ELEKTRONIKA I zbirka vaj - Shrani.siJanez Jamšek, ELEKTRONIKA I - zbirka vaj. Študijsko gradivo za...

ELEKTRONIKA I zbirka vaj

Študijsko gradivo za študente Pedagoške fakultete v Ljubljani

Janez Jamšek

Študijsko leto 2005/2006

Janez Jamšek, ELEKTRONIKA I - zbirka vaj. Študijsko gradivo za študente Pedagoške fakultete v Ljubljani.

2

Kazalo 1. LDR, PTC, NTC .............................................................................................................................................................2 2. Frekvenčna karakteristika RLC nizkega sita...................................................................................................................3 3. Polprevodniška dioda......................................................................................................................................................4 4. Uporaba Zenerjeve diode................................................................................................................................................6 5. Astabilni multivibrator....................................................................................................................................................7 6. Uporaba bipolarnih tranzistorjev v preprostih vezjih......................................................................................................8 7. Uporaba bipolarnih tranzistorjev v preprostih vezjih II ................................................................................................10 8. Invertirajoči ojačevalni sistem z operacijskim ojačevalnikom......................................................................................10 9. Simulacija elektronskih vezij ........................................................................................................................................12 10. Vrata NEIN in NEALI (protoboard) ...........................................................................................................................13 11. BISTABILNO VEZJE...............................................................................................................................................14 12. Mikrokrmilnik 1..........................................................................................................................................................14 13. Mikrokrmilnik 2..........................................................................................................................................................14

1. LDR, PTC, NTC Naloga: 1) Na voljo imate konstanten vir napetosti, UC=5 V ter ampermeter. Ugotovite kaj se dogaja s tokom skozi:

a) Fotoupor, če ga osvetlite/zatemnite. b) NTC termistor, če ga segrevate/ohlajate.

2) Sestavite vezje, ki bo pokazalo (uporabite voltmeter) tem višjo napetost, čim bolj bo osvetljeno.

• Poiščite tak upor, da bo napetostna razlika, ko bo osvetljeno/zatemnjeno največja. 3) Sestavite vezje, sl. 1.1. NTC termistor pomočite v vodo in odčitajte napetost na voltmetru. Pri znani upornosti in napetosti lahko izračunate tok skozi NTC termistor. Napetost na termistorju dobite kot razliko napajalne in tiste, ki jo odčitate na voltmetru. Prav tako s termometrom odčitajte temperaturo. Postopek ponovite pri desetih različnih temperaturah vode. Narišite graf R(T).

Slika 1.1: Napetostni delilnik. 4) Napetostni delilnik na sliki 1.1 sestavite iz dveh enakih, 100 kΩ uporov. Priključite voltmeter po shemi in izmerite napetost. Izračunajte notranjo upornost voltmetra RN.

Dodatek: Sestavite deljeno napajanje ±10 V. Uporabite enosmerna vira napetosti ŠMI-03. Sestavite vezje z uporabo potenciometra, tako da boste z vrtenjem potenciometra nastavljati na izhodu napetosti od -1 V do +1 V (proti ozemljitvi 0V).

NTC

4,7kΩ V

+5V


3

2. Frekvenčna karakteristika RLC nizkega sita

Naloga:

Za dano zgornjo frekvenčno mejo kritično dušenega RLC nizko prepustnega sita določite upornost, induktivnost in kapacitivnost.

Izmerite in narišite frekvenčno karakteristiko sita.

Izmerite in narišite graf faznega kota med izhodno in vhodno napetostjo v odvisnosti od frekvence.

Razlaga: Preprosto RLC sito sestavljajo trije elementi: upor, dušilka (tuljava) in kondenzator. Obravnavajmo sito, pri katerem je vhodna napetost sinusne oblike in je izhodna napetost vezja napetost na kondenzatorju. Pri nizkih frekvencah je impedanca kondenzatorja prevladujoča (ω→0, XC→∞) in amplituda izhodne napetosti je praktično enaka vhodni. Drugače je pri zelo visokih frekvencah, kjer je impedanca kondenzatorja majhna (ω→∞, XC→0) in amplituda izhodne napetosti je zato majhna. Razmerje amplitud izhodne in vhodne napetosti v odvisnosti od frekvence imenujemo

frekvenčna karakteristika. Na kratko izpeljimo to zvezo. Absolutna vrednost impedance električnega kroga je:

X R LC

= + −

2

21ω

ω (2.1)

Impedanca kroga je torej minimalna pri frekvenci:

ω02 1=

LC (2.2)

ω0 je resonančna frekvenca. Amplituda toka v električnem krogu je amplituda vhodne napetosti deljeno z impedanco kroga, amplituda napetosti na kondenzatorju pa impedanca kondenzatorja krat tok:

X

UC

U vhiz

))

ω1

= (2.3)

Od tod dobimo funkcijo, ki opisuje frekvenčno karakteristiko sita:

( ))

)UU L C R C L C

iz

vh

ωω ω ω

=+ − +

12 14 2 2 2 2 2 2

(2.4)

Očitno je, da gre funkcija za ω→∞ proti 0 in torej visokih frekvenc ne prepušča, pri ω→0 pa gre proti 1, kar smo tudi pričakovali. Pri nizkih sitih nas zanima frekvenca, nad katero se izhodna napetost hitro zmanjšuje. Pravimo ji zgornja frekvenčna meja ωz in je definirana z enačbo

( ))

)UU

iz

vhzω =

12

(2.5)

Kadar pri RLC filtru dosežemo idealne razmere, je zgornja frekvenčna meja ωz kar enaka resonančni frekvenci ω0. To je izpolnjeno v primeru, ko je R C L C2 2 2 22 0ω ω− = (2.6) Za tako sito pravimo, da je kritično dušeno, kar dosežemo z izbiro ustreznega upora:

R LCK

=2

(2.7)

Posebej nas zanimajo tudi razmere pri visokih frekvencah. Takrat ima frekvenčna karakteristika obliko:

( ))

)UU LC

iz

vh

ωω

ω ω= >>1

2 0; (2.8)

~Uv h Ui z

R L

C

GND Slika 2.1: Shema RLC nizkega sita


4

Graf frekvenčne karakteristike najpogosteje narišemo na logaritemski skali za frekvenco in v decibelih za frekvenčno prenosno funkcijo. Definicija za decibele (dB) je:

[ ]g dBUU

iz

vh

=

20log

)

) (2.9)

Za naše sito torej pri visokih frekvencah velja: [ ] ( ) ( )g dB LC= − −40 20log logω (2.10) Ker je zadnji člen konstanten je v področju dušenja strmina premice na grafu f[dB]/log(ω) enaka -40. Pravimo tudi, da je dušenje -40 dB na dekado; če se frekvenca za desetkrat poveča, se g zmanjša za 40 dB.

Potek dela: Najprej za predpisano zgornjo frekvenčno mejo sita določite kapacitivnost kondenzatorja in induktivnost dušilke. Doseči moramo kritično dušenje, zato določite še upornost R. Sestavite sito. Z dvo-kanalnim osciloskopom merite vhodno in izhodno napetost. Pri sestavljanju pazite na to, da bodo ozemljeni priključki funkcijskega generatorja in obeh kanalov osciloskopa povezani skupaj (oznaka GND na skici!). Meritev začnite s frekvenco nad 100 Hz in poiščite tisto frekvenco, pri kateri je komaj mogoče opaziti zmanjšanje amplitude izhodne napetosti glede na vhodno. Privzemite, da sta bila za frekvence od 0 Hz do te frekvence fazni zaostanek 0 in amplitudi obeh napetosti enaki. Povečujte frekvenco (kolikor visoko je mogoče) in napravite meritve, ki so potrebne za graf frekvenčne karakteristike (f[dB]/log(ω)) in graf faznega zaostanka v odvisnosti od frekvence (δ/log(ω)). Narišite oba grafa. Iz prvega grafa določite strmino premice pri visokih frekvencah in jo primerjajte z napovedano.

3. Polprevodniška dioda Naloga:

Narišite izhodno napetost polvalnega usmernika.

Določite odvisnost glajenja izhodne napetosti od izbranega kondenzatorja, da bo τ ≥ 10 krat čas periode vhodnega signala pri različni ohmski upornosti bremena in izračunajte faktor valovitosti.

Narišite izhodno napetost pozitivnega pripenjalnika.

Razlaga: a) Polvalni usmernik

Diodo večkrat uporabljamo kot usmerniški element, zaradi svoje preklopne prepustnosti. V vezju na sliki 3.1 je na vhod priključen generator izmenične sinusne napetosti, ki poganja tok skozi diodo in upor. V primeru pozitivne generatorjeve napetosti dioda prevaja, na njej je majhen padec napetosti, večji del pa je na uporu R, ki omejuje tok skozi tokokrog, ki je po absolutni vrednosti največji, ko doseže generatorjeva napetost vrednost Ug.

RUU

I dg−

= (3.1)

V primeru negativne periode napajalne napetosti dioda ne prevaja. Skozi tokokrog teče zelo majhen zaporni tok Is, ki povzroča zanemarljiv padec napetosti na uporu R. Na izhodu dobimo enosmerno napetost iz izmenične vhodne. V našem primeru je enosmerna napetost pozitivna polvalna napetost. b) Glajeni polvalni usmernik Usmernike gradimo zato, da bi iz izmenične napetosti dobili enosmerno. V večini primerov je zaželena časovno konstantna napetost. Pri vaji a) ugotovimo, da dobimo na izhodu enostavnega polvalnega usmernika sicer enosmerno napetost (ves čas pozitivno), ki pa še zdaleč ni konstantna. Bremensko napetost lahko razstavimo na enosmerno in izmenično komponento.

Slika 3.1: Polvalni usmernik.


5

Izmenična komponenta je nezaželena, odpravljamo, oziroma zmanjšujemo jo z gladilnimi filtri iz tuljav in kondenzatorjev. V našem primeru bomo uporabili najenostavnejši primer glajenja s kondenzatorjem, tako da ga vežemo vzporedno k bremenu. Izmenična napetost povzroča valovitost usmerjene napetosti. Prisotnost izmenične komponente, oziroma komponent, številčno podamo z valovitostjo (ripple):

napetosti usmerjene vrednost povp.

napetosti usmerjene kompnente izmeničzm vrednost efektivna=r (3.2)

Pogosto pa valovitost podamo s faktorjem valovitosti, ki je definiran:

napetosti usmerjeneost povp.vredn

napetosti izmeničzm sinusne čiste prve vrednost amplitudna=ρ , (3.3)

poenostavljeno pa:

)minmax

(

)min

U-max

(U

2/)minmax

(

2/)min

U-max

(U

UUUU +=

+=ρ (100%) (3.4)

Osnovna ideja je v tem, da breme del periode prejema tok iz vira preko diode, ostali del časa pa daje tok bremenu kondenzator s praznjenjem. Če naj usmernik z gladilnim kondenzatorjem deluje, mora vir v času, ko se kondenzator ne prazni, nadomestiti izgubljeno elektrino, ki je odtekla v breme. Valovitost bo tem manjša, čim večjo bo imel kondenzator časovno konstanto praznjenja-τ. Kapacitivnost naj bo torej velika, pa tudi bremenska upornost naj bo velika, saj je τ=RC. Časovna konstanta praznjenja, naj bo mnogo daljša od periode. Običajna zahteva je, da je 10x daljša od periode izmeničnega signala

Slika 3.2: Polvalni usmernik z glajenjem. Slika 3.3: Pozitivni napetostni pripenjalnik. c) Pozitivni napetostni pripenjalnik Naj bo kondenzator v začetku prazen. Vezje na sliki 3.3, začnemo opazovati v negativni periodi. Zaradi pozitivne napetosti na anodi diode, teče tok preko nje in polni kondenzator. Kondenzator se nabije na napetost, ki je enaka amplitudi generatorjeve napetosti Ug, zmanjšani za padec napetosti na diodi. Kondenzator C je nabit, smer napetosti je nasprotna generatorjevi napetosti. Napetost generatorja se obrne in nastopi pozitivna perioda. Napetosti na generatorju in kondenzatorju sta sedaj obrnjeni v isto smer in se seštevata, dioda je zaporno polarizirana in skozi njo ne teče tok. Izmenični napetosti na generatorju se prišteje enosmerna napetost na kondenzatorju. Napišimo Kirchoffov zakon za zanko: 0=−+ dcg UUU (3.5) Iz česar sledi, da je napetost na diodi, oziroma izhodu, enaka vhodni napetosti generatorja pripeti na enosmerni signal amplitude skoraj Ug. Potek dela: a) Pri sinusni vhodni napetosti, izbrane amplitude in frekvence 1 kHz, zvežite vezje na sliki 3.1, in s pomočjo osciloskopa

določite obliko izhodne napetosti. b) Za sinusno vhodno napetost izbrane amplitude in frekvence 1 kHz izračunajte tak R, da teče maksimalni tok 10 mA.

Določite ustrezni kondenzator tako, da bo časovna konstanta vsaj 10 krat večja od časa periode vhodne napetosti. Narišite izhodni signal. Izračunajte faktor valovitosti in preverite ali je manjši od 10% še za bremenske upornosti približno 0,25R, 0,5R 0,75R, 2R, 4R.

c) Vhodna napetost je sinusne oblike, izbrane amplitude in frekvence 1 kHz. Uporabite izračunani kondenzator in določite

izhodno napetost.


6

Dodatek: Sestavite vezje za negativni pripenjalnik. Na vhod pripeljite napetost sinusne oblike, izbrane amplitude in frekvence 1 kHz. Narišite izhodno napetost negativnega pripenjalnika.

4. Uporaba Zenerjeve diode

Naloga:

Izmerite karakteristiko Zenerjeve diode v zaporni smeri in določite njeno dinamično upornost.

Za referenčni vir z Zenerjevo diodo izračunajte faktor stabilnosti in določite interval upornosti bremena za katerega se referenčna napetost spremeni za manj kot 0,1 V.

Sestavite omejilnik napetosti in izmerite njegovo prenosno funkcijo.

