ΗΥ-121: Ηλεκτρικά Κυκλώματα
Άνοιξη 2010
Τμ. Επ. Υπολογιστών
© Πανεπιστήμιο Κρήτης

Ασκήσεις και Εργαστήριο 7:   Δίοδοι,
Ανορθωτές, Εξομάλυνση, Zener, Ψαλιδισμός, κλπ.

19 έως 22 Απριλίου 2010 (βδομάδα 9)
[Up - Table of Contents]
[Prev - 6. RLC under Sinusoidal Sources]
[printer version - PDF]
[8. Operational Amplifiers - Next]

Διάβασμα: Διαβάστε το κεφάλαιο 9, "Ημιαγωγοί και Δίοδοι", από το 2ο τόμο του βιβλίου, δίνοντας την παρακάτω έμφαση σε κάθε θέμα:

Ασκήσεις: Λύστε και παραδώστε σε χαρτί την Δευτέρα 19 Απριλίου τις ασκήσεις 9.14 (σελ. 171) και 9.36 (σελ. 175-176) του βιβλίου.

Πείραμα 7.1:   Ημιανορθωτής

Κατασκευάστε στο εργαστήριο το κύκλωμα του σχήματος 9.20 (σελ. 118) του βιβλίου: μιά πηγή εναλλασομένου τροφοδοτεί μιάν αντίσταση φορτίου μέσω μιάς διόδου. Σαν πηγή εναλλασομένου χρησιμοποιήστε την παλμογεννήτρια σε κυματομορφή ημιτονοειδούς. Σαν αντίσταση φορτίου χρησιμοποιήστε 570 Ω (γιά να μην κινδυνεύει να υπερθερμανθεί σε υψηλές τάσεις πηγής). Σαν δίοδο χρησιμοποιήστε μιάν 1N4007 (βλ. σελ. 126-129 βιβλίου). Συνδέστε το κανάλι 1 του παλμογράφου στην πηγή, και το κανάλι 2 στην αντίσταση φορτίου.

Παρατηρήστε την κυματομορφή εξόδου σε σχέση με την κυματομορφή εισόδου. Πόση είναι η πτώση τάσης πάνω στη δίοδο όταν αυτή άγει, και πού την βλέπετε αυτήν (πού την μετράτε) πάνω στον παλμογράφο; Αλλάξτε το πλάτος του σήματος εισόδου, και παρατηρήστε πώς μοιάζει η κυματομορφή εξόδου· τι παρατηρείτε γιά πολύ μικρά πλάτη; γιατί; Αλλάξτε το DC Offset της πηγής και παρατηρήστε. Εξηγήστε όλα όσα βλέπετε στο βοηθό του εργαστηρίου. Αυξήστε τη συχνότητα της πηγής, και δείτε αν αλλάζει καθόλου η συμπεριφορά της διόδου στις ψηλές συχνότητες (σε πολύ ψηλές συχνότητες, τα παρασιτικά στοιχεία των ημιαγωγών (π.χ. παρασιτική χωρητικότητα) κάνουν την εμφάνισή τους --όμως, οι δικές μας παλμογεννήτριες, δυστυχώς, δεν μπορούν να δώσουν "πραγματικά" ψηλές συχνότητες...).

Πείραμα 7.2:   Πλήρης Ανορθωτής Γέφυρας

Κατασκευάστε στο εργαστήριο το κύκλωμα του σχήματος 9.41 (σελ. 138) του βιβλίου. Χρησιμοποιήστε την ίδια πηγή και την ίδια αντίσταση φορτίου όπως στο πείραμα 7.1, αλλά τέσσερεις (4) διόδους 1N4007 αντί μίας. Παρατηρήστε και πάλι την κυματομορφή εξόδου σε σχέση με την κυματομορφή εισόδου, και απαντήστε τις ίδιες ερωτήσεις όπως και στο πείραμα 7.1.

ΠΡΟΣΟΧΗ: Σε αυτό και στα επόμενα πειράματα, η παρατήρηση της τάσης πάνω στην αντίσταση φορτίου δεν μπορεί να γίνει συνδέοντας απλά το κανάλι 2 του παλμογράφου στα δύο άκρα αυτής της αντίστασης. Ο λόγος είναι ο εξής: Τα κανάλια 1 και 2 του παλμογράφου έχουν κοινό τον "αρνητικό" τους ακροδέκτη --κόμβος COM (common). Επίσης, ο κόμβος αυτός COM του παλμογράφου είναι κοινός (ενωμένος - βραχυκυκλωμένος) με τον ακροδέκτη γείωσης της ΔΕΗ (το τρίτο, εξωτερικό ποδαράκι της πρίζας σούκο). Το ίδιο συμβαίνει και γιά τον κοινό (COM, "αρνητικό") ακροδέκτη της παλμογεννήτριας (που σ' εμάς είναι η πηγή σήματος) --δηλαδή, μέσω της γείωσης της ΔΕΗ είναι ενωμένοι (βραχυκυκλωμένοι) οι κόμβοι COM παλμογράφου και παλμογεννήτριας. Σημειωτέον, πάντως, ότι κάτι ανάλογο ΔΕΝ ισχύει γιά το τροφοδοτικό: ο αρνητικός ακροδέκτης του τροφοδοτικού είναι "floating" --δεν συνδέεται με τη γείωση της ΔΕΗ.

Ουτως εχόντων των πραγμάτων, αφού το κανάλι 1 του παλμογράφου (ή τουλάχιστο το COM του) πρέπει είναι συνδεδεμένο στην πηγή, το κανάλι 2 μπορεί μόνο να μας δείχνει την τάση ενός άλλου σημείου, και πάντα ως προς το ίδιο σημείο αναφοράς, δηλαδή ως προς τον ακροδέκτη COM της πηγής. Ακόμα και αν αποσυνδέσουμε το ενεργό άκρο του καναλιού 1 από την πηγή, αφού υπάρχει η ένωση των ακροδεκτών COM παλμογράφου και παλμογεννήτριας μέσω γείωσης της Δ.Ε.Η., πάλι τα κανάλια του παλμογράφου θα μπορούν να δείχνουν τις τάσεις σημείων μόνον ως προς σημείο αναφοράς τον ακροδέκτη COM της παλμογεννήτριας. Άρα, στο εδώ πείραμα, θα μπορούμε μόνο να παρακολουθούμε την τάση του ενός ή (και) του άλλου άκρου της αντίστασης φορτίου ως πρός τον ακροδέκτη COM της πηγής, αλλά όχι του ενός ως προς το άλλο άκρο της αντίστασης φορτίου.

Υπό τις παραπάνω συνθήκες, ο μόνος τρόπος να δούμε τη σχετική τάση του ενός άκρου της αντίστασης φορτίου ως προς το άλλο είναι ο εξής. Συνδέουμε τον "θετικό" (όχι COM) ακροδέκτη του καναλιού 1 στη μία άκρη της αντίστασης φορτίου· συνδέουμε τον "θετικό" επίσης ακροδέκτη του καναλιού 2 στην άλλη άκρη της αντίστασης φορτίου. Βάζουμε το κατακόρυφο του παλμογράφου σε "VERTICAL MODE ADD", δηλαδή αντί να μας δείχνει στον κατακόρυφο άξονα την τάση του καναλιού 1 ή και του καναλιού 2, θα μας δείχνει το αλγεβρικό τους άθροισμα. Επίσης πατάμε το κουμπί "CH 2 INV" (channel 2 invert), το οποίο αναστρέφει την πολικότητα του καναλιού 2 πριν το δώσει στον αθροιστή· έτσι, το αποτέλεσμα της άθροισης που θα βλέπουμε στην οθόνη, θα είναι τελικά η διαφορά "δυναμικό καναλιού 1 μείον δυναμικό καναλιού 2", που είναι αυτό που θέλαμε αρχικά.

Πείραμα 7.3:   Εξομάλυνση Πλήρως Ανορθωμένης Κυματομορφής

Προσθέστε στο κύκλωμα του πειράματος 7.2 έναν πυκνωτή εξομάλυνσης των 1 μF εν παραλλήλω με την αντίσταση φορτίου· Προσοχή: πυκνωτές τέτοιων χωρητικοτήτων είναι συνήθως ηλεκτρολυτικοί, άρα έχουν συγκεκριμένη πολικότητα και πρέπει να συνδέονται με συγκεκριμένη φορά --αλλοιώς... κίνδυνος έκρηξης! Το κύκλωμα που προκύπτει είναι σαν το κύκλωμα του σχήματος 9.44 (σελ. 140) του βιβλίου, αλλά χωρίς την εν σειρά αντίσταση των 170 Ω (αυτή την αντίσταση θα την έβαζε κανείς γιά να περιορίσει το ισχυρό ρεύμα φόρτισης του πυκνωτή τη στιγμή που ανάβει η δίοδος --όμως σε εμάς τα ρεύματα είναι πολύ μικρά σε σχέση με τις αντοχές των διόδων, και επίσης η παλμογεννήτριά μας έχει εσωτερική αντίσταση πολύ μεγαλύτερη εκείνης της ΔΕΗ...)· επίσης, εμείς έχουμε αντίσταση φορτίου, την οποία δεν έχει το σχήμα 9.44. Αλλοιώς, αν θέλετε, το κύκλωμά μας εδώ είναι σαν το σχήμα 9.45 (σελ. 143) του βιβλίου, με φίλτρο και αντίσταση φορτίου, αλλά χωρίς τον ρυθμιστή τάσης. Ή εναλλακτικά, το κύκλωμά μας είναι σαν το σχήμα Π9.31 (σελ. 174) του βιβλίου, μόνο που χρησιμοποιούμε ανορθωτή γέφυρας αντί μεσαία λήψη από μετασχηματιστή.

Η κυματομορφή εξόδου που περιμένουμε να δούμε είναι σαν το σχήμα Π9.33 (σελ. 175) του βιβλίου. Παρατηρήστε στον παλμογράφο την κυματομορφή εξόδου. Αλλάξτε τη συχνότητα της πηγής, και δείτε πώς αλλάζει η κυματομορφή εξόδου. Τι παρατηρείτε για πολύ χαμηλές και γιά πολύ ψηλές συχνότητες; Εξηγήστε το στον βοηθό του εργαστηρίου, και κάντε έναν υπολογισμό που να δικαιολογεί την κλίση της γραμμής που βλέπετε.

Πείραμα 7.4:   Ρυθμιστής Τάσης με Δίοδο Zener

Στο κύκλωμα του πειράματος 7.3, μεταξύ πυκνωτή εξομάλυνσης και αντίστασης φορτίου, προσθέστε (όπως στο σχήμα 9.45, σελ. 143 του βιβλίου) έναν ρυθμιστή τάσης με δίοδο Zener σαν αυτόν του σχήματος 9.49 (σελ. 145) του βιβλίου. Σαν αντίσταση περιορισμού ρεύματος, χρησιμοπιήστε Rs = 220 Ω. Σαν δίοδο Zener χρησιμοποιήστε μιάν BZX85C3v0, της οποίας η τάση κατάρρευσης είναι 3.0 Volt (προσοχή: η ανορθωμένη τάση DC πρέπει να πολώνει ανάστροφα την δίοδο Zener). Παρατηρήστε στον παλμογράφο την τάση εξόδου, γιά διαφορα πλάτη της πηγής, και γιά διάφορες συχνότητες. Ίσως προτιμήστε, σε αυτό το σημείο, να παρακολουθείτε, στο κανάλι 1 του παλμογράφου, την τάση του πυκνωτή εξομάλυνσης, αντί της τάσης της πηγής. Ερμηνεύστε προσεκτικά τις παρατηρήσεις σας στο βοηθό του εργαστηρίου.

Προαιρετικά Πειράματα 7.5:   Ψαλιδιστής, Clamp, Καμπύλη Ρεύματος-Τάσης

Εάν έχετε χρόνο, κάντε τα εξής πρόσθετα πειράματα:

(α) Βγάλτε τον πυκνωτή εξομάλυνσης από το κύκλωμα του πειράματος 7.4, οπότε η έξοδος σας θα πρέπει να μοιάζει σαν το σχήμα 9.58 (σελ. 153), αλλά με ανορθωμένη κυματομορφή αντί κανονικού ημιτόνου. Πειραματιστείτε με διάφορα πλάτη πηγής, και διαπιστώστε εάν η δίοδος Zener σας "ψαλιδίζει" την τάση εξόδου όποτε αυτή πάει να ανέβει πάνω από την τάση κατάρρευσης της διόδου (3.0 V).

(β) Κατασκευάστε το κύκλωμα συγκράτησης τάσης (diode clamp) του σχήματος 9.61 (επάνω --χωρίς τάση πόλωσης), σελ. 155, του βιβλίου. Χρησιμοποιήστε πυκνωτή 100 nF (μη ηλεκτρολυτικό). Με την παλμογεννήτριά μας, δεν χρειάζεται αντίσταση R πέρα από την ήδη υπάρχουσα εσωτερική αντίσταση της πηγής. Παρατηρήστε την τάση εξόδου στον παλμογράφο. Αλλάξτε πλάτος πηγής και DC Offset, και παρατηρήστε.

(γ) Μετρήστε και σχεδιάστε την καμπύλη ρεύματος-τάσης της διόδου 1N4007, π.χ. ως εξής.
(γ1) Ρεύμα διαρροής αντίστροφης πόλωσης: συνδέστε τη δίοδο, ανάστροφα πολωμένη, στο τροφοδοτικό, και εν σειρά με αυτήν το αμπερόμετρο, και μετρήστε· εάν βρείτε π.χ. ένα στεγνωτήρα μαλλιών ("σεσουάρ"), θερμάντε τη δίοδο και ελέγξτε τον "κανόνα δακτύλων" (rule of thumb) ότι το ρεύμα ανάστροφης πόλωσης διπλασιάζεται γιά κάθε περίπου 10 βαθμούς Κελσίου αύξηση της θερμοκρασίας.
(γ2) Ορθή πόλωση: ρυθμίστε το τροφοδοτικό σε περιορισμένο, μικρό ρεύμα (από τα αριστερά κουμπιά του)· συνδέστε τη δίοδο ορθά πολωμένη στο τροφοδοτικό, και ανεβάστε το όριο τάσης του (από τα δεξιά κουμπιά του), ούτως ώστε το τροφοδοτικό να λειτουργεί σε current mode (σαν πηγή ρεύματος)· μετρήστε ρεύμα και τάση με το όργανο του τροφοδοτικού (εναλλάσοντάς το μεταξύ των δύο μετρήσεων, με το σχετικό διακόπτη). Καταγράψτε τη μέτρησή σας, και επανλάβετε γιά διάφορα ρεύματα, χαμηλά και ψηλά. Απεικονίστε τις μετρήσεις σας σε καμπύλη.


[Up - Table of Contents]
[Prev - 6. RLC under Sinusoidal Sources]
[printer version - PDF]
[8. Operational Amplifiers - Next]

Up to the Home Page of CS-121
 
© copyright University of Crete, Greece.
last updated: 5 May 2010, by M. Katevenis.