1. Mérés. Áramkör építési gyakorlat I. Analóg áramkörök összeállította: Mészáros András

Átírás

1 . Mérés Áramkör építési gyakorlat I. Analóg áramkörök összeállította: Mészáros András Annak ellenére, hogy az elmúlt időkben az analóg áramkörök egyre inkább háttérbe szorulnak, annak toábbra is olyan rendszerek, ahol elengedhetetlenek, toábbá a digitális jelfeldolgozás (pl.: FPGA, DSP) értelmezéséhez szükséges bizonyos áramkörök analóg működésének megértése. Ezáltal az elköetkező mérés egyrészt segít ráilágítani arra, hogy bizonyos bonyolult matematikai agy precíziós műeletek mennyire egyszerűek analóg alapáramkörökkel, toábbá megalapozza a digitális jelfeldolgozás során használatos programozási metódusokat. Az első mérés az alábbi mérendő áramköröket tartalmazza: Kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor, Súlyozott összeadó áramkör, Kionó áramkör, Farok csóálja a kutyát erősítő, Mindentáteresztő szűrő, Megjegyzés: Az elköetkező mérőkapcsolások esetén előfordulhat, hogy bizonyos paramétert az oktató fog megadni agy módosítani. Ahol erre külön figyelmeztet az útmutató, ott minden esetben a mérésezetőel egyeztetni kell az áramkör megépítése előtt. A legtöbb műeleti erősítős kapcsolás megépíthető aszimmetrikus táplálással is, ekkor azonban a kapcsolásban szereplő földpontokat fel kell emelni féltáp feszültségre.

2 .0 mérés: Bipoláris tranzisztor és műeleti erősítő izsgálata Nem pusztán a laboratóriumi foglalkozások során, hanem egyéb teékenységek alkalmáal is mindig meg kell győződni a rendelkezésre állok aktí eszközök működésének helyességéről (frissen ásárolt alkatrészek esetén is!), alamint arról, hogy az adatlapban foglaltak ellenére hogyan iselkednek a alóságban. a, Ellenőrizzük le a méréshez mellékelt bipoláris tranzisztor (BC337) épségét úgy, hogy a HM802 multiméter diódaizsgáló üzemmódjában megmérjük a tranzisztor bázisemitter feszültségét! (A mérést a műszer úgy égzi, hogy,00ma-es áramgenerátorral táplálja meg a diódát és a rajta eső feszültséget méri.) Ügyeljünk a helyes bekötésre, miel a három kiezetés közül kettő között is mérhetünk értéket, miel a kollektor-bázis zárióirányú dióda is kimérhető! Tudán, hogy manapság csak szilícium-alapú tranzisztorokat alkalmaznak, tudhatjuk, hogy mekkora a árható körülbelüli BE érték. BC337 tranzisztor bekötése LM358 lábkiosztása b, Ellenőrizzük a méréshez használandó kettős műeleti erősítő (dual operational amplifier /opamp/; LM358) működőképességét! A műeleti erősítő ellenőrzésének lépései:. Adjunk az opamp tápágaira ±0V feszültséget; jobbik esetben nem iszi zárlatba a tápegységet,ha mégis, természetesen hibás. A katalógusban megadott (30mA) maximális tápáramnál alamiel nagyobb áramkorlátot előzetesen állítsunk be mindkét tápegységen! 2. Vizsgáljuk meg az opampot nullkomparátorként, miel úgy nincs szükség egyéb alkatrészre; adjunk az egyik tetszőleges bemenetre ofszet feszültség nélküli, Az LM358 belső felépítése (Texas Instruments) kb khz-es szinuszjelet, a másik bemenetet pedig tegyük földpotenciálra. Így a kimeneten négyszögjelnek kell megjelennie. Ezt a tokban található mindkét opampon égezzük el! FONTOS: Az opamp belső felépítéséből látszik, hogy az ellenütemű kimeneti fokozat (felül Darlington-kapcsolásból, alul egy PNP tranzisztorból áll) B-osztályú, ezért nem megfelelő munkapontbeállítás esetén a kimeneten keresztezési torzítás jelenik meg. Erre megoldás jelent a kimenet és a negatí tápfeszültség közé egy munkapont stabilizáló (eltoló) ellenállást teszünk, melynek hatására a Darlington-fokozat AB-osztályba kerül, ezzel megszüntete az említett torzítási jelenséget. Ez természetesen a kimeneten egy nyugalmi áram rendszeres folyását fogja eredményezni, ami a hatásfok roására megy.

3 . mérés: Kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor Az első mérendő kapcsolás az úgy neezett kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor, sematikus ábrája és a köré építendő mérőelrendezés az. ábrán látható. Méréshez szükséges adatok: T : BC337 be 0-30V DC legalább 30 lépésben; =2,2kΩ 2 =0kΩ 3 =2,2kΩ. ábra: Kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor Mérési feladatok:. Vegyük fel az be - ki és az ki -I karakterisztikákat! Első pillantásra egy földelt emitteres (kollektoros) kapcsolásnak élhető, azonban a gyakorlatban kétpólusként alkalmazzák. Nöekő be bemeneti feszültség esetén az be - ki feszültségek iszonya lineáris, az és ellenállások osztásarányáal írható le. Azonban amint a bemeneti feszültség akkora szintet ér el, hogy 3 ellenálláson kellően nagy feszültség jön létre ahhoz, hogy a T tranzisztor bázis-emitter diódája kinyisson, a kimeneti karakterisztika és ele együtt a körben folyó áram sem lesz lineáris a toábbiakban. A kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor, mint kétpólus, nagyon hasonlóan fog iselkedni a Zener-diódához azon különbségekkel, hogy egyrészt nyitóirányú bekötést igényel, másrészt a bázisosztó ellenállásaial áltoztatható a jelleggörbéje. Felhasználását tekinte programozható referenciafeszültségként, ezen kíül egyenáramú, azaz DC-szinteltolásra használják; miel jól integrálható, ezért a műeleti erősítők B- és AB-osztályú égfokozatában is túlnyomórészt megtalálható az alábbi elrendezésben: 2. ábra: Példa a kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor alkalmazására

4 .2 mérés: Súlyozott összeadó áramkör Az analóg összeadó kapcsolás akár égtelen számú analóg jel összeadására is képes; a gyakorlatban természetesen leginkább kettő, esetleg három bemenettel szokás alkalmazni. A mérendő kapcsolás a 3. ábrán látható. Méréshez szükséges adatok: IC: LM358 ( t = ±0V) = 2 = =0kΩ Potenciométerek értéke 0kΩ. 3. ábra: Súlyozott analóg összeadó három bemenettel ki = [ be + be I. képlet: Súlyozott összegző kimeneti feszültsége I = I + I 2 + I 3 be 3 II. képlet: Súlyozott összegző csomóponti áramának egyenlete Az egyszerűség kedéért csak két bemenettel építsük meg az áramkört! A tetszőleges bemeneti feszültség előállítása potenciométerrel történjen úgy, hogy a potenciométer két égpontját +0V és -0V feszültségre kötjük, így a csúszkát kezele kimenetként megkapjuk az ezen két határérték között állítható egyenfeszültséget. Mérési feladatok:. Adjunk a két bemenetre ( be és be2 ) 0kΩ potenciométerekkel beállított, ±0V feszültség közé eső tetszőleges értékeket (potenciométer két ége +0V és -0V-on legyen), majd mérjük meg azokat és a kimeneti feszültséget. A kapott értéket számítással igazoljuk! 2. Adjunk az egyik bemenetre tetszőleges DC feszültséget, a másik bemenetre pedig khz körüli, jól kezelhető amplitúdójú szinusz jelet. Vizsgáljuk meg a kimeneti jelalakot (oszcilloszkóp bemenete legyen DC üzemmódban!). 3 ]

5 .3 mérés: Analóg különbségképző (kionó) áramkör Az analóg különbségképző szabályozási körökben jól használható áramkör; ha a nem inertáló bemenetre egy referenciaértéket (alapértéket) kapcsolunk, az inertáló bemenetre pedig a égrehajtó szerektől isszaérkező hibajelet, akkor a kimeneten megjelenő jel lesz a hibajel (hibafeszültség). Egyszerűbb értéktartó szabályozási rendszerekhez alkalmazható. Az alapkapcsolást, egyben a mérendő kört a 4. ábra ismerteti. 4. ábra: Analóg különbségképző A különbségképző működésének részletes leírása:. Legyen az ellenálláson folyó áram I, a raja eső feszültség, 2 ellenálláson folyó áram I 2, a rajta eső feszültség 2 és így toább. 2. Legyen az inertáló bemenet potenciálja -, a nem inertáló bemeneté pedig Feltételezzük, hogy a műeleti erősítő bemeneteinek árama zérus (I + =I - =0). 4. Miel a műeleti erősítő nem inertáló bemenetére nincs isszahatása a kimenetnek (ebben az ágban nincs isszacsatolás), ezért felírhatjuk a mindenkor érényes képletet: + = be

6 5. A műeleti erősítő mindig arra törekszik, hogy a két bemenete azonos potenciálú legyen, agyis - = Ha be2 =0, akkor: 7. Ha be =0, akkor: 8. Összegeze: ki = 2 be 3 ki = be2( )( ki = be( ) + be2 ( )( ) ) Ha = 2 és 3 =, akkor az ki kimeneti feszültség a III. képlet alapján számítható: ki = ( 2 ) III. képlet: Analóg különbségképző egyszerűsített ki képlete Méréshez szükséges adatok: IC: LM324 ( t = ±0V) = 2 = 3 = =0kΩ Potenciométerek értéke 0kΩ. *A gerjedés elkerülésének érdekében a pozití táp és a föld (+ t - GND) és a negatí táp és a föld ( t - GND) közé is tegyünk - 470nF-os kondenzátort! (Nem csak a mérés során, hanem minden esetben, ha gerjedne a műeleti erősítő!) A toábbi mérések során is érdemes a szűrőkondenzátorokat megtartani! Mérési feladatok:. Tegyük földpotenciálra a két bemenetet ( be és be2 ), majd mérjük meg az erősítő kimeneti ofszet feszültségét (ezzel kompenzálni is kell)! 2. Az inertáló bemenetre ( be ) ezessünk rá akkora amplitúdójú khz körüli szinusz jelet, amit kényelmesen tudunk kezelni, a nem inertáló bemenetre pedig 0kΩ potenciométerrel beállított tetszőleges egyenfeszültséget. Mérjük meg a kimeneti feszültséget oszcilloszkóppal DC üzemmódban, majd a tapasztaltakat számítással igazoljuk! 3. Cseréljük fel be és be2 pontokat, majd ismételjük meg a 2. mérési pontot!

7 .4 mérés: Farok csóálja a kutyát típusú erősítő Normál üzem esetén a műeleti erősítők kimenetét használjuk kimenetnek, azonban ezen kiételes alkalmazás esetén a műerősítő azon tulajdonságát aknázzuk ki, hogy amennyiben a kimenetet földre tesszük (agy kis értékű ellenállással terheljük), akkor az erősítő a tápágait a bemeneti jel és az erősítés függényében magáal fogja rántani. Ily módon az erősítő egyes tápágaiban a bemenetre kapcsolt szinusz jel megfelelő félhullámai fognak megjelenni; ebből kifolyólag a legjobb hatásfok és legkisebb torzítás elérése égett minden esetben célszerű szimmetrikus táplálás mellett alkalmazni. A kapcsolást főleg hangfrekenciás tartományban használják ellenütemű teljesítményerősítők meghajtására. Erre látható példa a 5. ábrán. Ebben az esetben ügyelni kell arra, hogy ellenállások értéke úgy kerüljön megálasztásra, hogy T és T2 tranzisztorok bázisát kinyissa; ehhez tudni kell az ellenálláson folyó, a műeleti erősítő nyugalmi áramát, amely rend szerint katalógus adat. 5. ábra: Példa a farok csóálja a kutyát típusú erősítőre A mérendő kapcsolás részét nem képezi az ellenütemű égfokozat, az egyszerűsített áltozat a 6. ábrán látható. Jól megfigyelhető a két kapcsolásban egy fontos különbség, hogy a bemenetre érkező isszacsatoló jelnek mindig a teljes kapcsolás kimenetéről kell érkeznie, különben a jel erősen torzított lesz. Miel a kapcsolás B osztályú fokozatok meghajtására hiatott, ezért a kimeneti jelben mindkét esetben keresztezési torzítás fog fellépni. A mérés során féltáppal történő meghajtásra nem kerül sor.

8 6. ábra: A farok csóálja a kutyát erősítő mérési elrendezése Méréshez szükséges adatok: IC: LM358 ( t = ±0V) =kω =0kΩ =80Ω/2W 2 =00Ω *A kapcsolás jelalakjai lehetőleg mm-papíron kerüljenek rögzítésre! *A gerjedés elkerülésének érdekében a pozití táp és a föld (+ t -GND) és a negatí táp és a föld ( t -GND) közé is tegyünk - 470nF-os kondenzátort! (Nem csak a mérés során, hanem minden esetben, ha gerjedne a műeleti erősítő!) A toábbi mérések során is érdemes a szűrőkondenzátorokat megtartani! Mérési feladatok:. Adjunk a bemenetre akkora amplitúdójú, khz körüli szinusz jelet, ami nem ezérli túl a két kimenet egyikét sem, ily módon meghatároza a maximális kiezérelhetőséget! 2. A két kimenetet ezessük az oszcilloszkópra, majd rögzítsük a jelalakokat először külön-külön, majd ADD üzemmódban is. 3. Vizsgáljuk meg a keresztezési torzítás jelenségét külön-külön és ADD módban is! 4. Amennyiben a két kimeneti félhullám csúcsértéke között számotteő eltérés an, úgy azt is rögzítsük, magyarázzuk.

9 .5 mérés: Mindentáteresztő szűrő Az angol szakirodalmak főleg all-pass filter néen hiatkoznak rá. A 7. ábrán látható elrendezésben az áramkör f 0 (IV. képlet) frekencián 90 -os fázistolású, ettől kisebb frekenciákon a fázistolás nöekszik, egészen DC-ig, ahol φ=80, nagyobb frekenciákon pedig csökken a fázistolás egészen 0 -ig. Az és C tagok felcserélése esetén az előbb ismertetett jelenség is a fordítottja lesz. Az átiteli függény abszolút értéke minden frekencián egységnyi, innen a kapcsolás nee. A kapcsolás az egyes frekenciákat különböző mértékben késlelteti. Így alkalmazható pl. más szűrők fáziskarakterisztikájának jaítására, speciális audio effektusok elérésére, tranziensek csökkentésére (a hirtelen felfutó tranziens a frekenciatartományban szélessáú jelnek felel meg, ezeket a frekenciákat különbözően késleltete az eredeti tranziens a kimeneten laposabb és szélesebb lesz, csökkente a jel dinamikatartományát). f 0 = 2πC IV. képlet: φ=90 -hoz tartozó frekencia képlete A működés röiden: 7. ábra: Mindentáteresztő szűrő A 7. ábra szerinti elrendezés alapján DC bemeneti jel esetén a C kondenzátor szakadás, tehát a nem inertáló bemenet ellenálláson kerül földpotenciálra kerül (nulla bemeneti áramot feltételeze a műeleti erősítő bemenetein). Ebben az esetben a kapcsolás egy közönséges inertáló erősítőé módosul, tehát a fázistolás 80. Nöekő frekencia hatására a fázistolás csökkenni kezd, f 0 frekencián 90 -ra, afelett pedig 0 felé csökken toább, agyis egységnyi erősítésű köetőként iselkedik. A fázistolás ebben az esetben az alábbi képlet szerint alakul: ϕ( ω ) = 80 arctg( ωc) V. képlet: A mindent áteresztő szűrő frekenciafüggése felüláteresztő szűrő (differenciátor) alkalmazásáal

10 Amennyiben és C tagokat felcseréljük, agyis a műeleti erősitő nem inertáló bemenetére ezúttal aluláteresztő szűrőt teszünk, úgy a fázistolás frekenciafüggése is ellentettjére áltozik amellett, hogy f 0, azaz a 90 fázistoláshoz tartozó frekencia áltozatlan marad. Ilyenkor a fázistolás az alábbi képlet szerint alakul: ϕ ω ( ) = 2arctg ( ωc) VI. képlet: A mindent áteresztő szűrő frekenciafüggése aluláteresztő szűrő (integrátor) alkalmazásáal Megjegyzés; néhány irodalomban az V. és VI. képletet az alábbi különbséggel írják fel: ωc = f f 0 Méréshez szükséges adatok: IC: LM358 ( t = ±0V) = 2 ==0kΩ C=5nF *A gerjedés elkerülésének érdekében a pozití táp és a föld (+ t -GND) és a negatí táp és a föld ( t -GND) közé is tegyünk - 470nF-os kondenzátort! (Nem csak a mérés során, hanem minden esetben, ha gerjedne a műeleti erősítő!) A toábbi mérések során is érdemes a szűrőkondenzátorokat alkalmazni! Mérési feladatok:. Képlet alapján határozzuk meg a árható f 0 frekenciát, majd méréssel igazoljuk! 2. Vegyük fel a szűrő f be -φ ki karakterisztikáját 0-20kHz-ig minél több lépésben (Bode-diagram fázismenete); A lépésközt úgy állapítsuk meg, hogy minél több információt szolgáltasson a fázistolás jelenségéről! be értéke legyen -2Vpp nagyságrendű. 3. Mérjük meg az erősítő kimeneti feszültségértékeit 0-20kHz-es tartományban (Bodediagram amplitúdómenete)! 4. Cseréljük fel és C tagokat, majd ismételjük meg a 2. mérési pontot! 5. Mindkét esetben egykét pontban számítással is igazoljuk a fázistolást!.6 Ellenőrző kérdések:. Ismertesse a kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor működését! 2. Ismertesse a súlyozott összegző működését (képlettel)! 3. Ismertesse az analóg különbségképző működését (égképlettel)! 4. Vezesse le az analóg különbségképző működését! 5. Ismertesse a farok csóálja a kutyát típusú erősítő működösét! 6. Ismertesse a mindent áteresztő szűrő működését! 7. Írja fel a mindent áteresztő szűrő fázistolási képleteit!