3. Mérés. Áramkör építési gyakorlat III Összeállította: Mészáros András

Átírás

1 . Mérés Áramkör épíési gyakorla III Összeállíoa: Mészáros András Az elkövekező mérés első fele ké kapcsolás erejéig ová aglalja a művelei erősíővel megvalósíhaó egyszerű áramkörök émaköré: elaxációs oszcilláor, Egyszerű PWM generáor, Háromszög-négyszögjel generáor. A mérés második feléen a legalapveő időzíő inegrál áramkörrel megvalósío kapcsolások vizsgálaa lesz. Az emlíe időzíő az NE555. AZ 555-ös IC számos módon alkalmazhaó, a mérés során azonan csupán a legegyszerű felhasználásai kerülnek emuaásra, melyek az aláiak: Asail muliviráor, Monosail muliviráor, Pulzusszélesség moduláor. Alkarész jegyzék: C4558 d, NE555 d, N4007 d, zöld LED d, k ellenállás d, 0k ellenállás d, 56k ellenállás d, 0k poencioméer d, 5nF kondenzáor d, 470nF kondenzáor d. A mérőáramkörök eseleges gerjedése elkerülése vége illesszünk 470nF-os szűrőkondenzáoroka a -GND és/vagy -GND ápponok közé!

2 . ára: C4558 láoszása. ára: NE555 láoszása és első felépíése Az első mérési úmuaóan szereplő módon ismé ellenőrizzük le a méréshez rendelkezése ocsájo művelei erősíő működőképességé (a mérés során használ művelei erősíő DIP8-as okjáan mindké erősíő hajsuk meg nullkomparáoros üzemmódan)!

3 . elaxációs oszcilláor Művelei erősíők gyakori felhasználási erülee a harmonikus jelek előállíása, oszcilláorok, rezgéskelők, függvénygeneráorok készíése. Az egyik legegyszerű, négyszögjel és fűrészjel előállíására alkalmas áramkör az. árán láhaó relaxációs oszcilláor. A művelei erősíő i hiszerézises komparáorkén üzemel, melynek illenési szinjei és ellenállások oszásaránya állíja e. Amikor a mene logikai -e (azaz -e) illen, akkor öleni kezdi a C kondenzáor ellenálláson kereszül, annak időállandójának megfelelően (τc). Amikor C kondenzáoron elég nagy a feszülség ahhoz, hogy a hiszerézises komparáor illenési feléele eljesüljön, akkor a mene logikai 0 -a (- -e) illen á, majd süni kezdi a kondenzáor szinén ellenálláson kereszül addig, amíg C feszülsége el nem éri a hiszerézis másik illenési szinjé; ez a jelenség ismélődik. Emia éréke közel ± szélsőérékű négyszögjel, míg a kondenzáor jelalakja, azaz fűrészjel lesz.. ára: elaxációs oszcilláor művelei erősíővel A relaxációs oszcilláor működése a kövekező:. Legyen az inveráló emene poenciálja -, a nem inveráló emeneé pedig.. Tensük a művelei erősíő emeneeinek áramá zérusnak (I I - 0).. Mivel a művelei erősíő emeneére egy ellenállásoszón kereszül visszacsaoljuk a menei feszülség éppen akuális éréké, így: ± Az így kapo ké illenési szin a meneől függően lehe poziív ( ) vagy negaív (- ), de aszolúérékük megegyezik (szimmerikus áplálás eseén!) feszülség megegyezik -vel, ami egyúal a C kondenzáor feszülsége, így: C

4 4 4. ára: A relaxációs oszcilláor időfüggvényei 5. Vegyük alapul a kondenzáor ölődési göréjé (4. ára; állandósul állapoáan); ekkor a göre indulási ponja a negaív illenési/komparálási szin (- ), a göre végéréke pedig a poziív ápfeszülség lenne, azonan a poziív illenési szinig ( ) ölődik csupán, azán áillen az áramkör. C e τ ) ( 6. Az áramkör áillenése akkor kövekezik e, ha C (mivel ez periódusonkén készer kövekezik e, ezér a formulákan szereplő T/). e τ ) ( 7. Az egyenlee rendezve, majd --el szorozva: τ e 8. Mindké oldalhoz -e adva, majd a al oldal öré alakíva: τ e 9. Az egyenle al oldalán ehelyeesíve helyére a. formulá, majd rendezve:

5 0. Visszahelyeesíve a 8. képlee: e τ. Mindké oldal ermészees alapú logarimusá (ln) véve: ln. Alkalmazva a -ln(x)ln(/x) összefüggés:. -re rendezve: ln τ 4. τ C és T, ezér a végképle: τ τ ln T C ln A kapcsolás izonyos eseeken sajnálaos háránya azonan az, hogy pon, azaz a kondenzáoron megjelenő fűrészfeszülség csak nagy emenei impedanciájú fokozaal erhelheő, különen erős és nem kívánaos haás gyakorolhaó a működési frekvenciára, vagy a rezonancia meg is szűnhe. Méréshez szükséges adaok: IC: C4558 ( ±0V) 0kΩ C5nF *A kapcsolás jelalakjai leheőleg mm-papíron kerüljenek rögzíésre! Mérési feladaok:. Mérjük meg az oszcilláor frekvenciájá, majd számíással igazoljuk annak helyességé!. Oszcilloszkópról olvassuk le a ponon a hiszerézises komparáor illenési szinjei, számíással igazoljuk!. Árázoljuk a menei jelalakoka fázishelyesen! Ne szedjük szé a kapcsolás! 5

6 . Pulzusszélesség-moduláor A gyakorlaan számalanszor szükség van szaályozási köröken, vagy vezérlési láncokan olyan négyszögjelre, aminek a ölési ényezője, más néven az impulzusszélessége információ hordoz magáan, vagy vezérlési céloka valósí meg. Mind híradásechnikáan, mind pedig vezérlés- és szaályozásechnikáan (pl.: fényforrások fényerő szaályozása) használaos az úgyneveze pulzusszélesség-moduláció (angolul pulsewidh modulaion, azaz PWM), mely rendkívül egyszerűen megvalósíhaó, amennyien az előző kapcsolás megoldjuk egy komparáorral. A 5. árán láhaó komparáornak ideális eseen nincs hiszerézise (vagyis a művelei erősíő S-je kellően nagy), azaz egy illenési szinje van, ami a P poencioméer állí e. Amennyien a emeneére kapcsoljuk a. felada során megépíe áramkör meneé, akkor a komparáor meneén a poencioméerrel eállío feszülséggel arányos ölési ényezőjű (d, duy cycle) PWM jel jelenik meg (szemléleés: 6. ára). A eállío feszülség és a ölési ényező közii lineariás a emenei fűrészfeszülség jelalakjáól függ (lineáris vagy nem lineáris fel-, lefuó élek ). Megjegyzés: A mérés során használ művelei erősíő felfuási meredeksége véges (C4558: S.V/µs), ezálal a hiszerézis-jelenség valamilyen méréken megfigyelheő lesz. Nagyon jó példa a felhasználására a DC moorok fordulaszám szaályozása, ahol a moor ápvonalával sora elhelyeze kapcsoló MOSFET-e vezéreljük PWM-el, minek kövekezéen a moor fordulaszáma arányos lesz a ölési ényezővel (ilyenkor a moor mechanikai eheelensége fogja inegrálni a jele, így olyan, minha válozahaó érékű DC jele kapo volna). Másik példa a LED-ek fényerő szaályozása, ahol a LED villódzásá maga az emeri szem inegrálja (hasonlóan a kaódsugárcsöves megjeleníő eszközöknél). 5. ára: PWM generáor A valóságan ermészeesen ref -e úlnyomórész valamilyen egyé áramkör menei jele szolgálaja (pl. fordulaszám ávadó, mikrokonroller D/A konvererének inegrál jele s.). 6

7 6. ára: A pulzusszélesség-moduláció jellemző jelalakjai Az 6. ára szemlélei egy ipikus PWM áramkör működésé a gyakorlaan. A felső időfüggvényen láhaó háromszögjel enheő a emenei feszülségnek, a szinusz jel pedig a szaályozó feszülségnek, azaz ref -nek. Láhaó, hogy a menei jel akkor veszi fel a logikai állapoo, amennyien a referenciafeszülségnél nagyo ampliúdójú a fűrészfeszülség. Ez a jelenség igény szerin megfordíhaó (inverálhaó) úgy, hogy a művelei erősíő inveráló és nem inveráló emeneé felcseréljük. Méréshez szükséges adaok: IC: C4558 ( ±0V) P0 kω kω Zöld LED *A kapcsolás jelalakjai leheőleg mm-papíron kerüljenek rögzíésre! Mérési feladaok:. Vizsgáljuk meg a moduláor menei jelalakjá ö fix érékű ref eseén úgy, hogy e és jelalakjai rögzíjük fázishelyesen!. Vegyük fel a moduláor ref -d karakeriszikájá!. Tegyünk LED-e a menere előéellenállással és győződjünk meg a PWM eljesíményszaályozó haásáról! 7

8 . Háromszög- négyszögjel generáor A.-en ismeree kapcsolás háránya, hogy a fűrészjel lineariása rossz és erhelni sem szaad, hiszen az megválozaja az C ag rezonanciafrekvenciájá, vagy le is állíja a rezgés. Az 7. árán láhaó kapcsolásan a hiszerézises komparáor és az inegráor különszedésre kerül, ezálal (mivel akív inegráló ag van a kören) lineárisa háromszögjele kapunk, ami ráadásul joan is erhelheő. 7. ára: Háromszög- négyszögjel generáor A működési frekvenciá az alái képle írja le: T 4 C Méréshez szükséges adaok: IC: C4558 ( ±0V) kω 0kΩ C00nF P0kΩ *A kapcsolás jelalakjai leheőleg mm-papíron kerüljenek rögzíésre! Mérési feladaok:. Mérjük meg az oszcilláor frekvenciájá, majd számíással igazoljuk annak helyességé!. Árázoljuk a menei jelalakoka fázishelyesen!. -e cseréljük poencioméerre, majd vizsgáljuk meg a működés haárai! 8

9 .4 Asail muliviráor 555-el A legegyszerű alkalmazása az 555-ös időzíőnek az asail muliviráoros üzemmód. Een az eseen a TIGGE () és a TESHOLD (6) emeneek összeköésre kerülnek, így izosíva, hogy az oszcilláor szaadon fuó legyen. Bekapcsoláskor a C kondenzáor és ellenállások soros eredőjén folyó árammal ölődni kezd, majd amin eléri a kondenzáor feszülsége az IC elsejéen alálhaó oszó álal eállío komparálási feszülsége (/ áp ), akkor a DISCHAGE (7) lá mögö alálhaó ranziszor nyi, majd C kondenzáor sül ellenálláson kereszül mindaddig, amíg a feszülsége / áp -ra le nem esik. Ez a folyama ismélődik, így lérehozva az állandó rezgés. A CONTOL VOLTAGE (5) vezeésre helyeze kondenzáor szűrési céloka valósí meg, így sailizálva a rezgési frekvenciá. Insail működés vagy gerjedés eseén a ápágra elhelyeze (470nF) szűrőkondenzáor az 555-ös időzíő eseén is megoldás ud jeleneni. 8. ára: 555-ös asail muliviráor (Texas Insrumens kaalógus) Az asail muliviráor működésé leíró képleek: 0 C,69( ) 0, 69C d 00% T 0 C f,69( ) T (,44 ) C Ahol a mene magas (HIGH) szinű, az alacsony (LOW) szinű ideje periódusonkén, d pedig a ölési ényező (közelíő képle). 9

10 A szaadon fuó asail muliviráor rezgési frekvenciája, valamin a rezgőkör alkoó, és C kondenzáorok közöi összefüggés a 9. ára szemlélei ez a grafikon ermészeesen a gyors számíás, vagy akár annak mellőzésé is leheővé eszi. 9. ára: Az asail muliviráor frekvencia - rezgőköri elemek grafikonja (Texas Insrumens kaalógus) Az NE555-el megvalósío asail muliviráor jellemző jelalakjai a 0. ára muaja e (kaalógus ada, a hozzáarozó és C érékek eseéen): 0. ára: Az asail muliviráor ipikus jelalakjai (Texas Insrumens kaalógus) Méréshez szükséges adaok: IC: NE555 ( 9V) a, ese:, ese: c, ese: 0kΩ 0kΩ 56kΩ 0kΩ 56kΩ 0kΩ C 5nF C 5nF C 5nF C470nF (az IC 5-ös láán) Mérési feladaok:. Valósísuk meg a kapcsolás az a ese szerin és vizsgáljuk meg a -as és 6-os láak jelalakjai fázishelyesen! A menei jel frekvenciájá és ölési ényezőjé is igazoljuk számíással; az eseleges elérés magyarázzuk meg!. Isméeljük meg az. ponan foglalaka a és c ese adaai szerin is! 0

11 .5 Monosail muliviráor 555-ös időzíővel A monosail muliviráor egy olyan áramkör, aminek csak egy sail állapoa van, innen származik az elnevezése. Aan az eseen, ha eől a sail állapoól illenjük egy külső jellel, azaz rigger impulzussal, akkor a muliviráor menee áillen ellenées előjelűvé az áramkören alálhaó rezgőkör időállandójának megfelelő ideig. Eől adódóan a gyakorlaan örénő felhasználása az, hogy igény szerin szélesíeni lehe keskeny impulzusoka (ez a gyakraan előforduló ese), vagy keskenyíeni széleseke.. ára: 555-ös időzíővel megvalósío monosail muliviráor (Texas Insrumens kaalógus) A. árán láhaó muliviráor emenee / áp ampliúdójú lefuó élre reagál. Amin a riggerelés ekövekezik, úgy a mene magas szine (HIGH) kerül mindaddig, amíg az C rezonáns ag kondenzáora el nem éri a / áp feszülsége. Amin ez ekövekezik, a mene ismé alacsony szine (LOW) kerül és o is marad mindaddig, amíg nem érkezik úja rigger impulzus. Megjegyzendő azonan, hogy mivel a kondenzáor ölődésének méréke és a komparáor TESHOLD éréke is közvelenül és együesen függ a ápfeszülségől, így végeredményül az időzíés ideje ápfeszülség függelen lesz. Eől az egyszerűsödésől kövekezik, hogy a mene magas állapoan ölö ideje: C A monosail muliviráor rezgőköri elemeinek és a menei jel magas szinje közöi összefüggés grafikusan szemlélei a. ára.

12 . ára: Monosail muliviráor impulzusszélesség rezgőkör gráfja (Texas Insrumens kaalógus) Az NE555-el megvalósío monosail muliviráor jellemző jelalakjai a. ára muaja e (kaalógus ada, a hozzáarozó és C érékek eseéen):. ára: Monosail muliviráor jellemző jelalakjai (Texas Insrumens kaalógus) Méréshez szükséges adaok: IC: NE555 ( 9V) a, ese:, ese: c, ese: 0kΩ kω 56kΩ C 5nF C 5nF C 5nF C470nF (az IC 5-ös láán) * A rigger emene meghajáskor érdemes a függvénygeneráor TTL meneé alkalmazni Mérési feladaok:. Valósísuk meg a kapcsolás az a ese szerin és vizsgáljuk meg a -as és 6-os láak jelalakjai fázishelyesen! A menei jel ölési ényezőjé igazoljuk számíással! Végezzük el ezen vizsgálao legalá 4 egymásól jelenősen elérő frekvencián!. Isméeljük meg az. ponan foglalaka a és c ese adaai szerin is!

13 .6 Pulzusszélesség moduláor Egyszerű igények elégíésére válóan alkalmas a 4. árán láhaó PWM áramkör. Az áramkör alapjá i is az asail muliviráoros eköés adja, de a ké dióda és a poencioméer alkoa szaályozóegységnek köszönheően a periodikus menei jel (HIGH) és (LOW) részeinek aránya állíhaó lesz. A működési frekvencia, illeve és idők meghaározásához a formulák már ismereésre kerülek a.4 mérési ponan, azonan némi válozaás igényelnek. P és P ; ahol P a poencioméer kapcsolási rajz szerini al oldali vezeése vagyis a D dióda felőli - és a csúszka közöi ellenállás érék, P pedig a csúszka és a D dióda felőli vezeés ellenállás éréke. Az így kapo képleek jól használhaóak, amennyien a diódák dinamikus ellenállása hanyagolhaó és P érékéhez képes (ez jellemzően eljesül). Bár az 555-ös időzíő ípusól függően akár 00mA- is képes az OT ponján szolgálani, a gyakorlaan mégsem szokás közvelen meghajásra alkalmazni (maximum néhány LED, vagy egy PC venilláor erejéig). A menere rend szerin valamilyen kapcsolóeszköz eszünk (N-csaornás MOSFET-e leggyakraan), majd a vezérelni kíván eszköz a FET munkaellenállásakén köjük e. 4. ára: PWM generáor Méréshez szükséges adaok: IC: NE555 ( áp 9V) D és D N4007 normál Si dióda kω P 0kΩ C 470nF C 5nF Mérési feladaok:. Vegyük fel a poencioméer szögelfordulása és a ölési ényező közöi összefüggés karakeriszika formájáan! (A poencioméer eljes érése 70, szemmel is megecsülheők a 45 -os lépékek.). Vizsgáljuk meg a moduláor és C, azaz a C kondenzáoron eső feszülségének, valamin a DISCHAGE lá jelalakjai fázishelyesen!

14 .6 Ellenőrző kérdések:. ajzolja fel a relaxációs oszcilláor kapcsolási rajzá! Adja meg a rezonancia frekvenciá leíró formulá!. Ismeresse röviden a relaxációs oszcilláor működésé! Árázolja a jellemző jelalakoka!. Hogyan használhaó a relaxációs oszcilláor PWM-re? 4. Mi a PWM? Muasson e egy leheséges elállíási módo! 5. Soroljon fel minél ö példá a PWM leheséges felhasználására! 6. ajzolja fel a háromszög-négyszögjel generáor kapcsolási rajzá! Adja meg a rezonancia frekvencia képleé! 7. Muassa e a háromszög-négyszögjel generáor működésé, előnyé a relaxációs oszcilláorral szemen! 8. ajzolja le az 555-ös időzíő első felépíésé! 9. ajzolja le és muassa e az 555-el megvalósío asail muliviráor és ismeresse működésé! 0. ajzolja le az 555-el megvalósío asail muliviráor, valamin a jellemző jelalakoka!. Adja meg az 555-el megvalósío asail muliviráor rezonanciára, és magas-alacsony szinidőkre vonakozó képleei!. Ismeresse a monosail muliviráor működésé (kapcsolási rajz, jellemző jelalakok)!. Muassa e az 555-el megvalósíhaó, egyszerű PWM moduláor működésé (kapcsolási rajzzal)! 4