I. TYTUŁ:
Projekt realizacji prac związanych z uruchomieniem i sprawdzeniem działania bipolarnego wzmacniacza napięcia.
II. ZAŁOŻENIA DO PROJEKTU
parametry wzmacniacza napięcia:
●
wzmocnienie napięciowe w stanie jałowym
kU
130V/V
●
wzmocnienie napięciowe dla ROBC = 5,5kΩ
kU
100V/V
●
minimalna rezystancja obciążenia
ROBCmin
5,5kΩ
●
napięcie przesterowania
UP
20mV
●
rezystancja wejściowa
rWE
4kΩ
●
rezystancja wyjściowa
rWY
1,8kΩ
●
pasmo przenoszenia dla THD ≤ 5%
fGD ÷ fGG
100Hz ÷ 700kHz
●
napięcie zasilania
UCC
12V
●
współczynnik zniekształceń całkowitych
THD
5%
●
zakres temperatur otoczenia
ΔTO
10÷50°C
●
maksymalna wilgotność względna
wmax
70%
●
współrzędne punktu pracy:
UCE
6V
●
IC
2mA
●
IB
12μA
wyposażenie stanowiska:
●
zasilacz napięcia stałego stabilizowany 0÷30V, 1A szt. 1
●
generator funkcyjny sinus/prostokąt/trójkąt z wyświetlaczem częstotliwości wyjściowej, fmax = 2MHz, UWYpp = 1mV÷10V
szt. 1
●
oscyloskop dwukanałowy
szt. 1
●
miernik zniekształceń harmonicznych
szt. 1
●
multimetr wielozakresowy V/A/Ω, AC/DC
szt. 1
●
rezystor dekadowy (0,1÷1M)Ω
szt. 2
pomiary:
●
pomiar charakterystyk dynamicznych UWY = f(UWE), THD = f(UWE) oraz wzmocnienia i napięcia przesterowania
●
pomiar rezystancji wejściowej
●
pomiar rezystancji wyjściowej
●
pomiar charakterystyki częstotliwościowej kU = f(f) i pasma przenoszenia (częstotliwości granicznych)
●
pomiar współrzędnych punktu pracy: UCE, IC, IB
III. WYKAZ DZIAŁAŃ ZWIĄZANYCH Z URUCHOMIENIEM I SPRAWDZENIEM DZIAŁANIA WZMACNIACZA NAPIĘCIA
●
Określenie warunków zasilania na podstawie parametrów katalogowych wzmacniacza napięcia
●
Narysowanie schematów układów pomiarowych
●
Sporządzenie wykazu aparatury kontrolno – pomiarowej
●
Zmontowanie układów pomiarowych
●
Wykonanie pomiarów i zapisanie wyników w tabelach
●
Obliczenia parametrów
●
Narysowanie charakterystyk
●
Porównanie uzyskanych wyników i obliczeń z danymi technicznymi
●
Opracowanie wniosków z porównania parametrów obliczonych z katalogowymi
●
Opracowanie wskazań eksploatacyjnych dla użytkownika wzmacniacza napięcia 1
Wzmacniacz napięcia – rozwiązanie zadania IV. SCHEMATY UKŁADÓW POMIAROWYCH DO SPRAWDZENIA DZIAŁANIA WZMACNIACZA NAPIĘCIA
Schemat do pomiaru charakterystyk dynamicznych ZS
G Hz
V
ROBC V
THD
Schemat do pomiaru rezystancji wejściowej
ZS
Rd
G Hz
V
ROBC V
Schemat do pomiaru rezystancji wyjściowej
ZS
G Hz
V
Rd
V
Schemat do pomiaru charakterystyki częstotliwościowej ZS
G Hz
V
R
Osc
OBC
Schemat do pomiaru współrzędnych punktu pracy
+Ucc
R
R
V
B1
C
V
Uwy
Uwe
V
V
R
R
C
B2
E
E
2
V. OPISY SPOSOBU POMIARÓW CHARAKTERYSTYK I PARAMETRÓW WZMACNIACZA NAPIĘCIA
Pomiar charakterystyk i parametrów dynamicznych:
➔ ustawić fWE = 1kHz i ROBC = 5,5kΩ,
➔ zwiększać napięcie wejściowe od 1mV do 30mV,
➔ mierzyć UWE i UWY woltomierzem AC oraz współczynnik THD miernikiem zniekształceń, U WY
➔ wzmocnienie napięciowe kU obliczyć ze wzoru: k =
, gdzie wartości napięć U
U
U
WE i UWY
WE
odczytano z tabeli dla ROBC = 5,5kΩ i THD = 5%,
➔ napięcie przesterowania UP odczytać z tabeli UWE dla THD = 5%,
➔ lub wyznaczyć z charakterystyki przejściowej rysując prostoliniową charakterystykę idealną i w miejscu rozejścia się charakterystyki rzeczywistej i idealnej, zrzutować na oś UWE i odczytać UP.
Pomiar rezystancji wejściowej dla sygnałów zmiennych:
➔ ustawić fWE = 1kHz, UWE = 15mV i ROBC = 5,5kΩ,
➔ ustawić Rd = 0Ω,
➔ zwiększać Rd od 0Ω do 5kΩ,
➔ mierzyć napięcie wyjściowe woltomierzem AC,
➔ odczytać z tabeli Rd = rWE dla UWY/2.
Pomiar rezystancji wyjściowej dla sygnałów zmiennych:
➔ ustawić fWE = 1kHz i UWE = 15mV
➔ ustawić Rd na maksimum rezystancji,
➔ zmniejszać Rd od 1MΩ do 1kΩ,
➔ mierzyć napięcie wyjściowe woltomierzem AC,
➔ odczytać z tabeli Rd = rWY dla UWY/2.
Pomiar charakterystyk i parametrów częstotliwościowych:
➔ ustawić UWE = 15mV i ROBC = 5,5kΩ,
➔ zwiększać częstotliwość od 10Hz do 2MHz,
➔ mierzyć napięcie międzyszczytowe UWYpp oscyloskopem i przeliczyć na wartości U
skuteczne zgodnie z wzorem: U = WYpp , WY
2 2
U WY
➔ dla każdego pomiaru obliczyć wzmocnienie napięciowe kU ze wzoru: k =
,
U
U WE
➔ narysować charakterystykę częstotliwościową w skali logarytmicznej częstotliwości,
➔ korzystając z definicji pasma przenoszenia wyznaczyć częstotliwości graniczne.
Pomiar współrzędnych punktu pracy:
➔ zmierzyć woltomierzem DC napięcia: zasilania i UBE oraz spadki napięć na rezystorach RC i RB1,
➔ obliczyć IC, IB, UCE korzystając z prawa Ohma i praw Kirchhoffa.
VI. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW
1. Obliczenia charakterystycznych parametrów wzmacniacza napięcia: Wzmocnienie napięciowe dla ROBC = 5,5kΩ
Odczytano z tabeli UWY i UWE dla THD = 5% (warunki znamionowe).
U
V
k = WY = 1,9 V = 1900mV =95
U
U WE
20mV
20mV
V
Napięcie przesterowania UP
Z danych znamionowych wynika, że dla napięcia przesterowania THD = 5%. Należy więc odczytać z tabeli napięcie wejściowe dla THD = 5%. Odczytano UWE = UP =
20
mV .
Innym sposobem jest wyznaczenie napięcia przesterowania metodą graficzną co 3
Wzmacniacz napięcia – rozwiązanie zadania przedstawiono na charakterystyce przejściowej UWY = f(UWE).
Rezystancja wejściowa dla sygnałów zmiennych rWE
Zgodnie z ideą metody rWE = Rd dla spadku napięcia wyjściowego o połowę. Należy więc U
odczytać R
WY
d z tabeli dla
= 1,45 V =0,725 V . W tabeli nie ma takiej wartości napięcia 2
2
wyjściowego. Można zauważyć, że wartość 0,725V znajduje się w środku przedziału 0,74V ÷ 0,71V. Dokładna wartość rezystancji wejściowej będzie znajdować się w środku przedziału
rezystancji
odpowiadających
powyższym
napięciom
3 k 3,5 k
R =
=3,25 k =r
d
2
WE
Rezystancja wyjściowa dla sygnałów zmiennych rWY
Zgodnie z ideą metody rWY = Rd dla spadku napięcia wyjściowego o połowę. Należy więc U
odczytać R
WY
d z tabeli dla
= 1,9 V =0,95 V . W tabeli nie ma takiej wartości napięcia 2
2
wyjściowego. Można zauważyć, że wartość 0,95V znajduje się w środku przedziału 1V ÷ 0,9V.
Dokładna wartość rezystancji wyjściowej będzie znajdować się w środku przedziału rezystancji 2 k 1,5 k
odpowiadających powyższym napięciom R =
=1,75 k =r
d
2
WY
Pasmo przenoszenia fgd ÷ fgg
Zgodnie z definicją pasma przenoszenia, dla częstotliwości granicznych wzmocnienie maleje √2
krotnie względem maksymalnego. Należy więc odczytać z tabeli częstotliwości, dla których V
102
wzmocnienie wynosi: k Umax
V
V
=
=72
2
2
V
Lp.
f [Hz]
UWY [V]
kU [V/V]
1.
10
0,11
7
2.
30
0,33
22
3.
50
0,60
40
4.
100
1,08
72
5.
300
1,44
96
6.
500
1,47
98
7.
1k
1,52
101
8.
3k
1,53
102
9.
30k
1,53
102
10.
100k
1,50
100
11.
300k
1,35
90
12.
500k
1,08
72
13.
1M
0,60
40
14.
2M
0,33
22
fgd = 100Hz
fgg = 500kHz
Można również wyznaczyć częstotliwości graniczne metodą graficzną co zostało przedstawione na charakterystyce częstotliwościowej.
4
Współrzędne punktu pracy
U
I = RC = 3,9 V =2,17 mA
C
R C
1,8 k
URB2 = UCC - URB1 = 12V - 9V = 3V
URE = URB2 - UBE = 3V - 0,6V = 2,4V
UCE = UCC - URC - URE = 12V - 3,9V - 2,4V = 5,7V
U
I
= RB2 = 3 V =167 A
RB2
R B2 18 k
U
I = RB1 = 9 V =176 A
RB1
R B1 51 k
IB = IRB1 - IRB2 = 176μA - 167μA = 9
μ
A
2. Charakterystyki wzmacniacza napięciowego: Charakterystyka przejściowa UWY = f(UWE)
2500
2250
2000
1750
1500
V] 1250
y [m 1000
Uw
750
500
250
0
0
2,5
5
7,5
10
12,5
15
17,5
20
22,5
25
27,5
30
Uwe [mV]
Up=20mV
Charakterystyka zniekształceń THD = f (UWE)
18
16
14
12
] 10
[%
HD
8
T
6
4
2
0
0
5
10
15
20
25
30
Uwe[mV]
5
Wzmacniacz napięcia – rozwiązanie zadania Charakterystyka częstotliwościowa kU = f(f)
110
kUmax 100
90
80
kUmax
70
√2
60
V]
50
[V/
Ku
40
30
20
10
0
10
100
1000
10000
100000
1000000
10000000
f[Hz]
f =100Hz
f =500kHz
gd
gg
VII. PORÓWNANIE WYNIKÓW POMIARÓW ORAZ WNIOSKI Z PORÓWNANIA I WSKAZANIA EKSPLOATACYJNE
Porównanie parametrów:
Wartość
Wartość zmierzona
Nazwa parametru
Uwagi
katalogowa
(obliczona)
Wzmocnienie napięciowe dla
100[V/V]
95[V/V]
zgodne
Robc = 5,5kΩ i THD = 5%
Napięcie przesterowania
20mV
20mV
zgodne
Rezystancja wejściowa
4kΩ
3,25kΩ
zbliżona
Rezystancja wyjściowa
1,8kΩ
1,75kΩ
zgodna
f
f
Pasmo przenoszenia
gd=100Hz
gd=100Hz
zbliżone
fgg=700kHz
fgg=500kHz
IC=2mA
IC=2,17mA
Współrzędne punktu pracy
UCE=6V
UCE=5,7V
zbliżone
IB=12μA
IB=9μA
Wniosek z porównania parametrów:
Większość parametrów jest zgodnych lub zbliżonych do założonych. Układ jest sprawny i gotowy do poprawnej pracy.
Wskazania eksploatacyjne:
Wzmacniacz należy zasilić napięciem stałym o wartości 12V.
U
Punkt pracy należy ustawić optymalnie tak, aby spełniony był warunek U = CC = 12V = 6V .
CE
2
2V
Wartości prądów bazy i kolektora powinny wynosić: IB = 12μA, IC = 2mA.
Rezystancja obciążenia powinna być większa lub równa od 5,5kΩ.
Temperatura otoczenia podczas eksploatacji wzmacniacza nie powinna przekraczać 50°C i być mniejsza niż 10°C, przy wilgotności powietrza nie przekraczającej 70%.
Ze względu na zbyt małą rezystancję wejściową wzmacniacza, do wejścia wzmacniacza nie należy podłączać układów o dużej rezystancji wyjściowej lub stosować wtórnik emiterowy.
6