Monter_sieci_i_urz_telekom_725[02]_O1.03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MINISTERSTWO EDUKACJI

NARODOWEJ

Eugeniusz Hofman

Badanie i pomiary układów analogowych stosowanych
w telekomunikacji 725[02].01.03

Poradnik dla ucznia

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom 2006

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Diody półprzewodnikowe

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Prostowniki

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Tranzystor bipolarny

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Tranzystor polowy

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Elementy optoelektroniczne

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

4.6. Tyrystor

4.6.1. Materiał nauczania

4.6.2. Pytania sprawdzające

4.6.3. Ćwiczenia

4.6.4. Sprawdzian postępów

4.7. Wzmacniacze

4.7.1. Materiał nauczania

4.7.2. Pytania sprawdzające

4.7.3. Ćwiczenia

4.7.4. Sprawdzian postępów

4.8. Wzmacniacze operacyjne

4.8.1. Materiał nauczania

4.8.2. Pytania sprawdzające

4.8.3. Ćwiczenia

4.8.4. Sprawdzian postępów

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Filtry

4.9.1. Materiał nauczania

4.9.2. Pytania sprawdzające

4.9.3. Ćwiczenia

4.9.4. Sprawdzian postępów

4.10. Wzmacniacze selektywne

4.10.1. Materiał nauczania

4.10.2. Pytania sprawdzające

4.10.3. Ćwiczenia

4.10.4. Sprawdzian postępów

4.11. Generatory napięć sinusoidalnych

4.11.1. Materiał nauczania

4.11.2. Pytania sprawdzające

4.11.3. Ćwiczenia

4.11.4. Sprawdzian postępów

4.12. Stabilizatory

4.12.1. Materiał nauczania

4.12.2. Pytania sprawdzające

4.12.3. Ćwiczenia

4.12.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych materiałach

i urządzeniach telekomunikacyjnych, ich właściwościach oraz zastosowaniu w magistralnych,
stacyjnych i podstawowych instalacjach abonenckich telekomunikacyjnych.

W poradniku zamieszczono opisy:

−

elementów półprzewodnikowych: diody, tranzystory, elementy optoelektroniczne,

−

urządzeń elektronicznych: wzmacniacze, stabilizatory, filtry aktywne, generatory,

−

bloki urządzeń analogowych stosowanych w telekomunikacji.
Reforma gospodarcza i szybki rozwój nowoczesnych technologii spowodowały zmiany

dotyczące zapotrzebowania na określone kwalifikacje zawodowe. Rozwój technologii
informatycznych, telekomunikacji i między innymi Internetu przyczyniły się do zwiększenia
zapotrzebowania na usługi telekomunikacyjne.

Celem kształcenia w zawodzie monter sieci i urządzeń telekomunikacyjnych jest

przygotowanie  aktywnego,  mobilnego  i  skutecznie  poruszającego  się  na  rynku  pracy
absolwenta.  Będzie  to  możliwe,  jeżeli  uczniowie  będą.  nabywali  zarówno  wiedzę  jak
i umiejętności  zawodowe  na  takim  poziomie,  który  pozwoli  im  na  ciągłe  doskonalenie,
poszerzanie  kwalifikacji,  ocenę  własnych  predyspozycji  i  możliwości,  podejmowanie
racjonalnych  decyzji,  dotyczących  własnego  rozwoju  zawodowego  oraz  planowania  kariery
zawodowej.

Modułowy program nauczania dla zawodu umożliwia:

−

nabywanie oraz potwierdzanie kwalifikacji zawodowych zarówno w systemie szkolnym,
jak i pozaszkolnym,

−

dostosowywanie procesu kształcenia do indywidualnych potrzeb uczniów,

−

adaptację treści kształcenia do zmieniających się potrzeb rynku pracy,

−

przeniesienie punktu ciężkości z procesu nauczania na proces uczenia.
Cele kształcenia i materiał nauczania są ściśle powiązane z zadaniami zawodowymi, co

umożliwia:

−

przygotowanie ucznia do wykonywania podstawowych zadań zawodowych,

−

powiązanie teorii z praktyką,

−

odejście od materializmu dydaktycznego,

−

integrację różnych dziedzin wiedzy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej, powinieneś umieć:

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

klasyfikować materiały ze względu na własności elektryczne,

−

rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne,

−

stosować podstawowe jednostki wielkości elektrycznych w układzie SI,

−

interpretować przedrostki przed nazwami jednostek,

−

stosować podstawowe prawa elektrotechniki,

−

rozróżniać typy oporników,

−

rozpoznawać na podstawie wyglądu oraz symbolu różne typy oporników,

−

przewidywać wpływ zmiany parametrów konstrukcyjnych opornika i temperatury na jego
rezystancję,

−

obliczać rezystancję zastępczą oporników połączonych równolegle, szeregowo
i w sposób mieszany,

−

rozpoznawać symbole źródeł napięcia i prądu stałego,

−

obliczać parametry źródeł napięcia połączonych szeregowo i równolegle,

−

obliczać i szacować podstawowe wielkości elektryczne w układach prądu stałego,

−

oceniać wpływ zmian rezystancji na napięcie, prąd, moc,

−

obsługiwać woltomierz, amperomierz prądu stałego oraz omomierz,

−

obsługiwać miernik uniwersalny,

−

dobierać metodę pomiaru,

−

dobierać przyrządy pomiarowe do pomiarów w układach prądu stałego,

−

rysować proste układy pomiarowe

−

planować pomiary w obwodach prądu stałego,

−

organizować stanowisko pomiarowe,

−

łączyć układy prądu stałego zgodnie ze schematem,

−

realizować pomiary podstawowych wielkości elektrycznych w układach prądu stałego,

−

analizować i interpretować wyniki pomiarów w układach prądu stałego oraz wyciągać
wnioski praktyczne,

−

przedstawiać wyniki w formie tabeli i wykresu,

−

oceniać dokładność pomiarów,

−

demonstrować efekty wykonywanych pomiarów,

−

przewidywać zagrożenia dla życia i zdrowia w czasie realizacji ćwiczeń,

−

udzielać pierwszej pomocy w przypadkach porażenia prądem elektrycznym,

−

stosować procedurę postępowania w sytuacji zagrożenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku procesu kształcenia, uczeń powinien umieć:

−

rozpoznać na podstawie symbolu graficznego i wyglądu podstawowe elementy
elektroniczne,

−

spolaryzować elementy półprzewodnikowe celem 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,

−

zanalizować działanie prostych układów analogowych na podstawie schematów
ideowych,

−

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

−

zanalizować działanie układów analogowych na podstawie schematów blokowych,

−

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

−

wykonać pomiary podstawowych parametrów elementów i układów w układach
analogowych

−

wykonać regulację w układzie elektronicznym,

−

obliczyć i szacować podstawowe wielkości elektryczne w układach elektronicznych,

−

zanalizować i interpretować wyniki pomiarów w analogowych układach elektronicznych
oraz wyciągać wnioski praktyczne,

−

skorzystać z katalogów układów elektronicznych,

−

zlokalizować proste usterki w układach analogowych,

−

przewidzieć zagrożenia dla życia i zdrowia w czasie realizacji ćwiczeń,

−

zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Diody półprzewodnikowe

4.1.1. Materiał nauczania

Diody prostownicze

Diody są to elementy o nieliniowej i niesymetrycznej charakterystyce. U podstaw

działania diod leżą zjawiska, jakie zachodzą w złączu pn. Zjawiska te wyjaśnia fizyka ciała
stałego

Rys. 1. Symbol diody.

Parametry charakteryzujące diody prostownicze:

−

napięcie przewodzenia – przy określonym prądzie przewodzenia,

−

prąd wsteczny – I

, przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,

−

– wsteczne napięcie pracy równe 0,8 wartości napięcia, przy którym następuje

przebicie.
Dopuszczalne (graniczne) parametry: U

−

maksymalny prąd przewodzenia – I

−

szczytowe napięcie wsteczne – U

RWM

−

rezystancja diody idealnej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia jest równa 0,

−

rezystancja diody idealnej spolaryzowanej w kierunku zaporowym nieskończenie duża.
Diody posiadają właściwość jednokierunkowego przewodzenia prądu. Stosowane są

w zasilaczach  jako  prostowniki  prądu  zmiennego.  Diody  mają  dwie  końcówki:  anodę
i katodę,  która  oznaczona  jest  na  obudowie  kreską  lub  kropką.  Przepływ  prądu  przez  diodę
(od  anody  do  katody)  następuje  wtedy,  gdy  napięcie  na  anodzie  jest  wyższe  od  napięcia  na
katodzie  o  pewną  wartość  zwaną  napięciem  przewodzenia.  Napięcie  to zależy od  materiału,
z którego wykonana jest dioda; dla krzemu wynosi ono ok. 0,7V, dla germanu 0,3V.

Charakterystyka diody

+I (mA)

Kierunek
przewodzenia

-I (µA)

Obszar
przebicia

Kierunek
zaporowy

Rys. 2.

Charakterystyka diody półprzewodnikowe [6].

Diody stabilizacyjne (BZAP30, BZP650) – Zenera.

Są to diody przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięć. Diody stabilizacyjne

pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzują się niewielkimi zmianami

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

napięcia  pod  wpływem  dużych  zmian  prądu.  W  kierunku  przewodzenia  zachowują  się  jak
normalne  diody,  natomiast  przy  polaryzacji  zaporowej  mogą  przewodzić  prąd  po
przekroczeniu  określonego  napięcia  na  złączu,  zwanego  napięciem  przebicia.  Przy
niewielkich  napięciach  (do  ok.  6V  podstawową  rolę  odgrywa  zjawisko  Zenera,  powyżej  –
przebicie lawinowe. Parametry charakteryzujące diody stabilizacyjne:

−

napięcie stabilizacji – U

−

prąd stabilizacji – I

Ż,

−

napięcie przewodzenia – U

, przy określonym prądzie przewodzenia,

−

prąd wsteczny diody – I

, przy określonym napięciu wstecznym,

−

rezystancja dynamiczna – r

, której wartość zmienia się w zależności od napięcia

stabilizacji.

Rezystancja dynamiczna zależy od wartości napięcia stabilizacji i prądu stabilizacji. Wynosi
ona od kilku do kilkudziesięciu omów. Minimalną rezystancję dynamiczną mają diody
o napięciu stabilizacji U

= 6

8 V.

Diody Zenera pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym. Jeżeli napięcie wsteczne
osiągnie wartość napięcia przebicia, to już mały wzrost napięcia powoduje znaczny wzrost
prądu. Obszarem roboczym diod Zenera jest obszar przebicia. Diody Zenera produkowane są
o różnych napięciach Zenera od 2,7 V do 200 V.
Każda dioda Zenera musi być połączona z szeregowym rezystorem ograniczającym prąd.

Właściwości diody dla prądu stałego charakteryzuje rezystancja statyczna R

, a dla

sygnałów zmiennych rezystancja dynamiczna r

Rys. 3.

Charakterystyka diody Zenera [6]

Diody pojemnościowe (warikapy B104, BB104, waraktory BXDP74B)

Diody pojemnościowe to diody półprzewodnikowe w których wykorzystuje się zjawisko

zmian pojemności warstwy zaporowej złącza p-n pod wpływem doprowadzonego z zewnątrz
napięcia. Diodę polaryzuje się w kierunku wstecznym. Pojemność diody zależy od grubości
warstwy zaporowej. Gdy wartość napięcia polaryzującego diodę w kierunku wstecznym
wzrasta wówczas pojemność diody maleje.

Zakres zmian pojemności diody określa się z jednej strony jako pojemność minimalną

wyznaczoną przy napięciu bliskim napięciu przebicia, z drugiej strony pojemność
maksymalną wyznaczoną przy napięciu bliskim zero. Dla typowych diod pojemność zmienia
się od kilkunastu do ponad stu pF.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Warikapy stosuje się do przestrajania obwodów rezonansowych, natomiast waraktory
w układach parametrycznych tj. takich, w których zmienia się w czasie jeden parametr.

Rys. 4

Charakterystyka diody pojemnościowej [6].

4.1.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak spolaryzować diodę w kierunku zaporowym?
2.  Jakie własności posiada dioda spolaryzowana w kierunku przewodzenia?
3.  Jakie są parametry diody przy różnej polaryzacji?
4.  Jakie znasz zastosowanie diod różnych typów?
5.  Jakiego  typu  diody  pracują  przy  polaryzacji  zaporowej,  a  jakiego typu  przy  polaryzacji

w kierunku przewodzenia?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Przeprowadź badanie diod półprzewodnikowych i diody Zenera w układzie

przedstawionym na rys. 5, 6 i 7 oraz zapisz wyniki pomiarów w tabeli 1, 2, 3.

R 1

D1 1N4006

ZASILACZ
DC

Rys. 5.

Układ do zdejmowania charakterystyki diod w kierunku przewodzenia I = f ( U)

Tabela 1. Charakterystyka diody krzemowej w kierunku przewodzenia.

[mA]

0,1

0,5

1,0

5,0

10,0

20.0

40,0

[V]

Tabela

2. Charakterystyka diody krzemowej w kierunku zaporowym.

[V]

-0,5

-1,0

-2,0

-6,0

-10,0 -15,0 -20,0

[µA]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZASILACZ

Rys. 6.

Układ do zdejmowania charakterystyki diod w kierunku zaporowym I = f ( U).

R 1

Z1 1N4000

ZASILACZ
DC

Rys. 7.

Układ do zdejmowania charakterystyki diody Zenera w kierunku zaporowym I = f ( U).

Tabela

3. Charakterystyka diody Zenera w kierunku zaporowym.

[mA]

0,1

0,5

1,0

3,0

5,0

10,0

20,0

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin diod określając ich typ, oznaczenie, wyprowadzenia,
2) zdjąć charakterystyki diody prostowniczej i diody Zenera w kierunku przewodzenia

i zaporowym wpisując wyniki do odpowiedniej tabeli,

3)  zgromadzić przyrządy pomiarowe oraz aparaturę wykazaną na schemacie,
4)  dobrać elementy zabezpieczające,
5)  dobrać parametry badanych elementów z katalogu,
6)  połączyć układ pomiarowy według właściwego schematu,
7)  dobrać zakresy pomiarowe przyrządów,
8)  po wykonaniu połączenia pokazać nauczycielowi do sprawdzenia,
9)  wykonać pomiary parametrów wykazanych w odpowiednich tabelach,
10)  wykreślić na podstawie otrzymanych wyników charakterystyki badanych elementów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia, zeszyt, przybory do pisania, kalkulator,

−

elementy badane,

−

zasilacz stabilizowany,

−

przyrządy pomiarowe: mierniki uniwersalne,

−

przewody laboratoryjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 9.

Prostownik jednopołówkowy z filtrem pojemnościowym: a) schemat,

b) przebiegi czasowe napięcia i prądu [5].

Jeżeli na wyjściu prostownika zostanie załączony kondensator, to będzie on impulsowo

ładowany przez prostownik i rozładowywany przez odbiornik. Kondensator załączony na
wyjściu prostownika zwiększa wartość i wygładza tętnienia napięcia wyprostowanego. Miarą
zbliżenia przebiegu wyjściowego prostownika do wartości stałej jest współczynnik tętnień k

Jest on określany jako iloraz:

W celu zmniejszenia składowej zmiennej w większości układów rzeczywistych stosuje się
filtrowanie napięcia wyjściowego poprzez dołączenie kondensatora równolegle do obciążenia.
Kondensator ładuje się przez diodę do napięcia równego amplitudzie U

napięcia

przemiennego, po czym rozładowuje się przez obciążenie, aż do chwili, gdy dioda zacznie
znowu przewodzić, tj. gdy napięcie na jej anodzie osiągnie wartość większą niż na katodzie,
czyli także na kondensatorze.

Rys. 10.

Prostownik mostkowy (dwupołówkowy) a) schemat elektryczny prostownika, b) przebiegi czasowe

napięcia i prądu przed prostownikiem, c) przebiegi czasowe napięcia i prądu za prostownikiem [7].

4.2.2. Pytania sprawdzające

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

1. Co nazywamy prostownikiem?

2.  Jakie są charakterystyki na wejściu i wyjściu prostownika jednopołówkowego?
3.  Co to jest współczynnik tętnień?
4.  Jakie znasz podstawowe układy prostownicze?
5.  Jakie znasz zastosowanie układów prostowniczych jedno- i dwupołówkowych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie obwodu prostownika jednopołówkowego.

16 V AC

230 V

C 1

R 1

Ch1

Ch2

OSC1

Rys. 11. Schemat układu pomiarowego dla prostownika jednopołówkowego.

Tabela 6. Tabela wyników pomiarów prostownika jednopołówkowego.

Pozycja

potencjometru

[mA]

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) w układzie pomiarowym prostownika jednopołówkowego (rys. 11) zmieniać prąd

obciążenia I

ustawiając potencjometr P,

2) na przyrządach pomiarowych odczytywać odpowiednie wartości a wyniki wpisywać

w tabeli,

3) pomiary wykonać dla wartości kondensatora: C = 0

F; C = 47

F; C = 100

F; C = 470

4) podczas wszystkich pomiarów obserwować przebiegi oscyloskopowe,
5) na polecenie prowadzącego należy przerysować wykresy z oscyloskopu zachowując

wszystkie parametry ustawione na oscyloskopie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

elementy badane,

−

oscyloskop,

−

przyrządy pomiarowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Wykonaj badanie obwodu prostownika dwupołówkowego (mostek Graetz’a).

230/16

Ch1

Ch2

OSC1

Rys. 12.

Schemat układu pomiarowego dla prostownika dwupołówkowego.

Tabela 7. Tabela wyników pomiarów prostownika dwupołówkowego.

Pozycja

potencjometru

[mA]

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) w układzie pomiarowym prostownika dwupołówkowego (rys. 12) zmieniać prąd

obciążenia I

ustawiając potencjometr P,

2)  na przyrządach pomiarowych odczytywać odpowiednie wartości,
3)  wyniki wpisywać w tabeli,
4)  pomiary  wykonać  dla  wartości  kondensatora:  C  =  0

F; C = 47

F; C = 100

C = 470

5) wyniki pomiarów zapisać w tabeli 7,
6) obliczenia k

wykonać wg wzoru:

z otrzymanych wyników wykreślić rodziny charakterystyk U

= f(I

), k

= f(I

) dla

różnych  wartości  kondensatora  C,  oddzielnie  dla  prostownika  jednopołówkowego  i  dla
prostownika  dwupołówkowego.  Podczas  wszystkich  pomiarów  obserwować  przebiegi
oscyloskopowe.  Na  polecenie  prowadzącego  należy  przerysować  wykresy  z  oscyloskopu
zachowując wszystkie parametry ustawione na oscyloskopie.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

elementy badane,

−

przyrządy pomiarowe: mierniki uniwersalne, oscyloskop,

−

oscyloskop,

−

przewody laboratoryjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Tranzystor bipolarny

4.3.1. Materiał nauczania

Tranzystor – trójkońcówkowy półprzewodnikowy element elektroniczny, posiadający

zdolność wzmacniania sygnału elektrycznego.

Tranzystor bipolarny – tranzystor, który zbudowany jest z trzech warstw

półprzewodników o różnym rodzaju przewodnictwa, tworzących dwa złącza pn; sposób
polaryzacji złącza determinuje stan pracy tranzystora. Jeżeli złącza BC i BE są spolaryzowane
zaporowo, to tranzystor jest zatkany. Tranzystor przewodzi, jeżeli złącze BE jest
spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze BC zaporowo.

Rys. 13.

Rodzaje tranzystorów [7].

Tranzystor posiada trzy końcówki przyłączone do warstw półprzewodnika, nazywane:

−

emiter (ozn. E),

−

baza (ozn. B),

−

kolektor (ozn. C).

Ze względu na kolejność warstw półprzewodnika rozróżnia się dwa typy tranzystorów:

pnp oraz npn.

Tranzystory

są

elementami

półprzewodnikowymi

umożliwiającymi

sterowanie

przepływem dużego prądu, za pomocą prądu znacznie mniejszego. Wykorzystuje się je do
wzmacniania małych sygnałów oraz przetwarzania informacji w postaci cyfrowej.

Tranzystory, tak zresztą jak inne elementy elektroniczne, mają charakterystyczne dla

siebie parametry graniczne, tzn. takie których przekroczenie grozi uszkodzeniem tranzystora.
Są to:

EBOmax

– dopuszczalne napięcie wsteczne baza-emiter,

CBOmax

– dopuszczalne napięcie wsteczne kolektor-baza,

CEOmax

– maksymalne dopuszczalne napięcie kolektor-emiter,

c max

– maksymalny prąd kolektora,

B max

– maksymalny prąd bazy,

st max

– maksymalna dopuszczalna moc strat.

Parametry takie jak I

cmax

, U

CEOmax

, P

strmax

wyznaczają dopuszczalny obszar pracy, który

nosi również nazwę "dozwolonego obszaru pracy aktywnej" w skrócie SOA (Safe Operating
Area).
Podstawowe parametry tranzystora:
1) moc admisyjna P

– jest to maksymalna moc, która może wydzielić się w tranzystorze

= U

* I

2) maksymalny prąd kolektora I

Cmax

– jest to wartość prądu, powyżej której maleje

współczynnik wzmocnienia prądowego,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3) prąd zerowy kolektora I

CE0

dla układu OE płynie przez tranzystor przy polaryzacji

zaporowej złącza BC,

4) maksymalne napięcie kolektora U

CEmax

– przekroczenie powoduje przebicie złącza

5) współczynnik wzmocnienia prądowego β = I

Na poniższym wykresie charakterystyki wyjściowej tranzystora pokazano dozwolony

obszar pracy:

Rys. 14.

Dozwolony obszar pracy tranzystora [7].

Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być w stanie aktywnym,

a w układach cyfrowych – w stanach zatkania lub nasycenia.

Podstawowe charakterystyki

Tranzystor pracujący w dowolnym układzie pracy charakteryzują prądy przez niego

płynące  i  napięcia  na  jego  zaciskach.  W  związku  z  tym  można  określić  cztery  rodziny
statycznych  charakterystyk  prądowo-napięciowych,  które  przedstawione  zostały  na
poniższych rysunkach:

Rys. 15

Rodzina charakterystyk tranzystora [7].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Charakterystyka wyjściowa tranzystora, przedstawia zależność prądu kolektora I

napięcia kolektor-emiter U

przy doprowadzonym napięciu wejściowym baza-emiter U

i stałym prądzie bazy I

. Z charakterystyki tej można stwierdzić iż powyżej pewnego napięcia

prąd kolektora prawie nie zależy od napięcia U

, oraz że do wywołania dużej zmiany prądu

kolektora I

wystarczy mała zmiana napięcia baza-emiter U

Charakterystyka przejściowa przedstawia prąd kolektora I

jako funkcję napięcia

baza-emiter U

, oraz I

= const. Charakterystyka ta ma charakter wykładniczy.

Charakterystyka wejściowa opisuje zależność prądu bazy I

od napięcia baza-emiter U

przy stałym napięciu kolektor-emiter U

. Charakterystyka ta, podobnie jak i następna jest

wykorzystywana rzadziej od dwóch wcześniejszych.

Charakterystyka zwrotna przedstawia zależność prądu kolektora I

od prądu bazy I

, przy

=const Widać na niej, że prąd kolektora jest w pewnym stopniu proporcjonalny do prądu

bazy.

Rys. 16. Rodzina charakterystyk [5].

4.3.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak są oznaczone końcówki tranzystora bipolarnego?
2.  Jakie znasz rodzaje tranzystorów ?
3.  Jakie są podstawowe parametry tranzystora?
4.  Jaką rolę spełnia tranzystor w układzie elektronicznym?
5.  Jakie są parametry graniczne tranzystora?
6.  Jak powinien być spolaryzowany tranzystor?
7.  Jaki jest przebieg charakterystyk tranzystora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie tranzystorów bipolarnych i wyznacz ich podstawowe charakterystyki.

T1 BDX35

ZASILACZ
DC 1

ZASILACZ
DC 2

Ube

Uce

Rys. 17.

Układ pomiarowy do badania charakterystyki wejściowej tranzystora.

Tabela 9.

Pomiar charakterystyki wejściowej I

= f (U

), gdy U

= …V=const.

100

200

500 1000

T1 !NPN

Uce

ZASILACZ
DC1

ZASILACZ
DC 2

Rys. 18.

Układ pomiarowy do badania charakterystyki wyjściowej i przejściowej tranzystora.

Tabela 10.

Pomiar charakterystyki wyjściowej I

= f (U

), gdy I

=…V = const.

[mA]

[V]

0,1

0,2

0,3

0,5

1,0

10,0

[mA]

Tabela 11.

Pomiar charakterystyki przejściowej I

= f (I

), gdy U

=…V = const.

[V]

[mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zaznajomić się z danymi katalogowymi badanego tranzystora, dane zanotować

w zeszycie,

2) zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela,
3) w układzie jak na rys.17 wyznaczyć charakterystykę wejściową I

= f (U

gdy U

const. Na zasilaczu DC 2 ustawić stałą wartość napięcia U

CE,

zmieniając napięcie na

zasilaczu DC 1 odczytać wartość prądu I

oraz napięcia U

– zakres pomiarowy V

= 2

V, V

= 20 V, A

= 2 A, wyniki pomiarów wpisać do tabeli 9,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) w układzie jak na rys.18 wyznaczyć charakterystykę wyjściową I

= f (U

gdy I

const., na zasilaczu DC 1 ustawić stałą wartość prądu I

zmieniając napięcie na zasilaczu

DC 2 odczytać wartość prądu U

oraz prąd I

wyniki pomiarów zapisać w tabeli 10 -

zakres pomiarowy V

= 20 V, A

= 200m A, A

= 2 A,

5) w układzie jak na rys.18 wyznaczyć charakterystykę przejściową I

= f (I

), gdy U

=…V , na zasilaczu DC 2 ustawić stałą wartość napięcia U

= 10 V, zmieniając za

pomocą zasilacza DC 1 prąd I

odczytywać prąd I

wyniki pomiarów zapisać w tabeli 11

– zakres pomiarowy V

= 20 V, A

= 200m A, A

= 2 A.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

tranzystor badany,

−

zasilacz DC1, DC2,

−

przyrządy pomiarowe: mierniki uniwersalne (amperomierz – 2 szt., woltomierz ),

−

przewody laboratoryjne,

−

katalog podzespołów elektronicznych.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie



1)  wybrać z katalogu parametry badanego tranzystora?
2)  dobrać zakresy przyrządów pomiarowych?
3)  określić zakres zmian mierzonych parametrów?
4)  w oparciu o uzyskane dane pomiarowe narysować charakterystyki?
5)   podać rząd wielkości oczekiwanych wyników pomiaru?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Tranzystor polowy

4.4.1. Materiał nauczania

Tranzystory polowe w skrócie FET są również nazywane unipolarnymi

Tranzystor

polowy posiada trzy elektrody: źródło (S), bramkę (G) i dren (D).

Tranzystory polowe dzieli się na dwie grupy:

−

złączowe JFET

−

z izolowaną bramką MOSFET

Rys. 19.

Symbol

tranzystora polowego i bipolarnego [6].

Tranzystor z izolowaną bramką często ma również czwartą elektrodę zwaną podłożem

(B).  Tranzystory  te  wykonuje  się  głownie  w  układach  scalonych,  natomiast  jako  elementy
dyskretne rzadziej  i  są to głównie tranzystory mocy, np. pracujące  jako szybkie przełączniki
w  zasilaczach  impulsowych.  Zastosowania:  bramki  logiczne  w  technologiach  MOS,
wzmacniacze  w  różnych  konfiguracjach  (WD,  WS,  WG),  generatory,  stopnie  wejściowe
wzmacniaczy operacyjnych, wzmacniacze różnicowe, pamięci komputerowe.

Tranzystory unipolarne opisuje się, za pomocą następujących parametrów:

−

napięcie odcięcia bramka-źródło U

GS(OFF)

, czyli napięcie jakie należy doprowadzić do

bramki, aby przy ustalonym napięciu U

nie płynął prąd drenu,

−

napięcie progowe U

napięcie jakie należy doprowadzić, aby przez tranzystor popłynął

prąd,

−

prąd nasycenia I

DSS

prąd drenu płynący przy napięciu U

=0 i określonym napięciu U

−

prąd wyłączenia I

D(OFF

– prąd drenu płynący przy spolaryzowaniu bramki napięciem

| > |U

GS(OFF)

| ,

−

rezystancja statyczna włączenia R

DS(ON)

– rezystancja między drenem a źródłem

tranzystora pracującego w zakresie liniowym charakterystyki I

= f(U

) przy U

=0,

−

rezystancja statyczna wyłączenia R

DS(OFF)

– rezystancja między drenem a źródłem

tranzystora znajdującego się w stanie odcięcia,

−

dopuszczalny prąd drenu I

Dmax,

−

dopuszczalny prąd bramki I

Gmax,

Podstawowe charakterystyki:

−

przejściowa – zależność prądu drenu (I

) od napięcia bramka-źródło (U

) przy stałym

na pięciu dren-źródło (U

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 20. Charakterystyka przejściowa ta dla różnych typów tranzystorów [6].

−

charakterystyka wyjściowa – zależność prądu drenu (I

) od napięcia dren-źródło (U

przy stałym napięciu bramka-źródło (U

). Cały obszar charakterystyki wyjściowej

można podzielić na dwie części: obszar nasycenia i obszar nienasycenia (liniowy).

Rys.

21. Charakterystyka wyjściowa [6].

W zakresie liniowym (nienasycenia) tranzystor unipolarny zachowuje się jak rezystor

półprzewodnikowy. Prąd I

ze wzrostem napięcia U

wzrasta w przybliżeniu liniowo.

W zakresie nasycenia napięcie U

bardzo nieznacznie wpływa na wartość prądu drenu,

natomiast bramka zachowuje właściwości sterujące.

4.4.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jaki jest symbol tranzystora polowego i jak oznacza się jego elektrody?
2.  Jakie są parametry tranzystora polowego?
3.  Jakie są podstawowe układy  pracy tranzystora polowego?
4.  Jak przebiegają charakterystyki tranzystora polowego?
5.  Jaki zakres charakterystyki tranzystora wykorzystuje się wstanie aktywnym?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie tranzystora polowego w układzie pomiarowym przedstawionym na

rys. 22.

Ugs

T BF256C

Uds

P 1

ZASILACZ +
DC1 -

- ZASILACZ
+ DC 2

Rys. 22.

Układ do pomiaru charakterystyk statycznych tranzystora polowego typu JFET.

Tabela 12. Charakterystyka przejściowa tranzystora I

= f(U

) przy U

=const.

[V] U

[V]

0,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

-2,3

-2,6

-3,0

1,0

[mA]

2,0

[mA]

4,0

[mA]

8,0

[mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zaznajomić się z danymi katalogowymi badanego tranzystora, dane zanotować

w zeszycie,

2)  wyznaczyć charakterystyki,
3)  zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela,
4)  w  układzie  z  rys.22  wyznaczyć  rodzinę  charakterystyk  przejściowych  I

= f ( U

, za

pomocą zasilacza DC1 ustawić stałą wartość napięcia U

DS,

zmieniając za pomocą

potencjometru P napięcie zasilacza DC2 odczytać wartość prądu I

i napięcie U

GS -

zakresy pomiarowe: V

i V

= 20 V, amperomierza A = 20 mA, wyniki pomiaru zapisać

w tabeli 12.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

tranzystor polowy,

−

zasilacz DC1, DC2,

−

zakresy pomiarowe: V

i V

= 20 V, amperomierza A = 20 mA,

−

przyrządy pomiarowe, rezystor suwakowy, przewody laboratoryjne

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Elementy optoelektroniczne

4.5.1. Materiał nauczania

Elementy  optoelektroniczne  –  są  to  elementy,  których  podstawą  działania  jest  zjawisko
przetwarzania  energii  promieniowania  optycznego  w  energię  elektryczną.  Ze  względu  na
kierunek  przemiany  energetycznej  elementy  optoelektroniczne  dzieli  się  na  fotodetektory,
czyli odbiorniki promieniowania i fotoemitery, czyli źródła promieniowania.

Fotorezystor

Jest elementem światłoczułym. Jego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego

promieniowania i nie zależy od kierunku przyłożonego napięcia, podobnie jak rezystancja
zwykłego rezystora.
Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejsza się
rezystancja fotorezystora).

Parametry fotorezystora:

−

czułość widmowa – zależność rezystancji od natężenia oświetlenia. Na wartość czułości
wpływa rodzaj materiału i sposób jego domieszkowania,

−

rezystancja fotorezystora.

Ze względu na dużą czułość i prosty układ pomiarowy, fotorezystory wykorzystuje się do:

−

pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych,

−

wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych,

−

detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków,

−

badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów,

−

celów wojskowych.

Diody elektroluminescencyjne.

Zwane są także diodami świecącymi LED (z ang. Light Emiting Diode), emitują

promieniowanie w zakresie widzialnym  i podczerwonym. Intensywność świecenia zależy od
wartości  doprowadzonego  prądu,  przy  czym  zależność  ta  jest  liniowa  w  dużym  zakresie
zmian prądu.Dioda  pracuje  prawidłowo  przy  polaryzacji  złącza  w  kierunku  przewodzenia.
Zasada działania diod elektroluminescencyjnych jest oparta na zjawisku elektroluminescencji.

Zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu

światła pod wpływem pola elektrycznego.

Parametry elektryczne diody elektroluminescencyjnej są takie same jak innych diod

czyli: prąd przewodzenia, napięcie przewodzenia, napięcie wsteczne oraz moc strat, która
wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset mW, a jej wartość zależy od temperatury złącza

Stosuje się je jako:

−

sygnalizatory włączenia lub sygnalizatory określonego stanu pracy urządzeń
elektrycznych, takich jak sprzęt radiowo – telewizyjny i aparatura pomiarowa,

−

wskaźniki w windach i telefonach,

−

elementy podświetlające przełączniki i skale,

−

wskaźniki poziomu cieczy, np. paliwa, oleju, wody w samochodzie itp

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Fotodioda

Jest zbudowana podobnie jak dioda krzemowa. Różnica jest w obudowie, gdyż znajduje

się tam soczewka płaska lub wypukła, umożliwiająca oświetlenie jednego z obszarów złącza.
Fotodiody wykonuje się z krzemu lub arsenku galu.

Fotodiodę można traktować jako źródło prądu o wydajności zależnej od natężenia

oświetlenia.

Fotodiodę polaryzuje się zaporowo zewnętrznym źródłem napięcia. Pod wpływem

oświetlenia  przez  fotodiodę  płynie  prąd  wsteczny,  który  zwiększa  się  ze  wzrostem
oświetlenia.  Przy  braku  oświetlenia  przez  fotodiodę  płynie  niewielki  tzw.  ciemny  prąd
wsteczny  I0  wywołany  generacją  termiczną  nośników.  Prąd  ten  narasta  liniowo  wraz  ze
wzrostem wartości napięcia wstecznego.

Parametry fotodiody

−

maksymalne napięcie wsteczne U

Rmax

= 10 – 500V,

−

maksymalny prąd ciemny I

R0max

= 1 – 100nA,

−

czułość na moc promieniowania S

= 0,3 – 1A/W,

−

czułość na natężenie oświetlenia S

= 10 – 100nA/lx.

Rys. 23.

Charakterystyka fotodiody [5].

Istotną zaletą fotodiody jest duża częstotliwość pracy. Może ona przetwarzać sygnały

świetlne o częstotliwości do kilkudziesięciu MHz. Natomiast wadą jest silna zależność prądu
fotodiody od temperatury.

Fototranzystor

Element półprzewodnikowy z dwoma złączami p-n. Działa tak samo jak tranzystor z tą

różnicą,  że  prąd  kolektora  nie  zależy  od  prądu  bazy,  lecz  od  natężenia  promieniowania
oświetlającego  obszar  bazy.  Oświetlenie  wpływa  na  rezystancję  obszaru  emiter-baza.
Wykorzystuje się tu zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, tj. zjawisko fotoprzewodnictwa.
Fotoprzewodnictwo  polega  na  zwiększaniu  przewodnictwa  elektrycznego  pod  wpływem
energii promieniowania.

Fototranzystor jest detektorem o czułości wielokrotnie większej niż czułość fotodiody,

ponieważ prąd wytworzony pod wpływem promieniowania ulega dodatkowemu
wzmocnieniu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 24.

Fototranzystor: a) charakterystyka prądowo-napięciowa [6].

Fototyrystor

Fototyrystorem nazywamy tyrystor umieszczony w specjalnej obudowie, umożliwiającej

oddziaływanie promieniowania świetlnego na jego przełączanie ze stanu blokowania do
przewodzenia.

Im większe jest napięcie anoda – katoda fototyrystora, tym moc promieniowania

potrzebna do przełączenia jest mniejsza. Istotną cechą fototyrystora jest to, że po przełączeniu
stan przewodzenia, utrzymuje się w nim nawet po zaniku impulsu świetlnego.

Wykonywane są głównie z krzemu i wykorzystywane jako np. fotoelektryczne

przekaźniki.

Transoptor

Fotoodbiorniki możemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu przesłania

sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego
układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów. Tak powstały przyrząd
nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w różnych obudowach) lub łączem
optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie).

Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składającym się

z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we
wspólnej obudowie.

Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne z wejścia na wyjście bez połączeń

galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego.

W transoptorze rolę fotoemitera w obwodzie wejściowym spełnia zwykle dioda

elektroluminescencyjna z arsenku galu. Na wyjściu transoptora może znajdować się fotodioda
lub fototranzystor.

Rys. 25.

Schemat transoptora [5].

Parametry transoptora charakteryzują właściwości jego elementów składowych, tzn.

diody elektroluminescencyjnej i fotodetektora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 26 Charakterystyka transoptora [5].

Transoptory stosuje się:

−

do galwanicznego rozdzielania obwodów, np. w technice wysokich napięć,

−

w technice pomiarowej i automatyce,

−

w sprzęcie komputerowym,

−

w sprzęcie telekomunikacyjnym.
Spełniają one również rolę potencjometrów bezstykowych oraz przekaźników

optoelektronicznych, wykorzystywanych do budowy klawiatury kalkulatorów i komputerów.

W układach sygnalizacyjnych i zabezpieczających są stosowane jako:

−

wyłączniki krańcowe,

−

czujniki otworów,

−

czujniki położenia,

−

wskaźniki poziomu cieczy.

4.5.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz rodzaje elementów optoelektronicznych?
2.  Jakie parametry charakteryzują fotorezystor ?
3.  Jak należy spolaryzować diodę elektroluminescencyjną ?
4.  Jak polaryzuje się fotodiodę?
5.  Jak wykonany jest fototranzystor?
6.  Czy potrafisz omówić działanie fotorezystora?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie elementów optoelektronicznych.

U1 4N33

R 1

ZASILACZ +
DC -

Uin

I in

Rys. 27.

Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyki wejściowej transoptora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 15. Charakterystyka wejściowa transoptora.

[mA]

0,1

0,3

0,5

1,0

5,0

10,0

15,0

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin transoptora określając jego oznaczenie, rodzaj fotoemitera

i fotodetektora, wyprowadzenia, typ obudowy,

2) zapoznać się z danymi katalogowymi badanego transoptora,
3) zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela,

4) w układzie z rys. 27 wyznaczyć charakterystykę wejściową I

= f (U

), za pomocą

zasilacza DC1 zmieniać napięcie U

odczytując wartość napięcia U

oraz prądu, zakresy

pomiarowe: V

= 2 V, amperomierza A = 20 mA, wyniki pomiaru zapisać w tabeli 15.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

przyrządy pomiarowe: zakresy pomiarowe: V

= 2 V, amperomierza A = 20 mA,

−

zasilacz,

−

przewody laboratoryjne.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę wejściową I

= f ( U

) transoptora.

U1 4N33

R 1

VM1

ZASILACZ +
DC -

I in

+ ZASILACZ
- DC 2

U out

I out

U 2

U 1

Rys. 28.

Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyki wejściowej transoptora [5].

Tabela 16. Charakterystyka wyjściowa transoptora.

[mA] U

out

[V]

0,1

0,3

0,5

1,0

5,0

10,0

15,0

out

[mA]

out

[mA]

out

[mA]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin transoptora określając jego oznaczenie, rodzaj fotoemitera

i fotodetektora, wyprowadzenia, typ obudowy,

2) zapoznać się z danymi katalogowymi badanego transoptora,
3) zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4) w układzie z rys. 28 wyznaczyć charakterystykę wejściową transoptora I

out

= f (U

out

5) za pomocą zasilacza DC1 ustawić stałą wartość prądu Iin według tabeli 16, za pomocą

DC 2 zmieniać wartość napięcia wyjściowego Uout odczytując wartość prądu Iout,
wyniki pomiaru zapisać w tabeli 16, zakresy pomiarowe mierników: V 2 = 20 V,
amperomierze A1 i A2 =20 mA.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

przyrządy pomiarowe,

−

zasilacz,

−

przewody laboratoryjne.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie charakterystyki diody elektroluminescencyjnej W układzie

przedstawionym na rys. 29.

LED1 CQX35A

TR1

R1 1k

R2 1k

Ch1

Ch2

OSC1

- X
- Y

Rys. 29.

Układ do badania charakterystyki diod elektroluminescencyjnych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś :

1)  dokonać oględzin diody określając jej oznaczenie, rodzaj, wyprowadzenia, typ obudowy,
2)  zapoznać się z danymi katalogowymi,
3)  zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela i określić wartość napięcia

przewodzenia badanej diody w zależności od koloru świecenia,

4) charakterystyki obserwowane na ekranie oscyloskopu zamieścić w sprawozdaniu.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

przyrządy pomiarowe,

−

zasilacz,

−

przewody laboratoryjne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6. Tyrystor

4.6.1. Materiał nauczania

Rys. 30.

Symbol tyrystora.

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie

p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw
skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw
skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej
– bramką (G, od ang. gate – bramka).

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie

względem  katody,  to  złącza  skrajne  typu  p-n  są  spolaryzowane  w  kierunku  przewodzenia,
a złącze  środkowe  n-p  w  kierunku  zaporowym.  Dopóki  do  bramki  nie  doprowadzi  się
napięcia,  dopóty  tyrystor  praktycznie  nie  przewodzi  prądu.  Doprowadzenie  do  bramki
dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości
zaporowe  środkowego  złącza  zanikają  w  ciągu  kilku  mikrosekund;  moment  ten  nazywany
bywa „zapłonem” tyrystora.

Rys. 31.

Budowa i schemat zastępczy tyrystora [6].

Parametry tyrystorów:

−

graniczne napięcie powtarzalne U

RRM

i graniczne napięcie niepowtarzalne U

RSM

w kierunku zaporowym,

−

graniczne napięcie powtarzalne U

DRM

i graniczne napięcie niepowtarzalne U

DSM

w kierunku blokowania. Napięcie pracy przyjmuje się nie większe niż 0,67 U

DRM

−

prąd graniczny obciążenia I

TAVM

, określany jako największa wartość średnia prądu

tyrytora o kształcie półfali sinusoidy o częstotliwości sieci energetycznej (50 lub 60 Hz)
w określonych warunkach chłodzenia,

−

właściwości sterowania określone przez charakterystyki napięciowo-prądowe bramki
U

=f (I

Zastosowanie tyrystorów

Tyrystory znalazły zastosowania w wielu dziedzinach. Jako sterowniki prądu stałego są

stosowane  w  stabilizatorach  napięcia  stałego  i  w  automatyce  silników  prądu  stałego.  Jako
sterowniki  prądu  przemiennego  –  w  automatyce  silników  indukcyjnych  i  w  technice
oświetleniowej.  Jako  łączniki  i  przerywacze  prądu  stałego  i  przemiennego  –  w  automatyce
napędu  elektrycznego,  układach  stabilizacji  napięcia  i  w  technice  zabezpieczeń.  Jako
przemienniki częstotliwości – w  automatyce silników indukcyjnych, technice ultradźwięków
oraz  jako  układy  impulsowe  –  w  generatorach  odchylenia  strumienia  elektronowego
w kineskopach telewizorów kolorowych, w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zalety

−

duża odporność na wstrząsy i narażenia środowiskowe i możliwość pracy w temp. 65°C
do +125°C

−

mały spadek napięcia na elemencie przewodzącym rzędu 0,6 – 1,6 V

−

krótki czas przejścia ze stanu zaporowego w stan przewodzenia i na odwrót

Rys. 32. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora [8].

Stan pracy wstecznej tyrystora przy ujemnym napięciu anoda - katoda przedstawia część

charakterystyki oznaczona 1, wyróżnia się tu:

−

– napięcie przebicia,

−

RSM

– niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

−

RRM

– powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne,

−

RRM

– powtarzalny szczytowy prąd wsteczny.

Stan blokowania tyrystora występuje w czasie jego nieprzewodzenia przy dodatnim

napięciu anoda – katoda, część charakterystyki oznaczona 2. Można tu wyróżnić parametry:

−

– napięcie przełączania,

−

DSM

– niepowtarzalne szczytowe napięcie blokowania,

−

DRM

– powtarzalne szczytowe napięcie blokowania,

−

DRM

– szczytowy powtarzalny prąd blokowania.

4.6.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakimi parametrami charakteryzuje się tyrystor?
2.  Co rozumiesz pod pojęciem „zapłon” tyrystora ?
3.  Jakie zakresy pracy wyróżniamy w tyrystorze?
4.  Co to jest stan blokowania tyrystora?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.6.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora.

VM1

U1 2N1595

ZASILACZ +
DC 1 -

+ ZASILACZ
- DC 2

P 1

I t

U t

P 2

I g

obwód
anodowy

obwód
bram kowy

Rys. 33. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyki głównej w zakresie blokowania.

Tabela 16. Charakterystyka główna tyrystora w zakresie blokowania.

[µA]

[V]

1,0

5,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Tabela 17. Charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w kierunku zaporowymi.

[µA]

[V]

1,0

5,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać

oględzin

tyrystora

określając

jego

oznaczenie,

rodzaj

obudowy

i wyprowadzenia, typ obudowy

2) zapoznać się z danymi katalogowymi badanego tyrystora
3) w układzie z rys.33 wyznaczyć charakterystykę blokowania tyrystora I

= f ( U

) przy I

= 0, zmieniając napięcie zasilacza DC 1 odczytać prąd I

oraz napięcie U

wyniki

pomiaru zapisać w tabeli 16

4)  pomiary wykonać przy zamkniętym przełączniku P1 i otwartym P2
5)  zakresy pomiarowe mierników : V 1 = 200 V, amperomierze A1 =20 µA
6)  w układzie

z rys. 33

wyznaczyć charakterystykę wsteczną tyrystora I

= f ( U

) przy I

0, zmienić polaryzację zasilacza DC1, wyniki pomiaru zapisać w tabeli 17.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

przyrządy pomiarowe,

−

zasilacz,

−

przewody laboratoryjne.

4.6.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić istotne dla badanego układu parametry katalogowe?



2) uzasadnić włączenie w obwodzie bramki µA?



3) dobrać zakresy pomiarowe stosowanych przyrządów pomiarowych?



4) na podstawie wykonanych pomiarów narysować charakterystyki?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7. Wzmacniacze

4.7.1. Materiał nauczania

Układ wzmacniający to taki układ, w którym sygnał wejściowy w postaci napięcia lub

natężenia prądu, kosztem doprowadzonej energii ze źródła zewnętrznego, na wyjściu
uzyskuje postać sygnału Uwy = KuUwe.

Parametry wzmacniaczy.

Do najważniejszych parametrów wzmacniaczy zaliczamy:

−

wzmocnienie: napięciowe, prądowe i mocy,

−

dolna i górna częstotliwość graniczna,

−

pasmo przenoszonych częstotliwości,

−

rezystancja wejściowa i wyjściowa,

−

zniekształcenia nieliniowe i liniowe
Podstawowym parametrem określającym właściwości wzmacniacza jest wzmocnienie (k)

określane jako stosunek wartości skutecznej sygnału wyjściowego do wartości skutecznej
sygnału wejściowego. Wyróżniamy 3 rodzaje wzmocnienia:

−

napięciowe: K

−

prądowe: K

−

mocy: K

Wzmocnienie napięciowe jest to stosunek napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego
układu, wyrażony w woltach na wolt [V/V]:

[V/V] = Uwy /Uwe

lub częściej w decybelach [dB]:

[dB] = 20 log K

[V/V]

Częstotliwości graniczne są to takie wartości częstotliwości sygnału wejściowego, dla których
wzmocnienie napięciowe wzmacniacza maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3dB
(czyli do poziomu 0,707 wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy maleje do połowy.

– Górna częstotliwość graniczna –
częstotliwość graniczna od strony
dużych wartości częstotliwości.

– Dolna częstotliwość graniczna –
częstotliwość graniczna od strony
małych wartości częstotliwości

Rys. 34.

Górna i dolna częstotliwość [5].

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pasmo przenoszenia – przedział częstotliwości między dolną i górną częstotliwością
graniczną.

B= f

- f

Sprzężenie zwrotne

Wzmacniacze ze sprzężeniem zwrotnym są to układy składające się z dwóch oddzielnych

bloków: układu podstawowego (wzmacniającego) i układu sprzężenia zwrotnego.
Zadaniem układu sprzężenia zwrotnego jest przekazywanie na wejście układu (jako całości)
części sygnału wyjściowego. Zmianie ulegają warunki sterowania wzmacniacza.
Sprzężenie zwrotne może powodować zwiększenie lub zmniejszenie sygnału (S

)

doprowadzonego do układu podstawowego w stosunku do sygnału wejściowego (S

Ujemne sprzężenie zwrotne ma miejsce, gdy fazy sygnału wejściowego i sygnału sprzężenia
zwrotnego są przeciwne

Rys. 35. Ujemne sprzężenie zwrotne [7].

Dodatnie sprzężenie zwrotne – część sygnału z wyjścia jest dodawana do sygnału

wejściowego. Fazy obu sygnałów są w tej samej fazie.

Rys. 36 Dodatnie sprzężenie zwrotne [7].

Stosowane są różne rodzaje sprzężeń zwrotnych: napięciowe i prądowe, które dalej

ulegają podziałowi na szeregowe i równoległe. Rodzaje sprzężeń rozróżniamy po sposobie
wyprowadzenia z wyjścia i wprowadzenia na wejście wzmacniacza sygnału.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wzmacniacze w podstawowych układach pracy

Schemat jednostopniowego tranzystorowego wzmacniacza pasmowego w układzie

wspólnego emitera przedstawiono na poniższym rysunku (Rys. 35).

Rys. 37.

Schemat badanego układu wzmacniacza [7].

−

Rezystancja Rg reprezentuje oporność wewnętrzną źródła sygnału wejściowego.

−

– rezystancja obciążenia układu.

−

Elementy R

i R

(dzielnik napięciowy) stanowią układ ustalający punkt pracy

tranzystora.

−

Rc – rezystor kolektorowy (wpływający między innymi na wzmocnienie napięciowe
i prądowe układu)

−

pojemności C

i C

sprzęgają badany układ ze źródłem sygnału sterującego (poprzedni

stopień)  oraz  obciążeniem,  separując  te  układy  stałoprądowo.  W  przypadku,  gdyby
sygnał  wejściowy  posiadał  niezerową  składową  stała,  wtedy  zostanie  ona  odfiltrowana
przez  kondensator,  który  po  naładowaniu  nie  będzie  przewodził  tejże  składowej,  więc
punkt pracy tranzystora nie ulegnie przesunięciu.

−

Kondensator Ce zwiera składową zmienną prądu emitera (wpływa na przebieg
charakterystyk częstotliwościowych w zakresie małych częstotliwości).

−

Re – rezystor emiterowy (wraz z dzielnikiem napięcia – układem R

i R

ustala punkt

pracy  tranzystora  we  wzmacniaczu).  Zmiany  napięcia  na  rezystorze  emiterowym  Re
powodują  zmianę  potencjału  emitera  i  powstanie  ujemnego  sprzężenia  zwrotnego  dla
prądu stałego.
Dodatkowo  rezystor  ten  stabilizuje  punkt  pracy  (napięcie  Uce  oraz  prąd  Ic)  pod

względem  termicznym.  Jeśli  temperatura  układu  rośnie  to  prąd  Ic  rośnie,  podobnie  jak
napięcie  Ue,  które  jest  od tego  prądu  zależne w  sposób  :  Ue=Re*Ic.  Ponieważ  Ub=Ube+Ue
oraz Ub=const, wiec jeśli Ue rośnie, Ube musi zmaleć.
Podstawowymi  parametrami  roboczymi  wzmacniacza  są  :  wzmocnienie  napięciowe  k

wzmocnienie prądowe k

, rezystancja wejściowa Rwe oraz rezystancja wyjściowa Rwy.

Definiuje się 3-decybelowe pasmo przenoszenia częstotliwości, w zakresie których amplituda
wzmocnienia spada o 3 dB od wartości ustalonej K

.Określa się też je jako częstotliwość

„spadku połowy mocy” (P=U

/R),

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 38. Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza [7].

Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora OC:

Rys. 39. Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnego kolektora OC [7].

Wzmacniacz z tranzystorem w konfiguracji wspólnego kolektora jest nazywany

wtórnikiem  emiterowym,  gdyż  wielkość  napięcia  wyjściowego  jest  prawie  taka  sama  jak
wielkość  napięcia  wejściowego.  Wzmocnienie  napięciowe  w  tym  układzie  jest  bliskie
jedności,  a  faza  napięcia  wyjściowego  jest  zgodna  z  fazą  napięcia  wejściowego.  Zatem
napięcie wyjściowe  „wtóruje”  napięciu wejściowemu. Punkt pracy tego wzmacniacza zależy
od  rezystancji  R1,  R2,  Re.  Cechy  układu  wzmacniacza  opartego  na  układzie  wspólnego
kolektora  (czyli  duża  rezystancja  wejściowa  Rwe  i  mała  rezystancja  wyjściowa  Rwy)
spowodowały,  że  wtórnik  emiterowy  służy  do  dopasowywania  poziomów  impedancji
pomiędzy stopniami wzmacniaczy.
Schemat wzmacniacza w konfiguracji wspólnej bazy WB:

Rys. 40.

Schemat wzmacniacza w układzie wspólnej bazy [7].

Układ ten jest bardzo rzadko stosowany w zakresie małych częstotliwości jako

samodzielny wzmacniacz. Najczęściej, podobnie jak układ WK, występuje w połączeniach
z innymi konfiguracjami w układzie wielotranzystorowym. Układ ten może dostarczyć
wzmocnienia napięciowego o wartościach porównywalnych ze wzmacniaczem w konfiguracji

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

WE.  Wzmocnienie  prądowe  w  tym  układzie  jest  <1.  Układ  wzmacniacza  w  konfiguracji
wspólnej  bazy  ma  dobre  właściwości  częstotliwościowe  (duża  częstotliwość  graniczna),  co
pozwala  uzyskać  wzmocnienie  napięciowe  w  takich  zakresach,  gdy  praca  w  innych
konfiguracjach jest już niemożliwa (najszersze pasmo przenoszenia).

Tranzystory unipolarne – głównie typu FET – są stosowane we wzmacniaczach małych

częstotliwości  znacznie  rzadziej  niż  tranzystory  bipolarne.  Wykorzystuje  się  przede
wszystkim  takie  właściwości  tranzystorów  unipolarnych  jak:  bardzo  duża  impedancja
wejściowa (i znikomy prąd bramki)), mniejsza nieliniowość charakterystyki przejściowej oraz
małe  szumy  przy  dużych  impedancjach  źródła  sygnału.  Niekorzystne  w  stosunku  do
tranzystorów  bipolarnych  właściwości  to:  mniejsza  transkonduktancja  –  i  w  związku  z  tym
mniejsze  wzmocnienie  napięciowe  –  większy  na  ogół  pobór  prądu  oraz  niezbyt  duże  pole
wzmocnienia tranzystorów FET.

Praktyczne zastosowanie w zakresie m.cz. znalazły dwie konfiguracje o dużej impedancji

wejściowej:  wspólnego  źródła  (WS)  i  wspólnego  drenu  (WD).  Zasadnicze  właściwości
wzmacniaczy w tych konfiguracjach są podobne do właściwości układów WE i WK, również
ogólna  konstrukcja  pojedynczego  stopnia  wzmacniacza  jest  zbliżona.  Różnice  są  wynikiem
innych metod realizacji obwodu polaryzacji bramki.
Ze  względu  na  dużą  impedancję  wejściową  układów  unipolarnych  nie  określa  się  dla  nich
wzmocnień  prądowych  ani  wzmocnień  mocy  (zwykłych  i  skutecznych),  gdyż  k

, k

. Impedancja wejściowa ma charakter pojemnościowy i jest określona przez obwód

polaryzacji bramki i pojemność wejściową tranzystora. Typowe układy dyskretnych
wzmacniaczy ze sprzężeniem pojemnościowym są pokazane na rysunku poniżej.

Układy włączenia tranzystora polowego

−

ze wspólnym źródłem – WS.

Rys. 41.

Układ ze wspólnym źródłem.

Duża impedancja wejściowa, umiarkowanie duża impedancja wyjściowa oraz >1

wzmocnienie napięciowe. Sygnał wejściowy podaje się miedzy bramkę a źródło, sygnał
wyjściowy zdejmuje się miedzy drenem a źródłem.

Rys. 42.

Układ ze wspólnym drenem.

Zacisk wejściowy – bramka, wyjściowy – źródło, wspólny – dren = wtórnik źródłowy.

Duża impedancja wejściowa, mała wyjściowa oraz wzmocnienie napięciowe <1.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.7.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jaki przebieg ma charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza?
2.  Jakie są podstawowe układy pracy wzmacniaczy?
3.  Wymienić parametry charakteryzujące wzmacniacz?
4.  W jakiego typu wzmacniaczach stosuje się tranzystory unipolarne?
5.  Jakie znasz podstawowe parametry wzmacniacza?

4.7.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie wzmacniaczy tranzystorowych w podstawowych układach pracy.

Wyznacz charakterystyki wzmacniaczy U

= f(U

), K

= f(f), K

= f(R

Rys. 43. Schemat układu do oscyloskopowej analizy wzmacniacza tranzystorowego [11].

Rys. 44. Schemat blokowy układu do wyznaczania charakterystyk wzmacniacza [11].

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) dokonać oględzin wzmacniacza określając jego oznaczenie, rodzaj obudowy, typ

obudowy

2)  zapoznać się z danymi katalogowymi
3)  zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela
4)  obserwować i narysować następujące oscylogramy:

−

położenie punktu pracy na tle charakterystyk wyjściowych tranzystora przy R

= 0,

1opt

, (punkt pracy dzieli napięcie zasilające U

= 15V na połowę) i R

1max

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

położenie prostej obciążenia dla trzech charakterystycznych punktów pracy (jak

wcześniej) oraz dla różnych amplitud i częstotliwości sygnału wejściowego (np. f=
1kHz przy obserwacji prostej obciążenia i 1Hz przy obserwacji wahań sygnału),

−

charakterystyki robocze dla różnych U

i dla różnych obciążeń zespolonych Z

. np;

rezystorowe, rezystorowo-pojemnościowe, rezystorowo-indukcyjne, pojemnściowo-
-indukcyjne.

5) wyznaczyć charakterystykę przenoszenia UWY = f(UWE)

−

ustalić częstotliwość sinusoidalnego sygnału sterującego f= 1kHz,

−

ustalić rezystancję obciążenia R

= 5k

Ω

−

określić maksymalny sygnał wejściowy U

WEmax

, obserwując na oscyloskopie kształt

sinusoidy (U

WEmax

oznacza maksymalne napięcie wejściowe, przy którym nie zauważa

się jeszcze zniekształceń sinusoidy na wyjściu układu),

−

wyznaczyć charakterystykę przenoszenia, zmieniając napięcie wejściowe w granicach

od 0 do U

WEmax

w odstępach zależnych od tego napięcia (8-10 punktów

pomiarowych), mierzyć napięcia wejściowe U

i wyjściowe U

6) wyznaczyć charakterystykę amplitudowo-częstotliwościowa Ku = f(f)

−

ustalić rezystancję obciążenia R

= 5k

Ω

−

amplitudę sygnału wejściowego dobrać na podstawie pomiarów wykonanych

w punkcie poprzednim tak, aby nie występowały zniekształcenia sygnału
wyjściowego dla dowolnej częstotliwości (praca w zakresie liniowym), U

= const,

−

częstotliwość generatora zmieniać w zakresie od 10Hz do 20kHz (100kHz) skokami

według skali logarytmicznej: 10Hz, 20Hz, 50Hz, 100Hz itd., mierzyć napięcie
wyjściowe.

7) wyznaczyć charakterystykę wzmocnienia napięciowego Ku = f(R0)

−

ustalić sygnał wejściowy o stałej częstotliwości i stałej amplitudzie dobranej tak, aby

wzmacniacz nie pracował w stanie nasycenia w przewidywanym zakresie zmian
rezystancji obciążenia,

−

obciążyć wejście wzmacniacza rezystancją R

i zmieniać jej wartość w granicach

1-10k

Ω

co 1k

Ω

; wykonać również pomiar dla R

= ∞; mierzyć napięcie wyjściowe

i obserwować przebieg wyjściowy na oscyloskopie

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

przyrządy pomiarowe,

−

zasilacz,

−

przewody laboratoryjne.

4.7.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) zaprojektować i wykonywać układy pomiarowe wykorzystywane

w ćwiczeniu ?



2) wyjaśnić, w jakim celu należy kontrolować amplitudę sygnału

wejściowego?



3) sporządzić charakterystyki wzmacniaczy?



4) wyznaczyć górną i dolną częstotliwość graniczną?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8. Wzmacniacze operacyjne

4.8.1. Materiał nauczania

Wzmacniacz operacyjny

Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych.

Charakteryzują się następującymi właściwościami:

−

bardzo dużym wzmocnieniem napięciowym (powyżej 10000 V/V czyli 80dB),

−

wzmacniają prąd stały ,

−

odwracają fazę sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału podawanego na wejściu
odwracające (oznaczenie „ – „) lub zachowują zgodność w fazie jeżeli sygnał wejściowy
jest podawany na wejście nieodwracające (oznaczenie „ + „),

−

dużą rezystancję wejściową (M

Ω

−

małą rezystancję wyjściową (

Ω

Rys. 45.

Symbol wzmacniacza operacyjnego [7].

Parametry wzmacniacza operacyjnego idealnego:

−

nieskończenie duże wzmocnienie przy otwartej pętli sprzężenia zwrotnego (K

→

∞

−

nieskończenie szerokie pasmo przenoszonych częstotliwości,

−

nieskończenie dużą impedancję wejściową (między wejściami oraz między wejściami
a masą),

−

impedancję wyjściową równą zeru,

−

niezależność parametrów od temperatury.
Parametry wzmacniacza operacyjnego rzeczywistego.

−

wzmocnienie napięciowe różnicowe K

−

wzmocnienie napięciowe sumacyjne K

−

współczynnik tłumienia sygnału sumacyjnego H

−

rezystancja (impedancja) wejściowa różnicowa r

wer

−

rezystancja (impedancja) wejściowa sumacyjna r

wes

−

rezystancja (impedancja) wyjściowa r

−

wejściowy prąd polaryzacji I

−

wejściowe napięcia niezrównoważenia U

wen

−

wejściowy prąd niezrównoważenia I

wen.

Parametry graniczne: maksymalne napięcie wejściowe U

wemax

, maksymalne różnicowe

napięcie wejściowe U

wer max

, maksymalne napięcie wyjściowe U

wy max

, maksymalny prąd

wyjściowy I

wy.

we2

we1

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.8.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie parametrów wzmacniacza operacyjnego.

+15V

=15V

Rys. 47.

Wzmacniacz operacyjny.

Tabela 19.

[V]

Tabela 20.

[V]

Tabela 21. dla R

= 169 [k

Ω

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z danymi katalogowymi badanego wzmacniacza,
2) zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela,

zbudować układ pomiarowy według

rys. 47,

4) regulować napięciami U

i U

za pomocą potencjometrów R

: obserwować napięcie

wyjściowe U

na oscyloskopie i na mierniku,.

5) określić jakie wartości napięcia U

powodują komparację napięcia U

na wyjściu dla

trzech różnych wartości napięcia U1,

6) wyniki pomiarów wpisać do tabeli 19,
7) podłączyć R

=100 k

Ω

pomiędzy wejściem nieodwracającym i wyjściem wzmacniacza

operacyjnego. Dla trzech różnych wartości napięcia U

określ napięcie U

powodujące

przełączenie napięcia wyjścia z +U

na –U

(lub odwrotnie), czynności z punktu

poprzedniego wykonaj także dla układu, w którym R

zastąpimy R

=169 [k

Ω

8) wyniki wpisz do odpowiedniej tabeli,
9) obserwować jak zmieniło się zachowanie komparatora.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

badany wzmacniacz,

−

Metek,

−

przewody laboratoryjne.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystyki amplitudowo-częstotliwościowe wzmacniacza operacyjnego

w układzie różniczkującym.

Rys. 48. Schemat układu [11].

Tabela 22.

WO: R

=... ; R

=...; R

=... ;C

=...;

kHz

V/V

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) dokonać oględzin wzmacniacza określając jego oznaczenie, rodzaj obudowy

i wyprowadzenia, typ obudowy,

2)  zapoznać się z danymi katalogowymi badanego wzmacniacza,
3)  zaznajomić się z dokumentacją przekazaną przez nauczyciela,
4)  w układzie z rys.48 wyznaczyć charakterystykę amplitudowo-częstotliwościową WO,
5)  wyniki pomiaru zapisać w tabeli 22.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

generator funkcji,

−

poradnik dla ucznia,

−

badany wzmacniacz,

−

przyrządy pomiarowe,

−

przewody laboratoryjne,

−

oscyloskop.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.9. Filtry

4.9.1. Materiał nauczania

Filtr jest to fragment obwodu elektrycznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub

blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości.
Ma on strukturę czwórnika (czwórnik to układ mający  cztery zaciski –  jedna z par zacisków
pełni  rolę  wejścia,  zaś  druga  wyjścia),  który  przepuszcza  bez  tłumienia  lub  z  małym
tłumieniem  napięcia  i  prądy  w  określonym  paśmie  częstotliwości,  a  tłumi  napięcia  i  prądy
leżące  poza  tym  pasmem.  Filtry  częstotliwości  mają  głównie  zastosowanie  w  urządzeniach
elektronicznych  i  energetycznych.  Umieszczone  pomiędzy  źródłem  sygnału  a  odbiornikiem
powodują,  że  do  odbiornika  dostaje  się  sygnał  o  pożądanym  widmie  częstotliwości,  co
oznacza,  że  z  sygnału  dostarczanego  przez  źródło  został  wyeliminowany  sygnał
o częstotliwości mieszczącej się w paśmie tłumieniowym.
Pasmo częstotliwości, które filtr przepuszcza bez tłumienia nosi nazwę pasma przepustowego,
zaś pasmo, w którym napięcia i prądy podlegają tłumieniu nosi nazwę pasma tłumieniowego.
Częstotliwość, która stanowi granicę pomiędzy pasmem przepustowym a pasmem tłumienia,
nazywana  jest  częstotliwością  graniczną.  Filtr  może  mieć  kilka  częstotliwości  granicznych..
Wartość częstotliwości granicznej filtru może być wyznaczana zarówno w oparciu o wartości
elementów,  z  których  zbudowany  jest  filtr  jak  i  z  częstotliwościowej  charakterystyki
napięciowej (Uwy=f(Uwe)) lub prądowej filtru.

Rys. 49.

Przykładowa charakterystyka tłumienia filtru dolnoprzepustowego.

W zależności od położenia pasma przepustowego wyróżnia się grupy filtrów:

−

dolnoprzepustowe – pasmo przepustowe od częstotliwości f=0 Hz do częstotliwości
granicznej fg,

−

górnoprzepustowe

–

pasmo

przepustowe

częstotliwości

granicznej

nieskończoności,

−

środkowoprzepustowe (pasmowe) – pasmo przepustowe od częstotliwości granicznej fg

do częstotliwości granicznej fg

−

środkowozaporowe (zaporowe) – pasmo tłumieniowe od częstotliwości granicznej fg1 do
częstotliwości granicznej fg

W zależności od elementów wykorzystanych do budowy wyróżnia się grupy filtrów:

−

filtry aktywne – w przypadku wykorzystania w układzie filtru elementów aktywnych
takich jak np. wzmacniacze operacyjne. Dzięki temu istnieje możliwość zaprojektowania
filtru o dowolnej charakterystyce częstotliwościowej. Filtry aktywne mają taką zaletę, że
nie posiadają cewek (indukcyjności),

−

filtry pasywne – zbudowane z samych elementów pasywnych,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

filtry reaktancyjne L,C - zbudowane z cewek i kondensatorów,

−

filtry bezindukcyjne R,C - zbudowane z rezystorów i kondensatorów.
Podstawowe parametry charakteryzujące pasywny filtr częstotliwości to:

−

współczynnik tłumienia filtru (a, k),

−

współczynnik przesunięcia fazowego (b, a),

−

częstotliwość graniczna f

−

impedancja falowa.
Współczynnik tłumienia (tłumienność (a,k)) – wielkość określająca, jaka część sygnału

wejściowego znajdzie się na wyjściu filtru. Może on być określany na kilka sposobów: jako
bezpośredni stosunek wartości napięć lub prądów, w neperach lub decybelach. Wszystkie
z wymienionych wielkości dają się wzajemnie przeliczać.

Rys. 50.

Logarytmiczne charakterystyki częstotliwościowe współczynnika tłumienia [11].

Jeżeli przy określonej częstotliwości f na wejście filtru podawany jest sygnał

o amplitudzie U1, a na jego wyjście przedostaje się sygnał o amplitudzie U2, to współczynnik
tłumienia można określić na poniższe sposoby.

Współczynnik przesunięcia fazowego (współczynnik fazowy (α, β)) – wyrażany w radianach
lub stopniach kąt przesunięcia fazowego (wyprzedzenia lub opóźnienia) pomiędzy napięciem
na wejściu a napięciem na wyjściu filtru.

Rys. 51.

Przebiegi czasowe napięć na wejściu i wyjściu filtru [11].

przy współczynniku przesunięcia fazowego równym

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 52.

Logarytmiczna charakterystyka częstotliwościowa współczynnika przesunięcia filtru RC [11].

Impedancja falowa – taka impedancja odbiornika dołączonego do zacisków wyjściowych

filtru, przy której impedancja mierzona na wejściu czwórnika jest równa impedancji
odbiornika.

Częstotliwość graniczna fg – wartość częstotliwości oddzielająca pasmo przepustowe od

pasma  zaporowego.  W  fazie  projektowania  filtru  ona  jest  określana  na  podstawie  wartości
zastosowanych  w  filtrze  elementów oraz impedancji  źródła  i  odbiornika.  Może  być  również
określana  w  oparciu  o  częstotliwościową  charakterystykę  współczynnika  tłumienia  lub
częstotliwościową charakterystykę współczynnika przesunięcia fazowego.

W przypadku określania częstotliwości granicznej na podstawie częstotliwościowej

charakterystyki współczynnika tłumienia, za częstotliwość graniczną można przyjmować taką
wartość częstotliwości, przy której tłumienie zwiększa się o 3 dB w stosunku do wartości,
jaką posiada w paśmie przepustowym („3 decybelowa częstotliwość graniczna”).

4.9.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Co rozumiesz pod pojęciem filtru?
2.  Co to jest filtr częstotliwości?
3.  Jakie znasz rodzaje filtrów?
4.  Jakie są parametry filtrów pasywnych?

4.9.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz

charakterystykę

przenoszenia

filtra

środkowoprzepustowy LC ze

wzmacniaczem operacyjnym.

Rys. 53.

Filtr aktywny środkowoprzepustowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 23.

[kHz] 2,5

3,5

4,3 4,6

5,5

6,5

7,5

[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wyznaczyć charakterystyki przenoszenia filtra w układzie pomiarowym jak na rys. 53 –

Zmieniaj częstotliwość generatora f według tabeli 22 (napięcie generatora
U

WEpp

=0.5[V]=const.), zapisuj w niej odpowiadające wartości U

WYskut

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

generator funkcji,

−

poradnik dla ucznia,

−

badany układ,

−

przyrządy pomiarowe,

−

przewody laboratoryjne,

−

oscyloskop.

Ćwiczenie 2

Wyznacz charakterystykę przenoszenia filtra dolnoprzepustowy RC ze wzmacniaczem

operacyjnym.

741

-15V

+15V

Oscyl.

Gen.

Rys

54. Filtr aktywny dolnoprzepustowy.

Tabela 24. C = 10 nF R = 100 Ω C = 10 nF R = 1 kΩ C = 10 nF R = 4,7 kΩ

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) dokonać oględzin filtru określając jego oznaczenie, rodzaj obudowy i wyprowadzenia,

typ obudowy,

2) zapoznać się z danymi katalogowymi,
3) z generatora funkcyjnego podać U

WE pp

= 0.5 [V] = const. Zmieniać częstotliwość

generatora według tabeli 19 dla wartości R i C podanych przez prowadzącego ćwiczenie.
Zmierzone napięcie wyjściowe U

WYskut

zapisz w tabelach.

[Hz]

200

500

10k

12k

15k

20k

WY SKUT

[V]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

generator funkcji,

−

poradnik dla ucznia,

−

badany układ,

−

przyrządy pomiarowe,

−

przewody laboratoryjne,

−

oscyloskop.

4.9.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) w oparciu o dokonane pomiary narysować charakterystykę

przenoszenia?



2) w oparciu o dokonane pomiary narysować charakterystykę

przenoszenia filtru LC?



3) dobrać zakresy pomiarowe przyrządów ?



4) zanalizować rolę poszczególnych elementów układu?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.10. Wzmacniacze selektywne

4.10.1. Materiał nauczania

Wzmacniacze selektywne zwane również rezonansowymi, strojonymi, pasmowymi,

wzmacniają sygnały w określonym paśmie, wokół określonej częstotliwości rezonansowej f

i skutecznie tłumią sygnały leżące poza tym pasmem.
Wzmacniacze selektywne dzieli ze względu na moc wyjściową na: wzmacniacze mocy w.cz.,
wzmacniacze napięciowe w.cz. do wzmacniania małych sygnałów.

Rys. 55.

Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza selektywnego:

1 – idealnego, 2 – rzeczywistego.

Rys. 56. Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza nieselektywnego.

Charakterystyka amplitudowa wzmacniacza selektywnego jest przesunięta w pobliże

częstotliwości f

(

Rys. 56

). Względne wzmocnienie napięciowe jest największe przy tej

częstotliwości. Znaczy to, że wzmacniacz wykazuje właściwości selektywnego wzmocnienia
określonego pasma częstotliwości.

Selektywność wzmacniacza określa jego zdolność do eliminowania sygnałów

niepożądanych.

Rys. 57. Przykładowa charakterystyka amplitudowa wzmacniacza selektywnego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Parametry wzmacniaczy selektywnych:

−

– wzmocnienie – jest to stosunek amplitudy sygnału wyjściowego do amplitudy

sygnału wejściowego,

−

–

częstotliwość środkowa – częstotliwość przy której występuje maksymalne tłumienie

(dla filtru) lub wzmocnienie (dla wzmacniacza),

−

Q – dobroć – określa selektywność charakterystyki filtru (lub wzmacniacza) i jest
stosunkiem częstotliwości środkowej do szerokości pasma przy 3-decybelowym spadku
wzmocnienia.

O przebiegu charakterystyki częstotliwościowej wzmacniacza selektywnego decydują
elementy selektywne. Jako elementy selektywne stosuje się obwody LC.

4.10.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jak zdefiniujesz wzmacniacz selektywny?
2.  Jaki kształt ma charakterystyka amplitudowa?
3.  Jakie są parametry wzmacniaczy selektywnych?
4.  Jak zdefiniujesz selektywność wzmacniacza?

4.10.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie wzmacniacza selektywnego.

Rys. 58. Schemat układu pomiarowego.

Tabela 25. Pomiar charakterystyki przenoszenia

……………………………..

WEmax

WYmax

Tabela 26.

……………………………………………

f [kHz]

[V]

k[V/V]

GENERATOR

BADANY

WZMACNIACZ

OSCYLOSKOP

GND

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) wykonać pomiary – częstotliwości przenoszenia f

zakresu przetwarzanych napięć

WE max

, U

WYmax,

wzmocnienia k

2) przy napięciu wejściowym nie powodującym przesterowania wzmacniacza, ustalić

w generatorze częstotliwość f

przy której uzyskuje się maksymalne napięcie na wyjściu

wzmacniacza,

3) na podstawie obserwacji na ekranie oscyloskopu obrazu napięcia wyjściowego

wzmacniacza ustalić taką jego wartość, przy której nie występują zauważalne
zniekształcenia,

4) w ustalonym zakresie pracy wzmacniacza wykonać pomiary wzmocnienia,
5) wykonać pomiar charakterystyki przenoszenia:

−

ustalić napięcie wejściowe o częstotliwości f

i wartości nie powodującej

przesterowania wzmacniacza,

−

dla wybranych częstotliwości , przy stałej wartości napięcia wejściowego wykonać
pomiary napięć wyjściowych. Punkty pomiarowe powinny być zagęszczone
w pobliżu f

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

katalog elementów elektronicznych,

−

badany wzmacniacz,

−

generator, oscyloskop, przyrządy pomiarowe.

4.10.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić częstotliwości graniczne wzmacniacza?



2) zapisać zakres przetwarzanych napięć?



3) obliczyć współczynnik wzmocnienia?



4) zapisać wartość współczynnika wzmocnienia w decybelach?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11. Generatory napięć sinusoidalnych

4.11.1. Materiał nauczania

Generator to urządzenie przetwarzające energię prądu stałego na energię prądu

zmiennego. Generatory są układami służącymi do wytwarzania zmiennych przebiegów
elektrycznych bez konieczności doprowadzania z zewnątrz jakiegokolwiek sygnału
pobudzającego. Przetwarzają energię prądu stałego (z zasilacza) na energię drgań.

Generatory można podzielić na dwie zasadnicze grupy w zależności od kształtu

generowanego przebiegu:

−

generatory drgań sinusoidalnych

−

generatory drgań niesinusoidalnych (generatory relaksacyjne) – np. o przebiegu
prostokątnym, trójkątnym itp.

Generatory sinusoidalne LC są zbudowane ze wzmacniacza odwracającego fazę objętego

pętlą sprzężenia zwrotnego zawierającego obwód rezonansowy LC, którego zadaniem jest
przesunięcie fazy o dalsze 180

(czyli w sumie o 360

- sprzężenie jest wtedy dodatnie) tylko

dla wybranej częstotliwości, określonej parametrami tego obwodu.

Spełnienie warunku fazy i amplitudy można osiągnąć przez odpowiedni podział

reaktancji obwodu LC lub za pomocą sprzężenia transformatorowego. Rozróżnia się
następujące podstawowe układy generatorów LC:

−

z dzieloną indukcyjnością (układ Hartleya);

Rys. 58. Generator Hartleya.

−

z dzieloną pojemnością (układ Colpittsa);

Rys. 59. Generator Hartleya.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

ze sprzężeniem transformatorowym (układ Meissnera).

Rys. 60. Generator Meissnera.

Generatory kwarcowe.

Jeżeli jest wymagana bardzo dobra stabilność pracy generatora, to stosuje się element

stabilizujący  częstotliwość  drgań  -  rezonator  piezoelektryczny  (kwarcowy)  lub  ceramiczny.
Działanie  rezonatora  piezoelektrycznego  (najczęściej  kwarcowego)  polega  na  sprzężeniu
mechanicznych drgań płytki kryształu z jego właściwościami elektrycznymi, tj. napięciem na
przyłączonych  do  płytki  elektrodach..  Dobroć  rezonatorów  kwarcowych  jest  ok.  100  razy
większa  niż  konwencjonalnych  układów  LC  i wynosi  10

...10

. Stabilność drgań jest bardzo

duża i w znikomym stopniu zależy od temperatury.

Rys. 61.

Schemat blokowy generatora.

Dla podtrzymania drgań w generatorze wymagane jest spełnienie niezależnie dwóch

warunków: fazy i amplitudy.

−

warunek fazy – musi zachodzić zgodność fazy sygnałów na wejściu i wyjściu
wzmacniacza tzn.:

= 0 + n × 360

, (n = 0, 1, ...)

−

warunek amplitudy – ma postać: K

= 1 (wtedy wzmacniacz staje się układem

niestabilnym: 1 - K

= 0).

Częstotliwość oscylacji generatora można obliczyć w ten sam sposób jak częstotliwość

obwodu rezonansowego f = 1/2Π LC .
W takim przypadku wzmacniacz całkowicie kompensuje tłumiące działanie obwodu
sprzężenia zwrotnego. Generator sam dostarcza na wejście sygnał podtrzymujący drgania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.11.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz rodzaje generatorów?
2.  Jakiego rodzaju drgania wytwarza generator?
3.  Jaki warunek należy spełnić aby podtrzymać drgania w generatorze?
4.  Co powoduje sprzężenie zwrotne?

4.11.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie generatora przebiegu sinusoidalnego z dodatnim sprzężeniem

zwrotnym.

Rys

62.

kład pomiarowy.

Tabela 27.

[Hz ]

……………………

20 000

[ V ]

[

]

Tabela 28.

f [ kHz ]

[ V ]

[ kΩ ]

Tabela 29. Badanie wpływu napięcia zasilania na częstotliwość i napięcie wyjściowe.

znam

[ kHz ]

oblicz

[ kHz ]

f [ kHz ]

Tabela 30.

[V]

wyj

[V]

f [kHz]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) określić tłumienie i przesunięcie fazowe

2) wyznaczyć wpływ współczynnika sprzężenia zwrotnego β na:

−

częstotliwość f,

−

napięcie wyjściowe U

wyj,

−

rezystancję wyjściową R

wyj,

3) obliczyć częstotliwość generowanych przebiegów,

LaC

4)  zasilić generator (rys. 62.),
5)  określić wzmocnienie graniczne ku,
6)  na wejście wzmacniacza włączyć generator sinusoidalny 1kHz, 20mV. Zmierzyć napięcie

na wyjściu wzmacniacza.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

generator,

−

zasilacz,

−

oscyloskop,

−

miernik częstotliwości,

−

miernik zniekształceń.

4.11.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) określić parametry badanego generatora?



2) dobrać zakresy przyrządów pomiarowych?



3) ocenić jakość badanego układu na podstawie pomiarów?



4) wykreślić charakterystyki?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.12. Stabilizatory

4.12.1. Materiał nauczania

Napięcie i prąd zasilaczy sieciowych zmieniają się, gdy zmienia się napięcie wejściowe,

chociażby na skutek wahań napięcia sieciowego. Jeżeli zależy nam na stałej wartości prądu
lub napięcia zasilającego odbiornik, wówczas konieczna jest stabilizacja.

Podstawowy układ parametrycznego stabilizatora napięcia

Rys. 63

Schemat stabilizatora parametrycznego [6].

Podstawową funkcją stabilizatora jest zapewnienie dostatecznie stabilnego napięcia.

Często, stabilizator jest poprzedzony zasilaczem sieciowym (transformator, prostownik
i filtr).

Z funkcji układu wynikają jego podstawowe parametry.

−

nominalne napięcie wyjściowe U

– zwykle podaje się je przy braku obciążenia, albo

przy określonym prądzie obciążenia

−

maksymalny prąd wyjściowy I

wy max

stabilizatora.

−

minimalne napniecie zasilania, U

ZMIN

stabilizatora, przy którym dany stabilizator może

już poprawnie działać.

−

rezystancja wyjściowa R

. Rezystancja wyjściowa stabilizatora jest miarą „podatności”

układu na wpływ obciążenia.

−

współczynnik stabilizacji S

, który określa „podatność” stabilizatora na zmiany napięcia

zasilania.

−

sprawność – czyli moc przekazana do obciążenia w stosunku do mocy dostarczonej do
stabilizatora

Stabilizator z diodą Zenera (parametryczny).

Stabilizator z diodą Zenera stosowany jest bardzo często, zwłaszcza w przypadkach

układów o małym poborze prądu i dużej tolerancji napięcia zasilania. Bywa stosowany jako
zasilacz lokalny.

Stabilizatory liniowe

Najprostszym stabilizatorem napięcia jest układ z wykorzystaniem diody Zenera,

pokazany na rysunku. Takie i podobne układy nazywane są również stabilizatorami
parametrycznymi.

Zmiany napięcia wejściowego pociągają za sobą zmiany prądu diody, to jednak nie

pociąga za sobą dużych zmian napięcia wyjściowego Można przyjąć, że pozostaje ono stałe
i równe napięciu Zenera U

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 64 [7].

Rys.65 [7].

Stabilizator z wtórnikiem emiterowym

Prosty układ z diodą Zenera można rozmaicie modyfikować i uzupełniać, w celu

poprawienia  parametrów.  Dodanie  wtórnika  emiterowego  na wyjściu  układu  z  diodą  Zenera
poprawia  obciążalność  stabilizatora.  Dodanie  wtórnika  nie  zmienia  współczynnika  SU  –
wpływ zmian napięcia zasilania na obwód z DZ jest tu identyczny. Prąd obciążenia nie płynie
już  przez  obwód  zasilania  DZ,  tylko  jest  pobierany  poprzez  tranzystor  wprost  z zasilania,
odciążając obwód diody Zenera. Dzięki temu warunki pracy DZ w tym układzie bardzo mało
zależą od obciążenia R.

Scalone stabilizatory napięcia

Typowymi przedstawicielami takich stabilizatorów są układy rodziny 7800. Ostatnie dwie

cyfry to wartość napięcia wyjściowego, która może być równa : 5,6,8,10,12,15,18,24 V.

Rys. 66.

Stabilizator napięcia na układzie scalonym 7805 [7].

4.12.2. Pytania sprawdzające

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

1.  Jakie znasz rodzaje stabilizatorów?
2.  Jakie są parametry stabilizatora?
3.  Jaka jest charakterystyka stabilizatora?
4.  Jakie są różnice w działaniu różnych rodzajów stabilizatorów?
5.  Jakie znasz przykłady stabilizatorów na układach scalonych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.12.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wykonaj badanie stabilizatora parametrycznego.

Rys. 67.

Układ do badania stabilizatora napięcia stałego.

Tabela 31. Pomiar charakterystyk wyjściowych U

= f(U

)

Lp.

……….

Tabela 32. Pomiary charakterystyk obciążenia U

=f(I

)

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  dokonać oględzin stabilizatora określając jego oznaczenie, rodzaj obudowy,
2)  zapoznać się z danymi katalogowymi,
3)  dokonać pomiaru charakterystyk wyjściowych,
4)  wykonać pomiary charakterystyk obciążenia,
5)  w układzie z rys. 67 wyznaczyć charakterystyki stabilizatora,
6)  wyniki pomiaru zapisać w tabeli 31 i 32.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

badany stabilizator,

−

przyrządy pomiarowe.

Lp.

……….

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

Wykonaj badanie stabilizatora wtórnikowego.

Rys. 68

Układ pomiarowy badanego stabilizatora.

Tabela 33.

Job [mA]

Uwyj[V]

Tabela 34.

Uwe [V]

Uwy[V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

−

zapoznać się z danymi katalogowymi badanego tyrystora,

−

zestawić układ pomiarowy,

−

wyznaczyć charakterystyki zmienności obciążeniowe stabilizatora U

= f(I

obc

−

pomiary wykonać dla zadanych przez nauczyciela wartości napięć wejściowych. Ustalić
z nauczycielem l

OBCmax

Wyniki pomiarów zapisać w tabelach.

−

wyznaczyć charakterystyki zmienności wejściowej stabilizatorów napięcia U

= f(U

Pomiar wykonać dla zadanych przez nauczyciela wartości prądu obciążenia. Wyniki
pomiarów zapisać w tabelach.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

badany stabilizator,

−

przyrządy pomiarowe.

Ćwiczenie 3

Wykonaj badanie stabilizatora ze wzmacniaczem operacyjnym µA 741.

Rys 69.

Układ pomiarowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 35. Charakterystyka zmienności obciążeniowej.

Job [mA]

Uwyj

Tabela 36. Charakterystyka zmienności wejściowej.

Uwe [V]

Uwy [V]

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z danymi katalogowymi badanego tyrystora,
2)  zestawić układ pomiarowy,
3)  wyznaczyć:

−

charakterystyki zmienności obciążeniowej stabilizatorów napięcia Uwy = f(Iobc),

−

charakterystyki zmienności wejściowej stabilizatorów napięcia Uwy = f(Uwe).

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

poradnik dla ucznia,

−

badany stabilizator,

−

przyrządy pomiarowe.

4.12.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) dobrać z katalogu parametry stabilizatora?



2) dobrać zakresy przyrządów pomiarowych?



3) określić zakresy zmienności parametrów?



4) podać inne przykłady stabilizatorów?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Przeczytaj uważnie instrukcję.
2.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
3.  Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi.
4.  Test składa się z 22 pytań.
5.  Za każde poprawnie rozwiązane zadanie uzyskasz 1 punkt.
6.  Dla każdego zadania podane są cztery możliwe odpowiedzi: A, B, C, D.
7.  Tylko jedna odpowiedź jest poprawna.
8.  Wybraną odpowiedz zakreśl kółkiem.
9.  Staraj  się  wyraźnie  zaznaczać  odpowiedzi.  Jeżeli  się  pomylisz  i  błędnie  zaznaczysz

odpowiedź, otocz ją kółkiem i zaznacz odpowiedź, którą uważasz za prawdziwą.

10. Przed wykonaniem każdego zadania przeczytaj bardzo uważnie polecenie.

Powodzenia!

Po rozwiązaniu testu, sprawdź swoje wyniki razem z kolegą lub nauczycielem,

a następnie sprawdź w tabeli, poniżej, jaki stopień mógłbyś sobie wystawić. Ogółem możesz
uzyskać 22 punkty.

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Parametrami charakteryzującymi i diody prostowniczej są

a)  napięcie przewodzenia, prąd wsteczny, wsteczne napięcie pracy.
b)  maksymalny prąd przewodzenia, szczytowe napięcie wsteczne.
c)  rezystancja w kierunku przewodzenia, rezystancja w kierunku zaporowym.
d)  napięcie przewodzenia, prąd wsteczny, rezystancja w kierunku przewodzenia.

2. Tranzystor bipolarny pracuje jako wzmacniacz w układach

a)  wspólnej bazy.
b)  wspólnego emitera.
c)  wspólnego kolektora.
d)  wspólnej bazy, wspólnego emitera, wspólnego kolektora.

3. Charakterystyka wyjściowa tranzystora to zależność

a) I

= f( U

b) I

= f( U

c) I

= f( U

d) I

= f(I

4. Charakterystyka wejściowa tranzystora w układzie WB to

a)  wykres prądu emitera w funkcji napięcia stałego między emiterem i bazą.
b)  wykres prądu bazy w funkcji napięcia baza – emiter.
c)  wykres prądu kolektora w funkcji napięcia kolektor – emiter.
d)  wykres prądu kolektora w funkcji prądu bazy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. Charakterystyka robocza tranzystora to wykres

a)  przedstawiający charakterystyki z uwzględnieniem rezystancji obciążenia.
b)  charakterystyk przejściowych.
c)  charakterystyk wyjściowych.
d)  charakterystyk zwrotnych.

6. Elektrody w tranzystorze polowym oznaczone są

a)  S – źródło, G – bramka, D – dren.
b)  B – baza, C – kolektor, E – emiter.
c)  S – źródło, B – baza, D – dren.
d)  G – bramka, S – źródło, E – emiter.

7. Charakterystyka wyjściowa tranzystora polowego to zależność

a) prądu drenu (I

) od napięcia dren-źródło (U

b) napięcia bramka-źródło (U

) od napięcia bramka-źródło (U

c) prądu drenu (I

) od napięcia bramka-źródło (U

d) prądu drenu (I

) od napięcia dren-źródło.

8. Istotną zaletą fotodiody jest

a)  duża częstotliwość pracy.
b)  mała częstotliwość pracy.
c)  zależność prądu fotodiody od temperatury.
d)  odporność na temperaturę.

9. Tranzystor pracujący w układach analogowych musi być

a)  w stanie aktywnym.
b)  w stanie zatkania.
c)  w stanie nasycenia.
d)  w stanie zatkania lub nasycenia.

10. Tranzystor pracujący w układach cyfrowych musi być

a)  w stanie aktywnym.
b)  w stanie zatkania.
c)  w stanie nasycenia.
d)  w stanie zatkania lub nasycenia.

11. Rezystancja fotorezystora zależy

a)  od kierunku przyłożonego napięcia.
b)  od kierunku promieniowania.
c)  nie zmienia się.
d)  zmniejsza się ze wzrostem natężenia oświetlenia.

12. Prostowanie przebiegów elektrycznych to proces, w wyniku którego

a) wejściowy przebieg dodatni i ujemny zostaje przekształcony w przebieg jednego

znaku.

b)  wejściowy przebieg pozostaje na wyjściu bez zmian.
c)  wejściowy przebieg jest na wyjściu odwrócony.
d)  wejściowy przebieg na wyjściu jest wartością stałą.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

13. Współczynnik tętnień prostownika to

a) stosunek wartości skutecznej składowej zmiennej napięcia na wyjściu prostownika

do wartości stałej.

b)  stosunek wartości średniej do wartości stałej.
c)  stosunek wartości szczytowej do wartości stałej.
d)  stosunek wartości międzyszczytowej do wartości stałej.

14. Sprawność napięciowa prostownika, to

a)  skuteczność układu prostownika przy zmianie napięcia zmiennego na napięcie stałe,
b)  stosunek mocy wejściowej do mocy wyjściowej,
c)  stosunek napięcia wyjściowego do wejściowego,
d)  stosunek prądu wyjściowego do wejściowego.

15. Częstotliwość tętnień prostownika, to

a)  częstotliwość podstawowa składowej zmiennej na wyjściu prostownika
b)  częstotliwość graniczna składowej zmiennej prostownika
c)  częstotliwość dolna składowej zmiennej prostownika,
d)  częstotliwość górna składowej zmiennej prostownika

16. Zadaniem filtru umieszczonego na wyjściu układu prostowniczego, jest

a)  zmniejszenie tętnień w napięciu wyprostowanym
b)  stabilizacja prądu na wyjściu prostownika
c)  stabilizacja napięcia na wyjściu prostownika
d)  stabilizacja mocy na odbiorniku

17. Wzmocnienie napięciowe, to

a)  stosunek wartości średniej napięcia na wyjściu do wartości średniej na wejściu,
b)  stosunek wartości skutecznej napięcia na wyjściu do napięcia na wejściu,
c)  stosunek wartości chwilowej napięcia na wyjściu do napięcia na wejściu,
d)  wszystkie odpowiedzi

18. Wykres obrazujący zależność wzmocnienia od częstotliwości sygnału doprowadzonego

na wejście wzmacniacza, to
a)  charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza.
b)  charakterystyka amplitudowa.
c)  charakterystyka fazowa.

19. Selektywność wzmacniacza określa jego zdolność do

a)  eliminowania sygnałów niepożądanych,
b)  wzmacniania napięć w określonym zakresie wartości,
c)  wzmacniania sygnału w określonym przedziale,
d)  stabilizacji częstotliwości w określonym przedziale.

20. Współczynnik stabilizacji S stabilizatora to

a)  iloraz zmiany napięcia wyjściowego do zmiany napięcia wejściowego,
b)  zakres zmian prądu wyjściowego,
c)  zakres stabilizacji,
d)  zakres regulacji napięcia wyjściowego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

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

Badanie i pomiary układów analogowych stosowanych w telekomunikacji

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedź

Punkty

Razem: