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 U_z. 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 U_z, 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: