WIADOMOŚCI WSTĘPNE:
Napięcia o przebiegach niesinusoidalnych są często stosowane w urządzeniach elektronicznych do różnych celów: jako napięcie podstawy czasu w oscyloskopach lub urządzeniach telewizyjnych, do sterowania układów liczących, w układach impulsowych itd. Napięcia te uzyskuje się przy użyciu generatorów drgań niesinusoidalnych, czyli układów wytwarzających napięcie o pożądanym przebiegu lub przez odpowiednie kształtowanie napięć sinusoidalnych.
Jeżeli drgania charakteryzuje szybka zmiana wartości wielkości drgającej w ciągu bardzo małej części okresu i późniejsza powolna jej zmiana w następnej części okresu, to drgania mają charakter relaksacyjny. Przykładem takich drgań są drgania piłokształtne (trójkątne) uzyskiwane w generatorach dzięki wykorzystaniu procesów ładowania i rozładowania kondensatora ze źródła napięcia stałego. Układ taki musi zawierać element ograniczający prąd ładowania kondensatora oraz element umożliwiający przejście kondensatora z procesu ładowania do rozładowania i odwrotnie (są to zwykle elementy nieliniowe, których charakterystyka u=f(i) w pewnym przedziale jest funkcja malejącą).
Przykładem takich elementów jest dioda gazowana (neonówka), trioda gazowana (tyratron), a z elementów półprzewodnikowych - diak i dynistor.
Analiza obwodu RC z diodą gazową:
W chwili t=0 warunek początkowy jest zerowy, a po doprowadzeniu napięcia stałego U0 kondensator o pojemności C ładuje się poprzez opornik o rezystancji R1 aż do chwili t2, w której napięcie na kondensatorze osiągnie wartość progową Uz. Do chwili t2 neonówka nie przewodziła i jej rezystancję wewnętrzną można było przyjąć za nieskończenie wielką. W chwili t2 neonówka zaczyna przewodzić i jej rezystancja wewnętrzna maleje skokiem do wartości stosunkowo nieznacznej. W oczku powstałym przez połączenie elementów R2 C kondensator rozładowuje się i napięcie na nim maleje do wartości U3 osiągniętej w chwili t3. Napięcie to jest za niskie, aby podtrzymać stan przewodzenia neonówki, więc przechodzi ona w stan zaporowy. Od tego momentu cykl powtarza się pomijając oczywiście stan początkowy, w którym napięcie na kondensatorze było równe zeru.
Analiza obwodu RC z diakiem:
Diak jest symetryczną, dwukierunkową diodą przełączającą o strukturze trójwarstwowej. Jego charakterystyka prądowo-napięciowa z obszarem o ujemnej rezystancji różniczkowe umożliwia budowę układów wytwarzających impulsy o zmiennej polaryzacji. Z charakterystyki wynika, że obszar ujemnej rezystancji występuje dla wszystkich wartości przekraczających prąd przełączenia. Diak wykorzystywany jest często w układzie generatora relaksacyjnego do sterowania tyrystorów jedno i dwukierunkowych.
Zasada pracy diaka jest taka sama jak neonówki. Jeżeli kondensator jest naładowany, to po dołączeniu źródła prądu kondensator ładuje się, a napięcie na diaku rośnie. Gdy napięcie na diaku osiąga wartość Uz, diak zaczyna przewodzić, kondensator rozładowuje się, a prąd diaka po skokowym wzroście maleje do wartości, przy której diak przestaje przewodzić. Rozpoczyna się ponowne ładowanie kondensatora i proces powtarza się cyklicznie.
WYKONANIE ĆWICZENIA:
Badanie układu z diodą gazowaną (stabiliwoltem):
Pomiar napięcia zapłonu i gaśnięcia stabiliwoltu:
Pomiaru dokonaliśmy trzykrotnie zwiększając napięcie zasilające o obserwując moment zapłony stabiliwoltu. Napięcie, przy którym to nastąpiło było szukanym napięciem zapłonu. Od razu po zapłonie napięcie szybko malało, więc należało powtórzyć pomiar w celu dokonania dokładniejszego pomiaru. Podobnie badaliśmy napięcie gaśnięcia stabiliwoltu. Trzykrotnie zmniejszaliśmy napięcie obserwując moment zgaśnięcia stabiliwoltu.
Lp |
Uz |
Uzśr |
Ug |
Ugśr |
|
V |
V |
V |
V |
1 |
93 |
|
68 |
|
2 |
93 |
92,87 |
68 |
67,96 |
3 |
92,6 |
|
67,9 |
|
Jak widać dioda gazowana „zapala” się i gaśnie przy tych samych wartościach napięcia. Odchyłka w ostatnim pomiarze jest spowodowana prawdopodobnie błędem odczytu, a poza tym jest bardzo niewielka. Tak więc można uznać, że stabiliwolt nieźle spełnia swoje zadanie.
Pomiar częstotliwości drgań relaksacyjnych:
Pomiary przeprowadziliśmy dla dwóch różnych napięć i dwóch różnych wartości rezystancji R0. Mierzyliśmy przy pomocy stopera czas dziecięciu zapłonów i zgaśnięć i dzieliliśmy przez ilość drgań relaksacyjnych. Otrzymana wartość była szukanym przez nas okresem drgań.
Lp |
U |
R |
C |
T |
Tobl. |
|
V |
kΩ |
μF |
s |
s |
1 |
101 |
330 |
4 |
2,3 |
1,85 |
2 |
110 |
330 |
4 |
1,4 |
1,185 |
3 |
130 |
1000 |
4 |
2,2 |
2,053 |
4 |
151 |
1000 |
4 |
1,5 |
1,426 |
Wartość okresu drgań można też obliczyć ze wzoru:
Jak widać wartości wyznaczone analitycznie są nieco mniejsze od zmierzonych. Może to wynikać z niedokładności pomiarów, jak i niedokładności wzoru, który nie uwzględnia rezystancji diody gazowanej. W każdym razie wraz ze wzrostem napięcia i rezystancji R wartości zmierzone i obliczone są sobie coraz bliższe.
Badanie układu z diakiem:
Wyznaczanie charakterystyki diaka:
Na wykresie widać, że „droga” załączania i „wyłączania” diaka nie jest taka sama. Przy włączeniu nagłemu wzrostowi prądu towarzyszy spadek napięcia, zaś przy wyłączaniu maleje prąd, wzrasta napięcie i diak pozostaje wyłączony, aż do wzrostu napięcia przy przeciwnej polaryzacji.
Obserwacja drgań relaksacyjnych: