technik_ teleinformatyk_312.[02].O2.01_u

Transkrypt

MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ
Ryszard Zankowski
Badanie
elektronicznych
312[02].O2.01
układów
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007
„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
analogowych
Recenzenci:
mgr inŜ. Krzysztof Słomczyński
mgr inŜ. Zbigniew Miszczak
Opracowanie redakcyjne:
mgr inŜ. Ryszard Zankowski
Konsultacja:
mgr Małgorzata Sienna
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 312[02].O2.01
„Badanie elektronicznych układów analogowych”, zawartego w programie nauczania dla
zawodu technik teleinformatyk.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007
1
SPIS TREŚCI
1.
2.
3.
4.
Wprowadzenie
Wymagania wstępne
Cele kształcenia
Materiał nauczania
4.1. Bierne elementy elektroniczne
4.1.1. Materiał nauczania
4.1.2. Pytania sprawdzające
4.1.3. Ćwiczenia
4.1.4. Sprawdzian postępów
4.2. Aktywne elementy elektroniczne
4.2.3. Ćwiczenia
4.3. Elektroniczne układy zasilające
4.3.3. Ćwiczenia
4.4. Elektroniczne układy wzmacniające i generacyjne
4.4.3. Ćwiczenia
4.5. MontaŜ i naprawa elektronicznych układów analogowych
4.5.3. Ćwiczenia
5. Sprawdzian osiągnięć
6. Literatura
2
3
5
6
7
7
7
14
15
17
18
18
31
31
34
36
36
46
47
50
51
51
68
69
72
73
73
79
79
81
82
88
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych układach
elektroniki analogowej i kształtowaniu umiejętności eksploatacji i uruchamiania
elektronicznych układów analogowych oraz pomiaru parametrów i oceny stanu technicznego
tych układów. W poradniku znajdziesz:
– wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane,
abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,
– cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,
– materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki
modułowej,
– zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści,
– ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować
umiejętności praktyczne,
– sprawdzian postępów,
– sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi
opanowanie materiału całej jednostki modułowej,
– literaturę uzupełniającą.
3
312[02].O2
Podstawy elektroniki
analogowej i cyfrowej
312[02].O2.02
Badanie elektronicznych
układów cyfrowych
312[02].O2.01
Badanie elektronicznych
układów analogowych
Schemat układu jednostek modułowych
4
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
rozróŜniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
przeliczać jednostki wielkości elektrycznych w układzie SI,
czytać schematy obwodów elektrycznych,
stosować podstawowe prawa elektrotechniki do analizy obwodów elektrycznych,
obliczać wartości wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego i zmiennego,
charakteryzować wymagania dotyczące bezpieczeństwa pracy przy urządzeniach
elektrycznych,
wykonywać połączenia elementów elektrycznych,
posługiwać się podstawowymi miernikami wielkości elektrycznych i oscyloskopem,
mierzyć wielkości elektryczne oraz interpretować otrzymane wyniki,
lokalizować usterki w prostych obwodach elektrycznych,
czytać dokumentację techniczną urządzeń elektrycznych,
korzystać z róŜnych źródeł informacji,
obsługiwać komputer,
współpracować w grupie.
5
3. CELE KSZTAŁCENIA
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
sklasyfikować analogowe elementy i układy elektroniczne według róŜnych kryteriów,
rozpoznać analogowe elementy i układy elektroniczne na podstawie symboli graficznych,
oznaczeń, wyglądu, charakterystyk,
zidentyfikować wyprowadzenia analogowych elementów i układów elektronicznych,
określić zastosowania analogowych elementów i układów elektronicznych,
zinterpretować podstawowe charakterystyki analogowych elementów i układów
elektronicznych,
odczytać schematy ideowe podstawowych układów elektronicznych (prostowników,
stabilizatorów napięcia, wzmacniaczy, generatorów),
określić rolę poszczególnych elementów w układach elektronicznych,
scharakteryzować podstawowe parametry analogowych elementów i układów
elektronicznych,
wyjaśnić zasadę działania podstawowych analogowych elementów i układów
elektronicznych
obliczyć podstawowe wielkości elektryczne i wybrane parametry występujące
w analogowych układach elektronicznych,
dobrać metody oraz przyrządy pomiarowe,
zmierzyć podstawowe parametry analogowych elementów i układów elektronicznych,
zaobserwować na oscyloskopie przebiegi sygnałów wejściowych i wyjściowych układów
elektronicznych oraz je zinterpretować,
sprawdzić poprawność działania analogowych elementów i układów elektronicznych,
zlokalizować uszkodzenia elementów i podzespołów układów elektronicznych na
podstawie pomiarów dokonanych w wybranych punktach,
dobrać analogowe elementy i układy elektroniczne do zadanych warunków,
scharakteryzować
technologie
montaŜu
płytek
drukowanych:
jedno
i wielowarstwowych,
skompletować zestaw narzędzi i materiałów do montaŜu określonego układu
elektronicznego,
zmontować prosty analogowy układ elektroniczny na płytce drukowanej zgodnie ze
schematem montaŜowym,
uruchomić prosty analogowy układ elektroniczny,
skorzystać z katalogów i innych źródeł informacji o analogowych elementach i układach
elektronicznych,
zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwpoŜarowej,
zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii oraz ochrony
środowiska,
posłuŜyć się sprzętem ratunkowym i ratowniczym w sytuacjach zagroŜenia zdrowia
i Ŝycia.
6
4. MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Bierne elementy elektroniczne
Oporniki
Oporniki moŜemy podzielić w zaleŜności od:
− cech funkcjonalnych na: rezystory, potencjometry, termistory i warystory,
− charakterystyki prądowo – napięciowej, na: liniowe i nieliniowe,
− stosowanego materiału oporowego, na: drutowe, warstwowe i objętościowe.
Oporniki liniowe w normalnych warunkach pracy charakteryzują się proporcjonalną
zaleŜnością napięcia od prądu.
Oporniki drutowe (symbol: RDL) są wykonane z drutu stopowego nawiniętego na
ceramiczny wałek. Produkuje się je do zastosowań precyzyjnych, gdzie wymagana jest
wysoka jakość i stabilność oraz do zastosowań o duŜej mocy, dla których potrzebny jest
gruby i wytrzymały drut.
W opornikach warstwowych (symbol: MŁT, AF, ML, RMG, AT, OWZ), materiał
rezystywny jest umieszczany na podłoŜu w postaci węgla lub metalu. Oporniki węglowe
OWZ stosuje się w układach w.cz. (do 1GHz) o niewielkiej mocy (do 1W).
Do budowy oporników objętościowych, w których prąd płynie całą objętością opornika,
stosuje się organiczne lub nieorganiczne materiały oporowe. Są one głównie stosowane
w sprzęcie profesjonalnym, gdzie wytrzymują duŜe obciąŜenia prądowe i mocy.
Parametry uŜytkowe oporników stałych
Do podstawowych parametrów oporników naleŜą:
− rezystancja znamionowa Rn, czyli wartość rezystancji podawana na obudowie,
− tolerancja wyraŜona w %, czyli dokładność z jaką wykonywane są oporniki o danej
wartości rezystancji znamionowej,
− moc znamionowa Pn, czyli największa dopuszczalna moc strat cieplnych w oporniku,
− temperaturowy współczynnik TWR, określający w % zmiany rezystancji opornika pod
wpływem zmian temperatury opornika,
− napięcie graniczne Ugr, powyŜej którego opornik moŜe ulec uszkodzeniu.
Oporniki są produkowane w następujących grupach tolerancji: ±20%, ±10%, ±5%, ±2%,
±1%, ±0,5%. Trzy ostatnie grupy oporników charakteryzują się duŜą stałością rezystancji i są
nazywane opornikami dokładnymi. Klasom dokładności odpowiadają następujące szeregi
wartości rezystancji znamionowych: E6 (±20%), E12 (±10%), E24 (±5%), E48 (±2%), E96
(±1%), E192 (±0,5%).
Przykładowe szeregi rezystancji znamionowych:
E6 (10, 15, 22, 33, 47, 68)
E12 (10, 12, 15,18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82)
E24 (10,11,12,13,15,16,18,20,22,24,27,30,33,36,39,43,47,51,56,62,68,75,82,91)
Przykład:
JeŜeli rezystancja znamionowa opornika wynosi 220kΩ i naleŜy ona do szeregu E12, to
oznacza, Ŝe rzeczywista wartość rezystancji tego opornika mieści się w granicach ±10%
rezystancji znamionowej i znajduje się w przedziale od 198kΩ do 242kΩ.
Moc znamionowa opornika zaleŜy od jego konstrukcji, zastosowanego materiału, a takŜe
od sposobu chłodzenia opornika. Dla małych wartości moce oporników są uszeregowane
następująco: 0,125 W; 0,25 W; 0,5 W; 1 W; 2 W i 5 W.
7
Oznaczenia wartości znamionowej rezystancji
Istnieją dwa sposoby oznaczania wartości znamionowej oporników: kod barwny i kod
literowo – cyfrowy. Stosując kod barwny, wartość znamionową oznacza się za pomocą
barwnych pasków, kropek, lub ich kombinacji (rys 1). Pierwszy pasek (kropka), umieszczony
bliŜej czoła opornika, określa pierwszą cyfrę, drugi pasek (kropka) – drugą cyfrę, trzeci pasek
(kropka) – współczynnik krotności (mnoŜnik). Natomiast ostatni pasek oznacza tolerancję
i jest zwykle podwójnej szerokości. Kod barwny oporników przedstawiono w tabeli 1.
Rys. 1. Kod paskowy oporników [www.cyfronika.com.pl]
Tabela 1. Kod barwny oporników [4, s. 14]
Kolor znaku
Srebrny
Złoty
Czarny
Brązowy
Czerwony
Pomarańczowy
śółty
Zielony
Niebieski
Fioletowy
Szary
Biały
Pierwszy pasek Drugi
pasek Trzeci pasek Czwarty
pierwsza cyfra druga cyfra
współczynnik pasek
krotności
tolerancja
rezystancji %
–2
–
–
10
10
–
5
–
10 – 1
0
–
–
1
1
1
1
10
2
2
2
102
3
3
3
10
–
–
4
4
104
5
5
–
5
10
6
6
–
106
7
7
–
–
8
8
–
–
9
–
–
9
JeŜeli, np.: na oporniku będą paski: Ŝółty, fioletowy, czerwony, złoty oznacza to, Ŝe ma
on wartość znamionową 4,7 kΩ i tolerancję ± 5%.
W kodzie literowo – cyfrowym wartość rezystancji określa się zwykle trzema lub
czterema znakami, np.: wartość 81 Ω – znakiem 81 lub 81R, wartość 8100 Ω – znakiem 8100
lub 8k1,
wartość 7 200 000 Ω – znakiem 7M2.
Oporniki zmienne – potencjometry
W układach elektronicznych oprócz oporników stałych, stosuje się oporniki zmienne
zwane potencjometrami, w których wartość rezystancji zaleŜy od połoŜenia pokrętła
(ruchomego ślizgacza).
W zaleŜności od zastosowania, potencjometry dzieli się na:
− regulacyjne, słuŜące do regulacji parametrów urządzenia w czasie jego pracy,
− dostrojcze (zwane montaŜowymi lub nastawczymi), słuŜące do ustalania warunków pracy
układu w czasie jego uruchamiania, strojenia lub naprawy.
MoŜliwe symbole graficzne potencjometrów przedstawiono na rysunku 2.
8
a)
Rys. 2.
−
−
b)
Symbole graficzne potencjometrów: a) regulacyjnych, b) dostrojczych [4, s.12]
Ze względu na sposób regulowania potencjometry dzieli się na:
obrotowe: regulowane osią obrotową lub wkrętakiem,
suwakowe: regulowane przesuwem suwaka w linii prostej.
Wygląd zewnętrzny obu rodzajów potencjometrów przedstawiono na rysunku 3.
a)
b)
Rys. 3. Potencjometry: a) suwakowe, b) obrotowe [www.matmic,neostrada.pl]
Pomiary rezystancji i dobieranie parametrów oporników i potencjometrów
Podstawowym urządzeniem pomiarowym słuŜącym do pomiaru rezystancji jest
omomierz. JeŜeli rezystor jest połączony z innymi elementami obwodu, to w celu uniknięcia
zafałszowania wyniku pomiaru rezystancji naleŜy jedną z jego końcówek odłączyć przed
pomiarem, co wykluczy moŜliwość bocznikowania tego elementu przez obwód zewnętrzny.
Rezystancja moŜe być mierzona równieŜ za pomocą woltomierza i amperomierza tzw.
metodą techniczną, której dwa podstawowe układy pomiarowe przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4.
Schematy układów do pomiaru metodą techniczną: a) małych rezystancji, b) duŜych
rezystancji [1, s.12]
Oporniki nieliniowe
Oporniki te charakteryzują się nieproporcjonalną zaleŜnością napięcia od prądu.
Rezystancja w układach nieliniowych zaleŜy od czynników zewnętrznych. Najbardziej
popularnymi nieliniowymi opornikami są:
− termistory, w których zmienna rezystancja zaleŜy od temperatury,
− warystory, w których zmienna rezystancja zaleŜy od przyłoŜonego napięcia.
Obudowy termistorów i warystorów przypominają kształtem oporniki stałe, a ich
symbole graficzne pokazano na rysunku 5.
9
a)
b)
U
T
Rys. 5. Symbole graficzne: a) warystora, b) termistor [opracowanie własne]
Termistory
Termistory są stosowane w układach temperaturowej stabilizacji punktu pracy oraz
w układach regulacji i pomiaru temperatury. Występują 3 rodzaje termistorów róŜniących się
charakterem zmian rezystancji w funkcji temperatury:
− NTC o rezystancji malejącej ze wzrostem temperatury,
− PTC o rezystancji rosnącej ze wzrostem temperatury,
− CTR o rezystancji gwałtownie zmieniającej się w pewnym zakresie temperatury.
NajwaŜniejszymi parametrami termistora są:
− rezystancja znamionowa, podawana dla temperatury 25°C (mieści się w granicach od
pojedynczych Ω do kilku M Ω),
− tolerancja rezystancji znamionowe (±10% lub ±20%),
− temperaturowy współczynnik rezystancji,
− dopuszczalny zakres temperatur i dopuszczalna moc strat cieplnych (od 4,5 do 1500
mW).
Warystory
Warystory są stosowane do stabilizacji i ograniczania napięć, a ich charakterystyka
prądowo – napięciowa jest pokazana na rysunku 6.
Rys. 6.
Charakterystyka napięciowo – prądowa warystora [4, s.63]
Charakterystyka warystorów jest symetryczna i silnie nieliniowa. MoŜna ją opisać
następującym wzorem
U =C⋅Iβ
gdzie:
U – napięcie występujące na warystorze [V],
I – prąd płynący przez warystor [mA],
C – współczynnik proporcjonalności [V/(mA)β],
β – współczynnik nieliniowości i jednocześnie parametr warystora mieszczący się
10
w granicach od 0,15 do 0,25,
Kolejnymi parametrami warystora są: napięcie charakterystyczne Uch, określające spadek
napięcia na warystorze w zakresie nasycenia charakterystyki (napięcie stabilizacji) oraz moc
znamionowa warystora PN.
Kondensatory ich parametry
Kondensatory moŜna podzielić, w zaleŜności od ich przeznaczenia, na:
− stałe (o stałej pojemności),
− zmienne (o zmiennej pojemności, stosowane do przestrajania obwodów rezonansowych),
− biegunowe zwane polarnymi (przeznaczone do pracy przy jednym określonym kierunku
doprowadzonego napięcia stałego).
Ze względu na rodzaj zastosowanego dielektryka kondensatory dzielimy na:
− powietrzne (brak dielektryka),
− mikowe (symbol: KM),
− ceramiczne (symbole: KCP, KFP, KCR, KFR),
− z tworzyw sztucznych (symbole: KSE, KSF, MKSE, MKSF, MKSW, KMP, KFMP),
− elektrolityczne (symbole: KEN, KEO, 02/T, 04/U, 164D, 196D, ETO).
NajwaŜniejszymi parametrami kondensatora są:
− pojemność znamionowa – CN (wyraŜana w faradach [F], która określa zdolność
kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych; podawana na obudowie
kondensatora – ciąg wartości z szeregu E6 lub E12),
− napięcie znamionowe – UN (największe dopuszczalne napięcie stałe lub zmienne, które
moŜe być przyłoŜone do kondensatora; zwykle podawane na obudowie kondensatora),
− tangens kąta stratności – tgδ (stosunek mocy czynnej wydzielającej się na kondensatorze
do mocy biernej magazynowanej w kondensatorze, przy napięciu sinusoidalnie
zmiennym o określonej częstotliwości),
− prąd upływowy – Iu (prąd płynący przez kondensator, przy napięciu stałym),
− temperaturowy współczynnik pojemności – αC (określa względną zmianę pojemności,
zaleŜną od zmian temperatury).
Kondensatory stałe
Symbole graficzne róŜnych rodzajów kondensatorów róŜnią się między sobą co pokazuje
rysunek 7.
a)
b)
c)
+
Rys. 7.
Symbole graficzne kondensatora: a) niebiegunowego, b) biegunowego,
c) zmiennego [opracowanie własne]
Kondensatory ceramiczne mają duŜy współczynnik αC oraz mały tangens kąta stratności
dielektrycznej. Zaletą ich jest duŜa wartość pojemności znamionowej i małe wymiary. Mają
niewielkie wartości indukcyjności własnej, w związku z tym mogą być stosowane
w obwodach wielkiej częstotliwości oraz jako pojemności sprzęgające (pojemności
w obwodach rezonansowych i filtrach).
Kondensatory elektrolityczne, ze względu na uŜyty do ich budowy materiał dzielimy na:
aluminiowe i tantalowe (z elektrolitem ciekłym – mokre oraz z elektrolitem suchym –
półprzewodnikowe). Pod względem zastosowań układowych rozróŜniamy kondensatory:
11
biegunowe i niebiegunowe, stosowane w układach filtracji napięcia zasilania i jako
kondensatory sprzęgające w układach małej częstotliwości. Kondensatory elektrolityczne
mają duŜe wartości pojemności znamionowej (1 ÷ 47000 µF), a zakres napięć roboczych od
6,3 V do 450 V. Tolerancje kondensatorów elektrolitycznych mają bardzo duŜe wartości
sięgające ( – 10 ÷ +100 % dla aluminiowych, ±30 % dla tantalowych). Długotrwała praca
kondensatora przy napięciu większym niŜ napięcie znamionowe powoduje zmianę
pojemności kondensatora lub jego uszkodzenie. Wadą tych kondensatorów jest duŜy
współczynnik strat tgδ (aluminiowe – do 0,5; tantalowe – do 0,2) i duŜy prąd upływowy Iu,
którego wartość rośnie ze wzrostem temperatury oraz duŜa indukcyjność własna (zwłaszcza
kondensatorów aluminiowych). Kondensatory elektrolityczne mają oznaczoną biegunowość.
Zamiana biegunów (elektrod) podczas montaŜu kondensatora moŜe spowodować jego
zniszczenie.
Oznaczenia kondensatorów stałych
Kondensatory, tak jak i rezystory, mogą być oznaczane cyfrowo, literowo – cyfrowo lub
za pomocą kodu barwnego (głównie kondensatory miniaturowe). Systemy oznaczeń są
bardzo róŜne i zaleŜne od rodzaju kondensatora i producenta tego elementu. Pewne typy
kondensatorów mają swoje systemy oznaczeń parametrów, a do najpopularniejszych
kondensatorów naleŜą: zwijkowe (z tworzyw sztucznych), ceramiczne i elektrolityczne.
Oznaczenia kondensatorów zwijkowych i ceramicznych, umieszczane na korpusie, są
w pewnym zakresie podobne i zawierają następujące dane:
− kategoria klimatyczna (w zwijkowych nie umieszczana),
− pojemność znamionowa w pF, nF i µF (dotyczy tylko zwijkowych) – w zapisie
skróconym litery p, n, µ uŜywane są jako przecinki,
− tolerancja pojemności w % lub w zapisie skróconym literowo (B – ±0,1%,
C – ±0,25%, D – ±0,5%, F – ±1%, G – ±2%, J – ±5%, K – ±10%, M – ±20%, N –
±30%),
− napięcie znamionowe w V lub małymi literami (m – 25 V, l – 40 lub 50 V, a – 63 V, b –
100 V, c – 160 V, d – 250 V, e – 400V, f – 600 V, h – 1000V, i – 1600 V).
Kondensatory ceramiczne są produkowane z róŜnych materiałów o róŜnym
współczynniku αC, który moŜe przybierać wartość dodatnią lub ujemną. Materiał dielektryka
oznacza się literą wskazującą znak αC (N – ujemny, P – dodatni, NPO – zerowy) i liczbą
wyraŜającą nominalną wartość modułu αC.
Ponadto w kondensatorach ceramicznych stosuje się równieŜ skrócony 3 – cyfrowy zapis
wartości znamionowej pojemności. Pierwsza i druga cyfra oznaczają wartość (najczęściej
z szeregu E6), a trzecia wykładnik potęgi liczby 10. Po przemnoŜeniu dwucyfrowej wartości
przez 10 (podniesione do odpowiedniej potęgi) otrzymujemy wartość CN wyraŜoną w pF.
Przykłady:
P100 / 101 – αC = +100·10 – 6/°C i CN = 100 pF,
NPO / 222 – αC = 0·10 – 6/°C i CN = 2,2 nF,
N33 / 473 – αC = – 33·10 – 6/°C i CN = 47 nF.
Pełne oznaczenia kondensatorów elektrolitycznych obejmują następujące dane: znak
producenta, typ kondensatora, pojemność znamionowa w µF, napięcie znamionowe w V, data
produkcji. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe (02/T – z wyprowadzeniami osiowymi,
04/U – z wyprowadzeniami równoległymi) oraz elektrolityczne tantalowe (196D –
z elektrolitem stałym i ETO – z elektrolitem ciekłym) o małych rozmiarach pozbawione są
oznaczeń kategorii klimatycznej i daty produkcji.
12
Kondensatory zmienne
Kondensatory o zmiennej pojemności są to kondensatory z dielektrykiem powietrznym
(symbol: AM, FM) lub kondensatory ceramiczne (dostrojcze) zwane trymerami (symbol:
TCP). Kondensatory te składają się z dwu zespołów płytek (lub pojedynczych płytek)
zwanych statorem i rotorem, które zmieniając swe połoŜenie powodują zmianę wartości
pojemności kondensatora. Charakter zmian pojemności kondensatora zaleŜy od kształtu
płytek rotora i statora.
Kondensatory obrotowe mają pojemności mniejsze niŜ 500 pF, natomiast kondensatory
nastawne, zwane trymerami, mają pojemności mniejsze niŜ 100 pF.
Sprawdzanie i pomiary parametrów kondensatorów
Najczęściej spotykanym uszkodzeniem kondensatorów jest przebicie elektryczne po
przyłoŜeniu zbyt duŜego napięcia do okładek kondensatora. Uszkodzeniu ulega dielektryk
i okładki zwierają się ze sobą. Uszkodzenie to moŜna łatwo wykryć za pomocą omomierza,
który wskaŜe w tym przypadku zwarcie.
W kondensatorze moŜe pojawić się „przerwa”, spowodowana urwaniem się
wyprowadzenia od okładki wewnątrz kondensatora (ceramiczne i zwijkowe) lub
wyschnięciem elektrolitu (elektrolityczne z elektrolitem ciekłym). W tym przypadku
sprawdzenie sprawności kondensatora jest trudniejsze.
W przypadku duŜych pojemności (powyŜej 100 µF) kondensator moŜna sprawdzić za
pomocą omomierza, przez który popłynie malejący wykładniczo prąd ładowania
kondensatora. JeŜeli kondensator jest sprawny, to omomierz powinien rozpocząć wskazania
od zwarcia do przekroczenia zakresu miernika. Gdy zmiany wskazań następują zbyt szybko,
to naleŜy odpowiednio zwiększyć zakres pomiarowy omomierza. Ponadto moŜna porównać
szybkość zmian wskazań miernika występującą w przypadku uŜycia badanego oraz
wzorcowego kondensatora. Szybsze zmiany (na tym samym zakresie) wskazują mniejszą
wartość pojemności.
Cewki indukcyjne i dławiki
Cewka indukcyjna, będąca dwójnikiem elektrycznym w postaci zwojnicy, składa się
z uzwojenia, korpusu oraz rdzenia (magnetowodu). MoŜliwe symbole graficzne cewek
przedstawiono na rysunku 8.
Rys. 8. Symbole graficzne cewek indukcyjnych [www.cyfronika.com.pl]
Cewki są stosowane w obwodach rezonansowych, filtrach, jako elementy sprzęgające
oraz jako dławiki w układach wielkiej lub małej częstotliwości.
Dławik jest to cewka nieprzestrajana, z rdzeniem ferromagnetycznym o nieliniowej
charakterystyce magnesowania rdzenia. Jest to element o duŜej indukcyjności własnej,
którego zadaniem jest eliminowanie lub tłumienie składowej zmiennej sygnału w obwodzie.
Zwykle współpracuje on z kondensatorami, tworząc filtry dolnoprzepustowe. W zaleŜności
od częstotliwości pracy, wyróŜniamy dławiki małej i wielkiej częstotliwości.
Dławiki wykonuje się z cieńszego drutu niŜ cewki indukcyjne (ich średnica wynosi od
0,05 do 0,1 mm), gdyŜ ich rezystancja odgrywa drugorzędną rolę.
13
Rodzaje, parametry i oznaczenia cewek
Ze względu na sposób wykonania cewki dzielimy na:
− powietrzne: stosowane w zakresie duŜych częstotliwości, a w przypadku bardzo duŜej
częstotliwości cewki mają postać odcinka drutu lub ścieŜki drukowanej,
− rdzeniowe: stosowane tam, gdzie wymagana jest duŜa wartość indukcyjności lub jej
przestrajanie. Cewki nawijane są na korpusy z tworzywa sztucznego, wewnątrz których
znajdują się rdzenie ferromagnetyczne lub niemagnetyczne rdzenie mosięŜne.
Podstawowymi parametrami cewki są:
− indukcyjność własna – L w [µH] lub [mH],
− rezystancja cewki – rL w [Ω].
W urządzeniach elektronicznych i elektrycznych są stosowane róŜnorodne cewki.
Większość z nich jest charakterystyczna tylko dla konkretnego typu urządzenia, ale są
równieŜ cewki typowe występujące w wielu urządzeniach i zawierające pewne
charakterystyczne oznaczenia (dotyczy to głównie cewek ekranowanych). Cewki takie często
łączone są z kondensatorami tworząc układy filtrów zamknięte w jednej obudowie
o rozmiarach 7x7 lub 12x12.
Sprawdzanie i pomiar indukcyjności cewek indukcyjnych
Cewki rzadko ulegają uszkodzeniom spowodowanym przez prąd elektryczny (za
wyjątkiem cewek duŜej mocy lub wysokonapięciowych). JeŜeli podejrzewamy, Ŝe cewka jest
uszkodzona to najpierw naleŜy sprawdzić czy nie jest pęknięty rdzeń, korpus lub osłona
ekranująca, a następnie sprawdzić omomierzem czy uzwojenia nie są przerwane albo zwarte
ze sobą lub z osłoną ekranującą. Mogą wystąpić w cewce równieŜ zwarcia międzyzwojowe.
Przerwę w obwodzie moŜna łatwo wykryć za pomocą omomierza, natomiast wykrycie
zwarcia całkowitego lub częściowego jest uzaleŜnione od czułości omomierza. Po zmierzeniu
rezystancji rL badanej cewki moŜna wynik pomiaru porównać z wartością katalogową lub
zmierzoną wartością rL cewki wzorcowej.
Dokładny pomiar indukcyjności moŜna wykonać za pomocą: uniwersalnych mierników
cyfrowych (w ograniczonym zakresie indukcyjności), specjalizowanych, mostkowych
mierników (testerów) RLC.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
Jaka jest budowa i właściwości oporników drutowych, warstwowych i objętościowych?
Jakie są najwaŜniejsze parametry uŜytkowe oporników liniowych stałych?
Jakie są wartości znamionowe oporników w szeregu E6, a jakie w E12?
Jaki kod barwny będzie miał opornik w szeregu E24 o wartości znamionowej 91Ω?
Czym się róŜni potencjometr od opornika?
Jakie wyróŜniamy rodzaje potencjometrów i gdzie je stosujemy?
Czym charakteryzuje się termistor CTR?
Co to jest współczynnik β warystora?
Jakie typy kondensatorów stosuje się w obwodach rezonansowych w zakresie wysokich
częstotliwości?
Jak dzielimy kondensatory ze względu na zastosowany dielektryk?
W jaki sposób oznaczamy kondensatory?
Czym róŜni się kondensator elektrolityczny od kondensatora wykonanego z tworzywa
sztucznego?
Co to jest trymer?
Jak sprawdzić sprawność kondensatora o pojemności 1mF za pomocą omomierza?
14
15. Na czym polega róŜnica między cewkami indukcyjnymi a dławikami?
16. Jakie są podstawowe parametry cewek indukcyjnych?
17. W jaki sposób moŜna regulować indukcyjność w cewkach?
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Rozpoznaj spośród przedstawionych elementów opornik oraz odczytaj i sprawdź wartość
jego rezystancji znamionowej i tolerancję.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) ustalić kolory występujące na obudowie elementu elektronicznego,
2) stwierdzić po obudowie oraz po kolorach i układzie pasków, który z elementów jest
opornikiem,
3) ustalić, po której stronie znajduje się pasek tolerancji rezystancji badanego opornika,
4) rozszyfrować wartość znamionową rezystancji,
5) odczytać zakodowaną wartość tolerancji opornika,
6) zweryfikować odczyt, poprzez sprawdzenie, czy odczytana wartość mieści się w szeregu
wynikającym z odczytanej tolerancji,
7) zmierzyć omomierzem rzeczywistą wartość rezystancji,
8) obliczyć względną róŜnicę między zmierzoną wartością rezystancji a rezystancją
znamionową,
9) porównać, wyraŜoną w %, obliczoną w punkcie 8 róŜnicę z tolerancją opornika podaną
przez producenta.
−
−
−
−
WyposaŜenie stanowiska pracy:
zestaw oporników,
omomierz,
kalkulator, zeszyt do ćwiczeń, przybory do psania,
literatura zgodna z punktem 6 poradnika.
Ćwiczenie 2
Dokonaj pomiaru rezystancji potencjometru metodą techniczną i porównaj ją
z rezystancją znamionową tego potencjometru.
1) odczytać rezystancję znamionową potencjometru,
2) ustalić końcówki potencjometru między którymi naleŜy mierzyć rzeczywistą rezystancję
potencjometru,
3) ustalić właściwą metodę pomiaru,
4) narysować układ pomiarowy,
5) zbudować układ pomiarowy z dostępnych elementów,
6) obliczyć względną róŜnicę między zmierzoną wartością rezystancji a rezystancją
znamionową.
15
−
−
−
−
−
potencjometry,
zasilacz
amperomierz, woltomierz,
kalkulator, zeszyt do ćwiczeń, przybory do pisania,
Ćwiczenie 3
Rozpoznaj spośród przedstawionych elementów warystor oraz odczytaj wartości jego
parametrów na podstawie oznaczeń.
1) stwierdzić po kształcie obudowy i oznaczeniach na obudowie, który z elementów jest
warystorem,
2) określić rodzaj obudowy warystora,
3) odczytać zakodowaną wartość napięcia charakterystycznego,
4) odczytać zakodowaną wartość współczynnika nieliniowości,
5) odczytać zakodowaną wartość mocy znamionowej.
−
−
−
zestaw elementów elektronicznych,
zeszyt do ćwiczeń oraz przybory do pisania,
Ćwiczenie 4
Rozpoznaj po oznaczeniach literowo-cyfrowych i wyglądzie kondensator elektrolityczny
aluminiowy (spośród kilku przedstawionych), podaj jego pojemność i napięcie znamionowe,
prąd upływowy, tangens kąta stratności oraz dokonaj za pomocą omomierza cyfrowego
pomiarów sprawdzających jego sprawność.
1) dokonać wyboru określonego typu kondensatora na podstawie wyglądu zewnętrznego,
2) odczytać cechy i parametry wybranego kondensatora na podstawie oznaczeń
naniesionych na jego obudowie,
3) poszukać w załączonym katalogu opisu wybranego kondensatora,
4) odczytać pozostałe parametry z katalogu,
5) sprawdzić za pomocą omomierza, czy okładki kondensatora nie są wewnętrznie zwarte
ze sobą,
6) sprawdzić, czy kondensator przeładowuje się po zmianie polaryzacji przyłoŜonego
napięcia.
−
−
−
zestaw kilkunastu kondensatorów róŜnych typów róŜniących się parametrami,
katalog kondensatorów,
cyfrowy miernik uniwersalny,
16
−
−
−
kalkulator,
zeszyt do ćwiczeń i długopis,
Ćwiczenie 5
Zbadaj czy uszkodzony jest filtr 12x12 poprzez oględziny rdzenia i korpusu filtru oraz
sprawdzając indukcyjność cewek i pojemność kondensatorów w badanym filtrze.
5)
6)
7)
dokonać oględzin obudowy filtru,
wykręcić rdzeń,
odczytać ze schematu ideowego filtru parametry cewek i kondensatorów,
zmierzyć „przejścia” przez cewki i brak ewentualne zwarcia kondensatorów za pomocą
omomierza,
zmierzyć indukcyjności cewek i pojemności kondensatorów,
porównać zmierzone parametry z wartościami przedstawionymi na schemacie ideowym,
ocenić sprawność filtru.
−
−
−
−
−
−
kilka filtrów typu 12x12,
schematy ideowe i katalogi filtrów,
tester elementów RLC,
kalkulator,
zeszyt do ćwiczeń i długopis,
1)
2)
3)
4)
Czy potrafisz:
Tak
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
opisać budowę i właściwości oporników?
wymienić parametry uŜytkowe oporników liniowych stałych?
wymienić wartości znamionowe oporników z szeregu E6 i E12?
określić czym się róŜni potencjometr od opornika?
opisać rodzaje potencjometrów i ich zastosowanie?
opisać czym charakteryzuje się termistor CTR?
zdefiniować parametry warystora?
rozróŜnić typy kondensatorów ze względu na ich wygląd?
określić jak dzielimy kondensatory ze względu na zastosowany
dielektryk?
odczytać parametry kondensatorów na podstawie oznaczeń na ich
obudowie?
sprawdzić sprawność kondensatora?
określić na czym polega róŜnica między cewkami indukcyjnymi
a dławikami?
określić jakie są podstawowe parametry cewek indukcyjnych?
opisać w jaki sposób moŜna regulować indukcyjność w cewkach?
17
Nie
4.2. Aktywne elementy elektroniczne
Złącze P – N i jego polaryzacja
Złączem nazywamy połączenie dwóch kryształów ciała stałego w taki sposób, Ŝe tworzą
one ze sobą ścisły kontakt. W elektronice najczęściej wykorzystywane są złącza: metal –
półprzewodnik i półprzewodnik–półprzewodnik, którym w większości przypadków jest
krzem. W momencie połączenia półprzewodnika typu P (gdzie nośnikami prądu są „dziury”)
z półprzewodnikiem typu N (gdzie nośnikami prądu są elektrony) powstaje złącze P – N.
Przez pojęcie polaryzacji rozumiemy stan, jaki następuje w złączu pod wpływem
przyłoŜenia z zewnątrz róŜnych potencjałów do obydwu obszarów półprzewodnika.
JeŜeli do półprzewodnika typu P przyłoŜymy potencjał dodatni, a do półprzewodnika
typu N potencjał ujemny, to mówimy, Ŝe złącze jest spolaryzowane w kierunku
przewodzenia, co oznacza bardzo dobre przewodzenie prądu elektrycznego. W przeciwnym
wypadku mówimy, Ŝe złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym i złącze takie prawie
wcale nie przewodzi prądu.
Diody prostownicze
Diodą prostowniczą nazywamy element półprzewodnikowy zawierający jedno złącze
P – N z dwiema końcówkami wyprowadzeń. Diody prostownicze są przeznaczone do
prostowania prądu przemiennego małej częstotliwości. Są one głównie stosowane w układach
prostowniczych urządzeń zasilających układów elektronicznych.
Diody prostownicze spolaryzowane zaczynają przewodzić (następuje gwałtowny wzrost
prądu) dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla
diod krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Symbol graficzny
diody prostowniczej pokazano na rysunku 9a, natomiast jej charakterystykę prądowo –
napięciową na rysunku 9b. Napięcie i prąd na osiach współrzędnych oznaczone indeksem
F wskazują kierunek przewodzenia diody, natomiast oznaczone indeksem R kierunek
zaporowy. Elektroda „+” (anoda) pokazana na rysunku 9 połączona jest z półprzewodnikiem
typu P, a elektroda „–” (katoda) z półprzewodnikiem typu N.
a)
b)
IF
(+)
I0
URWM
(–)
0
IR(URWM) UF(I0)
UR
UF
IR
Rys. 9. Diody prostownicza: a) symbol graficzny, b) charakterystyka prądowo – napięciowa [4, s. 83]
18
Oznaczenia i wygląd diod prostowniczych
Oznaczenia i wygląd diod prostowniczych zmieniają się w zaleŜności od producenta,
mocy i napięcia występującego w urządzeniach zawierających te elementy oraz od ich
konstrukcji i przeznaczenia.
Przykładowo diody prostownicze mogą mieć następujące oznaczenia:
− typowe diody małej mocy: BYP 401, BYP 660R,
− typowe diody małej i średniej mocy: BYP 680R,
− diody wysokonapięciowe: BAYP 50, BAYP 350.
W oznaczeniach diod moŜna rozpoznać pewne prawidłowości:
− pierwsza litera oznacza materiał półprzewodnikowy A – german, B – krzem,
− druga litera Y oznacza diody prostownicze,
− litera R umieszczona na końcu oznacza, Ŝe anoda diody znajduje się na obudowie diody,
− cyfry poprzedzone znakiem „–” określają maksymalne napięcie wsteczne wyraŜone
w woltach,
Przykład:
BYP 401–600R oznacza diodę prostowniczą małej mocy o napięciu wstecznym 600 V
i anodą na obudowie.
Niektórzy producenci oznaczają diody symbolem 1Nxxxxx, przy czym interpretacja
pozostałych znaków tego symbolu ustalona jest przez producenta.
Parametry diod prostowniczych
Parametry charakterystyczne:
− napięcie progowe U(TO), poniŜej którego prąd przewodzenia ma bardzo małą wartość
(0,2 V dla germanowych i 0,6 V dla krzemowych),
− napięcie przebicia U(BR) lub powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM
przyjmowane jako 0,8 napięcia przebicia (od kilku woltów do kilku kilowoltów),
− napięcie przewodzenia UF (rys.9) przy określonym prądzie przewodzenia I0,
− prąd wsteczny IR (rys. 9) przy określonym napięciu w kierunku zaporowym.
Parametry graniczne:
− dopuszczalny średni prąd przewodzenia IF(AV) jaki moŜe przepływać przez diodę
w kierunku przewodzenia (od dziesiątek miliamperów do kilku kiloamperów),
− szczytowe napięcie wsteczne URWM (rys. 9), powyŜej którego dioda moŜe ulec
uszkodzeniu,
− maksymalne straty mocy Ptotmax przy danej temperaturze otoczenia diody (najczęściej
25°C), które mieszczą się w przedziale od kilkuset miliwatów do kilku kilowatów.
Diody stabilizacyjne (diody Zenera)
Diody te są przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięcia. Są one głównie
stosowane w urządzeniach zasilających jako elementy stabilizatorów napięcia oraz jako
źródła napięć odniesienia i ograniczniki amplitudy w innych układach elektronicznych.
Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując
się niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem duŜych zmian prądu. Symbol graficzny
diody Zenera jest zamieszczony poniŜej na rys. 10a. Działanie diody stabilizacyjnej najlepiej
pokazuje charakterystyka prądowo – napięciowa przedstawiona na rysunku 10b.
19
a)
b)
Rys. 10. Symbol graficzny diody stabilizacyjnej oraz charakterystyka I = f(U) diody
stabilizacyjnej [4, s. 84]
Oznaczenia i wygląd diod stabilizacyjnych
Oznaczenia i wygląd diod stabilizacyjnych zmieniają się w zaleŜności od mocy i napięcia
stabilizacji diody oraz od ich konstrukcji i przeznaczenia.
Przykładowo diody stabilizacyjne mogą mieć następujące oznaczenia:
− typowe diody Zenera: BZAP 30, BZP 650,
− diody Zenera do układów hybrydowych: BZX 84,
− diody skompensowane temperaturowo: BZY 566 – wykorzystują one temperaturową
stabilność napięcia Zenera w wąskim zakresie od 6,08V do 6,72V,
− diody układów elektronicznego zapłonu: BZYP 01.
W oznaczeniach tych diod moŜna rozpoznać pewne prawidłowości:
− pierwsza litera oznacza materiał półprzewodnikowy, najczęściej B – krzem,
− druga litera Z oznacza diody stabilizacyjne (diody Zenera),
− litera poprzedzona znakiem „–” określa tolerancję napięcia stabilizacji: A – 1%, B – 2%,
C – 5%, D – 10%, E – 15%,
− po tej literze następują cyfry określające wartość znamionowego napięcia stabilizacji
w woltach, a jeŜeli napięcie to jest liczbą ułamkową, to zamiast przecinka stosuje się
literę V,
− litera R umieszczona na końcu oznacza, Ŝe anoda diody znajduje się na obudowie diody,
a polaryzacji normalnej (obudowa połączona z katodą) nie oznacza się.
Przykład: BZP 683 – C5V1 oznacza diodę stabilizacyjną małej mocy o napięciu
stabilizacji równym 5,1 V z dokładnością 5%.
Parametry diod stabilizacyjnych
Parametry charakterystyczne:
− napięcie stabilizacji UZ (zwane równieŜ napięciem Zenera),
− napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia I0,
− prąd wsteczny IR przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,
− rezystancja dynamiczna rz jaką stanowi dioda w zakresie stabilzacji,
− temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji αuz.
20
Parametry graniczne:
maksymalny prąd stabilizacji IZmax, płynący przez diodę podczas stabilizacji napięcia,
maksymalne straty mocy Ptotmax przy danej temperaturze otoczenia diody.
−
−
Wyznaczanie charakterystyk prądowo – napięciowych diod półprzewodnikowch
Charakterystyki prądowo – napięciowe umoŜliwiają wyznaczenie następujących
parametrów diod półprzewodnikowych: napięcia przewodzenia UF, napięcia stabilizacji UZ
i rezystancję dynamicznej diod Zenera rz.
Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk diod jest metoda „punkt po punkcie”,
której układy pomiarowe pokazano na rysunkach 11 i 12.
Rys. 11. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyki prądowo – napięciowej zarówno diody
prostowniczej jak i diody Zenera (w zakresie przewodzenia) [www.cyfronika.com.pl]
Wyniki naleŜy zapisać w karcie pomiarowej zawierającej tabelę 2.
Tabela 2. Karta pomiarowa do badania diod spolaryzowanych w kierunku przewodzenia [opracowanie własne]
Dioda prostownicza (lub stabilizacyjna) typ:.................... – kierunek przewodzenia
UF
IF
[V]
[mA]
Rys. 12. Układy pomiarowe do wyznaczania charakterystyki prądowo – napięciowej w zakresie
zaporowym [www.cyfronika.com.pl]
21
Wyniki naleŜy zapisać w karcie pomiarowej zawierającej tabelę 3.
Tabela 3. Karta pomiarowa do badania diod spolaryzowanych w kierunku zaporowym [opracowanie własne]
Dioda prostownicza (lub stabilizacyjna) typ:.................... – kierunek zaoporowy
UR [V]
IR
[mA lub µA]
Sprawdzanie sprawności diod półprzewodnikowych
Przyczyną elektrycznego uszkodzenia diody jest przekroczenie dopuszczalnych wartości
prądów i napięć. Uszkodzenia mechaniczne polegające na stłuczeniu lub ułamaniu obudowy,
czy złamaniu końcówki wynikają najczęściej z zaginania końcówek zbyt blisko obudowy.
Uszkodzenia w diodzie moŜna łatwo wykryć omomierzem wyposaŜonym w źródło
napięcia o wartości 1,5 V. Badaną diodę naleŜy wylutować z układu (wystarczy odlutować
tylko jedną końcówkę) i sprawdzić jaka jest wartość rezystancji w obu kierunkach. Wartość
rezystancji w kierunku zaporowym (plus omomierza na katodzie) jest bardzo duŜa i często
przekracza maksymalne zakresy miernika. Natomiast w kierunku przewodzenia (plus
omomierza na anodzie) wartość rezystancji jest znacznie mniejsza chociaŜ trudna do
określenia. Rezystancja w kierunku przewodzenia zaleŜy od kształtu charakterystyki diody
oraz rodzaju i zakresu omomierza. Oznacza to, Ŝe w zmieniając typ lub zakres miernika,
a takŜe samą diodę na inny egzemplarz tego samego typu, otrzymamy róŜne wartości
rezystancji diody w kierunku przewodzenia.
Badanie diody Zenera moŜna przeprowadzić analogicznie do badania sprawności diody
prostowniczej pod warunkiem, Ŝe napięcie stabilizacji jest większe niŜ napięcie źródłowe
omomierza. JeŜeli podczas sprawdzania rezystancji diody w obu kierunkach omomierz
wskazuje „zwarcie” to oznacza przebicie elektryczne złącza; a jeŜeli omomierz wskazuje
„rozwarcie” to oznacza przerwę mechaniczną wewnątrz diody.
Obecnie cyfrowe mierniki uniwersalne wyposaŜone są w układy do badania spadku
napięcia na złączu PN. Miernik musimy przestawić na tryb oznaczony
i przyłoŜyć do
końcówek diody przewody miernika. JeŜeli „minus” miernika jest
przyłączony do
katody, to miernik wskaŜe wartość spadku napięcia w mV; a jeŜeli odwrotnie to miernik
wskaŜe przekroczenie zakresu.
Podział i budowa tranzystorów bipolarnych
Tranzystory naleŜą do grupy elementów półprzewodnikowych (wzmacniających
i przełączających o regulowanym przepływie prądu. Ze względu na zasadę działania dzielimy
je na: bipolarne i unipolarne.
Ze względu na wydzielaną moc, tranzystory dzielimy na:
− małej mocy: do 0,3 W,
− średniej mocy: do 5 W,
− duŜej mocy: powyŜej 5 W, nawet do 300 W.
Ze względu na maksymalną częstotliwość pracy, tranzystory dzielimy na:
− małej częstotliwości: do kilkudziesięciu MHz,
− wielkiej częstotliwości: nawet do kilku GHz.
Tranzystory bipolarne są najczęściej wykonywane z krzemu. Ze względu na kolejność
ułoŜenia warstw półprzewodnika rozróŜniamy tranzystory typu NPN i PNP. KaŜda z tych
warstw (obszarów) ma swoją nazwę: baza – B, emiter – E, kolektor – C. Strukturę
wewnętrzną oraz symbole graficzne (wraz z wypowadzeniami) obydwu typów tranzystorów
bipolarnych przedstawiono na rysunku 17.
22
E
E
B
C
p
n
p
E
C
E
B
C
n
p
n
B
B
E
E
C
B
C
B
tranzystor PNP
Rys. 14.
C
tranzystor NPN
Struktura i symbole graficzne tranzystorów bipolarnych [www.edw.com.pl]
Zasada działania tranzystora bipolarnego
Działanie tranzystora bipolarnego wyjaśnimy na przykładzie takiej polaryzacji
tranzystora, przy której złącze emiter – baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia,
a złącze baza – kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony,
gdy spełniona jest następująca zaleŜność między potencjałami na poszczególnych
elektrodach:
− dla tranzystora NPN VE < VB < VC,
− dla tranzystora PNP VE > VB > VC.
Rys. 15. Rozkład napięć i rozpływ prądów tranzystora bipolarnego przy polaryzacji normalnej [4, s.93]
Oznaczenia rozpływu prądów w tranzystorze i spadków napięć na nim są następujące:
IB – prąd bazy, IC – prąd kolektora, IE – prąd emitera, UCE – napięcie kolektor – emiter, UBE –
napięcie baza – emiter, UCB – napięcie kolektor – baza, VE – potencjał emitera, VB – potencjał
emitera, VC – potencjał kolektora. Między prądami poszczególnych elektrod tranzystora
zachodzą następujące związki:
I
β= C
IB
I E = IC + I B
23
gdzie:
IE – prąd emitera [A] lub [mA],
IC – prąd kolektora [A] lub [mA],
IB – prąd bazy [mA] lub [µA],
β – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora (mieści się w granicach od 20 do
850).
Układy i stany pracy tranzystora bipolarnego
ZaleŜnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróŜniamy trzy sposoby
włączenia tranzystora do układu (rys. 16):
− układ ze wspólnym emiterem OE (WE),
− układ ze wspólną bazą OB (WB),
− układ za wspólnym kolektorem OC (WC).
WB
WE
C
WC
E
C
E
B
B
B
E
C
Rys. 16. Układy pracy tranzystorów bipolarnych [95]
Tranzystor składa się z dwóch złączy P – N, które mogą być spolaryzowane w kierunku
przewodzenia jak i w kierunku zaporowym. W związku z tym wyróŜniamy cztery stany pracy
tranzystora przedstawione w tabeli 4.
Tabela 4. Stany pracy tranzystora bipolarnego [4, s.98]
Kierunki polaryzacji złączy tranzystora
Stan
tranzystora
złącze
emiter – baza
złącze
kolektor – baza
Zatkanie
zaporowy
zaporowy
Przewodzenie aktywne
przewodzenia
zaporowy
Nasycenie
przewodzenia
przewodzenia
Przewodzenie inwersyjne
zaporowy
przewodzenia
24
Tranzystor pracujący w układach wzmacniających musi być w stanie aktywnym,
natomiast w układach przełączających w stanie zatkania, nasycenia lub inwersyjnym.
Parametry i oznaczenia tranzystorów bipolarnych
Do podstawowych parametrów charakterystycznych tranzystora bipolarnego zaliczamy:
− współczynnik wzmocnienia prądowego β (lub h21E) tranzystora dla układu OE,
− częstotliwość graniczna tranzystora fT przy której współczynnik h21E spada do jedności,
− napięcie między kolektorem, a emiterem w stanie nasycenia UCEsat.
Do podstawowych parametrów granicznych tranzystora bipolarnego zaliczamy:
− dopuszczalna moc całkowita wydzielana w tranzystorze Ptot,
− maksymalne napięcie między kolektorem, a emiterem UCE0max,
− maksymalny dopuszczalny prąd kolektora ICmax,
− dopuszczalna temperatura złączy Tjmax.
Tranzystory bipolarne wykonywane są najczęściej z krzemu. PoniŜej przedstawiamy
przykładowe typy, oznaczenia i parametry tranzystorów krzemowych.
Tabela 5. Przykłady oznaczeń i parametrów tranzystorów krzemowych [opracowanie własne – róŜne katalogi]
Typ
Symbol
UCEmax
ICmax
Ptot
Grupa
h21E
fT
Polaryzacja
[V]
[mA]
[mW]
h21E
[MHz]
małej mocy m.cz.
A
110÷240
BC107
45
100
300
B
200÷480 100
NPN
duŜej mocy m.cz.
BDP286
80
7000
25000
–
30÷200
10
PNP
małej mocy w.cz.
BF180
20
20
150
–
15
500
NPN
wysokonapięciowe
BU205
700
2500
10000
–
2
7,5
NPN
Sprawdzanie tranzystorów bipolarnych
Uszkodzenie tranzystora moŜe nastąpić pod wpływem tych samych czynników co
w diodzie półprzewodnikowej. Sprawdzenie sprawności tranzystora moŜna przeprowadzić
w podobny sposób jak w przypadku diody, za pomocą omomierza lub cyfrowego miernika
uniwersalnego nastawionego na pomiar napięcia na złączu PN. Sposób pomiaru i kontrolę
sprawności tranzystora pokazuje poniŜsza tabela 6.
Tabela 6. Rezystancje lub napięcia między elektrodami prawidłowo pracującego tranzystora bipolarnego
[opracowanie własne]
Tranzystor Badane
przejście
PNP
B–E
PNP
B–E
PNP
B–C
PNP
B–C
PNP
E–C
PNP
E–C
NPN
B–E
NPN
B–E
NPN
B–C
NPN
B–C
NPN
E–C
NPN
E–C
Biegun dodatni
miernika
E
B
C
B
E
C
B
E
B
C
E
C
Rezystancja
zmierzona
mała
bardzo duŜa lub duŜa
mała
bardzo duŜa lub duŜa
bardzo duŜa
bardzo duŜa lub mała
mała
bardzo duŜa
mała
bardzo duŜa
bardzo duŜa lub mała
bardzo duŜa
Napięcie złącza
poniŜej 1 V
poza zakresem
poniŜej 1V
poza zakresem
poza zakresem
róŜne
poniŜej 1 V
poza zakresem
poniŜej 1 V
poza zakresem
róŜne
poza zakresem
25
Tranzystory unipolarne
Tranzystor unipolarne (polowe) stosowane są w układach elektronicznych rzadziej niŜ
bipolarne. Tranzystory te mają kanał typu N lub P, który moŜe być wzbogacany lub
zubaŜany. Elektrody tych tranzystorów mają następujące nazwy i oznaczenia: źródło – S,
bramka – G, dren – D. W tranzystorach polowych w przepływie prądu biorą udział nośniki
większościowe jednego rodzaju – elektrony (N) lub dziury (P). Prąd moŜe płynąć przez kanał
pomiędzy źródłem i drenem, natomiast przewodnictwo tego kanału zaleŜy od napięcia
bramka – źródło UGS. Istnieje pewne napięcie UGSoff przy którym następuje odcięcie kanału
i tranzystor przestaje przewodzić. Ze względu na rodzaj sterowania kanałem i właściwości
tranzystory unipolarne dzielimy na złączowe (FET) i z izolowaną bramką (MOSFET).
Symbole graficzne tranzystorów złączowych pokazano na rysunku 17.
Rys. 17. Przykładowe symbole graficzne tranzystorów unipolarnych: a) FET – kanał N b) FET –
kanał P [4, s.122]
W zaleŜności od typu kanału i rodzaju tranzystora napięcie UGSoff moŜe być dodatnie lub
ujemne. JeŜeli załoŜymy, Ŝe UGS jest dodatnie gdy potencjał VG jest większy od VS, to
przewodzenie kaŜdego typu tranzystora unipolarnego moŜna przedstawić następująco.
Tabela 7. Warunki przewodnictwa róŜnych typów tranzystorów unipolarnych [opracowanie własne]
Typ tranzystora
FET z kanałem typu N
FET z kanałem typu P
MOSFET z kanałem zubaŜanym typu N
MOSFET z kanałem wzbogacanym typu N
MOSFET z kanałem zubaŜanym typu P
MOSFET z kanałem wzbogacanym typu P
Tranzystor przewodzi dla:
– UGSoff < UGS < 0
0 < UGS <+UGSoff
– UGSoff < UGS
+UGSoff < UGS
UGS <+UGSoff
UGS < – UGSoff
Parametry tranzystorów unipolarnych są analogiczne do bipolarnych, za wyjątkiem
napięcia odcięcia kanału UGSoff, które jest parametrem charakterystycznym.
Obudowy i oznaczenia tranzystorów bipolarnych i unipolarnych są podobne, przy czym
tranzystory MOSFET mają zwykle cztery końcówki. Tą czwartą końcówką jest tzw. podłoŜe
B, które w układach pracy prawie zawsze połączone jest ze źródłem S.
Przykład: tranzystor FET; BF245; Ptotmax=360 mW, UDSmax=30V, UGSoff=0,5÷8V, kanał N
Sprawdzanie tranzystorów unipolarnych
W przypadku tranzystorów unipolarnych typu FET naleŜy sprawdzić przejście między
drenem i źródłem (powinno istnieć w obydwie strony) i między źródłem lub drenem,
a bramką. Sprawdzanie tranzystorów typu MOSFET jest utrudnione ze względu na duŜą
wraŜliwość tych tranzystorów na ładunek elektrostatyczny wprowadzony na bramkę
tranzystora poprzez ręce lub narzędzia badającego. Jednak najpewniejszym sposobem
sprawdzenia sprawności tranzystora unipolarnego jest zbadanie jego własności
wzmacniających lub przełączających w danym układzie pracy.
26
Tyrystory
Tyrystor, zwany takŜe sterowaną diodą krzemową, składa się z 4 warstw półprzewodnika
PNPN. Trzy wyprowadzone na zewnątrz końcówki są dołączone do trzech warstw
półprzewodnika: anoda A do skrajnej warstwy P, katoda K do skrajnej warstwy N oraz trzecia
zwana bramką G do wewnętrznej warstwy N. Symbol graficzny tyrystora przedstawiono na
rysunku 18.
A
G
K
Rys. 18. Symbol graficzny tyrystora [opracowanie własne]
Działanie tyrystora przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest takie same jak diody
prostowniczej, nazywamy ten stan stanem zaworowym. Natomiast przy polaryzacji
w kierunku przewodzenia (anoda połączona z biegunem „+” zasilania) tyrystor jest w stanie
blokowania (nie przewodzi prądu) lub w stanie przewodzenia (przewodzi prąd tak jak dioda
prostownicza). Stąd drugie określenie tyrystora – dioda sterowana.
W zaleŜności od sposobu przechodzenie tyrystora ze stanu przewodzenia do blokowania
i odwrotnie rozróŜniamy dwa podstawowe rodzaje tyrystorów: SCR i GTO.
Przejście tyrystora SCR (nazywanego inaczej konwencjonalnym lub triodowym) ze stanu
blokowania do stanu przewodzenia (włączenie tyrystora) następuje po przekroczeniu napięcia
progowego U(BO) nazywanego napięciem przełączania. Napięcie przełączania nie jest
parametrem tyrystora, poniewaŜ zaleŜy od wartości prądu IG wpływającego do bramki
tyrystora (im większe IG, tym mniejsze U(BO). Po włączeniu tyrystora jego obwód bramkowy
moŜe być przerwany. Istnieje równieŜ moŜliwość samoczynnego, niekontrolowanego
załączenia tyrystora podczas zbyt szybkiego narastania napięcia w stanie blokowania.
Wyłączenie tyrystora SCR, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub
zaworowy, wymaga zmniejszenia prądu anodowego tyrystora do wartości tzw. prądu
podtrzymania IH lub do zera poprzez zmianę polaryzacji napięcia anoda – katoda. W praktyce
na ogół wykorzystuje się ten drugi sposób.
W przypadku tyrystora GTO (inaczej nazywanego wyłączalnym) włączenie odbywa się
tak samo jak tyrystora konwencjonalnego, przy czym wymagana jest duŜa wartość dodatniego
impulsu prądu bramki oraz utrzymanie wpływającego do tyrystora prądu bramkowego przez
cały stan przewodzenia.
Aby przerwać przepływ prądu głównego tyrystora GTO, naleŜy do obwodu bramki
doprowadzić ujemny impuls prądu, natomiast zmniejszenie prądu anodowego tyrystora nie
jest wymagane.
Parametry i oznaczenia tyrystorów
Podstawowymi parametrami tyrystora są:
− maksymalne napięcie blokowania UDRM,
− powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM,
− maksymalna wartość skuteczna prądu przewodzenia IT(RMS),
− napięcie przełączające bramki UGT,
− prąd przełączający bramki IGT,
− prąd podtrzymania IH.
27
Przykład:
BTP128 – 400: UDRM = 400V, URRM = 4V, IT(RMS) = 8A, UGT = 4V, UGT = 45mA, IH = 5mA
Triaki
Triak jest trójzaciskowym, pięciowarstwowym, dwustanowym przyrządem
półprzewodnikowym, który zastępuje pod względem funkcjonalnym połączenie odwrotnie
równoległe dwóch tyrystorów jednokierunkowych. Symbol graficzny i charakterystyka
wyjściowa pokazane są na rysunku 19.
Rys. 19. Triak: a) symbol graficzny, b) charakterystyka wyjściowa [4, s.119]
Triak działa jako przełącznik mocy, sterujący przepływem prądu przemiennego (tzn.
przewodzi prąd w obu kierunkach oraz blokuje napięcie o dowolnej biegunowości). Posiada
on dwie elektrody obwodu głównego MT1 i MT2 oraz elektrodę sterującą G (bramkę).
Elektroda MT2 jest zwykle połączona z obudową przyrządu, a MT1 jest elektrodą odniesienia
względem której mierzone są wszystkie napięcia. Gdy do bramki G doprowadzimy dodatni
lub ujemny impuls napięciowy (zaleŜnie od wykonania struktury 5 – warstowej) triak
przechodzi trwale w stan przewodzenia, aŜ do momentu, gdy wartość prądu głównego
zostanie zmniejszona przez układ zewnętrzny do wartości mniejszej niŜ prąd podtrzymania
IH.
Parametry triaków są analogiczne jak dla tyrystorów. Natomiast oznaczenia triaków
duŜej mocy są takie same jak tyrystorów duŜej mocy za wyjątkiem pierwszej litery.
Przykłady:
triak duŜej mocy – S 20–20–10–54,
triak średniej mocy – BTA – 12–600 (12 A, 600 V).
Sprawdzanie tyrystorów i triaków
Tyrystory ulegają uszkodzeniom tego samego rodzaju, co wszystkie elementy
półprzewodnikowe, tzn. przebiciom złączy. Typową przyczyną uszkodzeń tyrystorów jest
przegrzanie, w wyniku którego następuje pogorszenie parametrów tyrystora, przede
wszystkim jego czasu wyłączania.
Prawidłowość działania tyrystora moŜna sprawdzić w układzie wyposaŜonym w baterię
4,5 V, miliamperomierz i 2 rezystory 1 kΩ i 470 Ω. Biegun ujemny zasilacza łączymy
z katodą tyrystora; natomiast biegun dodatni łączymy z anodą przez rezystor 470 Ω, a przez
1kΩ i ewentualnie przełącznik z bramką tyrystora. Przy odłączonej bramce tyrystor nie
powinien się włączyć i miliamperomierz nie powinien wskazywać przepływu prądu. Po
28
podłączeniu bramki do obwodu tyrystor powinien się włączyć i miliamperomierz powinien
wskazywać przepływ prądu rzędu kilku miliamperów.
W przypadku triaka procedura sprawdzania moŜe być analogiczna, przy czym nie ma
znaczenia biegunowość baterii zasilającej.
Dioda elektroluminescencyjna
Dioda elektroluminescencyjna jest źródłem promieniowania widzialnego (dioda LED,
zwana równieŜ diodą świecącą) oraz niewidzialnego promieniowania podczerwonego (dioda
IR). Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Długość fali
generowanego promieniowania zaleŜy od materiałów półprzewodnikowych, z których dioda
jest wykonana, takich jak: GaAs, GaP lub GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu. Diody
emitują promieniowanie o barwach: niebieskiej, Ŝółtej, zielonej, pomarańczowej, czerwonej
oraz w zakresie podczerwieni. Spotyka się równieŜ diody świecące kilkoma kolorami.
W zaleŜności od zakresu emitowanego promieniowania, diody elektroluminescencyjne
moŜna stosować jako: wskaźniki optyczne, wskaźniki stanów logicznych (diody świecące)
oraz źródła promieniowania podczerwonego (diody IR) w systemach zdalnego sterowania,
czy w systemach alarmowych.
Rys. 20. Symbol graficzny diody LED lub IR [opracowanie własne]
Diody elektroluminescencyjne mają takie same parametry elektryczne jak inne diody, tj.
prąd przewodzenia (moŜe być ciągły lub impulsowy), napięcie przewodzenia, napięcie
wsteczne oraz moc strat, która wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset mW.
Do parametrów optycznych diody zaliczamy:
− strumień energetyczny Pe (moc emitowana przez diodę) wyraŜony w W, którego wartość
rośnie ze wzrostem prądu przewodzenia i maleje ze wzrostem temperatury złącza,
− światłość JV (stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego, w który dioda
wypromieniowuje ten strumień) wyraŜona w kandelach.
Talela 8. Przykładowa karta katalogowa diod elektroluminescencyjnych [pl.wikipedia.org]
Typ
CQP431
CQP463
CQYP15
Barwa
IFmax
[mA]
czerwona
30
Ŝółta
30
podczerwona 100
UF
[V]
2,0
3,0
1,5
Pe [mW]
(Je) [mW/sr]
1
0,6
0,5
Soczewka
czerwona matowa
Ŝółta przezroczysta
––––––––
Fotodetektory
Fotodetektory (zwane równieŜ odbiornikami fotoelektrycznymi) wykorzystują
wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne do zmiany własnej przewodności pod wpływem
zaabsorbowanego przez półprzewodnik promieniowania elektromagnetycznego. Do
fotodetektorów zaliczamy: fotorezystory, fotodiody, fotoogniwa, fototranzystory,
fototyrystory.
Fotoodbiorniki moŜemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu
przesyłania sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie
sygnałów z jednego układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów.
29
Tak powstały przyrząd nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w róŜnych obudowach)
lub łączem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). Transoptor moŜe
być zamknięty (transmisja promieniowania następuje za pomocą światłowodu) lub otwarty
(transmisja następuje w powietrzu).
Fotodetektory, transoptory (rys. 21) i łącza optoelektroniczne znajdują zastosowanie
m.in. w układach automatyki, zdalnego sterowania, układach telekomunikacyjnych,
urządzeniach alarmowych, sygnalizacyjnych i kontrolno – pomiarowych.
a)
b)
c)
Rys. 21. Symbole graficzne: a) fotorezystora, b)
z wyprowadzoną bazą [opracowanie własne]
fototranzystora,
c)
fototranzystora
Fotorezystor
Fotorezystorem nazywamy element półprzewodnikowy, w którym pod wpływem
oświetlenia następuje zmiana jego przewodności niezaleŜnie od kierunku przyłoŜonego
napięcia zewnętrznego.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejszenie
rezystancji). Prądem fotoelektrycznym nazywamy róŜnicę między całkowitym prądem
płynącym przez fotorezystor i tzw. prądem ciemnym, płynącym przez fotorezystor przy braku
oświetlenia.
Podstawowymi parametrami fotorezystora są:
− czułość widmowa, czyli zaleŜność rezystancji od natęŜenia oświetlenia,
− rezystancja ciemna RD (przy braku oświetlenia), zawierająca się w przedziale 106 ÷ 1012Ω
− współczynnik n określany jako stosunek rezystancji ciemnej do rezystancji przy danej
wartości natęŜenia oświetlenia (np. 50 lx), sięgający kilku tysięcy.
Tabela 9. Przykładowa karta katalogowa fotorezystorów [pl.wikipedia.org]
Typ
RPP111
RPP333
RPP550
Umax
[V]
<500
<60
<350
Pmax
[W]
<0,1
<0,05
<0,6
RD
[MΩ]
>100
>5
>1
n
>2000
>2500
>5000
λ
[nm]
58–680
540–630
580–680
Fototranzystor
Fototranzystor jest to element półprzewodnikowy z dwoma złączami PN, który działa tak
samo jak konwencjonalny tranzystor, przy czym jego prąd kolektora nie zaleŜy od prądu
bazy, lecz od natęŜenia promieniowania oświetlającego obszar bazy.
W fototranzystorach końcówka bazy moŜe być wyprowadzona lub nie wyprowadzona na
zewnątrz obudowy. Pierwszy przypadek umoŜliwia niezaleŜne sterowanie optyczne
i elektryczne fototranzystorem.
Kształt charakterystyki prądowo-napięciowej fototranzystora jest identyczny z kształtem
charakterystyki konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury złącza zwiększa się
prąd ciemny i prąd fotoelektryczny, a przy wzroście napięcia UCE rośnie tylko prąd ciemny.
30
Sprawdzanie elementów optoelektronicznych
Uszkodzenie elementów optoelektronicznych jest dość łatwe do stwierdzenia. Brak
świecenia diody LED moŜe być spowodowany przerwą wewnątrz obudowy lub jej
przegrzaniem. NaleŜy sprawdzić czy w czasie pracy na jej końcówkach jest napięcie
polaryzujące diodę w kierunku przewodzenia. Jeśli jest naleŜy wymienić diodę na nową.
Trudniej jest sprawdzić diodę IR, poniewaŜ promieniowanie podczerwone nie jest widoczne.
Do sprawdzenia naleŜy uŜyć odbiornika podczerwieni uprzednio sprawdzonego, którym
steruje badana dioda. Ponadto moŜna przeprowadzić badania sprawdzające takie same jak dla
diod prostowniczych.
Fotorezystor moŜna sprawdzić mierząc jego rezystancję przy róŜnych natęŜeniach
światła. JeŜeli rezystancja znacznie się zmienia to fotorezystor jest sprawny.
W podobny sposób moŜna sprawdzić fototranzystor mierząc (w stanie pracy) jego napięcie na
kolektorze przy róŜnych natęŜeniach światła. JeŜeli fototranzystor ma wyprowadzoną bazę to
moŜna przeprowadzić badanie tak samo jak w przypadku tranzystora bipolarnego.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
Jakie są podstawowe parametry charakterystyczne diody prostowniczej?
Jakie są podstawowe parametry graniczne diody stabilizacyjnej?
Jakie informacje moŜna odczytać z oznaczenia diody BZP 683 – D12?
Co oznacza litera R umieszczona na końcu oznaczenia diody?
Jak sprawdzić sprawność diody prostowniczej lub stabilizacyjnej za pomocą cyfrowego
multimetru uniwersalnego?
Jakie funkcje mogą spełniać tranzystory i tyrystory w układzie elektronicznym?
Na czym polega róŜnica w działaniu tranzystorów bipolarnych i unipolarnych?
Jak nazywamy wyprowadzenia tranzystorów bipolarnych, a jak unipolarnych?
Jaka jest polaryzacja złączy tranzystora bipolarnego w stanie nasycenia?
Jaka jest definicja współczynnika β tranzystorów?
Jaka jest definicja napięcia odcięcia kanału tranzystora?
Jaki typ tranzystora unipolarnego przewodzi prąd dla dodatniego napięcia większego od
UGsoff?
Jakie wyróŜniamy stany pracy tyrystora?
Czym się róŜni w działaniu tyrystor SCR od GTO?
Jaka jest definicja parametru UDRM tyrystora?
W jaki sposób wyłączany jest triak?
Wymień, jakie są rodzaje elementów optoelektronicznych?
W oparciu o jakie zjawisko działają fotodetektory?
Jakie są podstawowe parametry diody elektroluminescencyjnej?
Gdzie mogą być stosowane elementy optoelektroniczne?
Jakie są podstawowe parametry fotodetektorów?
Jak sprawdzić prawidłowe diody LED?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wyznacz charakterystykę prądowo-napięciową określonej diody Zenera spolaryzowanej
w kierunku zaporowym i odczytaj z jej przebiegu parametry UZ i rz.
31
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
−
−
−
−
−
−
−
zaproponować układ pomiarowy do zbadania diody,
zbudować układ pomiarowy,
sporządzić tabelę do wpisywania wyników badań,
wyznaczyć metodą „punkt po punkcie” charakterystykę prądowo-napięciową diody,
narysować charakterystykę prądowo-napięciową diody na papierze milimetrowym,
odczytać z narysowanej charakterystyki wartości UZ i wartości rz,
porównać wyznaczony fragment charakterystyki diody i wyznaczone parametry diody
z danymi katalogowymi.
zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania pomiarów parametrów
elementów półprzewodnikowych metodą „punkt po punkcie” i instrukcje obsługi do tych
przyrządów,
zasilacz regulowany,
makieta z badaną diodą i przewody połączeniowe,
stanowisko do badań diod półprzewodnikowych,
zeszyt do ćwiczeń, papier milimetrowy i karta katalogowa badanej diody,
ołówek, linijka, inne przyrządy kreślarskie,
Ćwiczenie 2
Dokonaj pomiaru napięcia przewodzenia UF danej diody prostowniczej przy określonym
prądzie przewodzenia I0.
1)
2)
3)
4)
5)
odczytać w karcie katalogowej wartość napięcia progowego danej diody,
zaproponować układ pomiarowy do zbadania napięcia przewodzenia diody,
zbudować układ pomiarowy,
wymusić za pomocą potencjometru przepływ określonego prądu przez diodę,
zmierzyć wartość spadku napięcia na diodzie.
−
−
−
−
−
−
karty katalogowe diod prostowniczych,
zasilacz regulowany,
makieta z badaną diodą i przewody połączeniowe,
amperomierz i woltomierz,
zeszyt do ćwiczeń,
Ćwiczenie 3
Rozpoznaj elektrody tranzystora bipolarnego oraz sprawdź prawidłowość jego działania.
1) odczytać z karty katalogowej podstawowe parametry tranzystora,
32
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
−
−
−
−
−
dokonać wyboru przyrządu pomiarowego,
rozpoznać wyprowadzenie bazy tranzystora,
za pomocą wybranego przyrządu ustalić polaryzację tranzystora,
za pomocą wybranego przyrządu ustalić sprawność tranzystora,
na podstawie oględzin zewnętrznych ustalić wyprowadzenia emitera i kolektora,
rozpoznać, wykorzystując katalog, typ obudowy danego tranzystora,
sprawdzić, czy rozpoznanie wyprowadzeń badanego tranzystora jest zgodne z danymi
katalogowymi.
badane tranzystory
karty katalogowe badanych tranzystorów,
uniwersalny miernik cyfrowy,
zeszyt do ćwiczeń, przybory do pisania,
Ćwiczenie 4
Określ warunki napięciowe przepływu prądu przez tranzystor unipolarny wskazany na
schemacie ideowym oraz kierunek przepływu tego prądu.
1)
2)
3)
4)
5)
rozpoznać na podstawie symbolu graficznego typ tranzystora unipolarnego,
odczytać z karty katalogowej wartość napięcia odcięcia kanału danego tranzystora,
narysować układ polaryzacji tranzystora,
określić kierunek przepływu prądu przez tranzystor,
określić przedział napięć UGS dla których tranzystor będzie przewodził prąd.
−
−
−
−
karty katalogowe badanych tranzystorów,
schematy ideowe układów elektronicznych,
Ćwiczenie 5
Sprawdź prawidłowość działania triaka.
1)
2)
3)
4)
5)
−
zapoznać się z danymi katalogowymi triaka,
zbudować układ pomiarowy zgodnie z instrukcją,
wybrać zakres pomiarowy miliamperomierza na podstawie danych katalogowych,
dokonać pomiaru prądu płynącego w układzie pomiarowym,
ocenić sprawność działania triaka.
triak oraz zestaw oporników i potencjometrów do pomiaru parametrów elementów
elektronicznych,
33
−
−
−
−
−
regulowany zasilacz napięcia DC,
instrukcja do ćwiczenia,
miliamperomierz DC,
Ćwiczenie 6
Sprawdź prawidłowość działania i parametry elektryczne określonej diody IR oraz jej
oddziaływanie na fotorezystor.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
−
−
−
−
−
−
−
zaproponować metodę najprostszego zbadania sprawności diody IR w oparciu
o urządzenia i przyrządy pomiarowe przedstawione w instrukcji,
wykonać sprawdzanie sprawności diody,
zaproponować układ pomiarowy do sprawdzenia oddziaływania diody IR na fotorezystor,
zmontować układ pomiarowy,
wykonać pomiar,
oszacować, przy jakim prądzie przewodzenia diody (przy określonej odległości)
fotorezystor zaczyna reagować na promieniowanie diody,
narysować zaleŜność prądu płynącego przez fotorezystor (przy stałym napięciu zasilania)
od prądu płynącego przez diodę.
nadajnik i odbiornik IR umieszczone na makiecie pomiarowej,
zestaw mierników uniwersalnych,
przewody połączeniowe,
zeszyt do ćwiczeń i papier milimetrowy,
kalkulator,
Czy potrafisz:
Tak
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
określić warunki spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia
i zaporowym?
zdefiniować parametry charakterystyczne diody prostowniczej lub
stabilizacyjnej?
odczytać oznaczenia katalogowe diod półprzewodnikowych?
sprawdzić sprawność diody półprzewodnikowej?
określić jakie funkcje spełniają tranzystory i tyrystory w układach
elektronicznych?
opisać na czym polega róŜnica w działaniu tranzystorów
bipolarnych i unipolarnych?
określić konfigurację wyprowadzeń tranzystorów róŜnych typów?
34
Nie
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
określić jaka jest polaryzacja złączy tranzystora bipolarnego
w danym stanie pracy?
zdefiniować parametry podstawowe tranzystorów?
opisać działanie tranzystora dla róŜnych warunków polaryzacji?
opisać stany pracy tyrystora?
rozróŜniać działanie tyrystora SCR od GTO?
zdefiniować parametry tyrystorów i triaków?
opisać działanie triaka?
wymienić podstawowe rodzaje elementów optoelektronicznych?
okreslić podstawowe parametry elementów optoelektronicznych?
wskazać zastosowanie elementów optoelektronicznych?
sprawdzić sprawność diody LED i fotodetektorów?
35
4.3. Elektroniczne układy zasilające
Układy elektroniczne
Układem elektronicznym nazywamy złoŜony obwód elektryczny zawierający bierne
i aktywne elementy elektroniczne spełniający pewne podstawowe funkcje do których
zaliczamy wzmocnienie, przetworzenie lub wygenerowanie poŜądanego sygnału. Układy
tworzą z kolei podstawowe bloki urządzeń elektronicznych, których działanie jest bardziej
złoŜone niŜ działanie samych układów.
Monolitycznym układem scalonym nazywamy układ elektroniczny, którego elementy
czynne i bierne są wykonane w płytce półprzewodnikowej (najczęściej krzemowej),
a dokładniej w jej cienkiej warstwie przypowierzchniowej.
Ze względu na rodzaj przetwarzanych sygnałów układy scalone dzielimy na:
− analogowe, przetwarzające ciągłe sygnały napięciowe przyjmujące dowolne wartości
w określonym przedziale,
− cyfrowe, przetwarzające binarne sygnały napięciowe przyjmujące wartości logiczne 0 i 1.
Do podstawowych układów analogowych zaliczamy wzmacniacze operacyjne,
wzmacniacze mocy, stabilizatory napięcia, generatory oraz układy specjalizowane stosowane
w określonych urządzeniach np. układy radiowo – telewizyjne.
Podstawowe układy analogowe wytwarzane są najczęściej w obudowach typu DIP (rys. )
lub w obudowach przypominających bipolarne tranzystory mocy (rys. ). DIP jest to skrót od
angielskiej nazwy obudowy dwurzędowej czyli DUAL IN LINE PACKAGE, czasami
spotyka się równieŜ nazwę DIL. W obudowach typu DIP są umieszczane układy scalone do
montaŜu tradycyjnego (przewlekanego) co oznacza, Ŝe w obwodzie drukowanym w miejscu
pod montaŜ takiego układu znajdują się otwory w takim rozstawie i liczbie jakie ma układ
scalony.
Przykład jak wyglądają typowe układy w obudowie typu DIP jest pokazany na (rys. 22)
Rys. 22.
Obudowa typu DIP [www.edw.com.pl]
W obudowach typu DIP umieszczane są układy scalone o liczbie wyprowadzeń od 4 do
48. Wyprowadzenia układów scalonych (tzw. pin – y) mają jednoznacznie określony sposób
numerowania polegający na liczeniu pin – ów w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek
36
zegara (patrząc od strony wyprowadzeń) począwszy od pin 1. Na rysunku obudowy DIP
pokazany jest znacznik (czasami jest to kropka) identyfikujący pin 1 układu.
Zasilacze napięciowe
Zasilaczem nazywamy układ elektroniczny wytwarzający napięcie stałe przeznaczone do
zasilania innych układów elektronicznych. Inaczej mówiąc zasilacz przetwarza napięcie
przemienne sieci zasilającej (np. 230 V, 50 Hz) na napięcie stałe.
Schemat funkcjonalny zasilacza przedstawiono (w dwóch wersjach) na rysunku 23.
Rys. 23. Schemat funkcjonalny zasilaczy: a) prostego, b) z transformatorem [5, s. 239]
Wersja zawierająca prosty zasilacz składa się z trzech bloków: prostownika, filtru
dolnoprzepustowego FDP oraz stabilizatora napięcia wyjściowego. Prostownik zamienia prąd
zmienny na prąd jednokierunkowy, filtr FDP przepuszcza na wyjście składową stałą
pulsującego prądu jednokierunkowego i tłumi składową zmienną, a stabilizator powoduje
zmniejszenie tętnień napięcia wyjściowego.
Wersja druga zawiera te same bloki co pierwsza, ale dodatkowo jest odseparowana od
sieci zasilającej transformatorem sieciowym, który zwykle obniŜa znacznie napięcie zmienne
podawane na prostownik, a co za tym idzie obniŜa napięcie wyjściowe zasilacza. Zasilacz
z transformatorem odseparowuje galwanicznie obwody wyjściowe od wejściowych, co jest
duŜą zaletą tego urządzenia. Ponadto układ zasilacza z transformatorem daje się łatwo
zaadaptować do wytwarzania kilku napięć stałych (jeden transformator o kilku uzwojeniach
wtórnych), a diody prostownicze stosowane w tych zasilaczach mogą mieć stosunkowo
nieduŜe napięcie wsteczne. Natomiast wadą tego typu zasilaczy są duŜe rozmiary
transformatorów (gdy moc zasilacza przekracza 20 W), mała sprawność i mała skuteczność
tłumienia tętnień.
Układy prostownicze
Układy prostownicze są najczęściej podzespołem urządzenia zwanego zasilaczem
napięciowym, które przetwarza napięcie przemienne sieci zasilającej (w Polsce 230 V, 50 Hz)
na napięcie stale o ustabilizowanej wartości. Zadaniem prostownika jest wytworzenie na
wyjściu napięcia zmiennego, ale o stałej polaryzacji.
Prostownik jednopulsowy przewodzi prąd tylko w jednym kierunku, w wyniku czego na
wyjściu pojawiają się tylko dodatnie „połówki” wejściowego napięcia sinusoidalnego, co
pokazano na rysunku 24.
37
Rys. 24. Prostownik jednopulsowy: a) schemat, b) przebiegi napięć i prądów w układzie [5, s. 240]
Elementem załączającym jest dioda półprzewodnikowa D, która przewodzi, gdy napięcie
uwe > UF i nie przewodzi, gdy uwe < UF. W stanie nieprzewodzenia napięcie wyjściowe jest
równe 0, w stanie przewodzenia określone jest wzorem
u wy = u we − U F
W celu zmniejszenia tętnień oraz zwiększenia wydatkowania energii, w obciąŜeniu
prostownika stosuje się kondensatory, które magazynują energię w czasie ∆T, co pokazano na
rysunku 25.
Prostownik z obciąŜeniem rezystancyjno – pojemnościowym (rys. 30) utrzymuje na
wyjściu napięcie o wartości zbliŜonej do wartości szczytowej napięcia wejściowego. Prąd iD
w tym układzie płynie tylko w czasie ∆T doładowywania pojemności, czyli krócej niŜ przy
obciąŜeniu rezystancyjnym.
Rys. 25. Prostownik jednopulsowy z obciąŜeniem RC: a) schemat, b) przebiegi napięć i prądów
w układzie [5, s. 241]
Lepszymi parametrami charakteryzują się prostowniki dwupulsowe pokazane na rysunku
26.
Rys. 26. Prostownik dwupulsowy: a) układ z transformatorem, b) układ Graetza [5, s.241]
38
W układach tych prąd płynie przez obciąŜenie Ro praktycznie przez cały czas w jednym
kierunku. W układzie z transformatorem (rys. 26a), przy dodatniej połówce wejściowego
przebiegu sinusoidalnego prąd płynie od zacisku 1 przez diodę D1 i obciąŜenie Ro do zacisku
2, a przy ujemnej od zacisku 2 przez diodę D2 i obciąŜenie Ro do zacisku 1.
W układzie mostka Graetza (rys. 26b), który jest najczęściej stosowany sytuacja jest
podobna. Przy dodatniej połówce wejściowego przebiegu sinusoidalnego prąd płynie od
zacisku 1 przez diodę D1, obciąŜenie Ro i diodę D3 do zacisku 2, a przy ujemnej od zacisku 2
przez diodę D2, obciąŜenie Ro i diodę D4 do zacisku 1. Układ ten zapewnia lepsze
wykorzystanie mocy transformatora.
Układy stabilizacji napięcia
Układy te charakteryzują się następującymi parametrami:
− znamionowe napięcie wyjściowe, tzn. to na które został zaprojektowany stabilizator,
− zakres regulacji napięcia wyjściowego,
− dopuszczalny zakres zmian napięcia wyjściowego,
− zakres zmian prądu wyjściowego,
− współczynnik stabilizacji S to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją
zmiany napięcia wejściowego.
Najprostszym układem stabilizacji napięcia jest stabilizator z diodą Zenera, stosowany
w prostych zasilaczach lub jako źródło napięcia odniesienia. Układ ten przedstawiono na
rysunku 27.
Uwe
Uwy
R
Robc
UZ
Rys. 27.
Schemat układu stabilizatora z diodą Zenera [opracowanie własne]
Właściwości stabilizacyjne tego układu wynikają z kształtu charakterystyki
prądowo-napięciowej diody Zenera, która została opisana w części 4.2 materiału nauczania
tego poradnika. Napięcie wyjściowe Uwy jest równe napięciu Zenera Uz diody, a jego zmiany
pod wpływem zmian napięcia wejściowego Uwe i rezystancji obciąŜenia Robc są
zminimalizowane. Mechanizm stabilizacji napięcia dla idealnej diody Zenera jest następujący.
JeŜeli napięcie Uwe rośnie to wzrasta wartość prądu I płynącego przez opornik R oraz część
tego prądu wpływająca do diody czyli prąd IZ, a napięcie Uz nie ulega zmianie. JeŜeli z kolei
zaczniemy zmniejszać rezystancję Robc to prąd I pozostaje bez zmian, ale zmniejsza się prąd
IZ kosztem wzrostu prądu w obciąŜeniu, a napięcie Uz równieŜ nie ulega zmianie.
Gdy załoŜymy, Ŝe dioda nie jest idealna to musimy uwzględnić jej rezystancję
dynamiczną rZ, która wpływa na współczynnik stabilizacji w taki sposób, Ŝe im większa
wartość rZ tym gorsza stabilizacja napięcia wyjściowego.
Zakres poprawnej pracy stabilizatora diodowego wyznacza z jednej strony konieczność
minimalnego przepływu prądu przez diodę IZmin i z drugiej strony maksymalny prąd płynący
przez diodę IZmax ograniczony maksymalną mocą tej diody PDmax, co moŜna opisać
następującymi wzorami.
U we min − U Z
− I wy max = I Z min
R
PD max = I Z max (U Z + I Z max ⋅ rZ )
39
Do zasilania układów elektronicznych najczęściej stosuje się stabilizatory ze sprzęŜeniem
zwrotnym działające w układzie szeregowym lub równoległym (rys. 28). W obydwu tych
układach napięcie wyjściowe (lub jego część) porównywane jest z wzorcowym napięciem
odniesienia, a układ regulacji zmienia wartość prądu płynącego przez obciąŜenie tak, aby
utrzymać na wyjściu stałą wartość napięcia.
Rys. 28. Schematy tranzystorowych układów stabilizacji napięcia: a) szeregowego b) równoległego
[5, s.250]
Napięcie wyjściowe w obu układach ma taką samą wartość i jest równe sumie napięć na
diodzie Zenera, która jest źródłem napięcia odniesienia i złączu B – E tranzystora
spełniającego rolę elementu regulacyjnego. Układy te charakteryzują się znacznie lepszymi
własnościami stabilizacyjnymi w porównaniu ze stabilizatorami diodowymi.
Jeszcze lepsze parametry stabilizacyjne uzyskamy w układach stabilizatorów
tranzystorowych o rozbudowanej strukturze wyposaŜonych w układ porównująco –
wzmacniający zbudowany na wzmacniaczu róŜnicowym (rys. 29).
Rys. 29.
Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym [5, s.252]
W układzie stabilizatora na rysunku 29 rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez
diodę Zenera, tranzystory T1 i T2 tworzą wzmacniacz róŜnicowy, w którym następuje
porównanie napięcia Up (zdzielnikowane napięcie wyjściowe) z napięciem odniesienia Uz.
Natomiast stopniem regulującym są tranzystory T3 i T4 pracujące w układzie Darlingtona
i sterowane napięciem wyjściowym wzmacniacza róŜnicowego. JeŜeli jeden z oporników
dzielnika napięcia zastąpimy potencjometrem to uzyskamy stabilizator z regulacją napięcia
wyjściowego określonego następującym wzorem.
R6
U Z = U wy
R5 + R6
gdzie:
R5 – opornik dzielnika napięcia [kΩ],
R6 – opornik dzielnika napięcia [kΩ],
Uwy –napięcie wyjściowe stabilizatora [V],
UZ – napięcie na diodzie Zenera [V].
40
Zabezpieczenia stabilizatorów
W stabilizatorach stosuje się dwie grupy zabezpieczeń: nadnapięciowe i nadprądowe
Najprostszymi elementami zabezpieczenia nadnapięciowego są kondensatory włączane
równolegle do wejścia i wyjścia stabilizatora. Innym elementem tych zabezpieczeń są diody
prostownicze włączane równolegle do wejść i wyjść stabilizatora, spolaryzowane zaporowo
przy normalnej pracy stabilizatora. Diody te zabezpieczają zasilacz przed zniszczeniem
wskutek odwrotnego włączenia napięcia wejściowego lub przyłączenia wyjścia do napięcia
o odwrotnej polaryzacji.
Najczęściej stosowanym zabezpieczeniem nadprądowym jest bezpiecznik topikowy,
umieszczany w obwodzie pierwotnym transformatora i na wyjściu stabilizatora. Jednak
zabezpieczenie to nie zapewnia skutecznej ochrony przed wzrostem prądu obciąŜenia
nieznacznie większym od wartości nominalnej prądu bezpiecznika.
Jednym ze sposobów zapobiegających temu jest zastosowanie układu zwiększającego
przeciąŜenie bezpiecznika (rys. 30a). W układzie tym tranzystor zostanie włączony gdy
napięcie na oporniku Rz odłoŜy się napięcie progowe dla tego tranzystora, a on z kolei załączy
tyrystor powodujący przepływ duŜego prądu zwarcia. W konsekwencji uzyskuje się
przyśpieszone przepalenie bezpiecznika i odłączenie stabilizatora od źródła napięcia
wejściowego.
Rys. 30.
Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym:
a) układ zwiększający przeciąŜenie bezpiecznika, b) układ „bez podcięcia”
charakterystyki,
c)
układ
„z
podcięciem”
charakterystyki
[5, s. 254]
Podobnie działają elektroniczne układy ograniczające prąd obciąŜenia stabilizatorów.
Układy te występują w dwóch wersjach. Pierwsza z nich (rys. 30b) tylko ogranicza napięcie
wyjściowe, gdy prąd wyjściowy osiągnie swoją maksymalną dopuszczalną wartość. Drugi
układ zabezpieczeń (rys. 30c) dodatkowo zmniejsza prąd wypływający ze stabilizatora
41
w chwili zwarcia wyjścia do masy. Pierwszy układ ma charakterystykę obciąŜeniową „bez
podcięcia”, a drugi „z podcięciem” poniewaŜ tranzystor zabezpieczający T sterowany jest
róŜnicą spadków napięć na rezystorach Rz i R1. Układy z podcięciem charakterystyki realizuje
się w celu zabezpieczenia układu stabilizatora przed uszkodzeniem termicznym.
Scalone stabilizatory napięcia
W praktyce często stosuje się scalone stabilizatory napięcia, które mogą pracować jako:
− uniwersalne układy o napięciu wyjściowym regulowanym za pomocą elementów
zewnętrznych,
− układy o napięciu wyjściowym ustalonym w procesie produkcji.
Przykładem uniwersalnego scalonego stabilizatora napięcia jest układ µA 723, którego
wyprowadzenia i schematy połączeń przedstawiono na rysunku 31.
c)
Rys. 31. Stabilizator scalony µA 723: a) pracujący w układzie Uwy < Uo, b) pracujący w układzie
Uwy = Uo, c) rozmieszczenie wyprowadzeń układu scalonego [5, s. 257 oraz
www.cyfronika.com.pl]
W układzie z rysunku 31a napięcie wyjściowe jest porównywane ze „zdzielnikowanym”
napięciem źródła odniesienia według wzoru
U wy = U O
R2
R1 + R2
gdzie:
UO – napięcie odniesienia [V],
Uwy– napięcie wyjściowe stabilizatora [V],
R1 – rezystancja opornika w układzie wejściowego dzielnika napięcia [kΩ],
R2 – rezystancja opornika w układzie wejściowego dzielnika napięcia [kΩ].
42
W układzie z rys. 31b napięcie wyjściowe jest porównywane bezpośrednio z napięciem
odniesienia zatem
U wy = U O
Układy o stałym napięciu wyjściowym mają trzy (lub dwie) końcówki wyprowadzeń:
wejście, masa, wyjście. Scalone stabilizatory na napięcie stałe o prądzie wyjściowym rzędu
kilku amperów (np. UL7805, który jest scalonym stabilizatorem napięcia +5 V) mają
metalowe obudowy.
Stabilizatory impulsowe
Działanie zasilaczy wyposaŜonych w stabilizatory napięcia o działaniu ciągłym powoduje
wydzielanie się duŜych mocy w elemencie wykonawczym tych stabilizatorów. W celu
poprawienia sprawności energetycznej zasilaczy stosuje się stabilizatory impulsowe (rys. 32)
wykorzystujące elementy indukcyjne i układy kluczujące do przetwarzania napięcia
wejściowego na wyjściowe. Typowy stabilizator impulsowy zawiera:
− źródło napięcia odniesienia,
− układ dzielnikujący napięcie wyjściowe,
− dyskryminator napięcia z pętlą histerezy,
− układ kluczujący,
− cewka indukcyjna i dioda prostownicza.
Rys. 32.
Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym [5, s. 258]
Działanie stabilizatora polega na ciągłym kluczowaniu napięcia wejściowego
podawanego przez dławik na wyjście. Kluczowanie jest przełączane napięciem Uk (rys. 32c)
z dyskryminatora, który sterowany jest napięciem Up proporcjonalnym do napięcia
wyjściowego zgodnie z charakterystyką pokazaną na rysunku 32b. Efektem działania układu
kluczującego jest piłokształtny przebieg prądu obciąŜenia (rys. 32d), a tym samym i napięcia
43
na obciąŜeniu Ro. Gdy klucz jest włączony napięcie Uwy zwiększa się i prąd w cewce równieŜ
narasta. Po wyłączeniu klucza prąd cewki przejmowany jest przez diodę przy czym jego
wartość maleje, a co za tym idzie maleje napięcie wyjściowe. Zmiany napięcia Uwy są
nieznaczne wokół załoŜonej wartości średniej, a częstotliwość zmian zaleŜy od indukcyjności
cewki L i progów pętli histerezy UH1 i UH2. Im większa indukcyjność i róŜnica między
progami tym mniejsza częstotliwość przetwarzania. W praktyce parametry cewki
i dyskryminatora są tak dobierane, aby ta częstotliwość mieściła się w granicach od 20 kHz
do 200 kHz (typowo około 50 kHz).
Filtry dolnoprzepustowe
W celu poprawienia parametrów pracy prostowników połączonych bezpośrednio
z obciąŜeniem, a w szczególności eliminacji tętnień napięcia wyjściowego stosuje się
obciąŜenia reaktancyjne prostowników, to znaczy:
− obciąŜenie RoC (równoległe połączenie) stosowane przy małych prądach obciąŜenia,
− obciąŜenie RoL (szeregowe połączenie) stosowane przy duŜych prądach obciąŜenia.
Jeszcze lepsze efekty uzyskamy wstawiając między prostownik a obciąŜenie (lub
stabilizator) filtry dolnoprzepustowe FDP (rys. 33). Stosunek amplitudy składowej zmiennej
na wejściu filtru do amplitudy składowej zmiennej na jego wyjściu nazywamy
współczynnikiem filtracji F, którego wartość powinna być znacznie większa od jedności.
Rys. 33. Schematy układów do filtrowania napięć zasilających [5, s. 244]
Dla filtru z rysunku 33a stosowanego w zasilaczach duŜej mocy współczynnik ten
określony jest wzorem
F = m 2ω 2 LC
gdzie:
F – współczynnik filtracji,
m – liczba pulsów wyprostowanego przebiegu sinusoidalnego w ciągu okresu (m=1 lub m=2)
ω – pulsacja wejściowego napięcia sinusoidalnego [rad/s],
L – indukcyjność filtru [mH],
C – pojemności filtru [µF].
W zasilaczach małej mocy stosuje się filtry RC (rys. 33c), w których tłumienie składowej
stałej napięcia określone jest wzorem.
U wy
Ro
=
U we R + Ro
gdzie:
R0 – rezystancja obciąŜenia[kΩ],
R – rezystancja filtru [kΩ],
Uwy –napięcie wyjściowe stabilizatora [V],
Uwe– napięcie wejściowe stabilizatora [V].
44
Natomiast tłumienie składowej zmiennej napięcia wejściowego moŜna w przybliŜeniu
wyrazić wzorem.
F = ωRC
gdzie:
F – współczynnik filtracji,
m – liczba pulsów wyprostowanego przebiegu sinusoidalnego w ciągu okresu (m=1 lub m=2)
ω – pulsacja wejściowego napięcia sinusoidalnego [rad/s],
L – indukcyjność filtru [mH],
C – pojemności filtru [µF].
JeŜeli filtry zostaną połączone kaskadowo, to współczynnik filtracji będzie równy
iloczynowi współczynników poszczególnych filtrów.
Badanie stabilizatorów napięcia
Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk i parametrów stabilizatora
przedstawiono na rysunku 10. Napięcie sieci jest obniŜane do 24 V, a jego regulacja odbywa
się po stronie wtórnej autotransformatora. Dzięki temu uzyskujemy na wejściu stabilizatora
regulację napięcia stałego od 0 do około 30 V.
Rys. 34.
Układ pomiarowy do badania charakterystyk i parametrów stabilizatora [Grabowski, s. 179]
Wartości prądów i napięć na wejściu oraz wyjściu stabilizatora UB (urządzenie badane)
mierzymy za pomocą pokazanych na rysunku amperomierzy i woltomierzy, przy czym
napięcie wyjściowe UO naleŜy mierzyć woltomierzem cyfrowym mierzącym z dokładnością
do dwóch miejsc po przecinku, ze względu na niewielkie zmiany tego napięcia. Kształt
napięcia wyjściowego w stosunku do wejściowego porównujemy za pomocą oscyloskopu
OSC.
Charakterystyka przejściowa to zaleŜność UO = f(UI) przy zachowaniu stałej wartości
prądu obciąŜenia bliskiej wartości maksymalnej IOmax. Od pewnej wartości UImin napięcie
wyjściowe na charakterystyce przejściowej powinno być prawie linią poziomą.
Minimalne nachylenie charakterystyki przejściowej w zakresie stabilizacji pozwala
określić (zdefiniowany wcześniej) współczynnik stabilizacji napięci wyjściowego SU.
Dla uŜytkownika bardzo waŜną charakterystyką jest charakterystyka obciąŜeniowa, czyli
zaleŜność UO = f(IO) przy stałym napięciu wejściowym bliskim wartości maksymalnej UImax.
JeŜeli stabilizator jest wyposaŜony w sprawny układ zabezpieczeń przed przeciąŜeniem to
prąd obciąŜenia IO moŜna zmieniać od zera aŜ do zwarcia. Obserwując reakcję układu na
45
zwarcie moŜemy ocenić czy charakterystyka obciąŜeniowa jest z tzw. „podcięciem” czy „bez
pocięcia”.
W układzie pomiarowym (rys. 34) moŜemy wyznaczyć równieŜ współczynnik tłumienia
tętnień napięcia występujących na wejściu stabilizatora. W tym celu naleŜy przy
maksymalnym obciąŜeniu stabilizatora podać na jego wejście maksymalne dopuszczalne
napięcie stałe i obserwować na oscyloskopie składową zmienną tego napięcia na wejściu i na
wyjściu badanego układu. Stosunek wartości międzyszczytowej sygnału zmiennego na
wyjściu stabilizatora do wartości między szczytowej sygnału zmiennego na jego wejściu jest
równy badanemu współczynnikowi.
Lokalizacja uszkodzeń w układach zasilających
Wystąpienie usterek w działaniu zasilaczy stwierdzamy na podstawie przeprowadzonych
wcześniej badań. Najczęściej efektem uszkodzenia zasilacza jest brak napięcia wyjściowego.
W takim przypadku naleŜy najpierw sprawdzić (przestrzegając zasad bhp) czy do zasilacza
doprowadzone jest napięcie sieciowe, a następnie czy do wejścia stabilizatora „dochodzi”
napięcie wyprostowane. JeŜeli nie to przyczyną niesprawności zasilacza moŜe być przerwa
w obwodzie wejściowym, uszkodzenie diod w prostowniku, zwarcie kondensatorów (lub
przerwa w uzwojeniach cewek) filtrów dolnoprzepustowych lub zwarcie w obwodzie
wejściowym samego stabilizatora. Odłączając poszczególne bloki zasilacza lokalizujemy
w którym z nich nastąpiło uszkodzenie. JeŜeli przyczyną usterki okazał się stabilizator
napięcia to w przypadku układów scalonych lub skomplikowanych układów impulsowych
naleŜy wymienić go na nowy. Natomiast w przypadku prostego stabilizatora parametrycznego
lub tranzystorowego (szeregowego lub równoległego) warto sprawdzić czy nie uległ
uszkodzeniu tranzystor regulacyjny lub dioda Zenera. W przypadku niesprawności
skomplikowanych zasilaczy (po wykluczeniu prostych uszkodzeń) naleŜy je oddać do
naprawy w wyspecjalizowanych punktach serwisowych.
Jakie są podstawowe rodzaje prostowników?
Jaki jest wpływ kondensatora na wyjściu prostownika na kształt napięcia wyjściowego?
Jak działa mostek Graetza?
Jak działa stabilizator napięcia ze sprzęŜeniem szeregowym?
Jak dzielimy stabilizatory ze względu na zasadę działania, a jak ze względu na
charakterystykę obciąŜeniową?
6. Jakie są podstawowe parametry stabilizatora napięcia?
7. Kiedy stosujemy w zasilaczach filtry RC a kiedy RL?
8. Jak definiujemy współczynnik filtracji filtrów FDP stosowanych w zasilaczach?
9. Z jakich podstawowych bloków składa się zasilacz impulsowy?
10. Jak badamy charakterystykę obciąŜeniową, a jak charakterystykę przejściową
stabilizatora napięcia?
11. Jakie parametry moŜna odczytać z charakterystyk stabilizatora napięcia?
12. Jakie są ogólne zasady lokalizacji uszkodzeń w zasilaczu napięciowym?
1.
2.
3.
4.
5.
46
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Rozpoznaj na przedstawionych schematach ideowych układ Graetza z obciąŜeniem RC
oraz określ na podstawie parametrów elementów tego prostownika i parametrów
transformatora maksymalne napięcie i prąd wyjściowy tego układu zasilającego.
dokonać wyboru właściwego układu,
zapoznać się ze schematem ideowym wybranego układu,
odczytać z katalogów parametry elementów układu zasilającego,
określić które parametry elementów układu mogą mieć wpływ na ograniczenie napięcia
i prądu wyjściowego,
5) oszacować maksymalne wartości wyjściowego prądu i napięcia układu zasilającego.
1)
2)
3)
4)
−
−
−
−
−
schematy ideowe prostowników,
karty katalogowe elementów układu zasilającego,
kalkulator,
zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania,
Ćwiczenie 2
Rozpoznaj na przedstawionych schematach ideowych układ stabilizatora szeregowego ze
sprzęŜeniem zwrotnym i zabezpieczeniem nadprądowym „bez podcięcia”. Oblicz przy jakiej
wartości prądu obciąŜenia zadziała zabezpieczenie.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
dokonać wyboru właściwego układu,
zapoznać się ze schematami ideowymi układów zasilających,
wskazać właściwy schemat,
określić od parametrów których elementów układu zaleŜy zadziałanie zabezpieczenia,
wykonać odpowiednie obliczenie,
podać wartość maksymalnego prądu zwarciowego tego układu zasilającego.
−
−
−
−
schematy ideowe prostowników,
kalkulator
Ćwiczenie 3
Wyznacz charakterystykę przejściową szeregowego, tranzystorowego stabilizatora
napięcia z moŜliwością regulacji napięcia wyjściowego dla dwóch skrajnych ustawień
potencjometru. Odczytaj z wykresu współczynnik stabilizacji napięcia badanego układu.
47
zapoznać się ze schematem ideowym układu stabilizatora,
narysować właściwy schemat układu pomiarowego,
zmontować prawidłowo układ pomiarowy,
wykonać pomiar charakterystyki przejściowej metodą „punkt po punkcie” dla dwóch
ustawień potencjometru,
5) zapisać w tabeli wyniki pomiarów,
6) narysować charakterystyki przejściowe,
7) wyliczyć dla kaŜdej charakterystyki współczynnik stabilizacji napięcia,
1)
2)
3)
4)
−
−
−
−
−
−
prostownik, filtr dolnoprzepustowy i stabilizator napięcia,
autotransformator i opornik suwakowy,
amperomierze i woltomierze cyfrowe,
kalkulator
zeszyt do ćwiczeń, papier milimetrowy i przybory do pisania,
Ćwiczenie 4
Wyznacz charakterystykę obciąŜeniową stabilizatora napięcia wyjściowego z tzw.
„podcięciem” oraz określ współczynnik tłumienia tętnień dla badanego układu.
9)
zapoznać się ze schematem ideowym układu stabilizatora,
narysować właściwy schemat układu pomiarowego,
zmontować prawidłowo układ pomiarowy,
wykonać pomiar charakterystyki przejściowej metodą „punkt po punkcie”,
zapisać w tabeli wyniki pomiarów,
narysować charakterystykę obciąŜeniową,
określić przy jakiej wartości prądu zaczyna i przy jakim kończy działanie zabezpieczenie
przeciwzwarciowe,
zmierzyć oscyloskopem międzyszczytowe wartości napięć zmiennych na wejściu oraz
wyjściu stabilizatora,
obliczyć współczynnik tłumienia tętnień napięcia w procentach.
−
−
−
−
−
−
−
oscyloskop dwukanałowy,
kalkulator,
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
48
Ćwiczenie 5
Zaprojektować prosty układ zasilacza zawierającego mostek Graetza, filtr
dolnoprzepustowy i stabilizator scalony dla określonych warunków napięciowych na wejściu
i wyjściu zasilacza.
5)
6)
zapoznać się z warunkami napięciowymi dla zasilacza,
zapoznać się z budową, schematem aplikacyjnym i parametrami danego układu
scalonego,
narysować schemat ideowy układu zasilacza,
wybrać i obliczyć parametry elementów zasilacza od których zaleŜy jego prawidłowe
działanie,
dobrać z katalogów elementy układu o określonych parametrach,
sporządzić listę wybranych elementów układu.
−
−
−
−
−
−
−
kalkulator,
1)
2)
3)
4)
Ćwiczenie 6
Zlokalizować uszkodzony element układu zasilacza składającego się z prostownika
dwupulsowego, filtra RC, stabilizatora szeregowego zbudowanego na diodzie Zenera
i jednym tranzystorze.
1) zapoznać się z warunkami bhp w których będziesz uruchamiać zasilacz,
2) zapoznać się z budową, schematem ideowym oraz parametrami zasilacza,
3) podłączyć zasilacz do sieci 230 V/50 Hz przez transformator ochronny zgodnie
z zasadami bhp,
4) ustalić czy na wejściu stabilizatora jest napięcie wyprostowane,
5) ustalić czy na wyjściu stabilizatora istnieje napięcie i jak reaguje na podłączenie
obciąŜenia,
6) dokonać pomiarów napięcia w innych punktach układu w zaleŜności od wyników
ustaleń,
7) zlokalizować uszkodzony element lub uszkodzone połączenie w układzie,
8) wymontować potencjalnie uszkodzony element układu,
9) sprawdzić czy wymontowany element jest uszkodzony,
10) powtórzyć badania w przypadku braku potwierdzenia uszkodzenia elementu,
11) stwierdzić jaka była przyczyna uszkodzenia zasilacza.
49
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
schematy ideowe i montaŜowe układu zasilacza,
dokumentacja techniczna zasilacza,
zmontowany (otwarty) układ zasilacza,
transformator ochronny i opornik suwakowy,
źródło napięcia sieciowego 230 V/50 Hz,
cyfrowe mierniki uniwersalne,
stacja lutownicza i materiały lutownicze,
narzędzia monterskie,
kalkulator i zeszyt do ćwiczeń.
Czy potrafisz:
Tak
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
rozpoznać podstawowe rodzaje prostowników?
określić wpływ kondensatora na wyjściu prostownika na kształt
napięcia wyjściowego?
wyjaśnić zasadę działania mostka Graetza?
wyjaśnić zasadę działania stabilizatora napięcia ze sprzęŜeniem
szeregowym?
przedstawić podział stabilizatorów według róŜnych kryteriów?
wymienić podstawowe parametry stabilizatora napięcia?
zastosować odpowiedni filtr jako element zasilacza?
opisać budowę zasilacza impulsowego?
zmierzyć podstawowe charakterystyki stabilizatora napięcia?
zmierzyć podstawowe parametry zasilacza napięciowego?
zlokalizować proste uszkodzenia w zasilaczu napięciowym?
50
Nie
4.4. Elektroniczne układy wzmacniające i generacyjne
Podstawowe właściwości i parametry wzmacniaczy
Podstawową funkcją wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału, przy zachowaniu nie
zmienionego jego kształtu. Wzmocnienie to odbywa się kosztem energii doprowadzonej
z pomocniczego źródła napięcia stałego. W związku z tym w kaŜdym wzmacniaczu wyróŜnia
się dwa zasadnicze obwody: obwód sygnału i obwód zasilania. Obwód zasilania stwarza
właściwe warunki dla wzmocnienia sygnału, natomiast obwód sygnału jest związany
z przenoszeniem sygnału przez wzmacniacz. Dla wzmacnianego sygnału wzmacniacz jest
czwórnikiem (rys. 35) do którego zacisków wejściowych dołączono źródło sygnału, a do
wyjściowych odbiornik sygnału.
Rys. 35.
−
Do najwaŜniejszych parametrów wzmacniacza naleŜą:
wzmocnienie: napięciowe kU, prądowe kI, mocy kP, które są definiowane następująco:
kU =
gdzie:
Uwe i Uwy
Iwe i Iwy
Pwe i Pwy
−
−
−
−
Schemat zastępczy wzmacniacza [5, s. 37]
U wy
U we
kI =
I wy
I we
kP =
Pwy
Pwe
– napięcie wejściowe i wyjściowe wzmacniacza [V],
– prąd wejściowy i wyjściowy wzmacniacza [A],
– moc sygnału wejściowego i wyjściowego wzmacniacza [W].
częstotliwości graniczne (dolna i górna) wynikające z przebiegu charakterystyki
amplitudowo – częstotliwościowej – są to takie częstotliwości sygnału wejściowego, dla
których wzmocnienie napięciowe maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3dB
(czyli do poziomu 0,707 swej wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy maleje do
połowy,
pasmo B przenoszonych częstotliwości (czyli róŜnica między górną i dolną
częstotliwością graniczną) podawane w kHz,
zniekształcenia nieliniowe określające zniekształcenia kształtu sygnału wyjściowego
w stosunku do wejściowego wyraŜone w %,
rezystancja wejściowa Rwe, czyli rezystancja „widziana” z zacisków wejściowych układu,
przy rozwartym wyjściu, tzn.
51
Rwe =
U we
I we
przy Ro = ∞,
gdzie:
Rwe – rezystancja wejściowa wzmacniacza [Ω],
Uwe– napięcie wejściowe wzmacniacza [V],
Iwe – prąd wejściowy wzmacniacza [A],
Ro – rezystancja obciąŜenia wzmacniacza [Ω].
−
rezystancja wyjściowa Rwy – jest to rezystancja „widziana” z zacisków wyjściowych
układu, przy zwartym wejściu, tzn.
U wy
Rwy =
przy Uwe = 0,
I wy
gdzie:
Rwy– rezystancja wyjściowa wzmacniacza [Ω],
Uwy– napięcie wyjściowe wzmacniacza [V],
Iwy – prąd wejściowy wzmacniacza [A],
Uwe– napięcie wejściowe wzmacniacza [V].
−
moc wyjściowa Pwy (przy określonym poziomie sygnału wejściowego) lub maksymalna
moc wyjściowa Pwymax wzmacniacza mierzona w watach.
Ze względu na rodzaj wejściowego sygnału elektrycznego przetwarzanego przez
wzmacniacz rozróŜniamy: wzmacniacze napięciowe, prądowe i wzmacniacze mocy.
Ze względu na zakres częstotliwości wzmacnianego sygnału rozróŜniamy: wzmacniacze
prądu stałego, małej i wielkiej częstotliwości, szerokopasmowe oraz selektywne.
Ze względu na konstrukcję wzmacniacze dzielimy na tranzystorowe i scalone (w tym
operacyjne).
Tranzystorowe wzmacniacze napięciowe małej częstotliwości
Wybór układu pracy tranzystora jest zaleŜny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego
tranzystora, co zostało opisane w punkcie 4.2.1.
Na rysunku 36 pokazano schemat wzmacniacza pracującego w konfiguracji OE
z potencjometrycznym układem zasilania z emiterowym sprzęŜeniem zwrotnym dla
składowej stałej.
Rys. 36. Wzmacniacz małych częstotliwości – schemat ideowy [5, s. 40]
Rezystory R1 i R2 polaryzują bazę tranzystora ustalając prąd bazy oraz zapewniają jego
pracę w zakresie aktywnym. Rezystor RE jest elementem sprzęŜenia zwrotnego, a rezystor RC
52
jest obciąŜeniem kolektorowym wzmacniacza. Kondensatory C1 i C2 oddzielają składowe
stałe napięcia generatora i obciąŜenia od napięć stałych wzmacniacza. Wzmacniacze
pracujące w układach OE charakteryzują się duŜym wzmocnieniem mocy, średnią rezystancją
wejściową i wyjściową. Cechą charakterystyczną układów OE jest odwracanie, na wyjściu,
fazy sygnału wejściowego. Są to najczęściej stosowane układy pracy tranzystorów
bipolarnych. Zastosowanie sprzęŜenia zwrotnego zapewnia stabilność parametrów
wzmacniacza i zwiększenie górnej częstotliwości pasma przenoszenia.
W układach elektronicznych stosowane są równieŜ układy OC i OB. Rysunek 37
przedstawia wzmacniacz pracujący w układzie OC. Wzmocnienie prądowe i rezystancja
wejściowa tego układu jest bardzo duŜa, a wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności.
Z tego powodu układ ten nazywany jest wtórnikiem emiterowym.
Rys. 37.
Wzmacniacz tranzystorowy pracujący w układzie OC [5, s. 69]
Rysunek 38 przedstawia wzmacniacz pracujący w układzie OB. Rezystancja
wzmacniacza jest mała, wzmocnienie prądowe bliskie jedności, a napięciowe mniejsze niŜ
w układzie OE. Wzmacniacz ten jest rzadko stosowany, a jego podstawową zaletą jest duŜa (β
razy większa niŜ w układzie OE) górna częstotliwość graniczna.
Rys. 38.
Wzmacniacz tranzystorowy pracujący w układzie OB [75, s. 68]
Wzmacniacze dwutranzystorowe
Wzmacniacze dwutranzystorowe są traktowane jako pojedynczy stopień wzmacniający,
ale o poprawionych właściwościach. Szczególne znaczenie mają dwa tego rodzaju układy:
układ Darlingtona i wzmacniacz róŜnicowy.
53
Rys. 39.
Schemat wtórnika z układem Darlingtona: a) podstawowy b) z dodatkowym rezystorem
emiterowym tranzystora T1 [5, s.86]
Układ Darlingtona (rys.39) charakteryzuje się bardzo duŜym wzmocnieniem prądowym
wyraŜającym się wzorem
β = β1β 2
gdzie:
β1 – wzmocnienie prądowe tranzystora T1,
β – wzmocnienie prądowe układu Darlingtona.
WaŜną cechą tego układu jest równieŜ duŜa rezystancja wejściowa stopnia
wzmacniającego określona wzorem
Rwe = β1β 2 RE
gdzie:
Rwe – rezystancja wejściowa układu Darlingtona [Ω],
RE –rezystancja w obwodzie emitera tranzystora wyjściowego[Ω].
Układ Darlingtona, dzięki wymienionym zaletom, jest często stosowany we
wzmacniaczach oraz w układach separujących. Tranzystory układu Darlingtona pracują
w konfiguracji OC. Tranzystor T1 (rys. 39a) pracuje w zakresie bardzo małych prądów co
powoduje pracę tego tranzystora w zakresie nieliniowym, z czego z kolei mogą wynikać
zniekształcenia nieliniowe i mała wartość wzmocnienia. MoŜna tego efektu uniknąć stosując
układ (rys. 39b), w którym prąd bazy tranzystora T2 stanowi tylko niewielką część prądu
emitera tranzystora T1 pracującego w zakresie liniowym.
Rys. 40.
Schemat zasadniczy wzmacniacza róŜnicowego [5, s. 88]
54
Wzmacniacz róŜnicowy (rys. 40) charakteryzuje się tym, Ŝe jego napięcie wyjściowe jest
proporcjonalne do róŜnicy napięć między jego wejściami, co moŜna opisać wzorem
U wy = k (U B1 − U B 2 )
gdzie:
Uwy– napięcie wyjściowe wzmacniacza róŜnicowego [V],
k – wzmocnienie napięciowe (róŜnicowe) wzmacniacza róŜnicowego,
UB1–potencjał bazy tranzystora T1 względem masy [V],
UB2– potencjał bazy tranzystora T2 względem masy.
Przy czym napięciem wyjściowym tego wzmacniacza moŜe być napięcie UC1, UC2 lub ich
róŜnica. W obwodzie emiterowym obydwu tranzystorów znajduje się źródło prądowe, którym
teŜ moŜe być tranzystor, o stałej wydajności I0 równej sumie prądów IC1 i IC2. Źródło prądowe
moŜe być zbudowane na pojedynczym tranzystorze lub zastąpione rezystorem o duŜej
rezsytancji RE.
Zasada działania wzmacniacza róŜnicowego jest następująca. ZałóŜmy, Ŝe napięcie na
bazie T2 jest stałe, a sygnał wejściowy podawany jest na bazę tranzystora T1. Przykładowo
wzrost napięcia ub1 tranzystora T1 spowoduje wzrost napięcia ue1, a tym samym zmniejszenie
napięcia ube2 oraz zmniejszenie prądów ie2 i ic2. tranzystora T2. PoniewaŜ suma prądów
emiterowych ma pozostać stała, to muszą wzrosnąć prądy ie1 i ic1. Wynika z tego, Ŝe napięcie
wyjściowe na przykład uc1 jest odwrócone w fazie, a uc2 jest w fazie względem ub1. Natomiast
napięcie wyjściowe traktowane jako róŜnica uc2 – uc1 będzie wzmocnione 2 razy silniej niŜ
sygnały uc1 i uc2.
Wzmacniacz róŜnicowy charakteryzuje się bardzo duŜym wzmocnieniem, przy czym
zakres liniowy wzmacniania ogranicza się w praktyce do zmian napięcia wejściowego
w zakresie ±50 mV. Wynika z tego, Ŝe napięcia wyjściowe uc1 i uc2 podczas procesu
wzmacniania osiągają bardzo szybko wartości minimalną lub maksymalną, które moŜna
określić wzorami
uc max = U CC
uc min = U CC − I o RC
gdzie:
ucmax– maksymalne napięcie wyjściowe na kolektorze tranzystora T1 lub T2 [V],
ucmin– minimalne napięcie wyjściowe na kolektorze tranzystora T1 lub T2 [V],
Io – wydajność prądowa źródła prądowego [mA],
UCC – dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza [V],
RC – rezystor w obwodzie kolektora tranzystora T1 lub T2 [Ω].
W układach wzmacniaczy róŜnicowych często stosowane dodatkowe rezystory między
emiterami tranzystorów tworzące lokalne ujemne sprzęŜenie zwrotne. Powoduje ono
zwiększenie zakresu liniowego pracy wzmacniacza oraz jego szybkość działania, ale
jednocześnie zmniejsza wzmocnienie całego układu.
Wzmacniacze róŜnicowe najczęściej są stosowane jako stopnie wejściowe wzmacniaczy
operacyjnych lub stopnie pośrednie wzmacniaczy szerokopasmowych.
Wzmacniacze tranzystorowe wielostopniowe
W praktycznych zastosowaniach często spotykamy wzmacniacze wielostopniowe
charakteryzujące się parametrami, których nie moŜe zapewnić pojedynczy stopień
wzmacniający. Pojedyncze stopnie tranzystorowe łączone są ze sobą kaskadowo to znaczy
wejście kaŜdego stopnia (poza pierwszym) jest sterowane ze stopnia poprzedniego.
Wzmacniacze wielostopniowe są opisywane takimi samymi parametrami jak jednostopniowe.
Rezystancja wejściowa wzmacniacza wielostopniowego jest równa rezystancji
wejściowej pierwszego stopnia, a rezystancja wyjściowa wzmacniacza wielostopniowego jest
55
równa rezystancji wyjściowej ostatniego stopnia. Wzmocnienie napięciowe, prądowe lub
mocy jest równe iloczynowi odpowiednich wzmocnień wszystkich stopni.
Łączenie ze sobą pojedynczych stopni prowadzi zawsze do zwęŜenia pasma
wzmacniacza wielostopniowego względem pojedynczego jednotranzystorowego stopnia
wzmacniającego. Wyznaczenie dolnej i górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza
wielostopniowego składającego się z róŜnych stopni jest trudne, ale gdy częstotliwość dolna
jednego ze stopni jest duŜo większa od dolnych częstotliwości pozostałych stopni to moŜna
przyjąć, Ŝe jest ona równa dolnej częstotliwości całego wzmacniacza. RównieŜ w przypadku
gdy górna częstotliwość jednego ze stopni jest duŜo mniejsza od górnych częstotliwości
pozostałych stopni to moŜna przyjąć, Ŝe jest ona równa górnej częstotliwości rozpatrywanego
wzmacniacza wielostopniowego. Natomiast gdy wszystkie stopnie wzmacniacza są
identyczne to dolna i górna częstotliwość wzmacniacza wielostopniowego wyraŜają się
wzorami
f gn = f g 21/ n − 1
f dn =
fd
2
1/ n
−1
gdzie:
fgn – rezystancja wejściowa wzmacniacza [Ω],
fdn – napięcie wejściowe wzmacniacza [V],
n – rezystancja obciąŜenia wzmacniacza [Ω].
fg – prąd wejściowy wzmacniacza [A],
fd – rezystancja obciąŜenia wzmacniacza [Ω].
Wzmacniacze wielostopniowe realizuje się najczęściej jako układy trzy – lub
czterostopniowe, poniewaŜ taka liczba stopni zapewnia uzyskanie wymaganej wartości
wzmocnienia. Poszczególne stopnie wzmocnienia są zwykle sprzęŜone galwanicznie, co
zmniejsza liczbę elementów polaryzujących. Stałość punktu pracy w wielostopniowych
wzmacniaczach uzyskuje się dzięki polaryzacji za pomocą źródeł prądowych
i stałoprądowemu sprzęŜeniu zwrotnemu. Podstawowym stopniem wzmacniającym jest
pojedynczy tranzystor pracujący w konfiguracji OE lub wzmacniacz róŜnicowy. Pozostałymi
stopniami są najczęściej układy OC stosowane w celu odseparowania poszczególnych stopni
wzmacniających. Przykłady schematów wzmacniaczy wielostopniowych przedstawiono na
rysunku 41.
a)
b)
Rys. 41. Schemat wzmacniacza trójstopniowego ze stopniem wejściowym w konfiguracji: a)
OE,b) wzmacniacza róŜnicowego [5, 94 i 95]
Układ wzmacniacza trójstopniowego (rys. 41a) zapewnia stabilizację punktów pracy
dzięki zastosowaniu sprzęŜenia zwrotnego dla składowej stałej polegającego na wstawieniu
między bazą T1 a emiterem T3 opornika RB. Układ pracuje z dwoma stopniami
56
wzmacniającymi w kofiguracji OE (tranzystory T1 i T3) odseparowanymi wtórnikiem
emiterowym (tranzystor T2).
Układ wzmacniacza trójstopniowego zawierającego stopień wejściowy w postaci
wzmacniacza róŜnicowego pokazano na rysunku 41b. Drugim stopniem wzmacniacza jest
tranzystor T3 pracujący w układzie OE z lokalnym sprzęŜeniem zwrotnym zrealizowanym za
pomocą rezystora R5. Ostatnim stopniem jest wtórnik emiterowy T4 zmniejszający
impedancję wyjściową całego wzmacniacza. Między trzecim i pierwszym stopniem
wzmacniacza zastosowano sprzęŜenie zwrotne dla składowej stałej za pomocą rezystora R7,
co zapewniło stabilizację punktów pracy tranzystorów wzmacniacza. Kondensator C3, w tym
przypadku, eliminuje sprzęŜenie zwrotne dla składowej zmiennej.
We wzmacniaczach wielostopniowych praktycznie zawsze występuje sprzęŜenie
zwrotne, które obejmuje jeden lub kilka stopni wzmacniacza.
Budowa i parametry wzmacniaczy mocy
Na poniŜszym rysunku przedstawiono schemat funkcjonalny wzmacniacza mocy. Sygnał
wejściowy jest podawany na wejście wzmacniacza napięciowego, z którego poprzez stopień
sterujący jest doprowadzany do stopnia wyjściowego. Następnie jest on podawany na
obciąŜenie Ro (najczęściej głośnik) oraz poprzez pętlę sprzęŜenia zwrotnego na wejście
wzmacniacza napięciowego.
Rys. 42.
Schemat funkcjonalny wzmacniacza mocy [5, s.108]
Dzięki sprzęŜeniu zwrotnemu uzyskuje się stabilizację punktów pracy tranzystorów oraz
linearyzację charakterystyki amplitudowej wzmacniacza, a co za tym idzie minimalizację
zniekształceń nieliniowych.
Zadaniem stopnia sterującego jest doprowadzenie do stopnia wyjściowego sygnału
o odpowiednich poziomach napięcia i prądu niezbędnego do jego prawidłowej pracy. Stopień
wyjściowy moŜe być sterowany ze źródła napięciowego, jak równieŜ ze źródła prądowego.
Przy sterowaniu napięciowym zniekształcenia wprowadzane przez stopień wyjściowy są
nieznaczne, a róŜnice wzmocnienia prądowego β tranzystorów mało istotne.
Do podstawowych parametrów wzmacniaczy mocy naleŜą:
− wzmocnienie mocy kP,
− moc wyjściowa Pwy (przy określonym poziomie sygnału wejściowego), mierzona
w watach,
− współczynnik sprawności energetycznej η, podawany w %,
− współczynnik zawartości harmonicznych, podawany w %,
− pasmo B przenoszonych częstotliwości podawane w kHz.
Klasy pracy wzmacniaczy mocy
ZaleŜnie od połoŜenia punktu pracy tranzystorów wzmacniacze dzieli się na klasy: A,
AB, B i C. Podział ten jest związany wyłącznie ze sposobem wzmacniania sygnału
w pojedynczym stopniu wyjściowym, poniewaŜ stopnie wstępne zwykle pracują w klasie A.
57
Najczęściej jako stopnie końcowe stosuje się wzmacniacze klasy AB i B, a wzmacniacze
klasy A uŜywa się w sprzęcie profesjonalnym.
JeŜeli sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, Ŝe przez
element aktywny tego wzmacniacza płynie prąd przez:
− cały okres T sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy A (sprawność 50%),
− połowę okresu T sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy B (sprawność 78,5%),
− czas mniejszy od T, ale większy od T/2 sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy
AB (sprawność od 50% do 70%),
− czas krótszy od T/2 sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy C (nie ma
zastosowania we wzmacnianiu sygnałów akustycznych, ze względu na bardzo duŜe
zniekształcenia nieliniowe).
Stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy
Stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy zazwyczaj są bardziej rozbudowane, poniewaŜ
muszą wydzielić w obciąŜeniu poŜądaną moc. W układach większej mocy wyraźnie wzrastają
prądy wyjściowe wzmacniacza, a więc i prądy sterujące tranzystory końcowe. W celu
zapobieŜenia przeciąŜenia stopnia końcowego duŜym prądem stosuje się w stopniach
wyjściowych tranzystory złoŜone pracujące w układzie Darlingtona, co pokazano na rys. 43.
Tranzystory złoŜone charakteryzują się bardzo duŜym wzmocnieniem prądowym
β będącym iloczynem wzmocnień tranzystorów składowych.
Rys. 43.
Schematy podstawowych układów połączeń tranzystorów (układów Darlingtona)
stosowanych w stopniach mocy: a) i c) odpowiedniki tranzystorów NPN;
b) i d) odpowiedniki tranzystorów PNP [5, s. 113]
Wzmacniacze operacyjne
Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych.
Symbol graficzny wzmacniacza i jego sposób działania pokazano na rys. 44.
58
Rys. 44.
Wzmacniacz operacyjny: a) symbol ogólny b) charakterystyka statyczna [5, s.121]
Model idealnego wzmacniacza operacyjnego charakteryzuje się następującymi
właściwościami:
− bardzo duŜe wzmocnienie napięciowe róŜnicowe dla prądu stałego i zmiennego,
− odwracaniem fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego
odwracającego podawanego na wejście oznaczone znakiem „–” oraz zachowaniem
zgodności faz w stosunku do sygnału wejściowego nieodwracającego podawanego na
wejście oznaczone znakiem „+”
− bardzo duŜą rezystancją wejściową i bardzo małą rezystancją wyjściową,
− bardzo duŜą częstotliwością graniczną i szybkością zmian napięcia wyjściowego.
Dla rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych definiuje się parametry, których wartości
odbiegają od idealnych lub określają pewne wady wzmacniaczy rzeczywistych. Do tych
parametrów zaliczamy:
− wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego KUr, które definiujemy
jako stosunek przyrostu napięcia wyjściowego do wywołującego ten przyrost napięcia
wejściowego róŜnicowego. Wzmocnienie to nazywane jest równieŜ wzmocnieniem
napięciowym sygnału róŜnicowego i w praktyce wynosi ok. 106 V/V. NaleŜy pamiętać,
Ŝe w przypadku wzmacniacza operacyjnego objętego ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym
o wartości wzmocnienia układu (przy duŜym wzmocnieniu wzmacniacza operacyjnego)
decyduje układ sprzęŜenia zwrotnego,
KUr =
∆U wy
∆(U we + − U we − )
gdzie:
KUr – wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego [V/V],
Uwy – napięcie wyjściowe wzmacniacza [V],
Uwe+– napięcie podane na wejście nieodwracające wzmacniacza [V],
Uwe – – napięcie podane na wejście odwracające wzmacniacza [V].
−
−
wejściowe napięcie niezrównowaŜenia UI0, jest to stałe napięcie róŜnicowe, które naleŜy
podać na wejście wzmacniacza (przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego) w celu
uzyskania zerowej wartości napięcia wyjściowego. W praktyce wynosi ono kilka lub
kilkanaście mV, maksimum 50 mV,
wzmocnienie napięciowe sygnału współbieŜnego KUs, jest to stosunek zmiany napięcia
wyjściowego pod wpływem zmian napięcia sygnału współbieŜnego tzn. takiego przy
którym Uwe+ = Uwe – . W praktyce wzmocnienie to w porównaniu ze wzmocnieniem
59
sygnału róŜnicowego jest małe, a we wzmacniaczu idealnym byłoby równe zeru,
− współczynnik tłumienia sygnału współbieŜnego CMRR, definiowany jako stosunek
wartości wzmocnienia sygnału róŜnicowego KUr do wzmocnienia sygnału współbieŜnego
KUs. Współczynnik ten podawany jest w dB i w praktyce wynosi od 60 do 100 dB,
− rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego (zarówno dla wejścia odwracającego
jak i nieodwracającego) jest duŜa i wynosi od 100 kΩ do 50 MΩ, natomiast wyjściowa
jest mała i nie przekracza 300 Ω,
− zakres napięcia wejściowego jest to zakres zmian napięcia na kaŜdym z wejść względem
masy, przy którym wzmacniacz pracuje prawidłowo w zakresie liniowym,
− napięcie zasilania UCC jest symetryczne i najczęściej wynosi ±15 V,
− wejściowe prądy polaryzujące, to prądy stałe wpływające do wejść wzmacniacza
operacyjnego. W praktyce Iwe+ = Iwe – i wynosi od 5 pA do 5 mA. Dobierając elementy
sprzęŜenia zwrotnego wzmacniacza, naleŜy pamiętać, aby prądy płynące w tych
elementach były co najmniej 100 razy większe od wartości prądów polaryzujących
wzmacniacza,
− częstotliwość graniczna fT wzmacniacza operacyjnego, to częstotliwość przy której jego
wzmocnienie maleje do jedności. W praktyce częstotliwość ta waha się w granicach od
1 do 100 MHz i decyduje ona o paśmie przenoszenia wzmacniacza.
Ze względu na przeznaczenie wyróŜnia się wzmacniacze operacyjne:
− ogólnego przeznaczenia (np. ULA6741N),
− szerokopasmowe (szybkie np. µA715),
− stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duŜa rezystancja wejściowa
oraz bardzo mały wpływ temperatury i szumów na pracę wzmacniacza (np. LM 108,
µA777, CA 3130),
− do zastosowań specjalnych (np. w technice kosmicznej lub biomedycznej).
Wzmacniacze operacyjne są głównie stosowane w następujących układach
elektronicznych:
− układy analogowe, które wykonują operacje dodawania, odejmowania, mnoŜenia,
całkowania, logarytmowania itd.,
− wzmacniacze o zadanej charakterystyce przejściowej i częstotliwościowej,
− układy filtrów aktywnych,
− generatory sygnałów np. prostokątnego, trójkątnego lub sinusoidalnego,
− detektory np. wartości szczytowej,
− układy próbkujące z pamięcią.
Wzmacniacz operacyjny pracujący z otwartą pętlą sprzęŜenia zwrotnego moŜe słuŜyć
jako „przybliŜony„ komparator (czyli układ porównujący wartości dwóch napięć), ale
obarczony wieloma wadami. Zastosowanie ujemnego sprzęŜenia zwrotnego we wzmacniaczu
operacyjnym zmniejsza nieliniowość jego charakterystyki, umoŜliwia realizację układu
o szerszym paśmie niŜ pasmo częstotliwościowe wzmacniacza bez sprzęŜenia zwrotnego.
Iloczyn wzmocnienia i odpowiadającej mu górnej częstotliwości granicznej (tzw. pole
wzmocnienia) jest stały i wynosi
K U 1 f1 = K U 2 f 2 = 1 ⋅ f T
gdzie:
KU1– wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego przy zamkniętej pętli sprzęŜenia
zwrotnego dla częstotliwości f1 [V/V],
KU2– wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego przy zamkniętej pętli sprzęŜenia
zwrotnego dla częstotliwości f2 [V/V],
f1 – pierwsza częstotliwość sygnału wejściowego wzmacniacza [MHz],
60
f2
fT
– druga częstotliwość sygnału wejściowego wzmacniacza [MHz],
– częstotliwość graniczna wzmacniacza [MHz].
W układach ze wzmacniaczem operacyjnym objętym ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym
właściwości wzmacniacza i sprzęŜenia zwrotnego powodują wyrównanie napięć na obu
wejściach wzmacniacza. Na tej podstawie wyznacza się wzmocnienie całego układu pracy.
PoniŜej przedstawiamy podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego z ujemnym
sprzęŜeniem zwrotnym oraz odpowiadające tym układom wzmocnienia napięciowe.
Rys. 45.
Schemat ideowy układu wzmacniacza odwracającego [5, s.127]
KU =
Uwy
U1
=−
R2
R1
gdzie:
KU wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego w układzie wzmacniacza
odwracającego [V/V]
Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza odwracającego [V],
U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odwracającego [V],
R2 –rezystancja w pętli sprzęŜenia [kΩ],
R1 –rezystancja między wejściem układu a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].
Rys. 46.
Schemat ideowy układu wzmacniacza nieodwracającego [5, s,128]
KU =
U wy
U1
=1+
R2
R1
gdzie:
KU –wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego
odwracającego [V/V]
Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza odwracającego [V],
U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odwracającego [V],
w
układzie
61
wzmacniacza
R1 –rezystancja między masą a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].
Rys. 47.
Schemat ideowy układu wzmacniacza odejmującego [5, s.130]
KU =
Uwy
U1
=
R2
(U2 −U1)
R1
przy załoŜeniu
R3 R4
=
R1 R2
gdzie:
KU –wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odejmującego [V/V],
Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza odejmującego [V],
U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odejmującego [V],
U2 –napięcie wejściowe wzmacniacza odejmującego [V],
R1 –rezystancja między wejściem 1 układu a wejściem „–” wzmacniacza operacyjnego [kΩ],
R2 –rezystancja między wejściem 2 układu a wejściem „+” wzmacniacza operacyjnego [kΩ],
R4 –rezystancja między wejściem nieodwracającym wzmacniacza a masą układu [kΩ].
Rys. 48.
Schemat ideowy układu wzmacniacza sumującego [5, s.131]
U U
U 
U wy = − R 1 + 2 + L + n 
Rn 
 R1 R2
gdzie:
KU –wzmocnienie napięciowe wzmacniacza sumującego [V/V],
Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza sumującego [V],
R –rezystancja w pętli sprzęŜenia zwrotnego [kΩ],
62
Ui –napięcie wejściowe na i – tym wejściu wzmacniacza sumującego [V],
Ri –rezystancja między i – tym wejściem układu a wejściem odwracającym wzmacniacza
operacyjnego [kΩ].
Rys. 49.
Schemat ideowy układu wtórnika napięciowego [5, s.129]
U wy = U1
gdzie:
Uwy –napięcie wyjściowe wtórnika napięciowego [V],
U1 –napięcie wejściowe wtórnika napięciowego [V],
R –rezystancja w pętli sprzęŜenia [kΩ].
Rys. 50.
Schemat ideowy podstawowego układu integratora [5, s. 132]
∆U wy
U1
=C
R1
∆t
gdzie:
∆Uwy –liniowy przyrost napięcia wyjściowego integratora w czasie ∆t [V],
∆t –przedział czasu w którym narasta liniowo napięcie wyjściowe integratora [s],
U1 –napięcie wejściowe integratora[V],
C –pojemność w pętli sprzęŜenia [µF],
R1 –rezystancja między wejściem układu a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].
Generatory przebiegów napięciowych
Drgania elektryczne sinusoidalnie zmienne moŜna uzyskać dwoma sposobami:
− pierwszy polega na utworzeniu takiego wzmacniacza, który dla jednej ściśle określonej
częstotliwości sygnału miałby wzmocnienie dąŜące do nieskończoności (tzw. generator
sprzęŜeniowy),
− drugi polega na odtłumieniu obwodu rezonansowego przez element o ujemnej rezystancji
dynamicznej.
63
Najczęściej spotykanymi generatorami sygnałów sinusoidalnych są generatory
sprzęŜeniowe RC. Funkcję toru wzmacniającego pełni wzmacniacz (jednotranzystorowy lub
operacyjny), a funkcję toru sprzęŜenia pełnią elementy RC (rezystancyjno – pojemnościowe).
JeŜeli w obu torach suma przesunięć fazowych sygnału wyniesie 360˚, to w układzie mogą
się wzbudzić drgania sinusoidalne poniewaŜ spełniony jest tzw. warunek fazowy. Drugim
koniecznym warunkiem generacji drgań jest warunek amplitudy polegający na tym, Ŝe
iloczyn wzmocnienia toru wzmacniającego i toru sprzęŜenia zwrotnego wynosi 1.
Najprostszymi generatorami RC są generatory drabinkowe przedstawione na rysunku 51.
Rys. 51. Schemat generatora drabinkowego RC z przesunięciem fazowym o: a) 180˚, b) – 180˚
[5, s. 177]
W przedstawionych układach drabinkowych przesunięcie fazy toru wzmacniającego
wynosi 180˚ (tranzystor w konfiguracji OE). Czwórnikiem sprzęŜenia zwrotnego jest
trójsegmentowy filtr drabinkowy RC. W układzie na rysunku 51a zastosowano jednakowe
filtry górnoprzepustowe, a w układzie na rysunku 51b filtry dolnoprzepustowe. Dla
częstotliwości f0 określonej wzorem
1
f0 =
2π 6 RC
gdzie:
f0 –częstotliwość wyjściowego napięcia sinusoidalnego [kHz],
C –pojemność poszczególnych ogniw filtru drabinkowego [µF],
R –rezystancja poszczególnych ogniw filtru drabinkowego [kΩ].
przesunięcie fazowe w torze sprzęŜenia wyniesie +180˚ (filtry górnoprzepustowe) lub
– 180˚ (filtry dolnoprzepustowe). W rezultacie spełniony jest warunek fazowy generacji
drgań, co przy spełnieniu równieŜ warunku amplitudowego (odpowiedni dobór RC)
spowoduje generację napięcia sinusoidalnego o częstotliwości f0.
Generator z mostkiem Wiena
Lepsze parametry generatorów, np. stałość amplitudy i częstotliwości generowanego
przebiegu, moŜna uzyskać w generatorach mostkowych RC. Przykładem takiego układu jest
generator z mostkiem Wiena (rys. 52). Mostek Wiena jest filtrem środkowozaporowym,
64
w którym napięcie wejściowe jest napięciem wyjściowym wzmacniacza operacyjnego,
a napięcie wyjściowe filtru jest jednocześnie napięciem wejściowym tego wzmacniacza.
Rys. 52. Generator z mostkiem Wiena [3, s. 150]
Częstotliwość, przy której występuje stan równowagi mostka nazywana jest
częstotliwością środkową i jest opisana następującą zaleŜnością.
f0 =
1
2πRC
przy załoŜeniu R1 = R2 =R i C1 = C2 = C
gdzie:
f0 –częstotliwość wyjściowego napięcia sinusoidalnego [kHz],
C –pojemność w szeregowej i równoległej gałęzi mostka [µF],
R –rezystancja w szeregowej i równoległej gałęzi mostka [kΩ].
Przesunięcie fazowe wprowadzane przez mostek Wiena w stanie równowagi
wynosi 0˚, a stroma charakterystyka fazowa filtru zapewnia stabilność tego przesunięcia
fazowego. Wzmacniacz operacyjny pracujący w generatorze z mostkiem Wiena równieŜ
wprowadza zerowe przesunięcie fazowe, co zapewnia spełnienie warunku fazy. Teoretycznie
warunek amplitudy będzie spełniony gdy rezystancja R3 będzie 2 razy większa od R4.
W praktyce naleŜy R3 zwiększyć o kilka procent, aby napięcie wyjściowe było większe od
zera przy przesunięciu fazowym równym 0˚. Własności generatora z mostkiem Wiena są
bardzo korzystne z punktu widzenia uruchamiania układu generacyjnego i utrzymywania
stabilności drgań napięcia sinusoidalnego, co powoduje częste stosowanie tego układu
w zakresie małych częstotliwości.
Generatory funkcyjne
Generatory mogą wytwarzać przebiegi sinusoidalne, prostokątne, trójkątne, trapezowe.
Najprostszym sposobem otrzymywania napięć trójkątnych jest okresowe ładowanie
i rozładowywanie kondensatora w układach prądu stałego. Ładowany kondensator najczęściej
jest umieszczany w obwodzie sprzęŜenia zwrotnego scalonych wzmacniaczy operacyjnych.
Łącząc ze sobą kaskadowo te wzmacniacze i stosując odpowiednie sprzęŜenia zwrotne
moŜemy uzyskać generatory samowzbudne wytwarzające przebiegi trójkątne i prostokątne
jak na rysunku 53.
65
Rys. 53.
Schemat generatora samowzbudnego ze wzmacniaczami scalonymi [2, s. 279]
W generatorach samowzbudnych po dodaniu odpowiedniego układu diodowego moŜemy
spowodować ukształtowanie przebiegu sinusoidalnego z przebiegu trójkątnego. W ten sposób
działają najbardziej rozpowszechnione generatory uniwersalne nazywane równieŜ
funkcyjnymi. Wytwarzają one napięcia: prostokątne, trójkątne i sinusoidalne o regulowanych
częstotliwościach i amplitudach. Są one produkowane często w postaci gotowych układów
scalonych, do których dodajemy tylko ładowany kondensator i elementy rezystancyjne.
Takim układem jest monolityczny generator uniwersalny 8038, który charakteryzuje się
następującymi parametrami:
− zakres generowanych częstotliwości 0,001 Hz÷1,5 MHz,
− współczynnik wypełnienia impulsów prostokątnych od 1% do 99%,
− błąd nieliniowości przebiegów piłokształtnych i trójkątnych mniejszy od 0,1%,
− zniekształcenia przebiegu sinusoidalnego mniejsze od 1%.
Badanie wzmacniaczy napięciowych małej częstotliwości
Podstawowymi charakterystykami wzmacniacza napięciowego m.cz. są:
− charakterystyka przejściowa (rys. ), czyli zaleŜność amplitudy napięcia wyjściowego UOm
wzmacniacza od amplitudy napięcia wejściowego UIm mierzona przy stałej częstotliwości
sygnału wejściowego f = const (najczęściej 1000 Hz),
− charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa (rys. 54), czyli zaleŜność amplitudy
napięcia wyjściowego UOm wzmacniacza od częstotliwości sygnału wejściowego
f mierzona przy stałej amplitudzie napięcia wejściowego UIm = const.
Rys. 54.
Charakterystyki
wzmacniacza
napięciowego
małej
a) amplitudowo – częstotliwościowa, b) przejściowa [3, s. 44 i 49]
66
częstotliwości:
Charakterystyka przejściowa wzmacniacza (nazywana równieŜ dynamiczną) powinna
być linią prostą w pewnym zakresie napięć wejściowych, po przekroczeniu którego
charakterystyka zagina się i przebiega równolegle do osi napięć wejściowych. Napięcie
wejściowe po którym następuje ten równoległy przebieg charakterystyki nazywamy
napięciem przesterowania Up. Kształt charakterystyki przejściowej pokazanej na rysunku 54
dotyczy wielostopniowych wzmacniaczy wysokiej klasy ze sprzęŜeniem zwrotnym.
W przypadku prostych wzmacniaczy jednostopniowych zakres liniowy charakterystyki jest
znacznie węŜszy, a co za tym idzie napięcie przesterowania mniejsze. Przekroczenie napięcia
Up na wejściu spowoduje tzw. przesterowanie wzmacniacza objawiające się zniekształceniem
sygnału wyjściowego. Nachylenie liniowego odcinka charakterystyki przejściowej jest równe
wzmocnieniu napięciowemu wzmacniacza i moŜe być wyraŜane w [V/V] lub w decybelach
[dB] według następującego wzoru
KU = 20 log
U Om
U Im
gdzie:
KU – wzmocnienie napięciowe wzmacniacza w [dB],
UOm – amplituda napięcia wyjściowego [V],
UIm – amplituda napięcia wejściowego [mV].
Idealny wzmacniacz powinien wiernie odtwarzać na swoim wyjściu sygnał wejściowy ze
stałym wzmocnieniem w całym zakresie częstotliwości. Kształt charakterystyki amplitudowo
– częstotliwościowej wskazuje na tłumienie sygnału wyjściowego zarówno dla małych jak
i duŜych częstotliwości. Sygnały o małych częstotliwościach są tłumione ze względu na
występowanie szeregowych pojemności sprzęgających poszczególne stopnie wzmacniacza,
a sygnały o wielkich częstotliwościach są tłumione przez rozproszone pojemności
pasoŜytnicze bocznikujące wyjście wzmacniacza. Jako umowne częstotliwości graniczne
(dolną fd i górną fg) przyjęto takie przy których wzmocnienie napięciowe wzmacniacza KU
maleje 2 raza w stosunku do wartości maksymalnej tego wzmocnienia, czyli stanowi ok.
70,7 % wartości KUmax. W mierze logarytmicznej spadek wzmocnienia wynosi 20 log
0,707 = – 3 dB. Charakterystyka amplitudowa pozwala określić równieŜ pasmo przenoszenia
wzmacniacza jako róŜnicę między górną i dolną częstotliwością graniczną.
Układ
pomiarowy
do
wyznaczania
charakterystyki
przejściowej
i amplitudowo-częstotliwościowej przedstawiono na rysunku 55.
Rys. 55.
Charakterystyki wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości: a) przejściowej,
b) amplitudowo – częstotliwościowej [3, s. 44 i 49]
67
gdzie:
GS – generator sygnałowy,
UB – urządzenie badane,
ZS – zasilacz napięciowy,
MZN– miernik zniekształceń sygnału wyjściowego,
OSC – oscyloskop dwukanałowy,
CZ – częstościomierz.
Lokalizacja uszkodzeń w układach wzmacniających
Wystąpienie usterek w działaniu wzmacniaczy stwierdzamy na podstawie
przeprowadzonych wcześniej badań. Najczęściej efektem uszkodzenia wzmacniacza jest brak
sygnału wyjściowego. W takim przypadku naleŜy najpierw sprawdzić (przestrzegając zasad
bhp) czy do wzmacniacza doprowadzone jest napięcie zasilania oraz sygnał wejściowy. JeŜeli
tak, to sprawdzamy za pomocą oscyloskopu przez które stopnie wzmacniacza sygnał
przechodzi. Stopień wzmacniający na wyjściu którego stwierdzamy brak sygnału naleŜy
poddać dokładniejszym badaniom. W pierwszej kolejności mierzymy napięcia stałe na
elektrodach tranzystora i sprawdzamy prawidłowość stanu pracy tego tranzystora (czyli tzw.
punktu pracy tranzystora). Następnie sprawdzamy (po odłączeniu wzmacniacza od zasilania
i źródła sygnału) za pomocą multimetru uniwersalnego sprawność poszczególnych
elementów wchodzących w skład danego stopnia wzmacniającego oraz ich połączeń.
Wzmacniacze o skomplikowanej budowie opartej na układach scalonych (po wykluczeniu
prostych uszkodzeń) naleŜy w przypadku niesprawności oddać do naprawy
w wyspecjalizowanych punktach serwisowych.
1. Jakie są podstawowe parametry wzmacniacza elektronicznego?
2. Jakie właściwości ma układ wzmacniacza z tranzystorem pracującym w konfiguracji OE?
3. Jakie napięcia mogą być traktowane jako wyjściowe we wzmacniaczu róŜnicowym?
4. Jakimi właściwościami charakteryzuje się układ Darlingtona?
5. W jaki sposób zapewnia się stabilizację punktu pracy w wielostopniowych
wzmacniaczach tranzystorowych?
6. Z jakich bloków funkcjonalnych składa się wzmacniacz mocy?
7. W jaki sposób zmienia się sygnał wzmacniacza mocy pracującego w klasie AB?
8. Jakimi właściwościami i parametrami charakteryzuje się wzmacniacz operacyjny?
9. Dlaczego wzmacniacz operacyjny bardzo często pracuje w układzie ze sprzęŜeniem
zwrotnym?
10. Jakie operacje moŜe wykonywać wzmacniacz operacyjny?
11. Jaka jest zaleŜność napięcia wyjściowego wzmacniacza sumującego od napięć
wejściowych?
12. W jaki sposób moŜna wygenerować elektryczne drgania sinusoidalne?
13. Co to jest generator funkcyjny?
14. Jak badamy charakterystykę przejściową i amplitudowo-częstotliwościową wzmacniacza
napięciowego małej częstotliwości?
15. Jakie parametry moŜna odczytać z charakterystyk wzmacniacza napięcia?
16. Jakie są ogólne zasady lokalizacji uszkodzeń we wzmacniaczu napięciowym?
68
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Narysuj schemat układu jednotranzystorowego stopnia wzmacniającego pracującego
w określonym układzie (bez sprzęŜenia) i scharakteryzuj jego własności.
3)
4)
5)
ustalić elektrody wejściową i wyjściową tranzystora,
narysować schemat układu wzmacniacza zapewniający odpowiednią polaryzację
tranzystora dla danej konfiguracji bez podawania parametrów narysowanych elementów,
podać własności wzmacniające układu w danej konfiguracji,
scharakteryzować rezystancję wejściową i wyjściową układu,
podać własności częstotliwościowe układu w danej konfiguracji.
−
−
1)
2)
Ćwiczenie 2
Zaprojektuj układ wzmacniacza operacyjnego realizującego funkcję podaną następującym
wzorem Uwy = 2Uwe1 – 0,5Uwe2.
1) narysować odpowiedni do realizowanej funkcji układ aplikacyjny wzmacniacza
operacyjnego,
2) ustalić rząd wielkości rezystancji oporników wchodzących w skład projektowanego
układu,
3) dobrać wartości rezystancji oporników wejściowych mieszczące się w szeregu E6,
4) obliczyć wartości rezystancji pozostałych oporników w układzie,
5) dobrać, z szeregu E6, najbardziej zbliŜone do wyników obliczeń wartości rezystancji.
−
−
Ćwiczenie 3
Zaprojektuj układ generatora z mostkiem Wiena zbudowanego na wzmacniaczu
operacyjnym na stałą częstotliwość drgań sinusoidalnych f0 = 1 kHz.
1)
2)
3)
4)
narysować schemat układu generatora z mostkiem Wiena,
ustalić rząd wielkości rezystancji oporników mostka,
załoŜyć wartości rezystancji oporników w gałęziach RC mieszczące się w szeregu E6,
obliczyć pojemności w gałęziach RC mostka,
69
5) dobrać, z szeregu E3, najbardziej zbliŜone do wyników obliczeń wartości pojemności,
6) dobrać, z szeregu E6, wartości rezystancji pozostałych oporników mostka tak, aby był
spełniony warunek amplitudy powstawania drgań w układzie.
−
−
Ćwiczenie 4
Zlokalizuj usterkę w układzie generatora impulsów prostokątnych. Wymień uszkodzony
element i dokonaj uruchomienia układu.
1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym wybranego układu,
2) sprawdzić czy prawidłowo wykonano montaŜ generatora,
3) podłączyć (o ile nie znaleziono błędów) układ do regulowanego źródła napięcia stałego
0–24 V,
4) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia, generatora,
5) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebieg prostokątny napięcia wyjściowego
generatora (lub stwierdzić brak sygnału),
6) dokonać diagnozy rodzaju uszkodzenia na podstawie zaobserwowanych przebiegów,
7) zlokalizować uszkodzony element generatora,
−
−
−
−
−
−
zmontowany układ generatora impulsów prostokątnych,
schemat ideowy i montaŜowy generatora,
zasilacz regulowany 0–24 V,
cyfrowe mierniki uniwersalne,
Ćwiczenie 5
Wyznacz charakterystykę amplitudową i pasmo
wzmacniacza napięciowego pracującego w układzie OE.
przenoszenia tranzystorowego
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
wybrać zakresy urządzeń pomiarowych zgodnie z instrukcją,
dobrać poziom sygnału z generatora poniŜej napięcia przesterowania,
dobrać zakres częstotliwości dla których badamy wzmacniacz,
wybrać częstotliwości pomiarowe,
wykonać pomiary,
zapisać wyniki pomiarów w opracowanej tabeli,
narysować charakterystykę amplitudową wzmacniacza zgodnie ze skalą częstotliwości
podaną w instrukcji,
odczytać częstotliwości graniczne wzmacniacza i wyznaczyć jego pasmo przenoszenia.
70
−
−
−
−
−
−
−
−
−
makieta do demonstracji działania wzmacniacza,
zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania ćwiczenia,
instrukcje do przyrządów pomiarowych,
zeszyt do ćwiczeń,
papier milimetrowy,
poradnik dla ucznia,
Ćwiczenie 6
Wyznacz charakterystykę przejściową wzmacniacza operacyjnego odwracającego
i wyznacz napięcia przesterowania tego wzmacniacza dla podanych wartości wzmocnień
napięciowych.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
wybrać zakresy urządzeń pomiarowych zgodnie z instrukcją,
dobrać poziom napięcia wejściowego poniŜej napięcia przesterowania,
dobrać zakres napięcia wejściowego dla którego badamy wzmacniacz,
wybrać 3 róŜne rezystory pracujące w pętli sprzęŜenia zwrotnego, dla których
wzmocnienie napięciowe będzie równe 10 V/V, 50 V/V, 100V/V
wykonać pomiary,
zapisać wyniki pomiarów w opracowanej tabeli,
narysować 3 charakterystyki przejściowe wzmacniacza dla 3 podanych wzmocnień
napięciowych,
odczytać z 3 charakterystyk przejściowych wzmocnienia napięciowe wzmacniacza
operacyjnego oraz odpowiadające im napięcia przesterowania,
zinterpretować zaleŜność wartości napięcia przesterowania od wzmocnienia
napięciowego wzmacniacza.
makieta do demonstracji działania wzmacniacza,
zasilacz napięciowy DC,
dzielnik napięcia,
zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania ćwiczenia,
instrukcje do przyrządów pomiarowych,
kalkulator
zeszyt do ćwiczeń i papier milimetrowy,
71
Czy potrafisz:
Tak
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
zdefiniować podstawowe parametry wzmacniacza elektronicznego?
opisać własności układu wzmacniacza z tranzystorem pracującym
w konfiguracji OE?
opisać zasadę działania wzmacniacza róŜnicowego?
określić właściwości układu Darlingtona?
wymienić bloki funkcjonalne wzmacniacza mocy?
scharakteryzować klasy pracy wzmacniacza mocy?
zdefiniować podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego?
opisać zasadę działania wzmacniacza operacyjnego?
określić jakie operacje moŜe wykonywać wzmacniacz operacyjny?
odpowiedni
układ
aplikacyjny
wzmacniacza
zastosować
operacyjnego do określonych zadań?
wyjaśnić w jaki sposób powstają drgania sinusoidalne w obwodach
elektrycznych?
rozróŜnić rodzaje i właściwości generatorów RC?
opisać sposób pomiaru podstawowych charakterystyk i parametrów
wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości?
zastosować zasady lokalizacji uszkodzeń we wzmacniaczu
napięciowym?
72
Nie
4.5. MontaŜ i naprawa elektronicznych układów analogowych
MontaŜ układów elektronicznych
MontaŜ przewlekany (ang. Through – Hole Technology, THT) – to sposób montowania
podzespołów elektronicznych na płytce obwodu drukowanego (ang. Printed Circuit Board,
PCB). Elementy elektroniczne przystosowane do montaŜu przewlekanego mają
wyprowadzenia w postaci cienkich drutów, które w trakcie montaŜu przewlekane są przez
otwory w płytkach i lutowane do ścieŜek przewodzących po przeciwnej stronie płytki niŜ
montowany element. MontaŜ przewlekany przeprowadzany jest ręcznie lub automatycznie.
Płytki drukowane moŜna znaleźć w niemal kaŜdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli
w urządzeniu znajdują się jakieś elementy elektroniczne, są one umieszczone na większej lub
mniejszej płytce drukowanej. Oprócz utrzymywania umieszczonych na niej elementów,
płytka ma za zadanie zapewnić połączenia elektryczne pomiędzy nimi. Wraz ze wzrostem
złoŜoności urządzeń elektronicznych i liczby umieszczonych w nich elementów, płytki
drukowane stały się bardziej zagęszczone, pełne ścieŜek i elementów. PodłoŜe płytki
wykonane jest ze sztywnego, szklano – epoksydowego materiału o właściwościach
izolujących. Cienkie przewody widoczne na powierzchni płytki są częścią miedzianej folii,
która początkowo pokrywała całą płytkę. W procesie produkcyjnym folia ta jest częściowo
wytrawiana, a pozostała miedź tworzy sieć cienkich przewodów. Przewody te nazywane są
ścieŜkami i zapewniają połączenia elektryczne pomiędzy elementami zamontowanymi na
płytce.
Prawidłowy rozkład elementów na płytce drukowanej rozpoznajemy na podstawie
schematu montaŜowego (rys. 56b)obrazującego fizyczne rozstawienie elementów na płytce
i schematu ideowego (rys. 56a) pokazującego obwód elektryczny montowanego układu
elektronicznego.
Rys. 56.
Przykładowy schemat scalonego wzmacniacza mocy: a) ideowy, b) montaŜowy
[www.edw.com.pl]
Płytki jedno – i dwustronne
Jak wspomnieliśmy wcześniej, najprostsze płytki mają elementy po jednej stronie,
a ścieŜki po drugiej. PoniewaŜ ścieŜki są tylko po jednej stronie, płytki tego typu nazywa się
jednostronnymi. Ten typ płytki posiada powaŜne ograniczenia co do poprowadzenia ścieŜek
(poniewaŜ jest tylko jedna strona, ścieŜki nie mogą się przecinać i muszą być poprowadzone
wokół siebie) i jest uŜywany tylko przy bardzo prostych obwodach.
73
Płytki dwustronne posiadają ścieŜki po obu stronach. Dwa oddzielne układy ścieŜek
wymagają jakiegoś połączenia elektrycznego pomiędzy nimi. Takie elektryczne mostki
nazywamy „przelotkami”. Przelotka kontaktowa to po prostu otwór w płytce wypełniony lub
pokryty metalem i łączący ścieŜki po obu stronach. PoniewaŜ powierzchnia dostępna na
ścieŜki jest dwa razy większa niŜ na płytkach jednostronnych, a ścieŜki mogą się przecinać
(są poprowadzone na przeciwnych stronach płytki), płytki dwustronne duŜo lepiej nadają się
do złoŜonych obwodów niŜ płytki jednostronne,
Płytki wielowarstwowe
By jeszcze bardziej zwiększyć powierzchnię przeznaczoną na ścieŜki, płytki tego typu
mają co najmniej jedną warstwę ścieŜek umieszczoną we wnętrzu płytki. Dokonuje się tego
przez sklejanie (laminowanie) razem kilku płytek dwustronnych z warstwami izolacyjnymi
pomiędzy nimi. Liczba warstw jest wyraŜona liczbą oddzielnych układów ścieŜek. Jest ona
zwykle parzysta i zawiera dwie warstwy zewnętrzne. Większość płyt głównych ma od 4 do
8 warstw, lecz moŜliwe jest wyprodukowanie płytek z niemal 100 warstwami. PoniewaŜ
warstwy płytki są zlaminowane razem, często trudno stwierdzić, ile ich jest.
Przelotki opisane w części o płytkach dwustronnych zawsze przenikają płytkę na wylot.
Kiedy warstw ścieŜek jest wiele, a chcemy połączyć tylko niektóre z nich, takie przelotki
marnują miejsce, którego moŜna by uŜyć na poprowadzenie innych ścieŜek. „Zagrzebane”
i „ślepe” przelotki nie sprawiają takiego problemu, poniewaŜ przenikają tylko tyle warstw, ile
potrzeba. Ślepe przelotki łączą jedną lub więcej wewnętrznych warstw z jedną z warstw
powierzchniowych, nie przenikając całej płytki. „Zagrzebane” przelotki łączą tylko warstwy
wewnętrzne. Dlatego nie da się zobaczyć takich przelotek patrząc na powierzchnię płytki.
W płytkach wielowarstwowych całe warstwy przeznaczone są na uziemienie i zasilanie.
Dlatego teŜ dzielimy warstwy na sygnałowe, zasilające i uziemiające. Czasami zdarza się
więcej niŜ jedna warstwa zasilająca i uziemiająca, zwłaszcza jeśli róŜne elementy na płytce
wymagają róŜnych napięć.
Zasady wykonywania połączeń lutowanych na płytkach drukowanych
Najczęściej stosowaną technologią montaŜu układu elektronicznego jest montaŜ
przewlekany, polegający na łączeniu metalowych końcówek elementów z punktami
lutowniczymi płytki drukowanej za pomocą specjalnego spoiwa zwanego tinolem.
Głównymi składnikami tinolu (drutu o średnicach od jednego do kilku milimetrów) są
cyna i ołów o róŜnej zawartości oraz topnik, którym jest kalafonia.
Prawidłowe lutowanie wymaga przestrzegania następujących zasad:
− moc lutownicy dobiera się w zaleŜności od wielkości powierzchni lutowanej (zasadą jest,
aby grot lutownicy nie był mniejszy od powierzchni lutowanej),
− przed kaŜdym lutowaniem naleŜy dokładnie oczyścić łączone powierzchnie z tlenków
metali, tłuszczów, lakierów i resztek innych spoiw,
− grot lutownicy musi być czysty, pozbawiony brudu i resztek spalonego topnika oraz
pokryty spoiwem,
− podczas lutowania grot lutownicy nie powinien dotykać bezpośrednio miejsc, które
chcemy połączyć, a wyłącznie poprzez tinol,
− czas lutowania nie powinien przekraczać kilku sekund, gdyŜ moŜe to spowodować
termiczne uszkodzenie lutowanych elementów lub spalić topnik.
Prawidłowo wykonana spoina po wystygnięciu powinna być gładka, błyszcząca o ostrym
kącie przylegania spoiwa do punktu lutowniczego.
74
Podstawowe narzędzia do montaŜu układów elektronicznych
Podstawowymi narzędziami stosowanymi podczas klasycznego, „przewlekanego”
montaŜu elektronicznego są:
− lutownica (transformatorowa zasilana napięciem sieciowym 230 V/50 Hz, stałocieplna
precyzyjna lutownica zasilana z napięcia 230 V lub 24 V, stacja lutownicza moŜliwością
regulacji temperatury grota lutownicy),
− odsysacz cyny stosowany podczas demontaŜu elementów elektronicznych z płytki
drukowanej,
− kleszcze do cięcia, szczypce boczne i płaskie, nóŜ monterski, pęseta słuŜące do
przycinania końcówek elementów lub przytrzymywani elementów podczas montaŜu
i demontaŜu elektronicznego,
− ściągacz izolacji stosowany do obróbki przewodów wlutowywanych do płytki,
− wkrętaki płaski i gwiazdkowy do montaŜu mechanicznego płytki i niektórych elementów
na płytce (np. do radiatora).
Natomiast podstawowymi materiałami stosowanymi podczas montaŜu i demontaŜu płytki
są:
− lutowie najczęściej w postaci tinolu o właściwych parametrach do takiego montaŜu;
− kalafonia lub pasta lutownicza;
− materiały do czyszczenia płytki drukowanej (denaturat, spirytus, papier ścierny i szmatki
do czyszczenia).
MontaŜ i uszkodzenia elementów rezystancyjnych
Rezystory najczęściej są montowane na płytce drukowanej, ale zdarza się teŜ montaŜ
mechaniczny, gdzie korpus rezystora jest umieszczony w specjalnej obejmie, a do końcówek
rezystora dolutowywane są przewody łączące go z układem. Uszkodzenia rezystorów
moŜemy podzielić na mechaniczne i elektryczne. Do mechanicznych moŜemy zaliczyć:
urwanie końcówki, złamanie korpusu rezystora, odprysk ceramiki lub przecięcie drutu
oporowego. Do uszkodzeń elektrycznych zalicza się spalenie rezystora w wyniku przegrzania
lub przebicia napięciowego. Spalenie rezystora powoduje przerwanie ścieŜki oporowej lub
wzrost jej rezystancji. Często trudno odróŜnić rezystor spalony od przegrzanego, ale
sprawnego i dlatego w wypadkach wątpliwych naleŜy sprawdzić czy rezystancja rzeczywista
zgadza się ze znamionową (z uwzględnieniem tolerancji). Uszkodzenie elektryczne rezystora
jest zwykle skutkiem innego uszkodzenia w układzie, np. zwarcia innego elementu lub
przebicia kondensatora.
Potencjometry dostrojcze najczęściej są montowane na płytce drukowanej, a regulacyjne
na obudowie urządzenia. Te drugie pełnią często rolę wyłączników danego urządzenia.
Przyczyną uszkodzenia potencjometru moŜe być jego zuŜycie lub zniszczenie przez
przekroczenie dopuszczalnych parametrów elektrycznych. Objawem zuŜycia potencjometru
moŜe być całkowity brak regulacji, trzeszczenie, iskrzenie, regulacja niezgodna
z charakterystyką (np. skokowa). Często przyczyną nieprawidłowości w działaniu
potencjometru jest zły kontakt ślizgacza ze ścieŜką rezystywną. Nieprawidłowości te moŜna
usunąć za pomocą przemycia ścieŜki odpowiednim środkiem chemicznym (np. benzyną
ekstrakcyjną). Podczas wymiany potencjometru naleŜy zwrócić uwagę na sposób mocowania
(musi być ten sam), charakterystykę regulacji i moc znamionową. Nowy potencjometr
powinien mieć równieŜ tę samą rezystancję znamionową, ale w mniej wymagających
układach wystarczy zastosować rezystancję znamionową tego samego rzędu. JeŜeli
potencjometr pracował jako dzielnik napięcia, to mniejszą rezystancję znamionową moŜna
uzupełnić szeregowo dołączonymi rezystorami kosztem zmniejszenia zakresu regulacji.
75
MontaŜ i uszkodzenia kondensatorów
Kondensatory są montowane podobnie jak rezystory do płytki drukowanej, ale
kondensatory o duŜych pojemnościach znajdują się najczęściej w specjalnych obejmach i nie
są lutowane do druku. Najczęściej spotykanym uszkodzeniem kondensatorów jest przebicie
elektryczne. Następuje ono po przyłoŜeniu zbyt wielkiego napięcia na okładki. Zniszczeniu
ulega wtedy dielektryk i okładki zwierają się ze sobą. W kondensatorze moŜe pojawić się teŜ
„przerwa” spowodowana urwaniem wyprowadzenia od okładki. W kondensatorach
elektrolitycznych przerwa moŜe być spowodowana równieŜ wyschnięciem elektrolitu
ciekłego.
Przebicie kondensatora jest łatwo wykrywalne za pomocą omomierza, kondensator ma
wtedy rezystancję od zera do kilkuset kΩ. NaleŜy pamiętać, Ŝe kondensatory elektrolityczne
mają stosunkowo duŜą upływność i moŜna zakwalifikować taki kondensator jako uszkodzony
tylko wtedy, gdy jego rezystancja jest wyraźnie mała tzn. wynosi od zera do kilku kΩ. Do
wykrycia przerwy w kondensatorach o małych pojemnościach konieczny jest miernik
pojemności.
Stare kondensatory elektrolityczne, które montujemy po długim czasie od daty produkcji,
naleŜy poddać formowaniu. Polega ono na dołączeniu do kondensatora napięcia stałego,
zgodnie z polaryzacją, na kilka godzin. Napięcie formujące stopniowo naleŜy zwiększać do
znamionowego utrzymując prąd upływu na niskim poziomie (sprawdzając jego wartość na
mikroamperomierzu).
MontaŜ elementów półprzewodnikowych
Elementy półprzewodnikowe w większości są montowane na płytkach drukowanych, ale
elementy wydzielające duŜą moc często montuje się na radiatorach w celu zwiększenia emisji
ciepła przez te elementy. Radiator zwykle połączony jest z masą układu, a jeŜeli obudowa
metalowa elementu półprzewodnikowego ma inny potencjał niŜ masa to między radiatorem
i obudową umieszcza się specjalne izolacyjne podkładki (np. mikowe). Podkładki te są
smarowane pastą silikonową w celu zmniejszenia oporu cieplnego. Podczas montaŜu tego
typu elementów naleŜy dokładnie sprawdzić na schemacie ideowym z jakim potencjałem
powinna być połączona elektroda elementu montowana na radiatorze.
Przyczyną uszkodzeń elektrycznych elementów półprzewodnikowych (takich jak: diody,
tranzystory, tyrystory czy elementy optoelektroniczne) jest przekroczenie dopuszczalnych
wartości napięć i prądów wynikające z:
− nieostroŜności w czasie naprawy (praca pod napięciem),
− niewłaściwego dobrania punktu pracy lub typu danego elementu.
Podczas wymiany diod półprzewodnikowych i tyrystorów naleŜy sprawdzić dokładnie
gdzie jest katoda i anoda tego elementu. W przypadku wymiany elementu montowanego na
radiatorze naleŜy wymienić przekładkę albo przynajmniej dokładnie ją oczyścić z resztek
opiłków i smarów.
Podczas wymiany tranzystorów bipolarnych naleŜy dokładnie rozpoznać końcówki tego
tranzystora i ich połączenie z pozostałymi elementami układu. Podczas wylutowywania
tranzystorów naleŜy zastosować odsysacz cyny i dopiero po usunięciu spoiwa z punktów
lutowniczych moŜna podwaŜyć i wyjąć tranzystory. W przypadku tranzystorów typu
MOSFET naleŜy postępować bardzo ostroŜnie, najlepiej czynności montaŜowe wykonywać
w specjalnych obrączkach metalowych odprowadzających ładunek elektrostatyczny do masy
układu.
Przed wymianą elementów optoelektronicznych naleŜy sprawdzić czy zabrudzenie
obudowy tych elementów (brak emisji promieniowania – diody IR lub brak odbioru
promieniowania – fototranzystory) nie jest przyczyną pozornego uszkodzenia tych
elementów.
76
MontaŜ układów scalonych
MontaŜ układów scalonych polega na umieszczeniu wszystkich końcówek układu
scalonego w otworach płytki drukowanej i wykonania lutowania z zachowaniem środków
ostroŜności podobnych jak w przypadku tranzystorów typu MOSFET. Często montaŜ układu
scalonego polega na umieszczeniu tego układu w podstawce, która jest na wlutowana
w płytkę drukowaną. Czynnością która sprawia wiele trudu jest wymiana układów scalonych.
Polega ona na ostroŜnym wycięciu nóŜek układu scalonego i oczyszczeniu płytki denaturatem
lub spirytusem. Następnie wylutowujemy poszczególne końcówki układu scalonego
posługując się precyzyjną lutownicą stałocieplną (stacja lutownicza) oraz odsysaczem cyny.
NaleŜy wykonywać tę czynność stosunkowo szybko, uwaŜając aby nie przegrzać ścieŜek
płytki drukowanej. Po usunięciu metalowych końcówek czyścimy płytkę spirytusem
usuwając resztki kalafonii i montujemy nowy układ scalony.
MontaŜ SMD
Nowoczesną metodą wykonania płytki jest montaŜ powierzchniowy zwany montaŜem
SMD. Polega on na tym, Ŝe pola lutownicze nie słuŜą do przewlekania końcówek elementów
elektronicznych, ale do ich przyklejania do płytki. Zatem pola lutownicze przeznaczone do
montaŜu SMD nie są przewiercane, a przez specjalnie wykonaną maskę nanosi się na nie
półpłynną pastę lutowniczą. Na tak przygotowanych polach lutowniczych sterowany
programowo automat rozkłada odpowiednie elementy zwane elementami SMD.
W porównaniu z klasycznymi elementami elektronicznymi elementy SMD są bardzo małe
i posiadają specjalne wyprowadzenia przeznaczone do montaŜu powierzchniowego lub tylko
metalizowane fragmenty obudowy (np. diody, rezystory czy kondensatory).
Na rysunku 57 pokazano typowe płytki przeznaczone do montaŜu SMD.
Rys. 57.
Płytki drukowane częściowo przeznaczone do montaŜu SMD [pl.wikipedia.org]
Oznakowanie elementów SMD
W przypadku maleńkich elementów o wymiarach rzędu milimetra oczywistym jest brak
miejsca na oznakowanie. Rezystory, kondensatory i najmniejsze cewki SMD w ogóle nie
mają Ŝadnych oznaczeń. Diody, tranzystory i inne małe elementy mają oznaczenia w postaci
dwu – lub trzyznakowego kodu. Na przykład dioda Zenera BZX84C5V1 ma oznaczenie Z2,
podwójna dioda Schottky’ego BAS70 – 06 ma oznaczenie D98, a tranzystor BCW71 – K1.
Nie ma tu Ŝadnego specjalnego kodu – klucza i naleŜy posługiwać się tabelami z pełnymi
i skróconymi oznaczeniami. Natomiast układy scalone oznaczane są „normalnie“, to znaczy
podany jest typ np. LM339. Brak oznaczeń nie jest Ŝadną przeszkodą przy masowej produkcji
za pomocą automatów. Utrudnia to jedynie ewentualną naprawę, ale to nie ma dziś większego
znaczenia, bo koszty naprawy często byłyby wyŜsze niŜ wyprodukowanie nowego modułu
(urządzenia).
77
Na rysunku 58 pokazano typowe elementy SMD.
a)
Rys. 58.
b)
Widok typowych elementów SMD: a) mostek prostowniczy, b) rezystory [pl.wikipedia.org]
Automatyczny montaŜ SMD
Przy montaŜu „zwykłych“ płytek drukowanych, końcówki elementów są przewlekane
przez otwory płytki. W przypadku elementów SMD nie ma ani drutowych wyprowadzeń
elementów, ani otworów w płytce. Dlatego elementy SMD muszą być wstępnie przyklejone
do płytki, a dopiero potem lutowane. Seryjna produkcja opiera się na zautomatyzowanych
liniach montaŜowych. Wydajność dobrych automatów montujących sięga 100000 elementów
na godzinę. Precyzyjne automaty montują elementy na płycie, a ingerencja człowieka
ogranicza się jedynie do wizualnej kontroli poprawności montaŜu. Wyeliminowanie
człowieka i wielka precyzja stosowanych automatów w całym procesie produkcji umoŜliwia
uzyskiwanie bardzo wysokiej dokładności i niezawodności montaŜu.
Elementy SMD dostarczane są zwykle w taśmach, które zawierają od kilkuset do kilku
tysięcy elementów. W konsekwencji urządzenia montowane masowo z elementów SMD
zdecydowanie wygrywają konkurencję z klasycznymi elementami „przewlekanymi“.
Wygrywają nie tylko ze względu na cenę, ale równieŜ ze względu na większą niezawodność,
mniejszy cięŜar i wymiary. NaleŜy takŜe mieć świadomość, Ŝe krótsze ścieŜki i mniejsze
wymiary takŜe są korzystne ze względu na podatność na zewnętrzne zakłócenia.
Podczas montaŜu elementy SMD muszą być wstępnie przyklejone do płytki, a potem
dopiero lutowane do niej. Znane są dwa główne sposoby lutowania: „na fali „ i rozpływowe”.
Lutowanie na tak zwanej fali polega na tym, Ŝe w naczyniu z ciekłą cyną (stopem
lutowniczym) wytwarzana jest fala roztopionej cyny, w której zanurzane są lutowane
elementy. Elementy SMD muszą być wcześniej przyklejone do powierzchni płytki na
właściwych miejscach za pomocą specjalnego (nieprzewodzącego) kleju. Z powodu licznych
wad obecnie ten sposób jest stosowany bardzo rzadko.
Drugi sposób to tak zwane lutowanie rozpływowe (reflow soldering). W sumie polega on
na naniesieniu na pola lutownicze płytki specjalnej pasty lutowniczej, która na tym etapie
pełni rolę kleju wstępnie mocującego elementy umieszczane na płytce. Pasta ta zawiera takŜe,
a raczej przede wszystkim, stop lutowniczy. Zmontowana płytka zostaje następnie podgrzana
do takiej temperatury, w której następuje stopienie stopu lutowniczego zawartego w paście
i tym samym trwałe połączenie mechaniczne i elektryczne elementów. Istnieje co najmniej
kilka odmian tego sposobu lutowania, róŜniących się sposobem podgrzewania, czyli
przekazywania ciepła. W przypadku montaŜu klasycznych, czyli „przewlekanych“ płytek
podgrzewane są jedynie stosunkowo cienkie końcówki elementów, a wewnątrz element
nagrzewa się niewiele. Zupełnie inaczej jest z elementami SMD. NiezaleŜnie od sposobu
lutowania, montowane elementy nagrzewane są do temperatury praktycznie takiej, jaka jest
potrzebna do stopienia stopu lutowniczego, czyli w praktyce do ponad +200˚C. Inaczej
mówiąc, wszystkie elementy SMD muszą być odporne na wysokie temperatury zarówno pod
względem napręŜeń mechanicznych jak i struktur półprzewodnikowych.
78
W katalogach elementów SMD moŜna znaleźć szczegółowe wskazówki dotyczące
sposobu montaŜu, temperatur i dopuszczalnej szybkości zmian temperatury. Jedynie
przestrzeganie tych zaleceń gwarantuje osiągnięcie załoŜonego poziomu niezawodności.
MontaŜ ręczny SMD
Przed uruchomieniem duŜej produkcji wykonuje się prototypowe egzemplarze danego
urządzenia. Do wykonania prototypowych płytek stosuje się najczęściej ręczny montaŜ SMD.
Podstawowymi narzędziami wykorzystywanymi do tego montaŜu są: strzykawka do
nakładania pasty lutowniczej lub kleju, próŜniowa pinceta i lutownica na gorące powietrze.
Istnieją takŜe specjalne niewielkie stanowiska montaŜowe SMD przeznaczone specjalnie do
ręcznego montowania prototypów. Zmontowane płytki mogą być lutowane za pomocą
gorącego powietrza (lub innego gazu), albo teŜ w niewielkich piecach do lutowania
rozpływowego.
Przy ręcznym montaŜu i demontaŜu płytek SMD, a zwłaszcza przy pracach serwisowych,
uŜywa się właśnie lutownic przekazujących ciepło za pomocą gorącego powietrza lub (lepiej)
jakiegoś gazu o właściwościach ochronnych oraz pincet podłączonych do pompki ssącej
działających tak samo jak odsysacz cyny.
1. Na czym polega montaŜ elektroniczny wykonywany w technologii THT?
2. Jak zbudowana jest wielowarstwowa płytka drukowana?
3. Wymień podstawowe zasady wykonywania połączeń lutowanych?
4. Czym róŜni się schemat ideowy układu elektronicznego od jego schematu montaŜowego?
5. Jakie narzędzia są stosowane podczas montaŜu i demontaŜu układu elektronicznego
metodą „przewlekaną”?
6. W jaki sposób montujemy półprzewodnikowe elementy dyskretne na płytce drukowanej
metodą THT?
7. Jakie są zasady montaŜu i demontaŜu układów scalonych na płytce drukowanej metodą
THT?
8. Na czym polega technologia elektronicznego, automatycznego montaŜu
powierzchniowego?
9. Czym się charakteryzują i jak są znakowane elektroniczne elementy SMD?
10. Jakie sposoby lutowania elementów są stosowane w technologii SMD?
11. Jakie narzędzia są stosowane podczas ręcznego montaŜu powierzchniowego?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Wymień uszkodzone elementy (dioda i kondensator) w prostowniku z układem Graetza
i obciąŜeniem RC oraz dokonaj uruchomienia tego układu.
1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym wybranego układu,
2) wyszukać w katalogach zamienniki uszkodzonych elementów i wybrać je z dostępnego
zestawu,
3) wylutować z płytki drukowanej uszkodzone elementy,
4) oczyścić płytkę,
79
5) wykonać prawidłowo montaŜ wybranych elementów na płytce drukowanej,
6) podłączyć zmontowany układ przez wyłącznik i transformator separujący do źródła
jednofazowego napięcia przemiennego o wartości skutecznej 24 V,
7) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wejścia, a drugi do wyjścia prostownika,
8) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego
prostownika,
9) ocenić, na podstawie obserwowanych przebiegów sprawność działania prostownika.
−
−
−
−
−
−
−
−
−
schematy ideowe i montaŜowe prostowników,
źródło jednofazowego napięcia przemiennego o wartości skutecznej 24 V,
cyfrowy miernik uniwersalny,
płytka drukowana i zestaw elementów do zmontowania,
prądowa sonda pomiarowa,
kalkulator i zeszyt do ćwiczeń.
Ćwiczenie 2
Wykonaj montaŜ (wraz z uruchomieniem) tranzystorowego, szeregowego zasilacza ze
stabilizacją i regulacją napięcia wyjściowego zgodnie ze schematem ideowym i montaŜowym.
1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym układu stabilizatora oraz jego
parametrami,
2) wykonać prawidłowo montaŜ przewlekany elementów tego układu na płytce drukowanej,
3) podłączyć zmontowany układ stabilizatora do regulowanego źródła napięcia stałego
0÷24 V,
4) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia stabilizatora,
5) zaobserwować na ekranie oscyloskopu tętnienia przebiegu wyjściowego,
6) zmierzyć za pomocą multimetru cyfrowego zakres regulacji napięcia wyjściowego przy
róŜnych obciąŜeniach i granicznych wartościach napięcia wejściowego,
7) porównać zmierzone i teoretyczne parametry układu,
8) ocenić prawidłowość działania zmontowanego układu.
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
schemat ideowy i montaŜowy zasilacza,
katalog elementów i opis techniczny zasilacza,
regulowane źródło napięcia stałego,
oscyloskop,
miernik uniwersalny,
opornik suwakowy jako obciąŜenie,
kalkulator,
zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania.
80
Ćwiczenie 3
Wykonaj montaŜ (wraz z uruchomieniem) tranzystorowego dwustopniowego
wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości zgodnie ze schematem ideowym
i montaŜowym.
9)
10)
zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym układu wzmacniacza oraz jego
parametrami,
wykonać prawidłowo montaŜ przewlekany elementów tego układu na płytce drukowanej,
podłączyć zmontowany układ wzmacniacza do wymaganego źródła napięcia stałego,
podłączyć do wejścia regulowany generator sygnału sinusoidalnego, nastawiony na
częstotliwość 1 kHz i minimalną amplitudę sygnału wejściowego,
obciąŜyć wzmacniacz opornikiem o rezystancji i mocy znamionowej,
podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia, a drugi do wejścia wzmacniacza,
włączyć zasilanie i generator,
zwiększać poziom sygnału wejściowego aŜ do zaobserwowania na oscyloskopie zjawiska
przesterowania wzmacniacza,
odczytać z oscyloskopu amplitudę napięcia przesterowania,
ocenić prawidłowość działania zmontowanego układu.
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
−
schemat ideowy i montaŜowy wzmacniaczy,
katalog elementów i opis techniczny wzmacniacza,
regulowane źródło napięcia stałego,
generator funkcyjny,
miernik uniwersalny,
opornik o rezystancji znamionowej jako obciąŜenie,
kalkulator,
zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
Czy potrafisz:
Tak
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
wykonać montaŜ elektroniczny w technologii THT?
określić jak zbudowana jest wielowarstwowa płytka drukowana?
rozróŜnić schemat ideowy od schematu montaŜowego?
wymienić narzędzia stosowane podczas montaŜu i demontaŜu
układu elektronicznego metodą „przewlekaną”?
wymienić zasady montaŜu diod i tranzystorów na płytce drukowanej
metodą THT?
zamontować i zdemontować układ scalony na płytce drukowanej
metodą THT?
wyjaśnić technologię montaŜu elektronicznego SMD?
wskazać cechy charakterystyczne elementów SMD?
wyjaśnić zasady ręcznego montaŜu elementów SMD?
81
Nie
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.
Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi.
Tylko jedna jest prawidłowa.
Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce
znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.
Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed
wskazaniem poprawnego wyniku.
Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie
na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.
Na rozwiązanie testu masz 40 minut.
Powodzenia!
82
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1.
Na poniŜszym schemacie ideowym przedstawiono
a)
b)
c)
d)
układ wzmacniacza róŜnicowego.
układ wzmacniacza odejmującego.
układ wzmacniacza odwracającego.
układ generatora.
2.
Do ograniczania i stabilizacji napięć stosuje się
a) dławiki.
b) hallotrony.
c) termistory.
d) warystory.
3.
W generatorze funkcyjnym przebieg sinusoidalny jest uzyskiwany
a) dzięki zastosowaniu układu sprzęŜeniowego.
b) z przebiegu prostokątnego.
c) dzięki zastosowaniu elementu o ujemnej rezystancji dynamicznej.
d) z przebiegu trójkątnego.
4.
Diody stabilizacyjne pracując w kierunku zaporowym (blisko napięcia Zenera)
charakteryzują się
a) niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem duŜych zmian prądu.
b) niewielkimi zmianami prądu pod wpływem duŜych zmian napięcia.
c) nieodwracalnym przebiciem złącza PN.
d) brakiem przepływu prądu.
5. Parametr URWM definiowany dla diod półprzewodnikowych oznacza
a) maksymalne napięcie przewodzenia diody.
b) maksymalne napięcie wsteczne diody.
c) napięcie stabilizacyjne diody.
d) napięcie progowe diody.
6.
Złącze emiterowe tranzystora NPN jest w stanie przewodzenia gdy
a) VE > VB.
b) VB > VC.
c) VB > VE.
d) VC > VE.
83
7.
Przedstawiony symbol graficzny jest symbolem
a)
b)
c)
d)
kondensatora powietrznego.
trymera.
kondensatora elektrolitycznego.
kondensatora zwijkowego.
8.
W celu wyznaczenia charakterystyki diody prostowniczej spolaryzowanej w kierunku
przewodzenia metodą „punkt po punkcie” budujemy układ pomiarowy składający się
z zasilacza regulowanego oraz:
a) rezystor, miliamperomierz i miliwoltomierz.
b) rezystor, amperomierz i oscyloskop.
c) potencjometr, amperomierz i woltomierz.
d) potencjometr, amperomierz i oscyloskop.
9.
Opornik o rezystancji znamionowej 1,2 MΩ (z szeregu E24) ma następujący kod barwny
a) brązowy – czerwony – zielony – złoty.
b) brązowy – czerwony – niebieski – złoty.
c) brązowy – czerwony – zielony – srebrny.
d) brązowy – czerwony – niebieski – srebrny.
10. Napięcie przełączania U(BO) jest związane z pracą tyrystora w stanie
a) zaworowym.
b) blokowania.
c) przewodzenia.
d) aktywnym.
11. Parametrem charakterystycznym tranzystora unipolarnego jest
a) współczynnik wzmocnienia prądowego β.
b) napięcie odcięcia kanału UGsoff.
c) napięcie powtarzalne URRM.
d) napięcie przewodzenia UF.
12. W procesie ręcznego montaŜu SMD pastę lutowniczą powinno się nakładać
a) pędzelkiem.
b) szpatułką.
c) strzykawką.
d) szmatką.
13. Tranzystor, którego potencjały elektrod wynoszą (w stanie aktywnym) VE = 2 V,
VB = 2,7 V, VC = 6 V naleŜy do typu określanego w skrócie
a) NPN.
b) PNP.
c) JFET.
d) MOSFET.
84
14. W przypadku stwierdzenia braku sygnału wyjściowego wzmacniacza tranzystorowego
pierwszą czynnością sprawdzającą powinien być
a) pomiar sprawdzający sprawność tranzystora wyjściowego.
b) pomiar napięcia wejściowego i zasilającego.
c) pomiar napięć stałych na elektrodach tranzystorów.
d) pomiar sygnału napięciowego na wejściu tranzystora wyjściowego.
15. Dioda prostownicza pracuje w układzie prostownika, z mostkiem Graetza, zasilanego
napięciem 230V/50Hz. Optymalna wartość parametru URRM tej diody dla
przedstawionego układu wynosi
a) 200 V.
b) 300 V.
c) 400 V.
d) 600 V.
16. Wzmacniacz operacyjny pokazany na poniŜszym rysunku pracuje w układzie scalonego
stabilizatora napięcia. Zastosowane rezystory mają następujące wartości R1 = 2 kΩ,
R2 = 1 kΩ i R3 = 3 kΩ. Wartość stabilizowanego napięcia wyjściowego w tym układzie
wynosi
a)
b)
c)
d)
Uwy = 3,6 V.
Uwy = 2,4 V.
Uwy = 10,8 V.
Uwy = 14,4 V.
17. Podczas montowania elementów elektronicznych na radiatorze stosujemy przekładki
mikowe wtedy, gdy
a) potencjał obudowy elementu elektronicznego jest róŜny od potencjału radiatora.
b) radiator połączony jest z masą.
c) element elektroniczny pracuje pod wysokim napięciem.
d) element elektroniczny przegrzewa się.
18. Pojedynczy stopień wzmacniacza tranzystorowego, którego wyjście połączone jest
z kolektorem, a wejście z emiterem pracuje w układzie
a) OE.
b) OC.
c) OB.
d) wtórnika emiterowego.
85
19. Na poniŜszym schemacie wzmacniacza wielostopniowego tranzystorem pracujacym
w układzie OC jest
a)
b)
c)
d)
T1.
T2.
T3.
T4.
20. Wartość pojemności znamionowej kondensatora ceramicznego oznaczonego symbolami
N33 i 101 wynosi
a) CN = 33pF.
b) CN = 10pF.
c) CN = 330pF.
d) CN = 100pF.
86
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko.....................................................................................................................
Badanie elektronicznych układów analogowych
Zakreśl poprawną odpowiedź.
Nr
zadania
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Odpowiedź
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
b
Punkty
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
c
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
Razem:
87
6. LITERATURA
1.
Chwaleba A., Moeschke B., Pilawski M.: Pracownia elektroniczna – elementy układów
elektronicznych. WSiP, Warszawa 1996
2. Chwaleba A., Moeschke B., Płoszajski G.: Elektronika. WSiP, Warszawa 1996
3. Grabowski L.: Pracownia elektroniczna – układy elektroniczne. WSiP, Warszawa 1999
4. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki cz. 1. WSiP, Warszawa 1998
5. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki cz. 2. WSiP, Warszawa 1997
6. Zachara Z.: Zadania z elektrotechniki nie tylko dla elektroników. WSPWN, Warszawa
2000
7. http://pl.wikipedia.org
8. http://www.cyfronika.com.pl
9. http://www.edw.com.pl
10. http://www.matmic.neostrada.pl
11. http://www.meditronik.com.pl
Czasopisma:
– Elektronika dla wszystkich
– Elektronika praktyczna
88

technik_ teleinformatyk_312.[02].O2.01_u

Transkrypt

Podobne dokumenty

płytka wzmacniacza

METODYKA PROJEKTOWANIA I TECHNIKI

wskazówki, opis montażu i uruchomienie – pdf - dx

Charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa tranzystorowego

Sterowanie od strony mikrofonu Generator sterowany

Instytut Fizyki Uniwersytet Śląski

zał.13-rys.nr.19-przykład oprawy lampy

Marantz SR5007 - pomiędzy Denonami AVR-2113 i AVR