณะทมแสงกระทบ LDR และขณะทไมมแสงกระทบ LDR

VR = _________ ขณะมแสงกระทบ LDR LED ตด ดบ V+ =__________ V- =___________ Vout =___________ ขณะไมมแสงกระทบ LDR LED ตด ดบ V+ =__________ V- =____________ Vout =___________

รปท 2-12 LDR detector

1kΩ

+12V

vout

741

-12V

4

7

2

3

6

-

+

2kΩ

R2 10kΩ

+12V+12V

LDR

VR1 50kΩ

R’ 10kΩ

V=+12V

LDR

+

V’

-



3. ตอวงจรดงรปท 2-13 ปรบ VR จน LED ตด แลวสงเกตการณท างานของวงจร วดคาความตานทาน VR ขณะนน วดคา Voltage ทขา input ทงสองของ Op Amp ขณะทมแสง Infrared กระทบ Photo transistor (ขณะทมแสง Infrared กระทบ Photo transistor คอตอนทเอามอบงท าใหแสง infrared จาก infrared LED ตกกระทบมอแลวสะทอนลงไปยงตว Photo transistor ) และขณะทไมมแสง Infrared กระทบ Photo transistor

รปท 2-13 Infrared light detector

VR = _________ ขณะมแสง Infrared กระทบ Photo transistor LED ตด ดบ V+ =__________ V- =___________ Vout =___________ ขณะไมมแสง Infrared กระทบ Photo transistor LED ตด ดบ V+ =__________ V- =___________ Vout =___________

ค าถามทายการทดลอง 1. ยกตวอยางการน าวงจร Comparator ไปใชงานมา 1 เรองพรอมทงอธบายการน าไปใชและการท างานโดยละเอยด 2. อธบายหลกการท างานในเชงทฤษฎ ของวงจรรปท 2-12 และรปท 2-13 มาโดยละเอยด 3. ยกตวอยางการน า Photo transistor, LDR, Infrared detector ไปใชงานอนๆ และอธบายอยางคราวๆ

วเคราะหผลการทดลองและสรปผลการทดลอง

1kΩ

+12V

vout

741

-12V

4

7

2

3

6

-

+

2kΩ

R2 10kΩ

+12V+12V

D1

R1 560Ω

+12V

TCRT5000

VR1 50kΩ

การทดลองที่ 3 Op Amp Applications II and light detectors ... 2 Ex 3 OpAmpApp...

Documents

Transcript of การทดลองที่ 3 Op Amp Applications II and light detectors ... 2 Ex 3 OpAmpApp...