Razlaga: Zenerjeva dioda se v prevodni smeri obnaša podobno kot navadna dioda, v zaporni smeri prevaja, če je napetost večja od Zenerjeve napetosti UZ (le-ta je od nekaj voltov do 200 V). Pomembna je tudi dinamična upornost v prebojnem delu rZ, ki naj bi bila čim manjša. Eden od značilnih primerov uporabe Zenerjeve diode je napetostni referenčni vir. Pomembno je, da je stabilnost izhodne napetosti UZ/∆UZ precej večja od stabilnosti vhodne napetosti U1/∆U1. Definiramo faktor stabilnosti:

S U UU UU U

z

zz1

1

1

=∆

∆

(4.1)

Upoštevaje Zenerjevo napetost in dinamično upornost Zenerjeve diode izpeljemo, da je približek za faktor stabilnosti referenčnega vira z Zenerjevo diodo:

S Rr

UUU U z

zz1

1

= (4.2) En. 0.2

Če na izhod referenčnega vira napetosti priključimo breme RB, se izhodna napetost spremeni. Privzemimo, da je ta sprememba majhna. V tem primeru se tudi napetost na uporu R malo spremeni zato tudi tok skozi R ostane praktično nespremenjen. Ker skozi breme teče tok U2/RB se za toliko zmanjša tok skozi Zenerjevo diodo. Od tod dobimo, da je stabilnost Zenerjeve napetosti:

∆∆

U r UR

UU

Rrz z

z

B

z

z

B

z

= ⇒ = (4.3)

Podobno je sestavljen napetostni omejilnik z Zenerjevo diodo. Če se vhodna napetost spreminja, recimo med -U1min do +U1max, izhodna napetost ne bo manjša od -U2min ali večja od +U2max, medtem ko je pri vhodni napetosti znotraj intervala [-U2min, +U2max] izhodna napetost enaka vhodni. Zgornja in spodnja meja omejilnika je odvisna od obeh Zenerjevih napetosti in kolenskih napetostih v prevodni smeri:

( )U U U

U U U

z D

z D

2

2

1 2

2 1

max

min

= +

= − + (4.4)

Potek dela: Izbrana Zenerjeva dioda naj ima Zenerjevo napetost kvečjemu 4 V (UZ≤4 V). Najprej izmerite karakteristiko Zenerjeve diode v zaporni smeri. Spreminjajte napetost U in merite električni tok. Posebno natančno začnite meriti v tistem delu, kjer dioda začne prevajati. Merite do električnega toka 12 mA (Imax).

Slika 4.1: Referenčni vir z Zenerj

diodo.

Slika 4.2: Omejilnik napetosti.


7

Narišite graf karakteristike in iz njega določite Zenerjevo napetost pri toku 5mA ter dinamično upornost pri tokovih 3 mA, 5 mA, 7 mA, 9 mA in 11 mA. Iz tabele meritev ocenite dinamično upornost pri toku 9 mA. Sestavite referenčni napetostni vir z isto diodo. Napetost U1 naj bo okoli trikrat večja od Uz. Izračunajte upor R, pri katerem naj bi bil tok skozi diodo 9 mA. Za natančno nastavitev izračunane upornosti uporabite potenciometer, ki ga vežete kot nastavljiv upor. Določite faktor stabilnosti z meritvami tako, da spremenite vhodno napetost od U1-0,5V do U1+0,5V. Pri tem merite spremembo Uz in po enačbi 4.1 izračunajte faktor stabilnosti.

max

max

IUUR Z−= (4.5)

Rezultat primerjajte s tistim, ki ga izračunate iz dinamične upornosti (enačba 4.2). Izmerite, kolikšna sme biti upornost bremena na izhodu referenčnega vira, da je stabilnost večja od 20. Primerjajte meritev z izračunom (enačba 4.3)! Sestavite omejilnik napetosti in izračunajte zgornjo U2max in spodnjo U2min napetostno mejo (enačba 4.4.). Spreminjajte vhodno napetost od U1min do U1max in merite izhodno napetost U2. U1min naj bo 2U2min in U1max 2U2max. Narišite graf U2(U1) in vanj vrišite izračunano zgornjo in spodnjo napetostno mejo.

Dodatek: Naj bo vhodna napetost izmenična. Z enim kanalom osciloskopa merite vhodno napetost in z drugim izhodno. Povečujte amplitudo in iz časovnega poteka izhodne napetosti določite zgornjo in spodnjo napetostno mejo.

5. Astabilni multivibrator Naloga: 1) Sestavite vezje prikazano na sliki 5.1 na testni ploščiči. Integrirano vezje (IC) namestite na podnožje, ki ga prispajkate na testno ploščico. Na mesto elementov R1, R2 in C uporabite samo sponke kamor boste kasneje pritjrjevali različne uprore in kondenzatorje. Za zaščitno diodo uporabite poljubno navadno diodo. Za pravilno delovanje elementov upoštevajte navodila na sliki 5.2. 2) Ugotovite delovanje vezja. Napajalna napetost Uc naj bo enosmerne napetosti, amplitude 5V. Začnite z izbiro elementov C≈1µF, R1=1kΩ.

(a) Ugotovite takšen upor R2, da bo svetleča dioda na izhodu utripala (utripanje naj bo vidno s prostim očesom). (b) Spremenite upora R1 in R2 tako da dosežete utripanje svetleče diode, ki ni vidno s prostim očesom (za

opazovanje izhodnega signala uporabite osciloskop). Skicirajte časovni potek izhodnega signala. Na kaj vplivata vrednosti uporov R1 in R2?

(c) Kaj se zgodi če spremenite kondenzator? Uporabite približno 10 x večjiga in 10 x manjšega. (d) Na mesto upora R2 vežite fotoupor in izberite tak R1, da ko spreminjajte osvetljenost R2: (d1) je vidno

utripanje svetleče diode s prostim očesom in (d2) utripanje ni vidno s prostim očesom. Kaj se zgodi z izhodnim signalom?

Pri vseh zgornjih primerov se držite omejitev: R2 > R1, 1kΩ ≥ R1+2R2 ≥ 6,7MΩ, 1nF ≥ C ≥ 100µF.

Slika 4.3: Merjenje karakterisZenerjeve diode.


8

Slika 5.1: (Levo) vezje astabilnega multivibratorja in (desno) razpored elementov na testni ploščici (pogled od zgoraj in pogled od spodaj..

Slika 5.2: (Levo) polarizacija diode, (na sredini) svetleče diode in (desno) orientacija integriranega vezja, pogled od zgoraj.

6. Uporaba bipolarnih tranzistorjev v preprostih vezjih

Naloga:

Izmerite odvisnost izhodne napetosti referenčnega vira z Zener diodo pri spremenljivi upornosti bremena.

Izmerite odvisnost izhodne napetosti referenčnega vira z Zener diodo in emitorskega sledilnika pri spremenljivi upornosti bremena.

Izmerite karakteristiko Uiz(Uvh) za emitorski sledilnik v B klasi in določite ojačenje v linearnem delu karakteristike.

Posnemite izhodni signal, če pritisnete na vhod izmenično sinusno napetost 2V in frekvence 1 kHz.

Razlaga: a) Referenčni vir z Zener diodo in bipolarnim tranzistorjem: Referenčni vir na sliki 6.1 je odvisen od velikosti bremenske upornosti. Manjša ko je bremenska upornost, večji tok steče čez njo in manjši je tok skozi Zenerjevo diodo. Posledica je, da se izhodna napetost zmanjša, če se upornost bremena zmanjša. To slabost lahko v veliki meri odpravimo z uporabo bipolarnega tranzistorja, ki ga vežemo kot je prikazano na sliki 6.2. Izhodna napetost je manjša od napetosti na Zenerjevi diodi za napetost na pn spoju med bazo in emitorjem (okoli 0,7 V).


9

U U UZD BE RB= + (6.1)

b) Emitorski sledilnik s komplementarnima tranzistorjema v Klasi B: Vezje sestavljata dva tranzistorja, ki naj bi bila komplementarna, to je s čim bolj enakimi parametri. T1 je tip PNP, T2 pa NPN. Pri pozitivnih vhodnih napetostih prevaja T2, pri negativnih pa T1. Problem je krmiljenje signalov, ki so manjši od kolenske napetosti med bazo in emitorjem. V tem področju sta oba tranzistorja zaprta in izhodna prenosna funkcija je nelinearna.

R

+U

ZD

R

U IZB

C

Slika 1.0: Referenčni vir z Zener diodo in bipolarnim tranzistorjem

T

R

+U

ZD

R

U IZB

C

Slika2.0: Referenčni vir z Zener diodo in bipolarnim tranzistorjem

Potek dela: a) Sestavimo vezje po sliki 6.1, UC naj bo trikrat večja od UZD, Zener dioda naj se nahaja v delovni točki 9 mA. Iz teh dveh

podatkov izračunajte upornost R. Spreminjajte bremensko upornost RB, od ∞ Ω do 80 Ω, in merite napetost na bremenu. Iz točk narišite krivuljo Uiz(RB).

b) Vezju na sliki 6.1 dodajte še bipolarni tranzistor, da dobite vezje na sliki 6.2. Spreminjajte bremensko upornost, od ∞ Ω do

80 Ω, ter merite napetost na bremenu (Uiz). Iz točk narišite krivuljo Uiz(RB). c) Sestavite vezje emitorskega sledilnika v klasi B (slika 6.3). Za spremenljivi upor (potenciometer) P, vzemite uporovno

dekado, R naj bo okoli 10 kΩ, UCC=12 V in UEE=-12 V. Spreminjajte vhodno napetost od 0 V do 5 V (10 točk), ter od 0 V do –5 V (10 točk) in pri tem odčitavajte izhodno napetost. Narišite Uiz(Uvh). Določite napetostno ojačenje v linearnem delu karakteristike. Spremembo vhodne napetosti dosežete z napetostnim delilnikom kot je narisano, za pozitivno napetost uporabite izvor UCC, za negativno pa UEE.

d) Na vhod vezja na sliki 6.4, pripeljite izmenični signal sinusne oblike, velikosti 2 V ter frekvence 1 kHz. Posnemite velikost

in obliko izhodnega signala. Dodatek:

Za emitorski sledilnik v klasi B, določite vhodno, izhodno upornost in tokovno ojačenje.

Slika 6.1: Referenčni vir z Zener diod. Slika 6.2: Referenčni vir z Zener diodo in bipolarnim tranzistorjem.

Slika 6.3: Emitorski sledilnik v klasi B z napetostnim

delinikom na vhodu.

Slika 6.4: Emitorski sledilnik v klasi B.


10

B

A

A T0

T0

T2

T1

UTČ

7. Uporaba bipolarnih tranzistorjev v preprostih vezjih II

Naloga:

Sestavite vezje s katerim boste dosegli zvezno krmiljenje hitrosti vrtenja enosmernega motorja in določili smer vrtenja motorja.

Sestavite vezje s katerim boste diskretno krmilili enosmerni elektromotor - le sprememba smeri vrtenja motorja.

8. Invertirajoči ojačevalni sistem z operacijskim ojačevalnikom

Naloga:

Umerite invertirajoči ojačevalni sistem.

Razlaga: Invertirajoči ojačevalni sistem z operacijskim ojačevalnikom je napetostni ojačevalnik. Prenosno funkcijo med izhodno in vhodno napetostjo podaja:

11

22 UR

RU −= (8.1)

kjer sta R1 in R2 upora v vezju (glejte skico). V realnih razmerah moramo upoštevati tudi preostalo napetost operacijskega ojačevalnika Uoff. V tem primeru zvezo med izhodno in vhodno napetostjo podaja:

OffURRU

RRU

++−=

1

21

1

22 1 (8.2)

Potek dela:

Splošna navodila za delo z operacijskim ojačevalnikom. Različni proizvajalci izdelujejo več vrst operacijskih ojačevalnikov, saj so zahtevane tehnične lastnosti različne. Imajo različne oznake in so vgrajeni v različna ohišja. Najpogosteje so v DIL ohišjih (dual in line - pravokotna oblika) z različnim številom priključkov (6, 8, 14). Nekatere ojačevalnike vgrajujejo v okrogla kovinska ohišja. Razporeditev priključkov proizvajalec poda v katalogu. Večina operacijskih ojačevalnikov ima bipolarno napajanje, navadno do največ ±18 V. V električnih shemah napajanja običajno ne rišemo.

R2

R1

U1 U2

Slika 7.1: Levo, bipolarno napajanje operacijskega ojačevalnika, v sredini, termočlen in desno invertirajoči ojačevalnik.


11

a) Zvežite vezje za invertirajoči ojačevalnik. Ne pozabite na napajanje operacijskega ojačevalnika, ki naj bo okoli ±12 V (na shemi ni narisano!). Izberite upora R1 in R2 tako, da bo ojačene med 10 in 50, vendar naj bosta vrednosti obeh uporov znotraj mej: 100 Ω ≤ Ri ≤ 100 kΩ. Povečujte vhodno napetost od 0 V do take vrednosti, da bo izhodna napetost zagotovo v nasičenju. Primerno majhno vhodno napetost dobite z nastavljivim delilnikom napetosti. Sestavite tabelo: U1 U2 , ki naj ima vsaj deset meritev med 0 V in nasičenjem. Vhodna napetost mora biti sorazmerno majhna, zato jo najlaže dobimo tako, da z uporovno dekado med +12 V in GND sestavimo uporovni delilnik. Ponovite meritve pri negativnih vhodnih napetostih (dekada je med -12 V in GND). Narišite graf U2 (U1) in iz strmine premice določite ojačenje. Primerjajte ga z računsko napovedjo. b) Določite preostalo napetost Uoff operacijskega ojačevalnika, ki je:

A

UU offoff ′+

=1

2 (8.3)

U2off je napetost na izhodu takrat ko je vhodna napetost U1 = 0 V, A' pa ojačenje invertirajočega sistema. c) Izberite (znotraj mej) upora R1 in R2 tako, da bo ojačenje invertirajočega sistema okoli 200. Na vhod invertirajočega ojačevalnika vežite termočlen (U1=UTČ). Če žici iz različni kovin zvežemo v električni krog in imata stika teh kovin različni temperaturi (T1 in T2 na sliki 6.1 v sredini), se v krogu pojavi termoelektrična napetost (Seebeckov pojav). Napetost je odvisna od razlike med temperaturama obeh stikov in od snovi, iz katerih sta žici. Kadar merimo na majhnem temperaturnem območju, lahko privzamemo kar linearno zvezo med napetostjo in razliko temperatur:

TkU ∆= , (8.4)

kjer je k koeficient termoelektrične napetosti in je odvisen od kombinacije snovi. En spoj, Cu – konstantan (zlitina Cu57Ni43) termočlena potopite v vodo s temperaturo T1, drugi spoj pa v vodo s temperaturo T2, ki naj bo enaka temperaturi ledišča (T2=0°C). Spoja T0 skušajte držati na enaki temperaturi. Izmerite izhodno napetost ojačevalnega sistema U2 pri treh različnih temperaturah vode T1, pri vsaki meritvi zamenjate spoja termočlena med seboj in ravno tako izmerite U2.(vodo dobro premešajte in šele nato izmerite hkrati T1 in U2). Narišite graf U2 (∆T). Dogovorimo se, da je ∆T = Tspoja term. priključenega na invertirajoči vhod - Tspoja ter. priključenega na maso. Tekom merjenja vrisujte dobljene meritve v spodnjo mrežo, slika 8.2 in ponovite slabo meritev. Iz naklona premice grafa U2(∆T) določite koeficient termoelektrične napetosti. Oba spoja termočlena potopite v eno čašo in izmerite U2off ter ponovno določite preostalo napetost operacijskega ojačevalnika.

Slika 8.2: Mreža za vris tekočih meritev U2(∆T).

Dodatek: Izmerite vhodno upornost ojačevalnega sistema!


12

9. Simulacija elektronskih vezij

Naloga: Simulirajte delovanje vezja referenčnega vira z Zenerjevo diodo. Simulirajte delovanje invertirajočega ojačevalnega sistema z operacijskim ojačevalnikom. Simulirajte delovanje vezja PI člena z operacijskim ojačevalnikom

Razlaga: Multisim 2001 (SPICE, TANGO, SIMCOS...) je program za načrtovanje elektronskih vezij, slika 9.1. Načrtujemo in simuliramo lahko analogna in/ali digitalna elektronska vezja. Vsebuje grafični vmesnik za enostavnejše shematično načrtovanje, obširno bazo komponent, simulacijo analognih in/ali digitalnih elektronskih vezij, visokofrekvenčne komponente, možnosti naknadnega obdelovanja ter izvoza datatek za gradnjo tiskanih vezij.

Potek dela: a) Sestavite referenčni vir z Zenerjevo diodo, slika 5.1. Vezje bomo ponovno preskusili tokrat s simulacijo z uporabo programskega orodja Multisim. Načrtovanje začnemo z odprtnjem novega okna za načrtovanje vezij (meni-new) in postavlanjem potrebnih komponent. Le te najdemo v komponentni orodjarni (component toolbar, če je nimamo jo prikličemo s klikom na gumb component toolbar v vrstici za načrtovanje). Za Zener diodo izberite komponento O2DZ4.7 (UZ=4,7V), komponentna orodjarna-diodes-Zener. Upor R izračunajte, tako da bo pri napajalni napetosti 12V in neobremenjenem referenčnem viru tekel tok 10mA. Izberite dejanski (Real in ne Virtual) upor. Napajanje realizirate z uporabo enosmernega napajanja, najdete ga v komponentni orodjarni (DC voltage source). Napajalno napetost nastavite, tako da izvedete dvoklik na komponenti, odpre se vam pogovorno okno v katerem lahko spremenite amplitudo napajanja. Izhodno napetost opazujte z univerzalnim instrumentom (instrumentna orodjarna), ki ga nastavite na V-meter. Referenčni vir obremenite z bremenom – le ta naj bo potenciometer 1kΩ, komponentna orodjarna-basic-potentiometer-potentiometer_1k_lin (ne virtual). Če izvedete dvoklik na komponento lahko določite velikost spremembe (10%) (increment/decrement) in tipke s katerimi jo dosežete tekom simulacije. Ko ste vnesli v okno za načrtovanje vezij vse komponenete, priključke le teh ustrezno zvežite (z miško kliknite na začetek in konec željene povezave). Izvedite simulacijo pri spreminjanju vrednosti potenciometra od 100% do 10% in narišite graf Uiz(Rb). Primerjajte rezultate s tistimi, ki ste jih dobili v vaji 5.

Slika 9.1: Programsko orodje Multisim.

menijska vrstica

sistemska orodjarna

komponentna orodjarna

okno za načrtovanje

vezij

statusna vrstica

instrumentna orodjarna

simulacijsko stikalo

vrstica za načrtovanje


13

b) S simulacijo ugotovite izhodno napetost U2, če je vhodna napetost U1=+1V, ojačanje invertirajočega ojačevalnega sistema je enako 5, Uc=10V, ±U=±10V. Za operacijski ojačevalnik izberite komponento navidezni operacijski ojačevalnik z napajanjem +/-, komponentna orodjarna-analog-OPAMP5_virtual.

b1) R1=1kΩ, R2=5kΩ za primere: a) Ra=28,8kΩ, Rb=3,2kΩ, b) Ra=10kΩ, Rb=1,111kΩ, c) Ra=2,7 kΩ, Rb=300Ω in d) Ra=40kΩ, Rb=10kΩ. b2) R1=5kΩ, R2=25kΩ za primere: e) Ra=28,8kΩ, Rb=3,2kΩ, f) Ra=10kΩ, Rb=1,111kΩ, g) Ra=2,7 kΩ, Rb=300Ω in h) Ra=40kΩ, Rb=10kΩ.

Slika 9.1: Invertirajoči ojačevalni sistem z operacijskim ojačevalnikom.

c) Simulirajte še PI člen z operacijskim ojačevalnikom. Za operacijski ojačevalnik izberite komponento navidezni operacijski ojačevalnik z napajanjem +/-, komponentna orodjarna-analog-OPAMP5_virtual. Elemente uporabite tako, da bo mejna frekvenca f0 = 1000 Hz (R1= 1700Ω, R2= 3400 Ω, C=47 nF). Bipolarno napajanje realizirajte z uporabo dveh enosmernih virov. Za vhodno napetost uporabite izmenični sinusni vir (AC voltage source). Frekvenco vhodne napetosti spreminjate z dvoklikom na komponento in spremembo ustreznega parametra (f). Vhod in izhod opazujte z uporabo osciloskopa, setavite tabelo: f, U1, U2, tx. Frekvenčno karakteristiko lahko dobite tudi z uporabo instrumenta Bode plotter. Meritev izvozite v Excel in jo narišite. Primerjajte rezultate s tistimi dobljenimi pri vaji 8.

10. Vrata NEIN in NEALI (protoboard) Naloga:

Sestavite vezje za vrata NEALI z dvema vhodoma iz samih vrat NEIN z dvema vhodoma.

Sestavite vrata NEIN z dvema vhodoma iz samih vrat NEALI z dvema vhodoma.

Potek dela: Pri izpeljavi Boolove funkcije uporabite De Morganova izreka, ki ga s preverjanjem vezja posredno tudi dokažete. S prvim preverite veljavnost prvega, z drugim vezjem pa veljavnost drugega De Morganovega izreka. Za stanja na vhodu uporabite dajalnik logičnih stanj, stanja na izhodu pa opazujte s prikazovalnikom logičnih stanj. Če svetleča dioda gori pomeni, da je izhod zavzel logično enico, sicer pa logično 0. Pri vezavi ne pozabite na napajanje. Dodatek: Sestavite vrata NE samo iz vrat a) NEIN, b) NEALI.


14

11. BISTABILNO VEZJE Naloga:

Nekdo je prekinil svetlobni žarek. Sestavite vezje, ki si zapomni prekinitev, stanje pomnenja pokažite s svetlečo diodo. Pomnilno celico realizirajte z vrati.

Dodatek: Stanje pomnenja, ko je logična enica, ponazorite z utripajočo svetlečo diodo s frekvenco 1Hz.

12. Mikrokrmilnik 1 Naloga:

Napišite in preskusite program - glasovalno napravo za delničarsko družbo, ki jo sestavljajo štirje delničarji, od katerih ima delničar A 35% delež, delničar B 30% delež, delničar C 21% delež in delničar D 14 % delež in prav toliko glasov. Naprava ima na izhodu rumeni signal tedaj, ko je predlog dobil dvotretjinsko večino. Zeleni signal pa je, ko za predlog glasuje več kot polovica glasov (nad 50%).

Za vsako kombinacijo vhodov preverite stanje na izhodu, in rezultate zapišite v tabelo.

Vhodi % glasov Izhodi (teoret.) Izhodi (izmerjeni) A B C D V VR VZ VR_iz VZ_iz

Dodatek: Problem za glasovalno napravo rešite z uporabo Boolove algebre in narišite vezje z dvovhodnimi vrati za obe zahtevani Boolovi funkciji (VR in VZ).

13. Mikrokrmilnik 2 Naloga:

Garažna hiša. Sestavite program za mikrokrmilnik, ki bo krmilil garažno hišo. Ko voznik zapelje v garažno hišo pritisne na gumb, dobi garažni listič in zapornica se dvigne. Ko zapelje čez zapornico, se ta zapre nazaj, na številskem indikatorju zasedenosti garažne hiše pa se poveča število za eno. Pri izhodu iz garažne hiše, voznik najprej poravna znesek parkirnine, pripelje do zapornice, ta avtomatsko dvigne in spusti, ko je vozilo mimo. Zasedenost garažne hiše se zmanjša za eno. Za gumb uporabite tipko, senzor zapornic je svetlobni. Število se izpisuje na sedem segmentnem prikazovalniku.

Potek dela: Dodatek: Izpisuje naj se število prostih mest, in ne koliko je vozil v hiši. Če ni več prostih mest, ni možno priti v garažno hišo.

ELEKTRONIKA I zbirka vaj - Shrani.siJanez Jamšek, ELEKTRONIKA I - zbirka vaj. Študijsko gradivo za...

Documents

Transcript of ELEKTRONIKA I zbirka vaj - Shrani.siJanez Jamšek, ELEKTRONIKA I - zbirka vaj. Študijsko gradivo za...