Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok

Átírás

1 Analóg elektronika - laboratóriumi gyakorlatok. Diszkrét aktív alkatrészek és egyszerû alkalmazásaik. Elmélet A diszkrét aktív elektronikai alkatrészek (dióda, különbözõ tranzisztorok, tirisztor) elméleti ismertetése az. prezentációban található. A diszkrét alkatrészekkel építhetõ egyszerû áramköröket a. és az utána következõ fejezetekben tárgyaltuk. Számítási feladatokkal a táblagyakorlatokon találkoztak a hallgatók.. Leírás Ez a laboratóriumi gyakorlat során a hallgatók a diszkrét aktív alkatrészek (dióda, bipoláris tranzisztoros, MOSFET, IGBT, tirisztor) viselkedésével ismerkednek meg teszt áramkörökben és egyszerû valós kapcsolásokban.. Szimuláció A mérések elõtt elemezze a félvezetõ alkatrészek viselkedését számítógépes szimulációkkal... Félvezetõ dióda statikus jelleggörbéje. ábra: Félvezetõ dióda jelleggörbéi különbözõ hõmérsékletekre: N8 típusú kisjelû dióda, DSEI0-0 típusú teljesítménydióda. Rajzoltassa meg a statikus jelleggörbét egy adott hõmérsékletre az alábbi szimulációs modell segítségével:

2 . ábra: Félvezetõ dióda statikus jelleggörbéjének kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a jelleggörbe V D =f(i D )... Bipoláris tranzisztor (BJT) statikus jelleggörbéi. ábra: Bipoláris tranzisztor statikus jelleggörbéi (BC típus): kimeneti görbesereg I C =f(v CE ), I B =const., átviteli görbe I C =f(v BE ). A kimeneti statikus jelleggörbéket rajzoltassa ki az alábbi szimulációs modell segítségével:. ábra: Bipoláris tranzisztor statikus kimeneti jelleggörbéinek kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a kapott jelleggörbék.

3 .. Tranzisztoros logikai inverter átviteli karakterisztikája Állítsa össze az alábbi modellt és rajzoltassa meg az átviteli karakterisztikát!. ábra: A logikai inverter szimulációs modellje és szimulációval kapott átviteli karakterisztikája V OUT =f(v IN )... Közös emitterû erõsítõ munkapontjának beállítása és dinamikus viselkedése Határozza meg a közös emitterû erõsítõ munkapontját szimulációval az alábbi modell alapján! V(c): 7.88 V:.7 V(e): 0.87 V(n00): Ic(Q): Ib(Q):.88e-00 Ie(Q): I(R): I(R): I(R): I(): I(V): ábra: A közös emitterû erõsítõ munkapont beállító részének szimulációs modellje, a szimuláció eredményeként kapott áram- és feszültségértékek. Vizsgálja ki az erõsítõ viselkedését idõtartományban az alábbi szimulációs modell alapján! 7. ábra: A közös emitterû erõsítõ viselkedésének szimulációja idõtartományban: a szimulációs modell, a bemenõ feszültség- (kék), a kollektor feszültség- (piros) és a kimenõ feszültség (zöld) idõdiagramjai. Figyelje meg a nemlineáris torzítást, a fázisváltozást és a kezdeti átmeneti jelenséget!

4 Vizsgálja ki az erõsítõ viselkedését a 00 Hz - MHz frekvencia-tartományban (AC analízis) az alábbi szimulációs modell alapján! 8. ábra: A közös emitterû erõsítõ váltakozó áramú vizsgálata, lineáris viselkedést feltételezve: szimulációs modell, amplitúdó- és fázisdiagram... JFET statikus jelleggörbéi 9. ábra: N-csatornás JFET statikus jelleggörbéi (BF típus): kimeneti görbesereg I D =f(v DS ), V GS =const., átviteli görbék I D =f(v GS ). A kimeneti statikus jelleggörbéket rajzoltassa ki az alábbi szimulációs modell segítségével: 0. ábra: N-csatornás JFET kimeneti statikus jelleggörbéinek kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a kapott jelleggörbék.

5 .. MOSFET statikus jelleggörbéi 9. ábra: N-csatornás MOSFET statikus jelleggörbéi (BS70 típus): kimeneti görbesereg I D =f(v DS ), V GS =const., átviteli görbék I D =f(v GS ). A kimeneti statikus jelleggörbéket rajzoltassa ki az alábbi szimulációs modell segítségével: 0. ábra: N csatornás MOSFET kimeneti jelleggörbéinek kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a kapott jelleggörbék...7 IGBT jelleggörbéi. ábra: N-csatornás IGBT statikus jelleggörbéi (SGP07N0 típus): kimeneti görbesereg I C =f(v CE ), V GE =const., átviteli görbék I C =f(v GE ). IGBT modell csak az újabb, LTspice XVII szoftverben található. Ebben a szoftverben alakítható ki a lenti szimulációs modell és rajzoltathatók ki a statikus jelleggörbék.

6 . ábra: N csatornás IGBT kimeneti statikus jelleggörbéinek kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a kapott jelleggörbék...8 Tirisztor viselkedése. ábra: A tirisztor viselkedésének általános jellemzésére szolgáló diagramok, a kimenõ jelleggörbe az adatlapról (FS típus). Az LTspice szoftverben nincs elõkészített tirisztor modell gyártott típusokra. A viselkedést tranzisztoros helyettesítõ áramkörrel kaphatjuk meg, a.subckt parancsot alkalmazva az alábbi szimulációs modellben.. ábra: Tirisztor kimeneti (fõáramköri) jelleggörbéjének kirajzoltatását végzõ szimulációs modell, a kapott jelleggörbe.

7 . Felszerelés a mérésekhez. Próbapanel. Kétcsatornás digitális oszcilloszkóp. Jelgenerátor. Különbözõ diszkrét aktív- (félvezetõ-) és passzív alkatrészek. Tápegység. Mérések Ebben a lépésben a hallgatók mérésekkel ellenõrzik az elméleti tudásukat az alkatrészekrõl és a szimulációval kapott viselkedést... Félvezetõ dióda jelleggörbéje Állítsa össze próbapanelon az alábbi áramkört! A dióda polaritását ellenõrizze multiméterrel (. ábra)! Változtassa a V I bemeneti feszültséget 0 és 0 V között, megközelítõleg V-os lépésekben! Mérje ki az egyes pontokban a dióda feszültségét és az ellenállás feszültségét! Az ellenállás feszültségébõl számítsa ki a dióda áramát! Töltse ki a táblázatot! Rajzolj a meg a statikus jelleggörbét!. ábra: Az N00 dióda tokozása. A világos csík a végén a katódot jelöli. Vi Vr Vd D 00 Ohm N00 Id [ma] Vd[V] 0 0, 0, 0, 0,8,0 Szám Vi Vr Id Vd [V] [V] [ma] [mv].. Bipoláris tranzisztor (BJT) statikus jelleggörbéi Állítsa össze próbapanelon az alábbi áramkört! A tranzisztor lábkiosztását a. ábrán láthatja. Az.-8. mérésekhez a V BB forrás állításával állítsa be az I B áramot 0 ìa értékre, használja az I B =V / összefüggést. A V CE feszültséget állítsa a V CC forrás segítségével 0-tól 7V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V CE és I C értékeket a táblázatban. I C -t számítsa az I C =V R /R összefüggésbõl.

8 . ábra: A BC típusú bipoláris tranzisztor tokozása és lábkiosztása. A 9.-. mérésekhez a V BB forrás állításával állítsa be az I b áramot 0 ìa értékre, használja az I B =V / összefüggést. A V CE feszültséget állítsa a V CC forrás segítségével 0-tól 7V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V CE és I C értékeket a táblázatban. Az I C számítsa az I C =V R /R összefüggésbõl. Rajzolja meg a fenti két bázisáram-értékre a kimeneti statikus jelleggörbét I C =f(v CE ), I B =const. VBB V M IC[mA] Q BC 0 VR R k0 VCE VCC 7 VCE[V] Szám V IB VCE VR IC [V] [ua] [V] [V] [ma].. Logikai inverter átviteli karakterisztikája Állítsa össze próbapanelon az alábbi áramkört! A V I forrás feszültségét változtassa 0-tól 0V-ig, V-os lépésekben! Mérje ki minden beállításnál a V O kimeneti feszültséget! Töltse ki a táblázatot és rajzolja meg az átviteli karakterisztikát!

9 R 0 8 VI M0 VO[V] 0 Q BC 7 k0 VO VCC VI[V] Szám VI VO [V] [V].. Földelt emitteres erõsítõ DC és AC üzemben Állítsa össze a közös emitterû erõsítõ munkapontjának beállítását végzõ áramkört a próbapanelen! Kapcsoljon az áramkörre V CC =V feszültségû forrást! Mérje ki és írja be a táblázatba a megfelelõ feszültségértékeket! Az I B áramot számítsa az I B =(V CC -V B )/ - V B /R képlet szerint. Az I C áramot számítsa az I C =V R /R képlet szerint! 8k IB R k0 IC Q BC VR VCE VB [V] VE [V] IB [ua] VR [V] IC [ma] VCE [V] VB R 0k R k0 VE VCC Hasonlítsa össze a mért értékeket a korábban (.. pont) szimulációval kapott értékekkel! Mi az oka az eltéréseknek? Állítsa össze a teljes közös emitteres erõsítõ kapcsolást a próbapanelen! Vezessen a bemenetre 00mV amplitúdójú, khz frekvenciájú szinusz feszültséget. Figyelje meg oszcilloszkóppal a bemenõ jelet (V g ) és a kimenõ jelet (V o )! Rajzolja át a jeleket a megadott koordináta rendszerekbe! Jegyezze fel a táblázatba a mért és a kiszámított értékeket!

10 k Vg C u0 R 8k R 0k R k0 Q m0 BC R k0 C C m0 R k0 Vo VCC Vg[mV] Vo[V] t[ms] f [Hz] Vgpp [mv] Vopp [V] Av Av [db] 0 - t[ms] -.. MOSFET statikus jelleggörbéi Állítsa össze próbapanelon az alábbi áramkört! A BS70 típusú MOSFET lábkiosztását a. ábrán láthatja.. ábra: a BS70 típusú MOSFET lábkiosztása. VGG ID[mA] Q BS70 V k0 VDS VDD 0 7 VDS[V] Szám VGG V [V] ID [ma]

11 Az.-8. mérésekhez, a V GG forrás állításával, állítsa be az I D áramot 0 ma értékre V DS =V feszültség környékén, használja az I D =V / összefüggést! A V DS feszültséget állítsa a V DD forrás segítségével 0-tól 7V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V DS és I D értékeket a táblázatba! A 9.-. mérésekhez a V BB forrás állításával állítsa be az I D áramot 0 ma értékre V DS =V feszültség környékén, használja az I D =V / összefüggést! A V DS feszültséget állítsa a V DD forrás segítségével 0-tól 7V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V DS és I D értékeket a táblázatba! Rajzolja meg a kapott két kimeneti jelleggörbét!.. IGBT statikus jelleggörbéi Állítsa össze forrasztással az alábbi áramkört! A STGDNB0SD típusú IGBT tokozását és lábkiosztását a 7. ábrán láthatja. 7. ábra: Az STGDNB0SD típusú IGBT tokozása és lábkiosztása: () gate, ( - a tokozás hátulját képezõ fémlap) kollektor, () emitter. Az IGBT nagy teljesítményû alkatrész, kapcsoló üzemre van optimalizálva. Vizsgálatát itt nem tudjuk a teljes áram és feszültség tartományban végezni, hanem csak egy kis értékekre, a koordináta rendszer kezdõpontjának közelében. Az.-. mérésekhez, a V GG forrás állításával, állítsa be az I C áramot 0,A értékre V CE =V feszültség környékén, használja az I C =V / összefüggést! A V CE feszültséget állítsa a V CC forrás segítségével 0-tól V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V CE és I C értékeket a táblázatba! Az 7.-. mérésekhez, a V GG forrás állításával, állítsa be az I C áramot 0,8A értékre V CE =V feszültség környékén, használja az I C =V / összefüggést! A V CE feszültséget állítsa a V CC forrás segítségével 0-tól V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V CE és I C értékeket a táblázatba! Rajzolja be a kapott két statikus jelleggörbét (I C =f(v CE ), V GE =const.) a megadott koordináta rendszerbe! STGDNB0SD,0 0,8 0, 0, 0, VGG IC[A] Q IC VCE V R7/W 0 VCE[V] VCC Szám VGG V IC VCE [V] [V] [A] [V]

12 ..7 Tirisztor viselkedése Állítsa össze forrasztással az alábbi áramkört! A BT8-00R típusú tirisztor lábkiosztását a 8. ábrán láthatja. 8. ábra: Az BT8-00R típusú tirisztor tokozása és lábkiosztása: () katód, ( - a tokozás hátulját képezõ fémlappal együtt) anód, () gate. A tirisztor nagy teljesítményû alkatrész, kapcsoló üzemre van optimalizálva. Vizsgálatát itt nem tudjuk a teljes tartományban végezni, hanem csak egy kis részen, a koordináta rendszer kezdõpontjának közelében. A mérésekhez, a V GG forrás V-ra állításával biztosítson 0mA körüli állandó gyújtóáramot a tirisztornak! A V AA feszültséget állítsa 0-tól V-ig terjedõ értékekre, nagyjából V-os lépésekben. Jegyezze fel a V AK és az I A értékeket a táblázatba! Használja az I A =V / összefüggést! Rajzolja meg a tirisztor kimeneti (fõáramköri) jelleggörbéjét: I A =f(v AK ) a mért értékek alapján! V IA Q k0 R7/W VAK VAA,0 0,8 0, 0, VGG IA[A] Szám VGG V IA VAK [V] [V] [A] [V] 0, VAK[V] 0 0, 0, 0,7,0, Hallgató(k): Név: Index szám: Aláírás: