„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Agnieszka Ambrożejczyk-Langer

Badanie i pomiary elektronicznych układów analogowych
725[01].O1.04

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1

Recenzenci:
dr inż. Jan Diaczuk
dr Jerzy Gremba



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Danuta Pawełczyk

Konsultacja:
mgr inż. Gabriela Poloczek









Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 725[01].O1.04
„Badanie i pomiary elektronicznych układów analogowych”,

zawartego w modułowym

programie nauczania dla zawodu monter elektronik.

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

3

2. Wymagania wstępne

5

3. Cele kształcenia

6

4. Materiał nauczania

7

4.1. Elementy bierne w elektronice

7

4.1.1. Materiał nauczania

7

4.1.2. Pytania sprawdzające

13

4.1.3. Ćwiczenia

14

4.1.4. Sprawdzian postępów

15

4.2. Diody półprzewodnikowe i tranzystory

16

4.2.1. Materiał nauczania

16

4.2.2. Pytania sprawdzające

21

4.2.3. Ćwiczenia

21

4.2.4. Sprawdzian postępów

24

4.3. Półprzewodnikowe elementy przełączające i elementy optoelektroniczne

25

4.3.1. Materiał nauczania

25

4.3.2. Pytania sprawdzające

28

4.3.3. Ćwiczenia

28

4.3.4. Sprawdzian postępów

30

4.4. Wzmacniacze

31

4.4.1. Materiał nauczania

31

4.4.2. Pytania sprawdzające

34

4.4.3. Ćwiczenia

34

4.4.4. Sprawdzian postępów

38

4.5. Wzmacniacz operacyjny. Układy ze wzmacniaczem operacyjnym

39

4.5.1. Materiał nauczania

39

4.5.2. Pytania sprawdzające

43

4.5.3. Ćwiczenia

44

4.5.4. Sprawdzian postępów

47

4.6. Generatory

48

4.6.1. Materiał nauczania

48

4.6.2. Pytania sprawdzające

51

4.6.3. Ćwiczenia

52

4.6.4. Sprawdzian postępów

54

4.7. Analogowe urządzenia elektroniczne

55

4.7.1. Materiał nauczania

55

4.7.2. Pytania sprawdzające

62

4.7.3. Ćwiczenia

62

4.7.4. Sprawdzian postępów

64

5. Sprawdzian osiągnięć

65

6. Literatura

70

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten pomoże Ci w przyswajaniu wiedzy z zakresu elektronicznych układów

analogowych, oraz w kształtowaniu umiejętności ich analizy i badania.

W poradniku zamieszczono:

−

wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć przed przystąpieniem do nauki w wybranym
przez Ciebie zawodzie,

−

wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z tym poradnikiem,

−

materiał nauczania – czyli wiadomości dotyczące elektronicznych układów analogowych,

−

zestawy pytań, które pomogą Ci sprawdzić, czy opanowałeś podane treści,

−

ćwiczenia, które umożliwia Ci nabycie umiejętności praktycznych,

−

sprawdzian postępów,

−

literaturę uzupełniającą.
W materiale nauczania zostały omówione zagadnienia dotyczące właściwości elementów

elektronicznych, budowy oraz zasady działania wzmacniaczy, generatorów zasilaczy i innych
elektronicznych układów analogowych.
Nauczyciel pomoże Ci w procesie przyswajania wiedzy wskazując te treści, które są
kluczowe dla Twojego zawodu lub stanowią podstawę dalszego kształcenia.

Z rozdziałem Pytania sprawdzające możesz zapoznać się:

−

przed przystąpieniem do rozdziału „Materiał nauczania” – poznając przy tej okazji
wymagania wynikające z potrzeb zawodu, a po przyswojeniu wskazanych treści,
odpowiadając na te pytania sprawdzisz stan swojej gotowości do wykonywania ćwiczeń,

−

po zapoznaniu się z rozdziałem „Materiał nauczania”, aby sprawdzić stan swojej wiedzy,
która będzie Ci potrzebna do wykonywania ćwiczeń.
Kolejnym etapem badania obwodów prądu stałego, będzie wykonywanie ćwiczeń,

których celem jest uzupełnienie i utrwalenie informacji z danego zakresu. Wykonując
ćwiczenia przedstawione w poradniku lub zaproponowane przez nauczyciela, poznasz
właściwości elementów elektronicznych, budowę oraz zasadę działania wzmacniaczy,
generatorów zasilaczy innych elektronicznych układów analogowych na podstawie:

−

oznaczeń elementów,

−

dokumentacji technicznej układów i urządzeń elektronicznych,

−

katalogów elementów elektronicznych,

−

przeprowadzonych analiz schematów elektronicznych,

−

przeprowadzonych pomiarów.
Po wykonaniu ćwiczeń, sprawdź poziom swoich postępów rozwiązując test „Sprawdzian

postępów”, zamieszczony po ćwiczeniach, odpowiedzi NIE informują o brakach, które
musisz nadrobić. Oznacza to także powrót do treści, które nie są dostatecznie opanowane.
Poznanie przez Ciebie wszystkich lub określonej części wiadomości o elektronicznych
układach analogowych będzie stanowiło dla nauczyciela podstawę przeprowadzenia
sprawdzianu poziomu przyswojonych wiadomości i ukształtowanych umiejętności. W tym
celu nauczyciel posłuży się zestawem zadań testowych zawierającym różnego rodzaju
zadania. W rozdziale 5. tego poradnika jest zamieszczony „Zestaw zadań testowych”, zawiera
on:

−

instrukcje, w której omówiono tok postępowania podczas przeprowadzania sprawdzianu,

−

przykładowa kartę odpowiedzi, w której, w przeznaczonych miejscach wpisz odpowiedzi
na pytania; będzie to stanowić dla Ciebie trening przed sprawdzianem zaplanowanym
przez nauczyciela.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4

725[01].O1

Pomiary parametrów elementów

i układów elektronicznych

725[01].O1.06

Analizowanie działania maszyn i urządzeń

elektrycznych

725[01].O1.04

Badanie i pomiary elektronicznych

układów analogowych

725[01].O1.01

Przygotowanie do bezpiecznej pracy

725[01].O1.03

Badanie i pomiary obwodów prądu

przemiennego

725[01].O1.05

Badanie i pomiary elektronicznych

układów cyfrowych

725[01].O1.02

Badanie i pomiary obwodów prądu stałego

Schemat układu jednostek modułowych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne,

–

stosować podstawowe jednostki wielkości elektrycznych,

–

stosować podstawowe prawa elektrotechniki,

–

interpretować podstawowe zjawiska z zakresu elektrotechniki,

–

analizować proste układy prądu stałego i przemiennego,

–

lokalizować zwarcia i przerwy w prostych układach elektrycznych,

–

obliczać i szacować podstawowe wielkości elektryczne w układach prądu stałego
i przemiennego,

–

obsługiwać woltomierz, amperomierz, omomierz oraz miernik uniwersalny,

–

obsługiwać oscyloskop,

–

dobierać metodę pomiaru i przyrządy pomiarowe do pomiarów w układach prądu stałego
i przemiennego,

–

rysować prosty układ pomiarowy,

–

planować pomiary w obwodach prądu stałego i przemiennego,

–

organizować stanowisko pomiarowe,

–

łączyć układy elektryczne zgodnie ze schematem,

–

dokonywać pomiarów podstawowych wielkości elektrycznych,

–

analizować i interpretować wyniki pomiarów oraz formułować wnioski praktyczne,

–

oceniać dokładność pomiarów,

–

przedstawiać wyniki w formie tabeli i wykresu,

–

demonstrować poprawność wykonywania pomiarów,

–

współpracować w grupie,

–

korzystać z różnych źródeł informacji,

–

dokonywać pomiarów w układach elektrycznych w sposób bezpieczny,

–

przewidywać zagrożenia dla życia i zdrowia w czasie realizacji ćwiczeń,

–

stosować procedurę postępowania w sytuacji zagrożenia w czasie realizacji ćwiczeń.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

–

rozpoznać na podstawie symbolu graficznego i wyglądu podstawowe elementy
elektroniczne,

–

spolaryzować elementy półprzewodnikowe w celu uzyskania określonych stanów pracy,

–

sprawdzić jakość elementów półprzewodnikowych,

–

rozróżnić końcówki elementów elektronicznych,

–

scharakteryzować podstawowe elementy i układy elektroniczne,

–

zdefiniować podstawowe parametry elementów i układów elektronicznych,

–

wskazać podstawowe zastosowania elementów i układów elektronicznych,

–

zinterpretować podstawowe zjawiska z zakresu elektroniki,

–

przeanalizować działanie prostych układów analogowych na podstawie schematów
ideowych,

–

rozpoznać na schematach ideowych bloki funkcjonalne: zasilacze, generatory, układy
wzmacniające,

–

przeanalizować działanie układów analogowych na podstawie schematów blokowych,

–

dobrać przyrządy pomiarowe do pomiaru parametrów elementów elektronicznych
w układach analogowych,

–

dokonać pomiaru podstawowych parametrów elementów i układów w układach
analogowych,

–

dokonać regulacji w układzie elektronicznym,

–

obliczyć i oszacować podstawowe wielkości elektryczne w układach elektronicznych,

–

przeanalizować i zinterpretować wyniki pomiarów w analogowych układach
elektronicznych oraz sformułować wnioski praktyczne,

–

skorzystać z katalogów układów elektronicznych,

–

wykryć proste usterki w układach analogowych,

–

przewidzieć zagrożenia dla życia i zdrowia w czasie realizacji ćwiczeń,

–

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej oraz
ochrony środowiska.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

7

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Elementy bierne w elektronice

4.1.1. Materiał nauczania

Zalecenia dotyczące przepisów BHP

Szczegółowe przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy dotyczące pracy z urządzeniami

elektrycznymi prądu stałego i zmiennego zostały szczegółowo omówione w jednostkach
modułowych „Przygotowanie do bezpiecznej pracy”, „Badanie i pomiary obwodów prądu
stałego” oraz „Badanie i pomiary obwodów prądu przemiennego”.
Przed rozpoczęciem pracy z zespołami elektronicznymi należy usunąć ładunki elektryczne
jakie mogą się zgromadzić na ciele lub odzieży. Wykonuje się to przez dotknięci uziemienia
lub przewodu ochronnego.

Aby zachować bezpieczeństwo podczas pracy przy urządzeniach elektrycznych

i elektronicznych należy zachować następujące podstawowe zasady:
1. wyłączyć napięcie we wszystkich częściach urządzenia, przy którym będą prowadzone

prace,

2. zabezpieczyć wyłączniki przed ponownym załączeniem (np. taśmą samoprzylepną),

wyjąć bezpieczniki, wywiesić informację o zakazie załączania,

3. sprawdzić stan napięcia (do sprawdzenia użyciu dwubiegunowego próbnika napięć),
4. osłonić i oddzielić sąsiadujące elementy znajdujące się pod napięciem (można

zastosować maty i folie izolacyjne).

Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń praktycznych polegających na wykonywaniu
pomiarów i obserwacji oscylogramów w układach elektronicznych, poprawność
zmontowanego układu powinien sprawdzić nauczyciel, a następnie powinien udzielić zgody
na włączenie zasilania.

Warystory i termistory

Warystory i termistory to rezystory nieliniowe, czyli takie, których rezystancja nie jest

stała, lecz zmienia się w sposób nieliniowy wraz ze zmianą określonych czynników
zewnętrznych.

Warystor

Rys. 1. Symbol graficzny warystora [2, s. 36]

Warystor jest wykonany z półprzewodnika. Jego rezystancja zależy od przyłożonego

napięcia. Właściwości warystora zależą od materiału oraz technologii wykonania jak również
od jego wymiarów, kształtu.
Produkowane są dwa typy warystorów: walcowe (WN), dyskowe (WD).
Warystory wykorzystywane są do zabezpieczania obwodów elektrycznych przed
przepięciami, ochrony styków, stabilizacji napięcia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8

Termistor

Rys. 2. Symbol graficzny termistora [2, s. 37]

Termistor jest również rezystorem nieliniowym, wykonanym z półprzewodnika.

Charakteryzuje się dużym współczynnikiem temperaturowym rezystancji

α

, czyli dużą

zmianą rezystancji na skutek wzrostu temperatury.
Produkowane są trzy typy termistorów:

−

termistory typu NTC, o ujemnym współczynniku temperaturowym rezystancji

α

, których

rezystancja maleje ze wzrostem temperatury,

−

termistory typu PTC, o dodatnim współczynniku temperaturowym rezystancji

α

, których

rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury,

−

termistory typu CTR, charakteryzujące się tym, że w otoczeniu pewnej temperatury ich
rezystancja gwałtownie maleje.

Termistory stosuje się do pomiaru temperatury, kompensacji jej wpływu w układach
elektronicznych, stabilizacji napięcia itp.

Przekaźniki

Rys. 3. Budowa i symbol graficzny przekaźnika [9, s. 22]

Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę zdalnie uruchamianego łącznika.

Podobnie jak stycznik przekaźnik posiada cewkę, która wzbudzana prądem elektrycznym
wytwarza pole magnetyczne powodujące zamykanie zestyków.
Typowy czas przełączania przekaźnika (czyli czas liczony od momentu wzbudzenia cewki do
chwili przełączenia zestyków) wynosi od 1 ms do 10 ms. Moc przełączania przekaźnika
zależy od jego wielkości i wynosi od kilu mW do 1 kW.
Istnieje wiele typów przekaźników, których budowa i parametry zależą od przeznaczenia,
najczęściej spotykane to:

−

przekaźniki w wykonaniu tzw. płytowym, przeznaczone do bezpośredniego montażu na
płycie drukowanej obwodu elektronicznego,

−

przekaźniki z zestykami w gazie ochronnym, gdzie w cylindrycznej cewce magnesu
znajdują rurki szklane wypełnione szlachetnym gazem (może istnieć w nich również
próżnia), w który umieszczone są parami zestyki – takie przekaźniki charakteryzują się
bardzo dużą trwałością,

Rys. 4. Przekaźnik ze stykami w gazie ochronnym [9,s. 22]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9

−

przekaźniki czasowe, stosowane w układach sterowania w celu wprowadzenia opóźnienia
pomiędzy chwilą włączenia przekaźnik a zwarciem jego zestyków (lub pomiędzy chwilą
wyłączenia przekaźnik, a rozwarciem jego zestyków), opóźnienie realizowane może być
przez obwód elektryczny (np. ładowanie lub rozładowanie kondensatora), bądź przez
zegar, czas opóźnienia wynosi zazwyczaj od kilku ms do kilku s, obecnie najczęściej
stosuje się elektroniczne przekaźniki czasowe zawierające generator impulsów oraz
licznik,

Rys. 5. Przekaźnik czasowy [9, s. 23]

−

przekaźniki spolaryzowane będące elektromagnetycznie uruchamianym przełącznikiem
o dwóch stanach łączenia; poruszająca się w prawo lub w lewo, w zależności od
wzbudzenia lewego lub prawego uzwojenia zwora, dzięki działaniu stałych magnesów
pozostaje w ostatniej pozycji, nawet po wyłączeniu uzwojeń – przekaźnik ten stanowi
elektryczną pamięć stanów wysterowania układu,

Rys. 6. Przekaźnik spolaryzowany z dwoma położeniami łączenia [9,s. 23]

−

przekaźniki skokowe to elektromagnetyczne przełączniki wielopołożeniowe zwane też
impulsowymi, każdy kolejny impuls prądowy powoduje przyciągnięcie zwory i obrót
koła zapadkowego o jedno położenia, a tym samym zmianę wysterowania, – przekaźniki
te stosowane są jako rozdzielacze skokowe.

Rys. 7. Przekaźniki skokowe

[9,s. 24]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

10

Podstawowe parametry przekaźników to moc i czas przełączania oraz funkcja przełączania,
według której styki przekaźników mogą być:

−

typu NC – zwierne,

−

typu NO – rozwierne,

−

typu C – przełączne.

W danych katalogowych przekaźników podawane są również:

−

rodzaj materiału z jakiego wykonano styki,

−

zdolność łączeniowa określająca wartości prądu i napięcia podczas łączenia,

−

moc cewki,

−

rezystancja styków,

−

minimalna obciążalność styków,

−

rezystancja izolacji,

−

wytrzymałość napięciowa,

−

żywotność,

−

wymiary geometryczne,

−

inne parametry wynikające z przeznaczenia przekaźnika.

Kontaktron

Rys. 8. Kontaktron [11]

Kontaktron

jest

łącznikiem elektronicznym hermetycznym sterowany polem

magnetycznym. Składa się z hermetycznej bańki szklanej, w której, w atmosferze gazu
obojętnego lub w próżni, zatopione są styki z materiału ferromagnetcznego. Pod wpływem
odpowiednio ukierunkowanego zewnętrznego pola magnetycznego w stykach indukuje się
własne pole magnetyczne, które powoduje wzajemne przyciąganie (odpychanie), a następnie
zwarcie (rozwarcie) styków.

Dla polepszenia pracy przekaźników i uzyskania stabilnej pracy, powierzchnie styków

pokrywa się warstwą metalu szlachetnego: złotem, wolframem, rutenem czy rodem, lub
powłokami mieszanymi (rodzaj materiału pokrywającego zależy od przeznaczenia
i warunków pracy konaktronu).
Kontaktrony wysokonapięciowe najczęściej wykonywane są jako próżniowe.
Pierwsze kontaktrony pojawiły się na rynku w roku 1940 jako rozwinięcie przekaźników.
Przy stosowaniu kontaktronów należy zwrócić uwagę na:

−

skręcanie lub zaginanie wyprowadzeń, które powodują zmniejszenie jego czułości,

−

zaginanie i przeginanie wyprowadzeń, które mogą spowodować pęknięcie lub
wykruszenie rurki szklanej.

Obecnie produkowane są przekaźniki kontaktronowe, a ich podstawowe parametry podawane
w katalogach elementów elektronicznych to:

−

funkcja styków,

−

dane styków: maksymalny prąd, maksymalny prąd wyłączenia, maksymalne i minimalne
napięcie, rodzaj materiału z jakiego wykonano styki , rezystancja styków,

−

czas załączenia,

−

rezystancja izolacji,

−

wytrzymałość napięciowa,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

11

−

żywotność,

−

wymiary geometryczne.

Polskim producentem kontaktronów jest firma Unitra–Dolam.

Głośniki

Rys. 9. Symbol głośnika [1, s. 18]

Głośnik to przetwornik elektroakustyczny, służący do odtwarzania mowy, muzyki itp.,

przetwarzający sygnały elektryczne na fale dźwiękowe. W głośnikach powietrze poruszane
jest przy pomocy membrany (najczęściej wykonanej z papieru). Membrana połączona jest
z walcowatą cewką umieszczoną w polu magnetycznym (tak, że linie sił biegną wzdłuż
promienia cewki) i tak umocowana, żeby mogła się poruszać tylko do przodu i do tyłu, oraz
powracać do położenia środkowego po wyłączeniu napięcia. Natomiast cewka zbudowana
jest z metalowego rdzenia, na który nawinięty jest przewód. Gdy przez przewód płynie prąd
elektryczny powstaje pole elektromagnetyczne, które w zależności od polaryzacji odpycha lub
przyciąga cewkę wraz z membraną umieszczoną z tyłu głośnika.

Głośnik dynamiczny

Rys. 10. Budowa głośnika dynamicznego [12]

Głośnik dynamiczny składa się z obwodu magnetycznego, cewki, membrany, dwóch

resorów i kosza. System magnetyczny zawiera magnes i dwa magnetowody, nabiegunnik
i podbiegunnik, pomiędzy którymi wytwarzane jest silne pole magnetyczne obejmujące
swoim działaniem cewkę. Cewka nawinięta jest na karkasie, który przyklejony jest do
membrany, ta natomiast jest zawieszona na dwóch resorach. Resor dolny (zawieszenie dolne)
ustala położenie cewki w szczelinie a resor górny (zawieszenie górne) tworzy punkt
podparcia dla membrany. Oba resory umożliwiają swobodne poruszanie się membrany
w pozycji pionowej i przymocowane są do kosza stanowiącego element nośny głośnika. Prąd
przepływający przez cewkę wytwarza pole

magnetyczne, które w wyniku oddziaływania

z polem magnetycznym magnesu powoduje ruch cewki wraz z membraną. Membrana
wprawiając w ruch cząstki powietrza wytwarza dźwięk.
Podstawowe parametry głośników podawane w katalogach elementów elektronicznych to:

−

pasmo przenoszenia [Hz],

−

czułość [dB],

−

impedancja [

Ω

],

−

moc maksymalna [W],

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

12

−

wymiary geometryczne.

Obecnie produkuje się zestawy głośnikowe (kolumny), które w jednej obudowie posiadają

od dwóch do kilkunastu głośników. Podłączone są one do zwrotnicy, czyli układu
wydzielającego sygnały o określonych częstotliwościach, które następnie kierowane są do
wejść odpowiednich głośników. Wyjścia głośnikowe urządzeń audio mają oznaczone
gniazda: sygnałowe i masy, wejścia głośników również są oznaczone (początek i koniec
cewki). Ważne jest, aby głośniki w danym zestawie pracowały w fazie czyli były połączone
w taki sam sposób ze zwrotnicą, natomiast wyjścia kolumna z odpowiednimi wyjściami
urządzenia audio.

Mikrofony

Rys. 11. Symbol mikrofonu [1, s. 104]

Mikrofon to urządzenie, które przekształca fale dźwiękowe na sygnał elektryczny (do

zapisu lub do wzmocnienia). Napięcie tego sygnału zależy od ciśnienia fali dźwiękowej, czyli
od tego jak głośny jest dany dźwięk. Częstotliwość zmian napięcia waha się w zależności
od wysokości dźwięku. Istnieje wiele rodzajów mikrofonów między innymi: mikrofony
pojemnościowe, elektromagnetyczne, magnetoelektryczne.

Mikrofon pojemnościowy

a)

b)

Rys. 13. Mikrofon pojemnościowy a) budowa, b) zasada działania [12]

Jeżeli do mikrofonu nie dochodzi żaden dźwięk mimo, że bateria zasila membranę i stałą

elektrodę, przez rezystor nie przepływają elektrony i przewody nie są pod napięciem. Jeśli
fala akustyczna naciska na membranę elektrody mogą zgromadzić większy ładunek.
Elektrony przepływają wówczas ze stałej elektrody do membrany. Przepływ elektronów przez
rezystor wytwarza na jego końcach napięcie dlatego też przez przewody wyjściowe może
płynąć prąd. Jeśli natomiast pod wpływem fali akustycznej membrana cofa się elektrody
mogą zgromadzić znacznie mniejszy ładunek. Elektrony odpływają z membrany – prąd płynie
z membrany.

Mikrofony stykowe rozpowszechniły się przede wszystkim dzięki dużej skuteczności,

prostocie konstrukcji, trwałości oraz niskiej cenie. Do niedawna były powszechnie stosowane
w telefonii mimo, że ich zakres przetwarzania jest wąski, a zniekształcenia raczej duże
w porównaniu z innymi mikrofonami.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13

Mikrofon stykowy działa na bazie przetwornika stykowego, w którym przetwarzanie

energii mechanicznej na elektryczną następuje w wyniku zmiany rezystancji części
elektrycznej pod wpływem ruchu części mechanicznej.

Pierwszymi mikrofonami stykowymi były mikrofony węglowe, nowsze typy to

mikrofony magnetyczne.

W mikrofonach magnetycznych wykorzystywane jest zjawisko wzbudzenia się siły

elektromotorycznej w przewodzie poruszającym się w stałym polu magnetycznym
(mikrofony magnetoelektryczne cewkowe i wstęgowe), lub w przewodzie nieruchomym
obejmującym zmienny strumień magnetyczny (mikrofony elektromagnetyczne).

Mikrofon dynamiczny (magnetoelektryczny)

Rys. 13. Budowa mikrofonu dynamicznego [12]

Wewnątrz mikrofonu dynamicznego (magnetoelektrycznego), pomiędzy biegunami

magnesu stałego, znajduje się cewka przymocowana do membrany. Fale dźwiękowe,
wprawiając membranę w drgania, powodują poruszanie się cewki w polu magnesu i indukują
w niej prąd.
Podstawowe parametry mikrofonów podawane w katalogach elementów elektronicznych to:

−

napięcie zasilające,

−

pasmo częstotliwości,

−

czułość,

−

impedancja,

−

zasięg mikrofonu,

−

rodzaj złącza,

−

wymiary geometryczne,

−

długość przewodu mikrofonu (przy mikrofonach przewodowych),

−

żywotność baterii (przy mikrofonach bezprzewodowych).

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Pod wpływem jakiej wielkości fizycznej zmienia się rezystancja warystora?
2. Pod wpływem jakiej wielkości fizycznej zmienia się rezystancja termistora?
3. Jakie znasz typy termistorów?
4. Jaką rolę w układzie elektronicznym pełni przekaźnik?
5. Na podstawie jakich parametrów dobiera się przekaźniki?
6. Jak zbudowany jest kontaktron?
7. W jaki sposób działa głośnik dynamiczny?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

14

8. Jaka jest różnica w budowie i zasadzie działania pomiędzy mikrofonem

pojemnościowym, a magnetycznym?

9. Na podstawie jakich parametrów dobiera się mikrofony?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ, na podstawie tabliczki znamionowej oraz katalogu elementów elektronicznych

parametry otrzymanego przekaźnika. Omów przykładowe zastosowanie tego typu
przekaźnika.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanego przekaźnika,
2) wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
3) odszukać w katalogu kartę przekaźnika,
4) zapoznać się z parametrami elementu, a następnie je i zapisać,
5) omówić przykładowe zastosowanie tego typu przekaźnika.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

przekaźnik,

–

katalogi elementów elektronicznych,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Zidentyfikuj typ zastosowanego w urządzeniu mikrofonu.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,
2) odnaleźć symbol mikrofonu na schemacie ideowym,
3) odnaleźć w dokumentacji technicznej oraz określić typ mikrofonu,
4) odszukać w katalogu elementów elektronicznych kartę danego typu mikrofonu i odczytać

jego pozostałe parametry,

5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja dowolnego urządzenia zawierającego mikrofonu,

–

katalogi elementów elektronicznych,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Wymień uszkodzony głośnik w kolumnie mikrowieży.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15

2) wymontować uszkodzony głośnik,
3) zamontować w obudowie kolumny sprawny głośnik,
4) podłączyć wejście głośnika do wyjścia z zwrotnicy,
5) podłączyć wejścia kolumny głośnikowej do odpowiednich wyjść mikrowieży

stereofonicznej,

6) sprawdzić poprawność połączeń,
7) uruchomić urządzenie,
8) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dokumentacja techniczna mikrowieży stereofonicznej,

–

mikrowieża stereofoniczna,

–

głośnik,

–

kolumna głośnikowa,

–

lutownica,

–

tinol,

–

komplet wkrętaków,

–

komplet szczypiec,

–

katalogi elementów elektronicznych.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozpoznać typ termistora, na podstawie opisu jego działania?

¨

¨

2) wyjaśnić znaczenie podstawowych parametrów przekaźników?

¨

¨

3) scharakteryzować podstawowe typy przekaźników?

¨

¨

4) dobrać na podstawie katalogu określony typ przekaźnika?

¨

¨

5) zamontować przekaźnik w układzie elektronicznym?

¨

¨

6) opisać budowę i zasadę działania kontaktronu?

¨

¨

7) rozpoznać na schemacie elektrycznym symbol graficzny głośnika?

¨

¨

8) scharakteryzować podstawowe parametry głośnika?

¨

¨

9) wyjaśnić określenie fazowej pracy głośników w zestawie?

¨

¨

10) podłączyć głośnik w urządzeniu elektronicznym?

¨

¨

11) rozpoznać na schemacie elektrycznym symbol graficzny mikrofonu?

¨

¨

12) podłączyć mikrofon w urządzeniu elektronicznym?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

16

4.2. Diody półprzewodnikowe i tranzystory

4.2.1. Materiał nauczania

Złącze półprzewodnik-półprzewodnik

Większość elementów półprzewodnikowych zawiera różnego rodzaju złącza, czyli

atomowo ścisłe związki kryształów ciała stałego. Najczęściej są to z łącza półprzewodnik–
półprzewodnik (PN), lub metal–półprzewodnik.

Złącze półprzewodnik–półprzewodnik (PN) stanowi warstwę przejściową pomiędzy

obszarem półprzewodnika typu P a obszarem półprzewodnika typu N. Dziury w obszarze
P i elektrony w obszarze N stanowią nośniki większościowe. Zetknięcie obu obszarów
spowoduje przemieszczenie tych nośników (ponieważ w pobliżu powierzchni zetknięcia
istnieje różnica koncentracji nośników) zwane dyfuzją. Dziury dyfundują do obszaru N
natomiast elektrony dyfundują do obszaru P, stanowiąc tam nadmiarowe ładunki
mniejszościowe.
W obszarach przyzłączowych powstaje warstwa ładunków mniejszościowych, które
wdyfundowały z przeciwnego półprzewodnika. Warstwa ta nazywana jest obszarem ładunku
przestrzennego lub warstwą zaporową. Nie zawiera ona praktyczne ładunków
większościowych, a jej wielkość zależy od koncentracji domieszek połączonych obszarów.

Rys. 14. Złącze PN [2, s. 44]

Polaryzacja złącza PN

Polaryzacja złącza PN, czyli doprowadzenia do niego z zewnątrz napięcia elektrycznego

powoduje zakłócenia jego równowagi elektrycznej. Rozróżniamy dwa sposoby polaryzacji złącza
PN:

−

polaryzację w kierunku zaporowym, zwaną też wsteczną,

−

polaryzację w kierunku przewodzenia.

Polaryzacja złącza PN w kierunku zaporowym i w kierunku przewodzenia

a)

b)

Rys. 15. Polaryzacja złącza PN a) w kierunku zaporowym [2, s. 49], b) w kierunku przewodzenia [2, s. 47]

Przy polaryzacji wstecznej złącza PN biegun dodatni źródła dołączony jest do obszaru

typu N, natomiast biegun ujemny do obszaru typu P. Następuje dalszy odpływ swobodnych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17

nośników z obszarów otaczających warstwę zaporową, w efekcie czego zwiększa się jej
szerokość. Uniemożliwia to przepływ prądu przez złącze.

Przy polaryzacji złącza PN w kierunku przewodzenia, biegun dodatni źródła dołączony

jest do obszaru typu P, natomiast biegun ujemny do obszaru typu N. Następuje wówczas
dyfuzja większościowych nośników z półprzewodnika jednego typu do półprzewodnika
drugiego typu, w efekcie czego zmniejsza się szerokość warstwy zaporowej, a przez złącze
przepływa prąd. Budowa wielu aktywnych elementów elektronicznych oparta jest na jednym
lub kilku złączach PN.

Diody półprzewodnikowe

Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Element ten posiada dwie

elektrody anodę odpowiadającą obszarowi P i katodę odpowiadającą obszarowi N. Ze
względu na budowę diody dzieli się na: ostrzowe i warstwowe. Ze względu na zasadę
działania i przeznaczenia rozróżnia się wiele rodzajów diod: prostownicze, stabilizacyjne,
impulsowe, pojemnościowe, uniwersalne, fotodiody, diody LED i inne.

Dioda prostownicza

a)

b)

Rys. 16. a) Symbol diody prostowniczej,

b) Charakterystyka prądowo–napięciowa diody prostowniczej [2, s. 54]

W układach elektronicznych dioda prostownicza wykorzystywana jest przede wszystkim

do przekształcania prądu zmiennego w jednokierunkowy prąd pulsujący. Przewodzi ona prąd
w jednym kierunku. Jeżeli do anody podłączony jest potencjał dodatni, a do katody potencjał
ujemny to jest to polaryzacja w kierunku przewodzenia. Jeśli na diodzie pojawi się spadek
napięcia zwany napięciem progowym, (którego wartość zależy od materiału z jakiego została
wykonana dioda i tak dla diod krzemowych jest to wartość około 0,7 V, dla germanowych
około 0,3 V) to przez diodę popłynie prąd (od anody do katody). Spadek napięcia na diodzie
niewiele zmienia się pomimo dużych zmian wartości przepływającego przez nią prądu,
w katalogach podawane są typowe wartości tego spadku napięcia. Przy polaryzacji odwrotnej
zwanej polaryzacją w kierunku zaporowym (wówczas do anody podłączony jest potencjał
ujemny, a do katody dodatni), przez diodę płynie bardzo mały prąd w kierunku zaporowym
(od katody do anody), w wielu przypadkach analizy działania układów elektronicznych
możemy go pominąć. W kierunku zaporowym do diody można przyłożyć tylko określona
napięcia zwane maksymalnym napięciem wstecznym, podane w danych katalogowych.
Przekroczenie tej wartości spowoduje krótkotrwały przepływ prądu przez diodę w kierunku
zaporowym, powodujący zniszczenie jej struktury wewnętrznej.

a)

b)

Rys. 17. a) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku przewodzenia,

b) polaryzacja diody prostowniczej w kierunku zaporowym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

18

Jednym z podstawowych parametrów diody prostowniczej jest charakterystyka prądowo

napięciowa. Opisuje ona działanie diody, zaznaczone są na niej również najważniejsze
parametry jak np. napięcie progowe. Pierwsza ćwiartka układu współrzędnych tej
charakterystyki (rys. 17), opisuje działanie diody przy polaryzacji w kierunku przewodzenia,
natomiast trzecia ćwiartka układu współrzędnych (rys. 17), opisuje działanie diody przy
polaryzacji w kierunku zaporowym.

Podstawowe parametry diody podawane w katalogach elementów elektronicznych:

−

wartości graniczne napięcia w kierunku zaporowym V

RRM

i prądu przy tym napięciu I

R

,

−

wartości graniczne prądu w kierunku przewodzenia I

F

,

−

wartości typowe napięcia i prądu w kierunku przewodzenia V

F

, I

F

,

−

maksymalne straty mocy P

tot,

−

wymiary geometryczne.

Diody prostownicze stosuje się najczęściej w układach prostowniczych urządzeń zasilających.

Dioda stabilizacyjna (dioda Zenera)

a)

b)

Rys. 18. Dioda stabilizacyjna

a) symbol [2, s. 53], b) charakterystyka prądowo–napięciowa [2, s. 59]

Wykorzystuje się jej właściwości przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Przy

polaryzacji w kierunku przewodzenia (do anody podłączony jest potencjał dodatni, a do
katody potencjał ujemny), dioda Zenera działa jak dioda prostownicza. Natomiast przy
polaryzacji w kierunku zaporowym (do anody podłączony jest potencjał ujemny, a do katody
dodatni), póki przyłożone napięcie nie osiągnie wartości zwanej napięciem Zenera, przez
diodę stabilizacyjną płynie bardzo mały prąd w kierunku zaporowym (od katody do anody).
Jeśli spadek napięcia w kierunku zaporowym osiągnie wspomnianą wartość napięcia Zenera
następuje zjawisko przebicia Zenera lub tunelowe, polegające na szybkim wzroście wartości
prądu przy prawie niezmienionej wartości spadku napięcia. Zjawisko to jest w pełni
odwracalne i możliwe dzięki silnemu domieszkowaniu półprzewodnika z jakiego jest
wykonana diodę Zenera.

Podobnie jak dla diody prostowniczej jednym z podstawowych parametrów diody Zenera

jest charakterystyka prądowo napięciowa. Pierwsza ćwiartka układu współrzędnych tej
charakterystyki jest taka sama jak dla diody prostowniczej, opisuje działanie diody przy
polaryzacji w kierunku przewodzenia, natomiast trzecia ćwiartka układu współrzędnych
(rys. 19), opisuje działanie diody Zenera przy polaryzacji w kierunku zaporowym.
Podstawowe parametry diody Zenera podawane w katalogach elementów elektronicznych:

−

maksymalne straty mocy P

tot,

−

wartości napięcia Zenera U

Z

przy prądzie I

Z

(zjawiska Zenera, lub zjawiska tunelowego),

−

rezystancja r

z

przy prądzie I

Z

,

−

wymiary geometryczne.

Diody stabilizacyjne stosuje się w układach stabilizacji napięć, w ogranicznikach amplitudy,
w układach źródeł napięć odniesienia itp.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

19

Diody stabilizacyjne i prostownicze ze względu na maksymalne straty mocy dzielimy na:

−

małej mocy P

tot

<

1 W,

−

średniej mocy 1 W

≤

P

tot

≤

10 W,

−

dużej mocy P

tot

≥

10 W.

Wartość maksymalnych strat mocy P

tot

ma związek z dopuszczalną temperaturą złącza,

a to determinuje rodzaj obudowy stosowanej dla diody.

Diody impulsowe przeznaczone są do przełączania napięć i prądów oraz formowania

impulsów elektrycznych.

Diody pojemnościowe (warikapy, waraktory) zmieniają pojemność pod wpływem

przyłożonego napięcia w kierunku zaporowym. Stosuje się je w układach automatycznego
dostrajania, powielania i modulacji częstotliwości, w modulatorach amplitudy.

a)

b)

Rys. 19. Symbol graficzny diody a) pojemnościowej, [2, s. 53] b) LED [2, s. 450]

Diody LED

Diody LED charakteryzuje się zastosowaniem w obszarze złącza PN specjalnego

materiału o budowie krystalicznej zdolnego do emisji fotonów. Emitują one promieniowanie
widzialne pod wpływem przepływu przez nie prądu w kierunku przewodzenia. Diodę LED
zasila się napięciem w kierunku przewodzenia, łącząc szeregowo z nią rezystor ograniczający
prąd.

Diody LED wykorzystuje się zasadniczo jako samodzielne elementy sygnalizujące,

buduje się z nich również wyświetlacze.

Tranzystory

Obecnie produkowane jest wiele typów tranzystorów przeznaczonych do różnych

zastosowań. Mogą one występować jako elementy dyskretne, najczęściej jednak stanowią
podstawowy element układów scalonych.

Tranzystor bipolarny

Tranzystor bipolarny przeznaczony jest do pracy jako wzmacniacz sterowany prądowo.

Zbudowany jest z trzech warstw półprzewodnika stanowiących kombinację dwóch złącz PN. Ze
wzglądu na budowę rozróżniamy tranzystory bipolarne typu PNP i NPN. Tranzystor bipolarny
można przedstawić jako dwie diody przewodzące prąd w kierunku bazy (PNP), albo w kierunku
od bazy (NPN).

Rys. 20. Struktura, schemat zastępczy i symbol tranzystora a) PNP, b) NPN [2, s. 62]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

20

Struktura półprzewodnikowa tranzystora umieszczona jest w hermetycznie zamkniętej

obudowie chroniącej przed uszkodzeniami mechanicznymi, ale również spełniającej inne
funkcje np. w tranzystorach średniej i dużej mocy umożliwia odprowadzanie ciepła.

Poszczególne obszary półprzewodnika stykają się z trzema elektrodami E – emiterem,

B – bazą, C – kolektorem. Baza jest elektrodą sterująca. Zazwyczaj tranzystor pracuje jako
wzmacniacz prądowy. Mały prąd wpływający do bazy umożliwia przepływ większego prądu
pomiędzy kolektorem a emiterem. Jest to tak zwany stan aktywny pracy tranzystora.

Tranzystor bipolarny może również pracować w stanie nieprzewodzenia zwanego też

odcięciem. Wówczas prąd płynący między kolektorem a emiterem jest bardzo mały,
a napięcie pomiędzy kolektorem a emiterem jest maksymalne.

Stan nasycenia tranzystora bipolarnego charakteryzuje się przepływem dużego prądu

kolektora, przy minimalnym napięciu pomiędzy kolektorem a emiterem.
Podstawowe parametry tranzystorów bipolarnych podawane w katalogach:

−

typ (PNP lub NPN),

−

wartości graniczne napięcia między kolektorem a emiterem U

CEO

,

−

wartości graniczne prądu kolektora I

C

,

−

dopuszczalne straty mocy P

Cmax

,

−

typowe wartości częstotliwość pracy f

r

,

−

typowe wartości współczynnika h

FE

.

Tranzystor unipolarny (polowy)

a)

b)

Rys. 21. Symbol graficzny tranzystora unipolarnego JFET: a) z kanałem typu N, b) z kanałem typu P [2, s. 82]

Tranzystor unipolarny posiada trzy elektrody bramkę (oznaczoną symbolem G), dren

(oznaczony symbolem D) i źródło (oznaczony symbolem S).
Najczęściej spotykane obecnie tranzystory polowe to: złączowe JFET i z izolowaną bramką
MOSFET.

Zaletą tranzystorów JFET ujemny współczynnik temperaturowy, natomiast tranzystory

MOSFET to obecnie najlepsze przełączniki mocy ze względu na dobre czasy przełączania
i obciążalność mocową.

Tranzystory polowe występują w dwóch rodzajach jako:

−

zubożone, które przewodzą prąd jeśli na bramce jest napięcie zerowe,

−

wzbogacone, które nie przewodzą prądu póki do bramki nie zostanie przyłożone
odpowiednie napięcie.

Podstawowe parametry tranzystorów polowych podawane w katalogach elementów
elektronicznych to:

−

maksymalna moc strat P

tot

,

−

wartości graniczne prądu drenu I

D

,

−

wartości graniczne napięcia dren źródło V

DS

,

−

wartości typowe napięcia bramka źródło V

GS

,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

21

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jak zbudowane jest złącze PN?
2. W jaki sposób polaryzuje się złącze PN w kierunku zaporowym?
3. W jaki sposób polaryzuje się złącze PN w kierunku przewodzenia?
4. Jak zbudowana jest dioda prostownicza?
5. Jaka jest zasada działania diody prostowniczej?
6. Przy jakiej polaryzacji wykorzystuje się właściwości stabilizacyjne diody Zenera?
7. Jak zbudowany jest tranzystor bipolarny?
8. Na jakiej zasadzie działa tranzystor bipolarny?
9. Jakie rozróżniamy typy tranzystorów unipolarnych?
10. Na jakiej zasadzie działa tranzystor unipolarny?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Badanie diody prostowniczej.

a)

b)

Rysunek do ćwiczenia 1

Tabela wyników pomiarów dla schematu a)

U [V]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,5

2

3

5

7

9

10

U

F

[V]

I [mA]

Tabela wyników pomiarów dla schematu b)

U [V]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,5

2

3

5

7

9

10

U

R

[V]

I [mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
3) wybrać tryby pracy mierników,
4) połączyć układ pomiarowy a),
5) wykonać pomiary napięć i prądu w układzie, zmieniając wartość napięcia wejściowego,

zgodnie z tabelą wyników pomiarów,

6) połączyć układ pomiarowy b),
7) wykonać pomiary napięć i prądu w układzie,
8) zapisać wyniki w tabeli,
9) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

22

10) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dioda prostownicza krzemowa,

–

rezystory R = 220

Ω

, R = 1 k

Ω

,

–

dwa mierniku uniwersalne,

–

zasilacz o napięciu wyjściowym regulowanym od 0 V do 10 V,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Badanie diody Zenera.

a)

b)

Rysunek do ćwiczenia 2

Tabela wyników pomiarów dla schematu a)

U [V]

0

1

2

3

4

4,5

5

5,5

6

7

8

9

10

U

Z

[V]

I [mA]

Tabela wyników pomiarów dla schematu b)

U [V]

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,5

2

3

5

7

9

10

U

D

[V]

I [mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
3) wybrać tryby pracy mierników,
4) połączyć układ pomiarowy a),
5) wykonać pomiary napięć i prądu w układzie zmieniając wartość napięcia wejściowego

zgodnie z tabelą wyników pomiarów,

6) połączyć układ pomiarowy b),
7) wykonać pomiary napięć i prądu w układzie,
8) zapisać wyniki w tabeli,
9) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
10) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dioda Zenera ZPD 4,7 V,

–

rezystor R = 150

Ω

,

–

dwa mierniku uniwersalne,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

23

–

zasilacz o napięciu wyjściowym regulowanym od 0 V do 15 V,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Badanie parametrów wyjściowych tranzystora bipolarnego.

Rysunek do ćwiczenia 3

Tabela wyników pomiarów dla R

B

= 44k

Ω

U

CE

[V]

0

1

2

3

4

4,5

5

5,5

6

7

8

9

10

I

C

[mA]

I

B

[mA]

Tabela wyników pomiarów dla R

B

= 10k

Ω

U

CE

[V]

0

1

2

3

4

4,5

5

5,5

6

7

8

9

10

I

C

[mA]

I

B

[mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
3) wybrać tryby pracy mierników,
4) połączyć układ pomiarowy,
5) wykonać pomiary prądów I

B

i I

C

w układzie zmieniając wartość napięcia U

CE

zgodnie

z tabelą wyników pomiarów dla wartości rezystora R

B

= 44 k

Ω

, pomiary należy

przerwać, gdy prąd kolektora I

C

osiągnie wartość 100 mA,

6) powtórzyć pomiary dla R

B

= 10 k

Ω

, przerywając je, gdy I

C

osiągnie wartość 100 mA,

7) zapisać wyniki pomiarów dla obu przypadków w tabeli,
8) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
9) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor bipolarny BC 140,

–

rezystory: 44 k

Ω

i 10 k

Ω

,

–

rezystor R

C

= 100

Ω

,

–

trzy mierniku uniwersalne,

–

zasilacz o napięciu stabilizowanym +5 V,

–

zasilacz o napięciu wyjściowym regulowanym od 0 V do +15 V,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

24

Ćwiczenie 4

Określanie parametrów tranzystora unipolarnego na podstawie katalogu elementów

elektronicznych, rozpoznawanie jego końcówek.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanego tranzystora polowego,
2) wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
3) wyszukać w katalogu kartę danego typu tranzystora polowego,
4) zapoznać się z parametrami elementu, a następnie je zapisać,
5) zidentyfikować końcówki tranzystora,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor unipolarny,

–

katalogi elementów elektronicznych,

–

materiały i przybory do pisania.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) narysować symbole poznanych diod półprzewodnikowych?

¨

¨

2) spolaryzować diodę prostowniczą w kierunku przewodzenia?

¨

¨

3) spolaryzować diodę Zenera tak, by stabilizowała napięcie?

¨

¨

4) dobrać na podstawie katalogu, do określonych potrzeb, odpowiedni typ

diody półprzewodnikowej?

¨

¨

5) zdefiniować podstawowe parametry diod półprzewodnikowych?

¨

¨

6) określić doświadczalnie napięcie progowe diody półprzewodnikowej?

¨

¨

7) określić doświadczalnie napięcie Zenera diody stabilizacyjnej?

¨

¨

8) rozpoznać symbol tranzystora bipolarnego na schemacie ideowym

dowolnego układu elektronicznego?

¨

¨

9) zdefiniować podstawowe parametry tranzystora bipolarnego?

¨

¨

10) dobrać na podstawie katalogu, do określonych potrzeb odpowiedni typ

tranzystora bipolarnego?

¨

¨

11) sklasyfikować tranzystory polowe?

¨

¨

12) rozpoznać symbol i typ tranzystora unipolarnego na schemacie ideowym

dowolnego układu elektronicznego?

¨

¨

13) scharakteryzować podstawowe parametry tranzystora polowego?

¨

¨

14) zidentyfikować końcówki tranzystora bipolarnego i unipolarnego?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

25

4.3. Półprzewodnikowe elementy przełączające i elementy

optoelektroniczne

4.3.1. Materiał nauczania

Półprzewodnikowe elementy przełączające

Wspólną cechą półprzewodnikowych elementów przełączających jest to, że mogą

przechodzić skokowo pomiędzy dwoma stanami:

−

przewodzenia, wówczas płyną przez nie duże prądy przy małym spadku napięcia
(ok. 1 V),

−

nieprzewodzenia, wówczas płynie przez nie mały prąd, a spadek napięcia jest na nich
duży.

Tyrystor

Rys. 22. Tyrystor: a) symbol, b) struktura [2, s. 75]

Tyrystor zwany jest też krzemową diodą sterowaną. Składa się z czterech warstw

półprzewodnika PNPN, z których trzy podłączone są do trzech elektrod: anody – A,
katody – K i elektrody sterującej bramki – G. Tyrystor zacznie przewodzić, czyli następuje
jego zapłon, wówczas, gdy dołączymy do jego bramki napięcie dodatnie względem katody
i spowodujemy przepływ prądu sterującego (bramki) I

GT

i będzie się znajdował w tym stanie,

nawet po wyłączeniu prądu sterującego.
Wyłączenie tyrystora, czyli przejście do stanu blokowania (nieprzewodzenia), może odbywać
się poprzez:

−

zmniejszenie prądu anodowego, poniżej podanej w katalogu wartości prądu
podtrzymania I

H

,

−

przerwanie obwodu anodowego.

Podstawowe parametry tyrystorów podawane w katalogach elementów elektronicznych to:

−

wartość graniczna powtarzalnego, szczytowego napięcia blokowania U

DRM

,

−

wartość graniczna prądu przewodzenia I

T

,

−

typowe wartości prądu sterującego I

GT,

−

typowe wartości napięcia sterującego U

GT.

Tyrystory są powszechnie stosowane w układach energoelektronicznych, między innymi
w prostownikach sterowanych.

Triak

Triak zwany jest też tyrystorem symetrycznym. Posiada trzy elektrody: anodę oznaczoną

symbolem A, katodą oznaczoną symbolem K i bramkę oznaczoną symbolem G, można
go traktować jako dwa równoległe i przeciwnie skierowane tyrystory, zmontowane w jednej
obudowie ze wspólną bramka. Triaki mogą być załączane zarówno napięciem dodatnim jak

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

26

i ujemnym, zatem przewodzą prąd w obu kierunkach. Triaki mogą zastępować w układach
elektrycznych tyrystory upraszczając w ten sposób strukturę układów sterujacych.

Podstawowe parametry triaków podawane w katalogach elementów elektronicznych to:

−

wartość graniczna powtarzalnego, szczytowego napięcia blokowania U

DRM

,

−

wartość graniczna prądu przewodzenia I

T

,

−

typowe wartości prądu sterującego I

GT,

−

typowe wartości napięcia sterującego U

GT.

a)

b)

Rys. 23. Symbol: a) diaka, b) triaka [2, s. 79]

Diak

Diak zwany jest też diodą spustową, przewodzi prąd w dwóch kierunkach. Jest to triak

bez wyprowadzonej bramki. Kiedy podane na niego napięcie przekroczy wartość graniczną,
zaczyna przewodzić, do czasu kiedy prąd stanie się dostatecznie mały. Działanie diaka jest
podobne do działania diody przełączającej z tą różnicą, że napięcie po przełączeniu zmniejsza
się o stosunkowo niewielką wartość, nie zbliżając się do zera. Diaki przewodzą prąd w dwóch
kierunkach i stosowane są do sterowania triakami.

Elementy optoelektroniczne

Działanie elementów optoelektronicznych związane jest ze światłem. Do tej grupy należą

diody LED emitujące światło oraz elementy, których właściwości elektryczne zmieniają się
pod wpływem oświetlenia, takie jak: fotoelementy, fotorezystory, fotodiody i fototranzystory.
Ttransoptory będące połączeniem nadajnika światła (diody LED) i fotoelementu również
zaliczamy do grupy elementów optoelektronicznych. Wspólnym parametrem fotoelementów
jest kąt detekcji, czyli kąt pod jakim padające promienie światłą oddziałują na nie.

Fotorezystor

Fotorezystor zmienia swoją rezystancję w zależności od natężenia światła. Przy

określonych dużych natężeniach oświetlenia jego rezystancja dąży do pewnej wartości
minimalnej zwanej rezystancją jasną, natomiast przy minimalnym natężeniu oświetlenia do
rezystancji ciemnej. Rezystancja jasna może być nawet około 10

6

razy mniejsza od

rezystancji ciemnej. Produkowane są typy fotorezystorów czułe na określone długości fal
świetlnych np. na podczerwień. Zaletą fotorezystorów jest bardzo duża czułość, natomiast ich
wadą jest długi czas reakcji. Ze względu na obciążalność dochodzącą nawet do kilku watów
umożliwiają one nawet bez dodatkowego wzmocnienia np. bezpośrednie sterowanie
przekaźników.

a)

b)

c)

Rys. 24. Symbole elementów optoelektronicznych:

a) fotorezystora [11], b) fotodiody [2, s. 450], c) fototranzystora [11]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

27

Fotodioda

Fotodioda jest w zasadzie zwykłą diodą spolaryzowaną w kierunku zaporowym, w której

przy oświetleniu wzrasta prąd przepływu. W porównaniu z fototranzystorem ma znacznie
krótszy czas reakcji, zatem mogą pracować przy dużych częstotliwościach wynoszących
około 10 MHz.
Ze względu na mały prąd fotoelektryczny, fotodiody wymagają zazwyczaj współpracy ze
wzmacniaczami.

Podstawowe parametry fotodiody podawane w katalogach elementów elektronicznych to:

−

maksymalne napięcie w kierunku zaporowym U

R

,

−

czułość,

−

częstotliwość graniczna,

−

kąt detekcji,

−

prąd ciemny.

Fototranzystor

Fototranzystor jest tranzystorem, którego złącze kolektor – baza wykonane jest jako

fotodioda, jego oświetlenie powoduje przepływ prądu bazy, a tym samym wzmocnienie prądu
kolektora.
W celu uzyskania dużego wzmocnienia prądowego stosuje się fotoranzystory w układzie
Darlingtona. Fototranzystory są wolniejsze niż fotodiody.
Podstawowe parametry fototranzystorów podawane w katalogach elementów elektronicznych
to:

−

maksymalna wartość napięcia kolektor – emiter V

CE

,

−

wartość prądu świecenia,

−

maksymalna wartość prądu kolektora I

C

,

−

kąt detekcji.

Transoptor

Transoptor składa się z nadajnika światła np. diody LED i detektora światła np. fotodiody

lub fototranzystora. Wysterowana prądem wejściowym dioda świecąca transoptora emituje
światło, które oddziałuje na fotoelement przetwarzając je na prąd wyjściowy transoptora. Przy
pomocy transoptora można przekazywać sygnały pomiędzy obwodami odizolowanymi
galwanicznie. Stosowane są zazwyczaj w zasilaczach z przetwarzaniem częstotliwości,
do przesyłania sygnałów analogowych, w pętlach prądowych do przesyłania sygnałów
cyfrowych.

Rys. 25. Układy transoptora [2, s. 456]

Podstawowe parametry transoptorów (w zależności od wykonania) podawane w katalogach
elementów elektronicznych to:

−

wytrzymałość izolacji,

−

współczynnik sprzężenia,

−

wartość prądu diody (LED),

−

wartość napięcia kolektor – emiter.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

28

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jaka jest wspólna cecha elektronicznych elementów przełączających?
2. Jak zbudowany jest tyrystor?
3. W jaki sposób steruje się tyrystorem?
4. Jaka jest różnica w zasadzie działania pomiędzy tyrystorem a triakiem?
5. Jakie wyprowadzenia posiada diak?
6. Jaka jest zasada działania diaka?
7. Jaka jest wspólna cecha elementów optoelektronicznych?
8. Jak działa fotorezystor?
9. Na jakim zjawisku opiera się działania fotodiody?
10. Jakie złącze fototranzystora należy oświetlić, aby on zadziałał?
11. Do czego służy transoptor?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Badanie tyrystora.

Rysunek do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
2) wyszukać w katalogu kartę danego typu tyrystora,
3) odczytać jego parametry,
4) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
5) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
6) wybrać tryby pracy mierników,
7) połączyć układ pomiarowy,
8) wykonać pomiary prądu bramki tyrystora, spadków napięcia na tyrystorze oraz na

rezystorze R = 330

Ω

zmieniając wartość położenie pokrętła potencjometru,

9) określić na podstawie pomiarów wartości prądu bramki tyrystora, przy którym nastąpiło

załączenie tyrystora,

10) porównać wyniki pomiarów z danymi katalogowymi tyrystora,
11) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
12) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tyrystor,

–

zasilacz napięcia stałego +25 V,

–

rezystory 1 k

Ω

i 330

Ω

,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

29

–

potencjometr 1 k

Ω

,

–

trzy mierniku uniwersalne,

–

zestawy układów do badań,

–

katalogi elementów elektronicznych,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Określanie parametrów triaka na podstawie katalogu elementów elektronicznych,

rozpoznawanie jego końcówek.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanego triaka,
2) wybrać odpowiedni katalog elementów elektronicznych,
3) wyszukać w katalogu kartę danego typu triaka,
4) określić parametry elementu, a następnie je zapisać,
5) zidentyfikować końcówki triaka,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

triak,

–

katalogi elementów elektronicznych,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Badanie fotorezystora.

Rysunek do ćwiczenia 3

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) zapisać oznaczenia wybranych przyrządów,
3) wybrać tryby pracy miernika,
4) połączyć układ pomiarowy,
5) wykonać pomiary rezystancji fotorezystora zmieniając położenie pokrętła potencjometru

regulowanego źródła światła (poczynając od braku oświetlenia, do pełnego oświetlenia),

6) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
7) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

fotorezystor,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

30

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

żarówka,

–

potencjometr 1 k

Ω

,

–

miernik uniwersalny,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) rozpoznać symbole poznanych półprzewodnikowych elementów

przełączających na schemacie ideowych układu elektronicznego?

¨

¨

2) rozróżnić końcówki półprzewodnikowych elementów przełączających?

¨

¨

3) opisać działanie tyrystora?

¨

¨

4) scharakteryzować podstawowe parametry triaka podawane w katalogach

elementów elektronicznych?

¨

¨

5) wyjaśnić, dlaczego diak nazywany jest diodą spustową?

¨

¨

6) narysować symbole poznanych elementów optoelektronicznych?

¨

¨

7) opisać działanie fotorezystora?

¨

¨

8) określić, który

z elementów szybciej działa

fotodioda czy

fototranzystor?

¨

¨

9) opisać budowę transoptora?

¨

¨

10) podać przykłady zastosowania transoptorów?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

31

4.4. Wzmacniacze

4.4.1. Materiał nauczania

Wzmacniacze

Rys. 26. Schemat blokowy wzmacniacza [2, s. 144]

Zadaniem wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału (dzięki energii doprowadzonej do
wzmacniacza ze źródła zasilania) przy zachowaniu jego nie zmienionego kształtu.
Wzmacniacze mogą wzmacniać sygnały stałe (wolnozmienne), albo zmienne.

Najważniejszym parametrem wzmacniacza jest współczynnik wzmocnienia (zwany

w skrócie wzmocnieniem), będący stosunkiem amplitudy sygnału na wyjściu wzmacniacza do
amplitudy sygnału na jego wejściu.
Ze względu na przeznaczenie rozróżniamy wzmacniacze napięciowe, prądowe i mocy, zatem
dla każdego z tych układów istotny będzie inny współczynnik wzmocnienia:

−

dla wzmacniacza napięciowego, będzie to wzmocnienie napięciowe opisane zależnością:

we

wy

U

U

Ku

=

,

−

dla wzmacniacza prądowego, będzie to wzmocnienie prądowe opisane zależnością:

we

wy

I

I

I

K

=

,

−

dla wzmacniacza mocy, będzie to wzmocnienie mocy opisane zależnością:

we

wy

P

P

P

K

=

.

Współczynniki wzmocnienia nie posiadają jednostki, czasami w katalogach współczynnik

wzmocnienia napięciowego wyrażany jest w









V

V

.

Wzmocnienie wzmacniaczy często wyrażane jest w decybelach, wówczas podane powyżej
wzory przyjmują następującą postać:

−

wzmocnienie napięciowe:

K

U [dB]

we

wy

U

U

log

20

=

,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

32

−

wzmocnienie prądowe:

K

I[dB]

we

wy

I

I

log

20

=

,

−

wzmocnienie mocy:

K

P[db]

we

wy

P

P

log

10

=

.

Wzmacniacze budowane są najczęściej jako układy kaskadowe czyli połączenie szeregu

stopni wzmacniających (wyjście danego stopnia czyli pojedynczego wzmacniacza połączone
jest z wejściem stopnia następnego), wśród których wyróżniamy:

−

stopień wejściowy (wzmacniacz wstępny, przedwzmacniacz), który współpracuje ze
źródłem sygnału wzmacnianego,

−

stopnie pośrednie,

−

stopień wyjściowy współpracujący z obciążeniem.

Rys. 27. Schemat blokowy wzmacniacza trzystopniowego [2, s. 148]

Poszczególne stopnie mogą być połączone bezpośrednio, mówimy wtedy o sprzężeniu

bezpośrednim, lub za pomocą kondensatora (sprzężenie pojemnościowe), albo transformatora
(sprzężenie transformatorowe).

Sprzężenie bezpośrednie stosowane jest we wszystkich wzmacniaczach scalonych oraz

we wzmacniaczach prądu stałego zbudowanych z elementów dyskretnych. Sprzężenia
pojemnościowe i transformatorowe spotykane są we wzmacniaczach małej częstotliwości
budowanych z elementów dyskretnych.

Konstrukcja kaskadowa pozwala na osiągnięcie większego współczynnika wzmocnienia

niż w przypadku pojedynczego wzmacniacza. Jeżeli wzmocnienie poszczególnych stopni
wyrażone jest w decybelach to, wzmocnienie całego układu (wyrażone również
w decybelach) jest sumą współczynników wzmocnienia poszczególnych układów, co wyraża
zależność:

K

U [dB]

= K

U 1 [dB]

+ K

U 2 [dB]

+ K

U 3 [dB]

+ K

U 4 [dB]

+...+ K

U n [dB]

Podstawowe układy wzmacniające.

Podstawowym elementem wzmacniającym jest tranzystor. Właściwości wzmacniacza

zależą od sposobu jego połączenia tranzystora w układzie.
Układy pracy tranzystora bipolarnego.

Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego to:

−

wspólnego emitera WE (OE),

−

wspólnego kolektora WK (OC),

−

wspólnej bazy WB (OB).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

33

a)

b)

c)

Rys. 28. Podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego: a) OE, b) OC, c) OB [11]

Układ WE to najpopularniejszy układ wzmacniający. Sygnał doprowadzony jest

pomiędzy emiter i bazę, a obciążenie włączone jest pomiędzy kolektor i emiter. Emiter jest
elektrodą wspólna dla wejścia i wyjścia wzmacniacza. Napięcie U

cc

jest napięciem

zasilającym układ, rezystory R

B1

i R

B2

polaryzują bazę tranzystora do napięcia bliskiego

napięciu przewodzenia złącza emiter – baza, rezystor R

C

ogranicza prąd kolektora, natomiast

rezystor R

E

realizuje ujemne sprzężenie zwrotne w układzie czyli przekazuje sygnał z wyjścia

na wejście układu. Sprzężenie zwrotne stosuje się we wzmacniaczach w celu poprawienia ich
parametrów. Kondensatory sprzęgające C

B

i C

C

pozwalają odseparować składowe zmienne od

stałych.

Układ wspólnego emitera charakteryzuje się dość dużym wzmocnieniem napięciowym

i prądowym oraz dużym wzmocnieniem mocy. Sygnał na jego wyjściu jest odwrócony
w fazie o 180

°

w stosunku do napięcia wejściowego.

Układ WK zwany wtórnikiem emiterowym stosowany jest jako układ dopasowujący lub

separującym ze względu na przenoszenie sygnału bez strat. Charakteryzuje się on
wzmocnieniem napięciowym bliskim jedności, natomiast wzmocnienie prądowe ma tego
samego rzędu co układ wspólnego emitera.

Układ WB stosowany jest jako wzmacniacz sygnałów wielkiej częstotliwości.

Wzmocnienie napięciowe ma zbliżone do układu wspólnego emitera, natomiast prądowe
mniejsze od jedności.

Układy pracy tranzystora unipolarnego
Tranzystory

unipolarne

stosowane

są

również

do

budowy

wzmacniaczy.

Odpowiednikami konfiguracji WE, WK, WB tranzystora bipolarnego są układy wspólnego
źródła WS, wspólnego drenu WD tzw. wtórnik źródłowy i wspólnej bramki WB (stosowany
bardzo rzadko).

a)

b)

Rys. 29. Podstawowe układy pracy tranzystora unipolarnego: a) WS, b) WD [11]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

34

Ze względu na zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów wzmacniacze mogą być:

−

szerokopasmowe, gdy zakres częstotliwości wzmacnianych sygnałów zmienia się
w szerokim zakresie,

−

selektywne, gdy wzmacniane są sygnały tylko o określonej częstotliwości.

Sprzężenie zwrotne we wzmacniaczach

Sprzężenie zwrotne układach elektronicznych polega na przekazaniu części sygnału

wyjściowego, zwanej sygnałem zwrotnym z wyjścia na wejście układu, gdzie sumuje się on
z sygnałem wejściowym, zmieniając właściwości układu. We wzmacniaczach stosuje się
głównie ujemne sprzężenie zwrotne tzn., że sygnał zwrotny ma fazę przeciwną niż sygnał
wejściowy, w efekcie sygnał zwrotny na wejściu wzmacniacza odejmuje się od sygnału
wejściowego. W układzie WE elementem realizującym ujemne sprzężenie zwrotne jest
rezystor włączony w obwód emitera.

Klasy pracy wzmacniaczy.
Wzmacniacze dzielimy na klasy: A, B, AB, C.
W klasie A prąd kolektora płynie przez cały okres sygnału wejściowego – mówimy, że kąt
przepływu prądu 2

Θ

= 360

°

= 2

π

.

W klasie B prąd płynie przez około pół okresu sygnału wejściowego – wówczas kąt
przepływu prądu 2

Θ

≈

180

°

.

Klasa AB jest pośrednia między klasą A i B, zatem kąt przepływu prądu zawiera się
pomiędzy 180

°

a 360

°

.

W klasie C sygnał wyjściowy jest znacznie odkształcony, a kąt przepływu prądu 2

Θ

< 180

°

.

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie zadanie realizuje wzmacniacz?
2. Jaki są podstawowe parametry wzmacniacza?
3. Co to znaczy, że wzmacniacz jest wielostopniowy?
4. Jakie rozróżniamy rodzaje połączeń między poszczególnymi stopniami wzmacniacza?
5. Od

czego

zależy

współczynnik

wzmocnienia

napięciowego

wzmacniacza

wielostopniowego?

6. Na czym polega sprzężenie zwrotne stosowane w układach elektronicznych?
7. Co określa klasa pracy wzmacniacza?
8. Jakie rozróżniamy klasy pracy wzmacniacza?
9. Jak dzielimy wzmacniacze ze względu na zakres częstotliwości wzmacnianych

sygnałów?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Analiza schematu ideowego wzmacniacza wielostopniowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z otrzymaną dokumentacją techniczną,
2) określić z ilu stopni składa się analizowany wzmacniacz,
3) określić rodzaj sprzężenia między poszczególnymi stopniami wzmacniacza,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

35

4) wyodrębnić na schemacie ideowym wzmacniacza wielostopniowego jeden stopień

wzmacniający,

5) określić jaki zastosowano w tym stopniu układ pracy tranzystora,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

schemat ideowy prostego wzmacniacz wielostopniowego,

–

literatura wskazana przez nauczyciela,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Badanie wzmacniacza w układzie wspólnego emitera.

Rysunek do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) ustawić napięcie wyjściowe z generatora, tak aby wartość międzyszczytowa napięcia

wyjściowego U

wyss

wynosiła około 5 V (częstotliwość generowanego przebiegu równa

1 kHz),

5) dokonać pomiaru za pomocą oscyloskopu wartości amplitudy napięcia wejściowego U

we

i wyjściowego U

wy

,

6) określić na podstawie pomiarów współczynnik wzmocnienie napięciowego według

zależności:

we

wy

U

U

Ku

=

,

7) określić przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym,
8) sformułować wnioski,
9) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor BC 107,

–

rezystory: 680 k

Ω

, 100 k

Ω

, 47 k

Ω

, 10 k

Ω

,

–

kondensatory elektrolityczne: 10

µ

F, 0,47

µ

F,

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

generator przebiegów sinusoidalnych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

36

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Badanie wzmacniacza w układzie wspólnego drenu.

Rysunek do ćwiczenia 3

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) ustawić (po załączeniu napięcia zasilania U

CC

), za pomocą potencjometru wartość

napięcia U

DS

równą połowie napięcia zasilania,

5) podać na wejście układu napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości międzyszczytowej

U

wess

równej 2 V i częstotliwości f równej 1 kHz,

6) dokonać pomiaru wartości amplitudy napięcia wejściowego U

we

i wyjściowego U

wy

,

7) określić na podstawie pomiarów współczynnik wzmocnienie napięciowego według

zależności:

we

wy

U

U

Ku

=

,

8) określić przesunięcie fazowe pomiędzy napięciem wejściowym i wyjściowym,
9) sformułować wnioski,
10) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor polowy 2N3819,

–

rezystory: 6,8 k

Ω

, 1 M

Ω

, 4,7 k

Ω

, 1 k

Ω

, 300

Ω

,

–

kondensatory elektrolityczne: 10

µ

F, 0,47

µ

F,

–

miernik uniwersalny,

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

generator przebiegów sinusoidalnych,

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

37

Ćwiczenie 4

Badanie wzmacniacza selektywnego.

Rysunek do ćwiczenia 4

Tabela wyników pomiarów

f [kHz]

0 0,05 0,1 0,25 0,5

1

2,5

5

7,5

10 12,5 15 17,5 20 50

U

wess

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) przeanalizować treść zadania,
2) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
3) wybrać tryb pracy oscyloskopu i miernika uniwersalnego,
4) połączyć układ pomiarowy,
5) ustawić za pomocą potencjometru napięcie U

GS

= – 2 V,

6) podać na wejście układu napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości międzyszczytowej

U

wess

= 200 mV, zmieniając częstotliwości w zakresie od 0 Hz do 50 kHz, zgodnie

z tabelą wyników pomiarów,

7) zaobserwować przy jakiej częstotliwości sygnału wejściowego, sygnał wyjściowy będzie

miał największą wartość amplitudy, a przy jakiej najmniejszą,

8) określić współczynnik wzmocnienia napięciowego dla częstotliwości określonych

w poprzednim punkcie, według zależności:

we

wy

U

U

Ku

=

,

9) sformułować wnioski,
10) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor polowy 2N3819,

–

rezystor: 470

Ω

, 100 k

Ω

,

–

potencjometry 10 k

Ω

,

–

kondensatory elektrolityczne: 10

µ

F, 0,47

µ

F, 100

µ

F, 1 nF,

–

cewka 220 mH,

–

miernik uniwersalny,

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

generator przebiegów sinusoidalnych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

38

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić współczynnik wzmocnienia wzmacniacza na podstawie wartości

sygnału wejściowego i wyjściowego?

¨

¨

2) rozpoznać podstawowe układy pracy tranzystora bipolarnego?

¨

¨

3) określić funkcję poszczególnych elementów w układzie WE?

¨

¨

4) określić właściwości podstawowych układów pracy tranzystora

bipolarnego?

¨

¨

5) rozpoznać podstawowe układy pracy tranzystora unipolarnego?

¨

¨

6) określić właściwości podstawowych układów pracy tranzystora

unipolarnego?

¨

¨

7) rozróżnić

rodzaje

połączeń

między

poszczególnymi

stopniami

wzmacniacza wielostopniowego?

¨

¨

8) określić wzmocnienie napięciowe wzmacniacza wielostopniowego, na

podstawie znajomości współczynników wzmocnienia napięciowego
poszczególnych stopni?

¨

¨

9) określić klasę pracy wzmacniacza na podstawie przebiegów czasowych

sygnału wejściowego i wyjściowego?

¨

¨

10) opisać działanie sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczach?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

39

4.5. Wzmacniacz

operacyjny.

Układy

ze

wzmacniaczem

operacyjnym

4.5.1. Materiał nauczania

Wzmacniacz operacyjny to najbardziej rozpowszechniony analogowy układ

elektroniczny realizowany jako monolityczny układ scalony. Zazwyczaj jest to układ
o sprzężeniu bezpośrednim, którego sposób działania jest określony przez zewnętrzny obwód
sprzężenia zwrotnego.

Rys. 30. Symbol wzmacniacza operacyjnego [2, s. 197]

Wzmacniacz operacyjny posiada jedno wyjście i dwa wejścia: odwracające (oznaczone

„–”) i nieodwracające (oznaczone „+”). Wzmacniana jest różnica sygnałów z tych wejść,
a wartość tego wzmocnienia jest normalne bardzo duża. Wspomniany zewnętrzny obwód
sprzężenia zwrotnego decyduje o wzmocnieniu całego układu.
Idealny wzmacniacz operacyjny powinien cechować się:

−

nieskończenie dużym wzmocnieniem napięciowym (różnicowym),

−

nieskończenie dużą impedancją wejściową (co oznacza, że nie wpływają do niego żadne
prądy wejściowe),

−

zerową impedancją wyjściową,

−

nieskończenie szerokim pasmem przenoszonych częstotliwości,

−

nieskończenie dużym zakresem dynamicznym sygnału.
W rzeczywistości wymienione parametry mają skończone określone wartości: impedancją

wejściową jest bardzo duża, a wyjściowa bardzo mała, wzmocnienie napięciowe (różnicowe)
jest bardzo duże, może przyjmować wartość np. 400 V/mV, albo 25000 razy. Pomimo bardzo
dużego wzmocnienia napięcie wyjściowe wzmacniacza nie może przyjąć wartości wyższej niż
napięcie zasilania. Rzeczywisty wzmacniacz operacyjny powinien też cechować się między
innymi: dużym współczynnikiem tłumienia sygnału sumacyjnego, bardzo małymi prądami
polaryzacji czyli inaczej wejściowymi (rzędu nano, a nawet pikoamperów), niskim wejściowym
napięciem niezrównoważenia, małym czasem narastania. Napięcie niezrównoważenia to
różnica napięć wejściowych, która daje na wyjściu wzmacniacza napięcie równe zeru. Czas
narastania to czas, po którym napięcie na wyjściu zmienia swą wartość chwilową od 0,1 do 0,9
wartości ustalonej U

wy

.

Podstawowe parametry wzmacniaczy operacyjnych podawane w katalogach elementów
i układów elektronicznych to:

−

napięcie zasilania,

−

pobór prądu,

−

wzmocnienie napięciowe (różnicowe),

−

napięcie niezrównoważenia (napięcie offsetowe),

−

szumy,

−

szybkość narastania,

−

pasmo przenoszenia,

−

zakres temperatur.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

40

Obecnie produkuje się różne typy wzmacniaczy operacyjnych przeznaczone do szczególnych
zastosowań, między innymi:

−

wzmacniacz oszczędny energetycznie, charakteryzuje się bardzo małym poborem mocy
przy jak najniższym napięciu zasilania;

−

wzmacniacz

pomiarowy

(do

wzmacniania

małych

sygnałów

różnicowych

w zastosowaniach pomiarowych), posiada wewnętrzna pętlę sprzężenia zwrotnego
i możliwość regulacji wzmocnienia jednym rezystorem zewnętrznym;

−

wzmacniacz wizyjny, zoptymalizowany pod kątem wzmacniania sygnałów wizyjnych,
charakteryzuje się pasmem przenoszenia powyżej 100 MHz;

−

wzmacniacz niskoszumowy zaprojektowany do zastosowań pomiarowych, akustycznych
i wizyjnych;

−

wzmacniacz izolacyjny, przekazuje liniowo sygnał pomiędzy układami o rozdzielonych
masach;

−

wzmacniacz Nortona, odznacza się bardzo małą rezystancją wejściową, sterowany jest
prądowo, jego działanie oparte jest na odejmowaniu prądów wejściowych;

−

wzmacniacz transkonduktancyjny, posiada trzecie wejście, którym można sterować
wartość wzmocnienia prądowego.

Podstawowe układy zbudowane na wzmacniaczu operacyjnym.

Rys. 31. Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji odwracającej fazę[2, s. 204]

Rys. 32. Układy ze wzmacniaczem operacyjnym: a) wzmacniacz nieodwracający, b) wtórnik, c) sumator

[2, s. 206]

Wzmacniacz odwracający jego wzmocnienie napięciowe wyrażone jest zależnością:

1

2

we

wy

R

R

U

U

Ku

−

≈

=

.

Sygnały wyjściowy jest przesunięty w fazie o 180

°

względem sygnału wejściowego (stąd

nazwa, bo odwraca fazę sygnału o 180

°

).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

41

Wzmacniacz nieodwracający, jego wzmocnienie napięciowe wyrażone jest zależnością:

1

2

we

wy

R

R

1

U

U

Ku

+

≈

=

.

Wtórnik napięciowy ma wzmocnienie

1

Ku

≈

. Pracuje jako układ separujący i dopasowujący

(charakteryzuje się dużą impedancją wejściową, a małą wyjściową).

Sumator napięć, przy doborze jednakowych rezystancji R

1

= R

2

= R

3

=...= R

n

= R

uzyskuje się algebraiczne sumowanie napięć.

Komparatory

Rys. 34. Komparator napięcia [2, s. 221]

Komparator stosuje się do porównywania dwóch napięć lub do określania zakresu,

w którym znajduje się porównywane napięcie. W układzie tym wzmacniacz operacyjny
pracuje bez sprzężenia zwrotnego. Na jedno z wejść wzmacniacza operacyjnego np. wejście
odwracające, podaje się napięcie odniesienia U

od

, a na drugie wejście napięcie porównawcze

U

we

. W przypadku, gdy U

od

< U

we

, wzmacniacz znajduje się w stanie nasycenia przy

dodatnim napięciu wyjściowym, natomiast dla U

od

> U

we

, wzmacniacz znajduje się w stanie

nasycenia przy ujemnym napięciu wyjściowym.
Obecnie produkuje się komparatory w postaci scalonej.
Podstawowe parametry komparatorów podawane w katalogach elementów i układów
elektronicznych to:

−

napięcie zasilania,

−

pobór prądu,

−

wzmocnienie napięciowe,

−

napięcie niezrównoważenia (nap. offsetu),

−

prąd niezrównoważenia (prąd offsetu),

−

różnica napięć wejściowych,

−

zakres temperatur.

Filtry aktywne

Filtr częstotliwościowy to czwórnik, który przepuszcza bez tłumienia lub z małym

tłumieniem napięcia i prądy o określonym paśmie częstotliwości, a tłumi napięcia i prądy
leżące poza tym pasmem.
Parametry filtrów częstotliwościowych to:

−

pasmo przepustowe – zakres częstotliwości, które filtry przepuszczają,

−

pasmo tłumieniowe – zakres częstotliwości, które filtry tłumią,

−

częstotliwość graniczna f

g

– oddziela pasmo przepustowe i tłumieniowe,

−

współczynnik tłumienia a – miara zmian napięcia przy przejściu od zacisków
wejściowych do zacisków wyjściowych filtra, w paśmie przepustowym a

≈

0 (lub jest

bliskie zeru), w paśmie tłumieniowym a jest bardzo duże,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

42

−

współczynnik fazowy b – określa zmiany fazy napięcia i prądu przy przejściu sygnału
przez filtr,

−

charakterystyka częstotliwościowa – określa napięcie wyjściowe w funkcji częstotliwości
(zwyczajowo jest to funkcja pulsacji

ω

).

Ze względu na położenie pasma przepustowego filtry dzielimy na:

−

dolnoprzepustowe,

−

górnoprzepustowe,

−

pasmowe,

−

zaporowe.
Ze względu na budowę filtry dzielimy na:

−

reaktancyjne LC – zbudowane z cewek i kondensatorów,

−

bezindukcyjne, pasywne RC – zbudowane z rezystorów i kondensatorów,

−

piezoceramiczne,

−

aktywne.
Filtry aktywne budowane są z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych, rezystorów

i kondensatorów. Prócz właściwości typowych filtrów wzmacniają również przepuszczane
sygnały.

Filtry dolnoprzepustowe przenoszą sygnały o częstotliwościach z zakresu od 0 do

częstotliwości granicznej f

g.

a)

b)

Rys. 34. Filtr dolnoprzepustowy: a) schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [10, s. 346]

Filtry górnoprzepustowe przenoszą sygnały o częstotliwościach z zakresu od

częstotliwości granicznej f

g

do nieskończoności.

a)

b)

Rys. 35. Filtr górnoprzepustowy: a) schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [10, s. 346]

Filtry pasmowe przenoszą sygnały o częstotliwościach z zakresu od częstotliwości

granicznej f

01

do częstotliwości granicznej f

02.

Częstotliwości f

01

i f

02

są częstotliwościami

granicznymi. Filtry takie uzyskuje się przez połączenie kaskadowe filtru górnoprzepustowego
i dolnoprzepustowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

43

a)

b)

Rys. 36. Filtr pasmowy: a) schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [10 s. 360]

Filtry zaporowe przenoszą sygnały o wszystkich częstotliwościach za wyjątkiem

sygnałów określonego pasma ograniczonego częstotliwościami granicznymi f

g1

i f

g2.

Do ich budowy wykorzystuje się szeregowe obwody rezonansowe.

a)

b)

Rys. 37. Filtr zaporowy: a) schemat, b) charakterystyka częstotliwościowa [10, s. 366]

Filtry aktywne produkowane są jako układy scalone (czasami w jednej obudowie znajduje się
więcej niż jeden filtr).
Podstawowe parametry filtrów aktywnych podawane w katalogach elementów i układów
elektronicznych to:

−

napięcie zasilające,

−

pasmo przepustowe,

−

typ obudowy.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie wejścia posiada wzmacniacz operacyjny?
2. Jakimi parametrami charakteryzuje się wzmacniacz idealny?
3. Jakie parametry wzmacniacza operacyjnego podawane są w katalogach elementów

i układów elektronicznych?

4. W jaki sposób ustala się wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego pracującego

w określonym układzie elektronicznym?

5. W jakich układach elektronicznych wykorzystywany jest wzmacniacz operacyjny?
6. Do czego służy komparator?
7. Jakie parametry komparatora podawane są w katalogach elementów i układów

elektronicznych?

8. Jak zbudowane są filtry aktywne?
9. Jak dzielimy filtry częstotliwościowe ze względu na przepuszczane pasmo

częstotliwości?

10. Jakie są różnice w budowie i działaniu między filtrami górnoprzeustowymi

i dolnoprzepustowymi?

11. Jakie są różnice w budowie i działaniu między filtrami pasmowymi i zaporowymi?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

44

12. Jakie parametry filtrów aktywnych są podawane w katalogach elementów i układów

elektronicznych?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Badanie wzmocnienia różnicowego wzmacniacza operacyjnego.

Rysunek do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) podać na wejście układu napięcie sinusoidalnie zmienne o częstotliwości 1 kHz

i amplitudzie tak dobranej aby wartość międzyszczytowa napięcia różnicowego U

DSS

była równa 0,01 V (pomiar napięcia U

D

wykonać za pomocą oscyloskopu),

5) dokonać pomiaru za pomocą oscyloskopu wartości międzyszczytowej napięcia

wyjściowego U

ASS

wzmacniacza,

6) określić na podstawie pomiarów współczynnik wzmocnienie napięciowego według

zależności:

SS

SS

D

A

U

U

Ku

=

,

7) sformułować wnioski,
8) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

wzmacniacz operacyjny

µ

A 741,

–

rezystor 1 k

Ω

,

–

kondensator elektrolityczny: 22

µ

F,

–

zasilacz stabilizowany +15 V, –15 V,

–

generator przebiegów sinusoidalnych,

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Badanie wzmacniacza operacyjnego w układzie nieodwracającym fazy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

45

Rysunek do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektryczne,
2) wybrać tryb pracy miernika,
3) połączyć układ pomiarowy przyjmując wartości R

1

= 22 k

Ω

i R

2

= 2,2 k

Ω

,

4) podać na wejście układu napięcie U

we

= 5 V,

5) dokonać pomiaru napięcia wyjściowego U

wy

układu,

6) określić wzmocnienie układu według zależności:

we

wy

U

U

Ku

=

,

7) określić ponownie wzmocnienie układu według zależności:

1

2

R

R

1

Ku

+

=

,

8) porównać wzmocnienie wyznaczone oboma sposobami,
9) powtórzyć pomiary zmieniając w układzie wartości rezystorów: R

1

= R

2

= 10 k

Ω

,

10) ponownie wyznaczyć wzmocnienie układu na oba sposoby i porównać otrzymane

wyniki,

11) sformułować wnioski,
12) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

wzmacniacz operacyjny

µ

A 741,

–

2 rezystory: 10 k

Ω

,

–

rezystor: 2,2 k

Ω

, 22 k

Ω

,

–

zasilacz stabilizowany +5 V, +15 V, –15 V,

–

miernik uniwersalny,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Badanie filtra aktywnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

46

Rysunek do ćwiczenia 3

Tabela wyników pomiarów

f

[kHz]

0,01 0,025 0,05 0,25 0,5 0,1 0,25 0,5 0,75 1

3

5

7 10 12 15 20

U

wy

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektroniczne,
2) wybrać tryb pracy mierników,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) podać na wejście układu napięcie sinusoidalnie zmienne o wartości skutecznej U

we

= 2 V,

zmieniając częstotliwość w zakresie od 10 Hz do 30 kHz zgodnie z zapisami w tabeli
wyników pomiarów (wartość napięcia wejściowego powinna być stała podczas
wszystkich pomiarów),

5) dokonać pomiarów wartości skutecznej napięcia wyjściowego układu U

wy

dla każdego

przypadku,

6) określić dla jakich wartości częstotliwości napięcie wyjściowe miało największą wartość,
7) określić na podstawie pomiarów rodzaj filtra,
8) sformułować wnioski,
9) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

wzmacniacz operacyjny

µ

A 741,

–

2 rezystory: 1 k

Ω

,

–

rezystor 560

Ω

,

–

kondensator elektrolityczny: 2 nF,

–

zasilacz stabilizowany +15 V, –15 V,

–

generator przebiegów sinusoidalnych,

–

2 mierniki uniwersalne,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 4

Określanie na podstawie katalogu elementów i układów elektronicznych typu

komparatora jego parametrów, rozróżnianie końcówek układu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

47

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin otrzymanego układu scalonego,
2) wybrać odpowiedni katalog elementów i układów elektronicznych,
3) wyszukać w katalogu kartę danego typu komparatora,
4) zapoznać się z parametrami układu,
5) zidentyfikować końcówki układu,
6) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

komparator,

–

katalogi elementów i układów elektronicznych,

–

literatura wskazana przez nauczyciela,

–

materiały i przybory do pisania.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) opisać budowę wzmacniacza operacyjnego?

¨

¨

2) scharakteryzować parametry rzeczywistego wzmacniacza operacyjnego?

¨

¨

3) narysować

schematy

przykładowych

układów

analogowych

z zastosowaniem wzmacniacza operacyjnego i scharakteryzować ich
działanie?

¨

¨

4) opisać zasadę działania komparatora?

¨

¨

5) scharakteryzować budowę filtrów aktywnych?

¨

¨

6) rozpoznać na podstawie schematu ideowego typ filtra aktywnego?

¨

¨

7) sklasyfikować, na podstawie charakterystyki częstotliwościowej, filtr

ze względu na pasmo przepustowe?

¨

¨

8) określić na podstawie pomiarów napięć wejściowego i wyjściowego pasmo

przepustowe filtra?

¨

¨

9) narysować schemat przykładowego filtra dolnoprzepustowego lub

górnoprzepustowego?

¨

¨

10) narysować schemat przykładowego filtra pasmowego lub zaporowego?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

48

4.6. Generatory

4.6.1. Materiał nauczania

Generator to układ wytwarzający przebiegi elektryczne o określonym kształcie np.

sinusoidalnym (generatory przebiegów sinusoidalnych), prostokątnym czy trójkątnym
(generatory przebiegów niesinusoidalnych). Generator przetwarza energię elektryczną
pozyskiwaną ze źródła napięcia zasilania, zamieniając ją (z pewnymi stratami) w energię
generowanego napięcia zmiennego.
Zazwyczaj generatory wytwarzają przebiegi których częstotliwość i amplitudę można
zmieniać w określonym zakresie, są to układy przestrajane.

Istotnym wymaganiem stawianym generatorom jest zapewnienie stałej amplitudy

wytwarzanego przebiegu, niezależnej od jego częstotliwości (ani od zmian innych
parametrów jak napięcie zasilania, temperatura). Również ustalona częstotliwość
generowanego przebiegu powinna być stała i niezależna od innych parametrów układu.
Generowane przebiegi nie mają idealnych kształtów. W generatorach przebiegów
sinusoidalnych zjawisko to opisane jest za pomocą współczynnika zawartości harmonicznych
lub współczynnika zniekształceń całkowitych.
W zależności od układu określającego częstotliwość drgań rozróżniamy generatory:

−

LC – gdzie częstotliwość zależy od obwodu rezonansowego LC,

−

RC – gdzie układ ten złożony jest z elementów rezystancyjnych R i pojemnościowych C,

−

elektromechaniczne – posiadające elementy wytwarzające drgania mechaniczne np.
płytkę piezoelektryczną (szczególnie rozpowszechnione są tego typu generatory
kwarcowe).

Generatory mogą pracować:

−

samowzbudnie (astabilnie) – nie potrzebują sterowania sygnałem zewnętrznym,

−

monostabilnie – pozostają stale w spoczynku, a po doprowadzeniu sygnału
zewnętrznego wykonują jeden cykl drgań,

−

bistabilnie – posiadają dwa stany równowagi stałej, przejście miedzy, którymi wymaga
doprowadzenia zewnętrznych impulsów sterujących.

W celu wzbudzenia drgań stosuje się najczęściej sprzężenie zwrotne, rzadziej elementy

o ujemnej rezystancji (ze względu na gorsze parametry układu), połączony z szeregowym lub
równoległym obwodem rezonansowym LC.
Generator ze sprzężeniem zwrotnym składa się z wzmacniacza o wzmocnieniu napięciowym
K

u

oraz bloku sprzężenia zwrotnego.

Rys. 38. Schemat blokowy generatora [2, s. 252]

Podstawowe układy generatorów LC ze sprzężeniem zwrotnym to generatory Meissnera,

Colpittsa i Hartleya.

W generatorze Meissnera sprzężenie zwrotne realizowane jest za pomocą transformatora,

którego uzwojenie wtórne o indukcyjności L

2

i kondensator C

2

tworzą obwód rezonansowy.

Generator Colpittsa zawiera dzielnik pojemnościowy C

1

, C

2

, określający wartość napięcia

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

49

dodatniego sprzężenia zwrotnego. Częstotliwość generowanych drgań określona jest przez
obwód rezonansowy złożony z połączonych szeregowo kondensatorów C

1

i C

2

i cewki

o indukcyjności L

12

.

W generatorze Hartleya dodatnie sprzężenie zwrotne realizuje cewka z dzielonym

uzwojeniem (L

1

, L

2

). Częstotliwość generowanego sygnału określa równoległy obwód

rezonansowy złożony z indukcyjności L = L

1

+ L

2

i pojemności C

12

.

Rys. 39. Układy generatorów LC drgań sinusoidalnych [2, s. 255]

Generatory z rezonatorami elektromechanicznymi odznaczają się dużą stałością

częstotliwości generowanych sygnałów. Najczęściej spotykane są obecnie generatory
kwarcowe wykorzystujące odwrotne zjawisko piezoelektryczne. Polega ono na odkształceniu
płytki piezoelektrycznej przy doprowadzeniu do elektrod umieszczonych na jej
przeciwległych ściankach napięcia elektrycznego. Na skutek działania napięcia zmiennego
płytka wykonuje drgania mechaniczne.
Rezonator kwarcowy może zastępować cewkę L

1

w generatorze Hartleya, lub cewkę L

12

w generatorze Colpittsa, taki generator nazywamy generatorem Pierce’a. Dla łatwiejszego
doboru parametrów jeden z kondensatorów w tym układzie zastępuje się obwodem
rezonansowym.

a)

b)

Rys. 40. Schematy generatorów kwarcowych:

a) z dzieloną pojemnością , b) z dzieloną indukcyjnością [2, s. 260]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

50

Obecnie produkowanych jest szereg typów rezonatorów kwarcowych, których parametry

i budowa dostosowane są do specjalistycznych zastosowań.
Podstawowe parametry rezonatorów kwarcowych podawane w katalogach elementów
elektronicznych to:

−

napięcie zasilania,

−

pobór prądu,

−

częstotliwość,

−

stabilność częstotliwości.

Generatory RC stosuje się do wytwarzania sygnałów małych i średnich częstotliwości,

ponieważ w tym zakresie trudno zrealizować obwód rezonansowy o wymaganych
parametrach. Układ takiego generatora składa się ze wzmacniacza i selektywnego układu
sprzężenia zwrotnego, zbudowanego z elementów rezystancyjno-pojemnościowych.
Generatory RC charakteryzują się dużym zakresem przestrajania częstotliwości, dobrą
stałością częstotliwości oraz małymi zniekształceniami generowanych przebiegów.

Rys. 41. Generator RC z mostkiem Wiena [2, s. 262]

Generatory impulsów prostokątnych zwane są też przerzutnikami. Przerzutniki astabilne –
multiwibratory to układy samowzbudne generujące przebiegi okresowe o kształcie
prostokątnym.

Podstawowe parametry przebiegu prostokątnego to amplituda U

m

, czas trwania t

i

, czas

narastania t

n

, czas opadania t

o

, częstotliwość f lub okres T i współczynnik wypełnienia v,

będący stosunkiem czasu trwania przebiegu do jego okresu.

T

t

v

i

=

Najprostszy multiwibrator składa się z dwóch wzmacniaczy tranzystorowych, objętych

pojemnościowym dodatnim sprzężeniem zwrotnym.

Rys. 42. Schemat tranzystorowego przerzutnika astabilnego [2, s. 266]

Tranzystory T

1

i T

2

pracują jako przełączniki elektroniczne, przechodząc na przemian ze

stanu nasycenia w stan odcięcia i odwrotnie. Okres generowanych drgań zależy od wartości
rezystorów polaryzujących bazy tranzystorów R

B1

i R

B2

oraz kondensatorów sprzężenia

zwrotnego C

B1

i C

B2

.

Generatory astabilne mogą być też budowane na wzmacniaczach operacyjnych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

51

Rys. 43. Przerzutniki astabilne a), b), c) schematy układów ze wzmacniaczami operacyjnymi d) przebiegi

napięć. [2, s. 247]

Przerzutniki monostabilne – uniwibratory wytwarzają jednorazowy impuls prostokątny.

Mają jeden stan trwałej równowagi, który utrzymuje się tak długo, aż pojawi się impuls
wyzwalający. Wówczas następuje przejście ze stanu stabilnego do niestabilnego.

a)

b)

Rys. 44. Uniwibrator a) tranzystorowy [2, s. 271], b) ze wzmacniaczem scalonym [2, s. 274]

Parametry generowanego impulsu nie zależą od impulsów wyzwalających. Czas jego

trwania zależy od wartości rezystora R

B2

oraz kondensatora C

B2

.

Uniwibrator może być też budowany na wzmacniaczu operacyjnym.
Przerzutniki bistabilne stosowane są w technice cyfrowej. Mają dwa stany równowagi

trwałej, między którymi przejścia następują po zadziałaniu zewnętrznych sygnałów
wyzwalających lub synchronizujących. Układy te noszą również nazwę układów flip–flop.

Obecnie produkuje się układy generatorowe w postaci scalonej, jako generatory

wysokoczęstotliwościowe czy funkcyjne, posiadają one skomplikowaną i rozbudowaną
strukturę wewnętrzną. Podstawowe parametry tych układów podawane w katalogach
elementów elektronicznych to:

−

napięcie zasilania,

−

pobór prądu,

−

pasmo częstotliwości generowanych przebiegów,

−

stabilność temperaturowa.

4.6.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jaka jest zasada działania generatorów?
2. Jakie wymagania powinien spełniać generator?
3. Jakie elementy mogą określać częstotliwość generowanych drgań?
4. W jaki sposób można wzbudzić drgania w układzie generatora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

52

5. Z jakich bloków składa się generator ze sprzężeniem zwrotnym?
6. Jakie znasz podstawowe układy generatorów LC?
7. Na jakiej zasadzie działają generatory kwarcowe?
8. W jakich przypadkach stosuje się układy RC w generatorach?
9. Jak mogą pracować generatory impulsów prostokątnych?
10. Jak inaczej nazywają się generatory impulsów prostokątnych?
11. Jakie znasz rodzaje generatorów impulsów prostokątnych?

4.6.2. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Badanie generatora sinusoidalnego z przesuwnikiem fazowym.

Rysunek do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektroniczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu i miernika,
3) połączyć układ pomiarowy pomijając przesuwnik fazowy,
4) ustawić, za pomocą potencjometru R

P1

napięcie kolektora o wartości około 7,5 V

(pomiaru dokonać za pomocą multimetru cyfrowego),

5) połączyć układ przesuwnika fazowego (o parametrach R = 2,2 k

Ω

, C = 0,1

µ

F) i włączyć

go do układu zgodnie ze schematem,

6) ustawić, za pomocą potencjometru R

P2

wzmocnienie układu tak, aby na jego wyjściu

pojawił się sygnał sinusoidalny U

a

,

7) określić, za pomocą oscyloskopu, wartość amplitudy i okresu T generowanego przebiegu,

8) obliczyć wartość częstotliwości f generowanego przebiegu z zależności:

T

1

f

=

,

9) określić za pomocą oscyloskopu przesunięcie między napięciem wejściowym

a wyjściowym,

10) sformułować wnioski,
11) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystor BC 107,

–

rezystory: 2,2 k

Ω

x 2szt., 100

Ω

, 1 k

Ω

, 22 k

Ω

, 33 k

Ω

, 4,7 k

Ω

, 100 k

Ω

,

–

potencjometry: 100

Ω

, 47 k

Ω

,

–

kondensator elektrolityczny 100

µ

F,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

53

–

kondensatory: 0,1

µ

F x 3 szt., 47 nF,

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

miernik uniwersalny,

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Badanie przerzutnika stabilnego.

Rysunek do ćwiczenia 2

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektroniczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) zaobserwować za pomocą oscyloskopu przebiegi napięć U

1

oraz U

2

,

5) określić czas trwania impulsów i przerwy pomiędzy nimi,
6) określić okresu T napięć U

1

oraz U

2

,

7) obliczyć wartość częstotliwości f generowanych przebiegów z zależności:

T

1

f

=

,

8) sformułować wnioski,
9) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

tranzystory: BC 140 x 2 szt.,

–

rezystory: 1 k

Ω

x 2 szt., 10 k

Ω

x 2 szt.,

–

kondensatory: 0,1

µ

F x 2 szt.,

–

zasilacz stabilizowany +15 V,

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Analiza schematu układu generatora funkcyjnego zrealizowanego na generacyjnym

układzie scalonym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

54

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wybrać odpowiedni katalog elementów i układów elektronicznych,
2) wyszukać w katalogu karty analogowych układów generacyjnych,
3) zapoznać się z parametrami jednego z układów,
4) przeanalizować zaproponowany układ aplikacyjny,
5) zaprezentować wyniki ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

katalogi elementów i układów elektronicznych

–

literatura wskazana przez nauczyciela,

–

materiały i przybory do pisania.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić jakimi parametrami powinien charakteryzować się generator?

¨

¨

2) opisać budowę generatora Meissnera?

¨

¨

3) opisać budowę generatora Colpitsa?

¨

¨

4) opisać budowę generatora Hartleya?

¨

¨

5) określić parametry generatorów RC?

¨

¨

6) scharakteryzować parametry, budowę i zasadę działania generatorów

z rezonatorami elektromechanicznymi?

¨

¨

7) opisać zasadę działania przerzutnika astabilnego?

¨

¨

8) opisać zasadę działania przerzutnika monostabilnego?

¨

¨

9) opisać zasadę działania przerzutnika bistabilnego?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

55

4.7. Analogowe urządzenia elektroniczne

4.7.1. Materiał nauczania

Bloki funkcjonalne urządzeń analogowych

Powszechnie stosowane współcześnie urządzenia analogowe składają się z typowych

bloków funkcjonalnych. Wiele urządzeń posiada zasilacze, które służą do zasilenia całego
urządzenia lub jednego z bloków. Zasilacze uniwersalne, które dostarczające kilku napięć
stosuje się np. magnetofonach i magnetowidach w celu zasilenia silników przesuwających
taśmę. Zasilacz, może być również samodzielnym urządzeniem powszechnego użytku (czego
przykładem są ładowarki akumulatorowe – zasilacze z określonym ograniczeniem prądowym)
składa się z bloków, takich jak: transformator, prostownik z filtrem i stabilizator które są
stosowane w innych urządzeniach analogowych.
Układy generatorów stanowią bloki funkcjonalne kuchenek mikrofalowych.

W urządzeniach audiowizualnych stosowanych powszechnie w gospodarstwie domowym

wykorzystuje się modulację sygnału elektrycznego, zatem integralna częścią tych urządzeń są
bloki modulatorów i demodulatorów.

Znakomita większość powszechnie stosowanych przez człowieka urządzeń analogowych

posiada blok elektroniki sterującej zbudowany z elementów półprzewodnikowych takich jak
diody, tranzystory, tyrystory, diaki, termistory, elementy optoelektroniczne i inne oraz
z półprzewodnikowych układów scalonych.

Zasilacze dostarczają do urządzenia zasilanego napięcia stałe, które są wytwarzane przez

transformowanie i prostowanie napięcia sieciowego. Uzyskane w ten sposób napięcie stałe
charakteryzuje się znacznymi tętnieniami, a ponadto jego wartość zmienia się na skutek
zmian napięcia sieci, a także zmian obciążenia. Z tego względu zasilacz zawiera z reguły
stabilizator napięcia, którego zadaniem jest utrzymanie stałej wartości napięcia. Ponadto
każdy zasilacz sieciowy napięcia stałego musi składać się z bloku obniżającego napięcie sieci
230 V – transformatora i układu zamieniającego obniżone napięcie przemienne na stałe, czyli
układu prostownika z filtrem.

Rys. 45. Schemat blokowy zasilacza [12]

Transformator

Rys. 46. Schemat elektryczny transformatora. [11]

Transformator jest urządzeniem, w którym następuje przekazanie energii elektrycznej

z jednego obwodu do drugiego, za pośrednictwem pola elektromagnetycznego. Zbudowany
jest zazwyczaj z dwóch uzwojeń. Uzwojenie do, którego doprowadzany jest sygnał nosi
nazwę pierwotnego, natomiast uzwojenie do którego podłączony jest odbiornik lub kolejny
blok układu (w naszym przypadku prostownik), nazywa się uzwojeniem pierwotnym. Jeżeli
przez uzwojenie pierwotne przepływa zmienny prąd elektryczny, wokół niego wytwarza się

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

56

zmienne pole elektromagnetyczne, które oddziałuje na uzwojenie wtórne, wskutek czego
w uzwojeniu tym indukuje się napięcie elektryczne, a jeśli jego obwód zamkniemy, popłynie
w nim prąd. O takich uzwojeniach mówimy, że są sprzężone magnetycznie.

Ze względu na budowę rozróżniamy transformator z rdzeniem ferromagnetycznym

i transformatory powietrzne. Te pierwsze mają uzwojenia transformatora nawinięte na rdzeniu
wykonanym z materiału ferromagnetycznego. Drugie zaś nie posiadają rdzenia lub jest on
wykonany z materiału nie wykazującego właściwości magnetycznych.

Zadaniem transformatora jest zmiana wartości zmiennego napięcia elektrycznego,

o której decyduje najważniejszy parametr przekładnia zwojowa. Przekładnia zwojowa
transformatora to stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego N

1

do liczby zwojów

uzwojenia wtórnego N

2

.

2

1

N

N

n

=

Podstawowe parametry transformatorów podawane w katalogach elementów elektronicznych
to:

−

napięcie pierwotne i napięcie wtórne,

−

odchyłka wartości napięcia wtórnego,

−

maksymalny prąd pierwotny i prąd wyjściowy,

−

moc,

−

wymiary geometryczne i masa.

Prostownik z kondensatorem filtrującym

Prostowniki dzielimy na półfalowe (jednopołówkowe) lub całofalowe (dwupołówkowe).

Taki podział zależy od tego czy napięcie podlega prostowaniu w czasie połowy swojego
okresu – wtedy mówimy o prostownikach półfalowych (jednopołówkowych), czy też w obu
półokresach, tak działające prostowniki nazywamy całofalowymi (dwupołówkowymi).

Prostownik jednopołówkowy

Najprostszy prostownik jednopołówkowy stanowi dioda prostownicza. Dioda ta

przewodzi gdy napięcie na niej jest dodatnie. Prąd płynie tylko przez pół okresu napięcia
uzwojenia wtórnego transformatora. W praktyce stosuje się prostowniki z filtrem
pojemnościowym. Jeżeli do wyjścia prostownika nie jest dołączone obciążenie R

L

(praca

w biegu jałowym), to kondensator C zostaje naładowany w czasie dodatniej połówki
sinusoidy napięcia u

0

(t) do wartości maksymalnej biegu jałowego transformatora. W czasie

ujemnej połówki sinusoidy napięcia na transformatorze, dioda nie przewodzi i jeżeli układ
prostownika zostanie obciążony rezystorem R

L

, to kondensator C będzie rozładowywany

przez ten rezystor tak długo dopóki nie przewodzi dioda czyli do czasu aż napięcie na wyjściu
transformatora będzie większe o U

D

od napięcia wyjściowego, kondensator C zostanie

wówczas ponownie naładowany do napięcia wyjściowego, którego wartość zależna jest (jak
już wiadomo) od rezystancji wewnętrznej transformatora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

57

a)

b)

Rys. 47. Prostownika jednopołówkowy:

a) schemat b) wykresy czasowe napięcia wyjściowego U

wy

oraz prądu wyjściowego I

wy

[2, s. 101]

Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza

a)

b)

Rys. 48 Prostownik dwupołówkowy w układzie mostka Graetza a) schemat,

b) wykresy czasowe napięcia wjściowego U

wy

oraz prądu wyjściowego U

wy

[2, s. 105]

W czasie dodatniej połówki napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne

transformatora, przez diodę D

1

, obciążenie R

L

i diodę D

3

, natomiast przy ujemnej połówce

napięcia wejściowego prąd płynie uzwojenie wtórne transformatora, przez diodę D

2

,

obciążenie R i diodę D

4

. W obu przypadkach prąd przez obciążenie płynie w tym samym

kierunku i ma charakter pulsujący. Jeżeli układzie prostownika dwupołówkowego
zastosujemy filtr w postaci kondensatora C uzyskamy znacznie lepszy stosunek czasu
rozładowania kondensatora do czasu ładowania niż w układzie jednopołówkowym. Zatem
przy tym samym obciążeniu czas rozładowania kondensatora w układzie mostkowym jest
znacznie krótszy niż w układzie jednopołówkowym. Efektem tego są mniejsze tętnienia
napięcia wyjściowego.

Prostowniki dwupołówkowe w układzie mostka Graetza produkowane są w postaci

układów scalonych. Podstawowe parametry tych układów podawane w katalogach elementów
elektronicznych to:

−

wartości graniczne napięcia w kierunku zaporowym U

RRM

,

−

wartości graniczne prądu w kierunku przewodzenia I

F

,

−

wartości typowe napięcia i prądu w kierunku przewodzenia V

F

, I

F

.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

58

Stabilizatory napięcia stosuje się w celu wyeliminowania tętnień napięcia uzyskanego

z układu prostownika z filtrem. Zasadniczym elementem stabilizatora jest dioda Zenera.
Najważniejsze parametry stabilizatorów napięcia to:

−

napięcie wyjściowe i jego tolerancja,

−

maksymalny prąd wyjściowy i prąd zwarcia,

−

minimalny spadek napięcia, który jest niezbędny do stabilizacji napięcia wyjściowego
(w katalogach to różnica napięć na wejściu i wyjściu).

Najprostszy stabilizator to tzw. stabilizator parametryczny składający się z rezystora

i połączonej z nim szeregowo diody stabilizacyjnej. Jeśli napięcie wejściowe, będzie miało
mniejszą wartość niż napięcie Zenera, dioda nie przewodzi prądu, a wartość napięcia
wyjściowego jest równa wartości napięcia wejściowego. Jeżeli natomiast napięcie wejściowe
uzyska wartość napięcia Zenera lub wzrośnie ponad tą wartość, dioda zacznie przewodzić,
a napięcie wyjściowe będzie równe napięciu Zenera.

Rys. 49. Układ stabilizatora parametrycznego [2, s. 296]

Układy stabilizatorów produkowane obecnie w postaci układów scalonych mają znaczniej

skomplikowaną i rozbudowaną konstrukcję, a ich podstawowe parametry podawane
w katalogach elementów elektronicznych to:

−

maksymalne napięcie wejściowe,

−

spadek napięcia,

−

tolerancja napięcia wyjściowego,

−

pobór prądu,

−

maksymalny i minimalny prąd wyjściowy.

Układy modulatorów i demodulatorów

Modulacja to zmiana parametrów sygnału fali nośnej w takt sygnału modulującego.

Przykładem może być modulowany dźwięk syreny alarmowej, w którym zmienia się
częstotliwość generowanego przez syrenę dźwięku. Częstotliwość zmian wywołanych
modulacją jest dużo mniejsza od częstotliwości fali. Jeżeli modulowane są sygnały
sinusoidalne, to proces ten może powodować zmiany amplitudy, częstotliwości lub fazy
sygnału. W urządzenia powszechnego użytku stosuje się najczęściej modulacje amplitudy
i częstotliwości.

Demodulacja jest procesem odwrotnym do modulacji i polega na odzyskaniu z sygnału

zmodulowanego sygnału modulującego.

W procesie modulacji amplitudy (AM) proporcjonalnie do amplitudy sygnału

modulującego zmienia się amplituda sygnału modulowanego (fali nośnej).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

59

Rys. 50. Przebiegi czasowe w procesie modulacji amplitudy [1, s. 8]

Podstawowe układy modulatorów amplitudy są zbudowane z wykorzystaniem

tranzystorów bipolarnych, gdzie modulacja może odbywać się w bazie, emiterze lub
kolektorze tranzystora. W przypadku modulacji w emiterze tranzystora zależnie od zmian
napięcia modulującego zmieniane jest napięcie między bazą a emiterem tranzystora, które
powoduje zmianę kata przepływu.

Modulacja w kolektorze tranzystora polega na tym, że napięcie modulowane dodaje się

do napięcia zasilania i amplituda wypadkowego napięcia jest zmieniana zależnie od napięcia
modulującego. Najbardziej liniowa, czyli dając najmniejsze zniekształcenia jest modulacja
w kolektorze, ale wymaga ona największej mocy modulujące.

a)

b)

Rys. 51. Układ modulatora amplitudy:

a) w emiterze tranzystora bipolarnego [8, 805], b) w kolektorze tranzystora bipolarnego [8, 806]

Modulacja amplitudy jest prosta w realizacji lecz jest bardzo mało odporna na zakłócenia.

Procesu demodulacji amplitudy można dokonać za pomocą elementu o charakterystyce
nieliniowej. Można do tego celu wykorzystać diody półprzewodnikowe, tranzystory (złącze
baza–emiter). W praktyce jako elementów nieliniowych używa się najczęściej diod
półprzewodnikowych.

a)

b)

Rys. 52. Schemat a) szeregowego detektora diodowego, b) przebieg prądy płynącego przez rezystor R

o

[1, s. 132]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

60

Prąd płynący przez rezystor R

o

odpowiada dodatnim półokresom zmodulowanego

napięcia w.cz., których amplituda zmienia się w takt napięcia modulującego. Aby otrzymać
napięcie modulujące należy odfiltrować napięcie w.cz. Stosując kondensator C
o odpowiednio dobranej pojemności otrzymamy składową modulującą bez składowej w.cz.
Na rysunku rys. 58 przedstawiono schemat szczytowego detektora diodowego, na wyjściu
którego otrzymuje się napięcie modulujące i składową stałą.

a)

b)

Rys. 53. Schemat detektora a) diodowego, szeregowego, szczytowego [1, s. 132], b) tranzystorowego AM

stosowanego w układzie UL 1211N [1, s. 135]

Detektor diodowy pracuje w układzie szeregowym, gdzie dioda detekcyjna jest połączona

szeregowo z obciążeniem Ro, natomiast może być stosowany również układ, gdzie dioda
detekcyjna połączona jest równolegle z obciążeniem Ro. W układzie szeregowym detektora,
obwód dla prądu stałego zamyka się przez źródło sygnału zmodulowanego, natomiast
w układzie równoległym prąd stały nie płynie przez źródło sygnału zmodulowanego.
W układzie równoległym detektora, na rezystancji obciążenia Ro występuje składowa w.cz.,
natomiast w układzie szeregowym jest ona zwierana przez kondensator C. W układzie
szeregowym detektora obciążeniem źródła sygnału zmodulowanego jest dioda, a w przypadku
układu równoległego źródło napięcia zmodulowanego jest obciążone diodą połączoną
równolegle z rezystancją Ro. Do demodulacji oprócz diod można stosować tranzystory.
Zmodulowany sygnał w złączu baza–emiter jest wzmacniany przez ten sam tranzystor.
Wzmocnienie sygnału zdemodulowanego w takim układzie detektora jest mniejsze niż
w układzie, w którym proces demodulacji przeprowadza się za pomocą diody, a tranzystor
wykorzystuje się tylko do wzmacniania sygnałów zdemodulowanych. Detektory
tranzystorowe znalazły zastosowanie w scalonych detektorach AM.

W procesie modulacji częstotliwości (FM) proporcjonalnie do amplitudy sygnału

modulującego zmienia się częstotliwość sygnału modulowanego (fali nośnej).

Rys. 54. Przebiegi czasowe w procesie modulacji częstotliwości [12]: a) modulujący, b) zmodulowany

a)

b)

U

m.cz.

U

FSK

t

t

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

61

Układy z modulacja częstotliwościową można podzielić na dwie grupy: wąskopasmowe

– gdzie stosuje się przestrajanie generatorów kwarcowych i szerokopasmowe – gdzie stosuje
się samowzbudne generatory LC. Modulację częstotliwości można uzyskać np. przez zmianę
pojemności diody waraktorowej.

a)

b)

Rys. 55 a) Schemat generatora kwarcowego 17 MHz z modulacją częstotliwości zrealizowana za pomocą diody

waraktorowej. [8, s. 824], b) Schemat generatora LC z szerokopasmową modulacją częstotliwości
zrealizowana za pomocą diody waraktorowej [8, s. 825]

Obecnie produkuje się iloczynowe (koincydencyjne, kwadraturowe) demodulatory FM

jako układy scalone. W układach tych detektorów FM sygnał z modulacją częstotliwości jest
zamieniany na sygnał z modulacją fazy, a następnie demodulowany. Układ iloczynowego
detektora FM składa się z układu mnożącego i przesuwnika fazy (rysunek 8.21). Układ
mnożący pracuje jako układ kluczujący. Sygnał demodulowany jest doprowadzony do
jednego z wejść bezpośrednio, natomiast do drugiego – poprzez przesuwnik fazy. Wartość
przesunięcia fazy między napięciem na wejściu przesuwnika fazy a napięciem na jego
wyjściu zależy od wartości chwilowej częstotliwości napięcia. Na wyjściu układu mnożącego
otrzymuje się sygnał proporcjonalny do wartości chwilowej częstotliwości demodulowanego
sygnału.

a)

b)

a)

Rys. 56 a) Schemat blokowy iloczynowego demodulatora FM [1, s. 143],

b) Schemat blokowy demodulatora FM z układem pętli synchronizacji fazowej [1, s. 147]

Do demodulacji sygnałów FM można stosować układy fazowej automatycznej regulacji

częstotliwości (FARCz). Demodulowany sygnał FM jest doprowadzony do wejścia detektora
fazy układu FARCz. Jeśli częstotliwość środkowa generatora GPN jest równa częstotliwości
nośnej sygnału demodulowanego i zakres częstotliwości chwytania jest odpowiednio duży,
to układ FARCz będzie w stanie synchronizmu z częstotliwością sygnału demodulowanego,
nadążając za jego chwilowymi zmianami. Uzyskany na wyjściu detektora fazy sygnał błędu,
przestrajający GPN, stanowi, po odfiltrowaniu w filtrze dolnoprzepustowym, sygnał
wyjściowy modulujący.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

62

Zasady analogowego zapisu i odczytu dźwięku i obrazu.

W analogowych urządzeniach rejestracji czyli magnetofonach oraz magnetowidach VHS

stosuje się zapis magnetyczny sygnału obrazu i dźwięku. W obu urządzeniach zapisu dokonuje
na tej samej zasadzie się na specjalnym nośniku wykonanego z materiału o dużej przenikalności
magnetycznej, który jest umieszczony na specjalnej taśmie. Proces zapisu polega na zmienianiu
magnetycznych magnetycznego. Taśma z nośnikiem przesuwa się z jednostajna prędkością
przez specjalną głowicę będącą elektromagnesem. Rdzeń tego elektromagnesu ma szczelinę
powietrzną w obszarze, której zamyka się pole magnetyczne (strumień magnetyczny),
wywołane napięciem zapisywanego sygnału. Stykający się ze szczeliną nośnik podlega w jej
polu magnesowaniu. Przed zapisem nośnik powinien być całkowicie rozmagnesowany. W tym
celu przesuwa się pod głowica kasującą, która wielokrotnie wielokrotnie i szybko go
przemagnesowuje. Szczegóły rozwiązań technicznych zapisu oraz rodzaj taśm i nośnika
używanych w magnetofonach są różne od używanych w magnetowidach.

Rys. 57. Uproszczony schemat zapisywania i odczytywania sygnałów wizyjnych [5, s. 101]

4.7.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie układy analogowe stanowią najczęściej bloki funkcjonalne urządzeń analogowych?
2. Z jakich członów składa się zasilacz?
3. Do czego służy transformator?
4. Jakie zadanie w zasilaczu spełnia prostownik?
5. Jak klasyfikujemy prostowniki?
6. Jakie jest zadanie filtra w układzie prostownika?
7. Do czego służy stabilizator?
8. Na czym polega proces modulacji?
9. Jakie są rodzaje modulacji analogowej?
10. Jaka jest różnica pomiędzy modulacja amplitudy a modulacją częstotliwości?
11. Na czym polega proces demodulacji?
12. Jakie są zasady analogowego zapisu obrazu i dźwięku?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Badanie prostownika jednofazowego, półfalowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

63

Rysunek do ćwiczenia 1

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektroniczne,
2) wybrać tryb pracy oscyloskopu,
3) połączyć układ pomiarowy pomijają kondensator elektrolityczny,
4) doprowadzić na wejście układu prostownika napięcie z autotransformatora o wartości

skutecznej 12 V,

5) zaobserwować za pomocą oscyloskopu przebiegi napięć U

1

oraz U

2

, gdy wyjście

prostownika jest obciążone jedynie rezystorem R = 1 k

Ω

,

6) połączyć równolegle z rezystancją obciążenia kolejno kondensatory o pojemności C = 47

µ

F

oraz C = 220

µ

F i ponownie zaobserwować przebiegi napięć U

1

oraz U

2

dla obu przypadków,

7) sformułować wnioski,
8) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

dioda 1N4007,

–

rezystor: 1 k

Ω

,

–

kondensatory elektrolityczne: 47

µ

F, 220

µ

F,

–

autotransformator,

–

oscyloskop dwukanałowy,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

Ćwiczenie 2

Badanie scalonego stabilizatora napięcia.

Rysunek do ćwiczenia 2

Tabela wyników pomiarów

U

we

[V]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

U

wy

[V]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

64

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zgromadzić potrzebną aparaturę i elementy elektroniczne,
2) wybrać tryb pracy mierników,
3) połączyć układ pomiarowy,
4) dokonać pomiarów napięcia wyjściowego U

wy

, podając na wejście układu napięcia U

we

zgodnie z zapisami w tabeli (ustawień wartości dokonywać za pomocą potencjometru P),

5) oszacować dokładność pomiarów i sformułować wnioski,
6) sporządzić dokumentację.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

układ stabilizatora 78L05,

–

potencjometr: 1 k

Ω

,

–

2 kondensatory: 47

µ

F,

–

zasilacz +15 V,

–

2 mierniki uniwersalne,

–

zestawy układów do badań,

–

materiały i przybory do pisania.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) scharakteryzować budowę zasilacza?

¨

¨

2) wyjaśnić rolę jaką spełnia transformator w układzie zasilacza?

¨

¨

3) opisać budowę i zasadę działania prostownika jednopołówkowego?

¨

¨

4) narysować przebiegi napięcia wyjściowego prostownika jednopołówkowego?

¨

¨

5) opisać budowę i zasadę działania prostownika dwupołówkowego?

¨

¨

6) narysować przebiegi napięcia wyjściowego prostownika dwupołówkowego?

¨

¨

7) określić wpływ wartości pojemności filtra zastosowanego w układzie

prostowniczym, na kształt jego napięcia wejściowego?

¨

¨

8) scharakteryzować funkcję stabilizatora w układzie zasilacza?

¨

¨

9) narysować i scharakteryzować przykładowy przebieg czasowy napięcia

zmodulowanego amplitudowo?

¨

¨

10) opisać zasadę działania i narysować schemat najprostszego demodulatora

amplitudy?

¨

¨

11) narysować i scharakteryzować przykładowy przebieg czasowy napięcia

zmodulowanego częstotliwościowo?

¨

¨

12) scharakteryzować jeden ze sposobów demodulacji częstotliwości?

¨

¨

13) opisać zasady analogowego zapisu dźwięku i obrazu stosowana

w urządzeniach powszechnego użytku?

¨

¨

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

65

5. SPARWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1. Przeczytaj uważnie instrukcję zanim zaczniesz rozwiązywać zadania.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Test składa się z 20 zadań dotyczących obwodów prądu stałego. Zadania od nr 1 do nr 15

są z poziomu podstawowego. Zadania od nr 16 do nr 20 są z poziomu
ponadpodstawowego

4. Zadania zawierają cztery odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Wybraną

odpowiedź zakreśl znakiem X.

5. Jeśli uznasz, że pomyliłeś się i wybrałeś nieprawidłową odpowiedź, to otocz ją kółkiem,

a prawidłową odpowiedź zaznacz znakiem X.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz mógł sprawdzić poziom swojej wiedzy.
7. Jeśli jakieś zadanie sprawi Ci trudność, rozwiąż inne i ponownie spróbuj rozwiązać

trudniejsze.

8. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie.
9. Odpowiedzi udzielaj tylko na załączonej karcie odpowiedzi.
10. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 60 minut.

Powodzenia!

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Przekaźnik w układzie elektronicznym pełni rolę

a) zdalnie uruchamianego łącznika.
b) wzmacniacza.
c) filtra.
d) kompratora.

2. Głośnik charakteryzuje się między innymi

a) szybkością przełączania.
b) pasmem przenoszonych częstotliwości.
c) kątem przesunięcia fazowego.
d) czasem załączenia.

3. Poniższy symbol przedstawia

a) diodę prostowniczą.
b) diodę stabilizacyjną.
c) diodę LED.
d) fotodiodę.

4. Półprzewodnikowym elementem przełączającym jest

a) transformator.
b) kontaktron.
c) tyrystor.
d) przekaźnik.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

66

5. Wartość rezystancji termistora

a) zmienia się ze zmianą oświetlenia.
b) jest stała w każdych warunkach.
c) zmienia się ze zmianą przyłożonego napięcia.
d) zmienia się ze zmianą temperatury.

6. Układ wspólnego kolektora posiada współczynnik wzmocnienia napięciowego równy

a) 1.
b) nieskończenie duże.
c) współczynnikowi wzmocnienia prądowego.
d) współczynnikowi wzmocnienia mocy.

7. Jakiego rodzaju sprzężenia nie wykorzystuje się przy łączeniu poszczególnych stopni

wzmacniacza wielostopniowego
a) pojemnościowego.
b) transformatorowego.
c) bezpośredniego.
d) zwrotnego.

8. Element optoelektroniczny to

a) tranzystor polowy.
b) wartystor.
c) dioda Zenera.
d) fotorezystor.

9. Rysunek przedstawia symbol

a) woltomierza.
b) rezystora.
c) termistora.
d) amperomierza.

10. Wzmacniacz operacyjny charakteryzuje się

a) bardzo dużym współczynnikiem wzmocnieniem napięciowego sygnału wspólnego.
b) bardzo dużym współczynnikiem wzmocnieniem napięciowego sygnału różnicowego.
c) bardzo dużym współczynnikiem tłumienia sygnału różnicowego.
d) bardzo małym współczynnikiem wzmocnieniem napięciowego sygnału różnicowego.

11. Rysunek przestawia schemat wzmacniacza operacyjnego w układzie

a) sumatora.
b) wtórnika.
c) odwracającym.
d) nieodwracającym.

12. Generatory bistabilne

a) posiadają dwa stany równowagi stałej.
b) posiadają jeden stan równowagi stałej.
c) generują przebiegi sinusoidalnie zmienne.
d) pracują samowzbudnie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

67

13. Rysunek przedstawia charakterystykę częstotliwościową filtra

a) zaporowego.
b) pasmowego.
c) dolnoprzepustowego.
d) górnoprzepustowego.

14. Rysunek przedstawia symbol

a) tranzystora unipolarnego.
b) tyrystora,
c) tranzystora bipolarnego.
d) triaka.

15. Demodulacji amplitudy można dokonać za pomocą elementu o charakterystyce

nieliniowej
a) diody prostowniczej.
b) fotorezystora.
c) tyrystora.
d) triaka.

16. Rysunek przedstawia przykładowy przebieg czasowy napięcia

a) wyjściowego prostownika jednofazowego całofalowego z filtrem.
b) transformatora.
c) wyjściowego prostownika jednofazowego półfalowego z filtrem.
d) stabilizatora.

17. Rysunek przedstawia schemat układu

a) prostownika jednofazowego całofalowego.
b) stabilizatora parametrycznego.
c) prostownika jednofazowego półfalowego.
d) wzmacniacza jednostopniowego.

18. Rysunek przedstawia schemat układu

a) WD.
b) WB.
c) WC.
d) WE.

19. Logarytmiczny współczynnik wzmocnienia trzystopniowego wzmacniacza kaskadowego,

w którym poszczególne stopnie mają współczynniki: K

U 1 [dB]

, K

U 2 [dB]

, K

U 3 [dB]

.

a) K

U [dB]

= K

U 1 [dB]

/ K

U 2 [dB]

/ K

U 3 [dB]

.

b) K

U [dB]

= K

U 1 [dB]

K

⋅

U 2 [dB]

K

⋅

U 3 [dB]]

.

c) K

U [dB]

= K

U 1 [dB]

– K

U 2 [dB]

– K

U 3 [dB]]

.

d) K

U [dB]

= K

U 1 [dB]

+ K

U 2 [dB]

+ K

U 3 [dB]]

.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

68

20. Rysunek przedstawia schemat układu do badania

a) rezystancji fototranzystora.
b) fotodiody.
c) fotorezystora.
d) rezystancji warystra.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

69

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ....................................................

Badanie i pomiary elektronicznych układów analogowych

Zakreśl poprawną odpowiedź znakiem X.

Nr

zadania

Odpowiedź

Punkty

1

a

b

c

d

2

a

b

c

d

3

a

b

c

d

4

a

b

c

d

5

a

b

c

d

6

a

b

c

d

7

a

b

c

d

8

a

b

c

d

9

a

b

c

d

10

a

b

c

d

11

a

b

c

d

12

a

b

c

d

13

a

b

c

d

14

a

b

c

d

15

a

b

c

d

16

a

b

c

d

17

a

b

c

d

18

a

b

c

d

19

a

b

c

d

20

a

b

c

d

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

70

6. LITERATURA

1. Chaciński H.: Urządzenia radiowe. WSiP, Warszawa 1989
2. Chwaleba A.: Moeschke B. Płoszajski G.:Elektronika WSiP, Warszawa 1999
3. Kammerer J., Oberthur W., Zastow P. (tłumaczenie A. Rodak): Pracownia podstaw

elektrotechniki i elektroniki. WSiP, Warszawa 2000

4. Mac St., Leowski J.: Bezpieczeństwo I higiena pracy dla szkół zasadniczych. WSiP,

Warszawa 1997

5. Orzechowski J.: Podstawy techniki telewizyjnej WSiP, Warszawa 1999
6. Pilawski M.: Pracownia elektryczna dla ZSE. WSiP, Warszawa 2001
7. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki cz. I i II WSiP, Warszawa 19997
8. Praca zbiorowa: Poradnik radioamatora cz. II Wydawnictwa komunikacji i łączności

Warszawa 1985

9. Schmid D., Baumann A., Kaufmann H., Paetzold H., Zippel B. (opracowanie

merytoryczne wersji polskiej dr inż. Olszewski M): Mechatronika REA, Warszawa 2002

10. Tietze U., Schenk CH. (tłumaczenie A. Błaszkowski): Układy półprzewodnikowe

Wydawnictwo Naukowo–Techniczne Warszawa 1987

11. www.elfa.se
12. www.wikipedia