Instrukcja nr 12 - PB Wydział Elektryczny

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEKTRONIKA 2
Kod: ES1C400 026
UKŁADY UZALEŻNIEŃ CZASOWYCH
Opracował
dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB
mgr inż. Kazimierz Kierus
Białystok 2017
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Program szczegółowy laboratorium
Wprowadzenie – przepisy BHP, regulamin laboratorium, zapoznanie studentów ze
stanowiskami laboratoryjnymi i aparaturą pomiarową. (2 godz.)
Badanie diod i tranzystorów. (2 godz.)
Optoizolacja cyfrowa. (2 godz.)
Układ różnicowy. (2 godz.)
Tranzystory jako układy dwustanowe. (2 godz.)
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych. (2 godz.)
Trójkońcówkowe stabilizatory napięcia. (2 godz.)
Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych. (2 godz.)
Stabilizator impulsowy. (2 godz.)
Podstawowe bramki logiczne. (2 godz.)
Układy formowania impulsów. (2 godz.)
Przetworniki cyfrowo – analogowe i analogowo – cyfrowe. (2 godz.)
Układy uzależnień czasowych. (2 godz.)
Zastosowania wybranych układów scalonych. (2 godz. )
Zaliczenie. Odrabianie zaległości. (2 godz.)
Literatura podstawowa
1. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe. WNT, 2009.
2. Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, cz. I i II. WKiŁ, 2006.
3. Stepowicz W., Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999.
4. Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, 2007.
5. Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz.I - Układy analogowe liniowe. WNT, 2003.
6. Antoszkiewicz K., Z.Nosal Z., Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych. WNT, 1998.
7. Górecki P., Wzmacniacze operacyjne. Wydaw. BTC, 2002.
8. Platt Ch., Elektronika. Od praktyki do teorii (ebook). 2012.
9. Barlik R., Nowak M., Energoelektronika. Elementy, podzespoły, układy. WPW, Warszawa,
2014.
Literatura specjalistyczna oraz piśmiennictwo pomocnicze podane są w instrukcjach
do ćwiczeń laboratoryjnych.
Wydział Elektryczny
INSTRUKCJA STANOWISKOWA BHP
Katedra Automatyki i Elektroniki
dotyczy zasad użytkowania stanowiska do ćwiczeń laboratoryjnych
z zakresu elektroniki.
Dotyczy zasad użytkowania następujących urządzeń:
L
Nazwa urządzenia
1
Oscyloskop cyfrowy Tektronix
Generator funkcyjny
Zasilacz stabilizowany
Oznaczenie
p.
.
2
.
3
.
Aby uniknąć obrażeń, porażenia prądem elektrycznym lub uszkodzenia użytkowanych
urządzeń, zaleca się uważne przeczytanie i przestrzeganie poniższych uwag
eksploatacyjnych z zakresu bezpieczeństwa pracy.
 Użytkowanie urządzenia lub stanowiska powinno być zgodne z jego instrukcją obsługi oraz
odrębnymi instrukcjami obsługi elementów składowych, jeżeli takie występują.
 Wszelkie czynności serwisowe (naprawy, regulacje, wymiany bezpieczników, itp.) powinny
być wykonywane jedynie przez odpowiednio wykwalifikowane osoby.
Przed przystąpieniem do pracy na stanowisku należy:
 Zapoznać się z instrukcją obsługi wykorzystywanych urządzeń.
 Zapewnić poprawne uziemienie przyrządu, poprzez połączenie przewodu ochronnego kabla
sieciowego do sprawnego gniazdka sieciowego z kołkiem uziemiającym.
 Używać właściwego kabla sieciowego zaprojektowanego dla danego urządzenia,
spełniającego odpowiednie normy krajowe.
 Przed wykonaniem jakichkolwiek połączeń wyjść i wejść urządzenia należy upewnić się, czy
urządzenie jest prawidłowo uziemione.
 Zapewnić wymagane chłodzenie przyrządu poprzez prawidłowy obieg powietrza
chłodzącego przyrząd.
 Aby uniknąć ryzyka pożaru lub porażenia prądem, należy zwracać uwagę na wszelkie
ostrzeżenia na obudowie przyrządu oraz nie przekraczać podanych w instrukcji i na
obudowie maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia i prądu w gniazdach urządzenia.
Podczas pracy na stanowisku laboratoryjnym należy:
 Zachować ład i porządek. Przyrządy powinny być tak ustawione, aby nie mogły spaść.
 Wykonywać połączenia tak, aby nie zagrażały użytkownikom stanowiska.
 Połączenia wykonywać możliwie najkrótszymi przewodami, unikać połączeń przewodami
zwisającymi.
 Nie należy podłączać lub odłączać sond lub przewodów pomiarowych, gdy one lub punkt
podłączenia są pod napięciem.





Nie pracować ze zdjętymi elementami obudowy lub zdemontowanymi panelami.
Nie dotykać metalowych elementów obwodu (gniazd, styków, podzespołów, nieizolowanych
przewodów mogących znaleźć się pod napięciem, itp.), gdy włączone jest zasilanie
urządzenia.
Jeżeli zachodzi podejrzenie uszkodzenia urządzenia lub jego nieprawidłowej pracy, należy
wyłączyć zasilanie i fakt ten zgłosić osobie prowadzącej zajęcia. Przed przystąpieniem do
dalszej pracy urządzenie takie powinno być sprawdzone przez odpowiednio
wykwalifikowaną osobę.
Nie używać przyrządu w miejscach o dużej wilgotności, w atmosferze zawierającej gazy
wybuchowe i agresywne korozyjnie.
Dbać, aby powierzchnia przyrządu była zawsze czysta i sucha.
Po skończeniu pracy na stanowisku należy:
 Wyłączyć urządzenia zasilane energią elektryczną.
 Uporządkować stanowisko.
Czynności zabronione:
 Używanie urządzeń niezgodnie z ich przeznaczeniem i instrukcją obsługi.
 Łączenie elektrycznych obwodów pomiarowych znajdujących się pod napięciem.
 Samowolne otwieranie obudów i naprawianie urządzeń zasilanych energią elektryczną.
Pierwsza pomoc:
 W przypadku porażenia prądem elektrycznym należy uwolnić osobę porażoną spod działania
prądu elektrycznego przez natychmiastowe wyłączenie napięcia za pomocą przycisku
bezpieczeństwa na tablicy zasilającej.
 Udzielić pomocy przedlekarskiej osobom poszkodowanym.
 Przy nieszczęśliwych wypadkach należy bezzwłocznie wezwać Pogotowie Ratunkowe (tel.
999, kom. 112).
W przypadku pożaru:
 Odłączyć zasilanie urządzeń, rozpocząć ewakuację ludzi z zagrożonego obszaru.
 Gasić urządzenia dostępnymi środkami ochrony p.poż., a w koniecznym przypadku wezwać
Straż Pożarną (tel. 998, kom. 112).
Instrukcja przygotowana na podstawie dokumentacji technicznych ww. urządzeń.
1. Cele ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest badanie układów odmierzających czas oraz generujących w
specjalny sposób przebiegi dwustanowe .
Działanie większości tych układów oparte jest na procesie ładowania lub
rozładowania kondensatora lub wykorzystaniu drgań rezonatora kwarcowego. W
niektórych zastosowaniach ważna jest dokładność odmierzanego czasu. Uzyskanie
długich czasów (godziny,doby) na bazie pojedynczego procesu ładowania kondensatora
jest niemożliwe (dlaczego? - przeprowadzić analizę) . W tych przypadkach stosuje się
czasówki licznikowe zawierające generator impulsów o stosunkowo dużej częstotliwości i
liczniki dzielące tą częstotliwość. Układy licznikowe umożliwiają odmierzanie długich
czasów z wysoką dokładnością (bazą może być rezonator kwarcowy).
Przedmiotem badania będą układy czasowe 555 oraz
licznikowe 4541.
Szczegółowy zakres badań w określi prowadzący ćwiczenie
2. Zadanie do przygotowania w domu
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy odszukać w literaturze lub przypomnieć z
wykładów budowę, zasady działania układów czasowych bipolarnych 555 i CMOS 4541
Należy zapoznać się z danymi katalogowymi tych układów i funkcją wyprowadzeń . Dane
katalogowe załączone są w postaci plików PDF, dołączonych do instrukcji.
2.1 Układ czasowy 555
Układ 555 przeznaczony jest do wytworzenia pojedynczego impulsu (od mikrosekund do
kilkunastu sekund)
lub generacji impulsów
prostokątnych (od 1 MHz do 0.01Hz).
Oprócz podstawowych zastosowań często wykorzystywany jest do różnych nietypowych i
ciekawych funkcji (Przetwornik U/f , pomiar pojemności itp.)
(Wyszukaj w internecie temat: 555+timer).
Na załączonym wyciągu z danych katalogowych przedstawione są podstawowe
konfiguracje 555
Układ zawiera dwa komparatory : dolny generujący sygnał „set” (włącz) gdy napięcie na
jego wejściu spadnie poniżej 1/3 Uzas i górny generujący sygnał „reset” (kasuj) gdy
napięcie na jego wejściu przekroczy 2/3 Uzas . Sygnały te włączają
i wyłączają
przerzutnik R-S
Stan przerzutnika, poprzez bufor (układ zwiększający obciążalność prądową do ok.
100 mA), jest przekazywany na wyjście .
W stanie „reset” przerzutnika do bazy tranzystora rozładowującego wpływa prąd i
wprowadza go w stan nasycenia (kolektor praktycznie zwarty z masą) .
Aby układ wytwarzał pojedynczy impuls wykorzystujemy ładowanie kondensatora przez
opornik kontrolując napięcie na kondensatorze (do kondensatora podłączone jest wejście
górnego komparatora „reset”).
Do kondensatora podłączony jest także tranzystor rozładowujący kondensator .
Wejście komparatora „set” poprzez rezystor podciągający podłączone jest do +Uzas.
Aby rozpocząć pracę należy na chwilę obniżyć potencjał na tym wejściu poniżej 1/3
Uzas co spowoduje stan „set” i zablokowanie tranzystora rozładowującego usuwając
jego zwarcie i pozwoli na ładowanie kondensatora. Proces będzie trwał aż napięcie na
kondensatorze osiągnie poziom 2/3 Uzas i pojawi się „reset” na wyjściu górnego
komparatora.
Analiza działania w trybie generatora impulsów jest podobna i ćwiczący
przeprowadzą ją samodzielnie.
2.2 Układ CMOS 4541
Układ zawiera wewnętrzny generator impulsów o częstotliwości ustalonej przez
podłączone do wyprowadzeń 1,2,3 opornika oraz kondensatora CT RT
(patrz dane
katalogowe) . Częstotliwość jest dzielona przez wewnętrzne liczniki binarne na 256 , a
następnie w zależności od stanu na wejściach programujących A (12), B(13) dodatkowo
przez 1, 4 , 32 , 256 co daje stopień podziału 256 . 1024 , 8192 , 65536 .
Po zliczeniu zadanej ilości impulsów kasowany jest (ustawiany po włączeniu
zasilania) przerzutnik R-S kończąc odmierzanie czasu.
Wejście SELECT Q/Q (9) odwraca polaryzację sygnału na wyjściu (po zał. 1 czy 0).
W zależności od stanu na wejściu MODE (10) po zakończeniu zliczania przerzutnik
jest na stałe kasowany (MODE=0) lub przepuszcza sygnały z licznika powtarzając cykle
(MODE=1) .
Jeżeli na wejściu AUTO RESET
(5) jest podane 0 (poł. z masą) po załączeniu
zasilania następuje zerowanie liczników i start układu.
Układ 4541 pozwala na odmierzanie zarówno krótkich
(0.1sek) jak i długich
(24godz.) czasów i ma szerokie zastosowanie w automatach i urządzeniach sterujących
maszyn jako przekaźniki czasowe lub t.z. czasówki (działanie rozpoczyna po podaniu
zasilania)
3.Przebieg ćwiczenia
3.1.Badanie układu 555
Wstawić układ 555 w przygotowaną podstawkę.
Podać na oba (zwarte ze sobą ) wejścia komparatorów (2,6) napięcie z potencjometru
regulacyjnego . Zdjąć charakterystykę STAN = f (U) (STAN może przyjmować wartości
„1” lub „0”).
Sprawdzić działanie wejścia RESET (4).
Połączyć układ do pracy astabilnej dobierając kondensator i rezystory Ra i Rb aby
uzyskać zadaną częstotliwość (2000Hz) i (1Hz).
Po uruchomieniu określamy za pomocą częstościomierza (dla 2000Hz)
i czasomierza (dla1Hz) częstotliwość i okres a następnie prowadzimy analizę błędów.
(N.p. jak podłączenie kabla oscyloskopu do kondensatora wpływa na dokładność, prądy
polaryzacji komparatora i t d)
3.2.Zastosowanie 555 jako czujnika pojemnościowego
Jako kondensator zadający czas stosujemy kondensator ok. 20pF i małą płytkę z
laminatu. zbliżając i oddalając rękę obserwujemy zmiany częstotliwości.
3.3.Badanie układu 555 jako uniwibratora
W przygotowaną podstawkę wstawiamy układ 555, tworzymy konfigurację uniwibratora
podłączając
rezystor i kondensator dobrane tak aby uzyskać
czas ok. 1 minuty.
Przyciskiem „START” Wyzwalamy układ.
Podgrzewając układ sprawdzić stabilność czasu .
Prowadzimy analizę błędów.
3.4. Badanie układu 4541
Do wejść oscylatora podłączamy RT
CT dobrane tak aby uzyskać częstotliwość
ok.2000Hz. Wstawiamy układ w podstawkę i sprawdzamy działanie obserwując przebiegi
na końcówkach oscylatora.
Przełączając przełączniki podajemy na odpowiednie wejścia Stany
„0” lub „1” i
obserwujemy działanie układu. Wnioski z obserwacji należy zamieścić w tabelce.
3.5. Prezentacja i analiza wyników badań.
Na podstawie przeprowadzony badań i pomiarów należy opracować wnioski i uwagi,
jakie nasunęły się podczas wykonywania ćwiczenia .
4. Sprawozdanie studenckie
Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
 stronę tytułową zgodnie z obowiązującym wzorem,
 cel i zakres ćwiczenia,
 schemat zaprojektowanego układu pomiarowego z obliczeniami elementów,
 projekt płytki drukowanej lub schemat montażowy,
 opis przebiegu ćwiczenia z wyszczególnieniem wykonywanych czynności,
 tabele i wykresy ilustrujące osiągnięte wyniki i parametry,
 wnioski i uwagi.
Literatura
[1] J. Baranowski i inni: Układy elektroniczne. WNT, Warszawa 1998.
[2] J. Baranowski, G. Czajkowski.: Układy elektroniczne cz. II. Układy analogowe
nieliniowe i impulsowe. WNT, Warszawa 1994.
[3] A. Filipkowski: Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Warszawa
1995.
[4] P.Horowitz, W.Hill. Sztuka elektroniki. Część 1 i 2. WKŁ, Warszawa 1996.
[5] Niedźwiecki M., Rasiukiewicz M. Nieliniowe elektroniczne układy analogowe,
WNT, 1991.
[6] W. Stepowicz. Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk1999.
[7] U.Tietze, Ch. Schenk. Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1998.
[8] W. Wawrzyński. Podstawy współczesnej elektroniki. WPW, 2003.
[9] Dane katalogowe stosowanych układów - Internet.
Rysunek 1.
Rysunek 2.