. Mérés Áramkör építési gyakorlat I. 08.0.06. 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 foglalkozás útmutatója az alábbi mérendő áramköröket tartalmazza: Aktí szinteltoló, Súlyozott összeadó áramkör, Kionó áramkör, Farok csóálja a kutyát erősítő, Alkatrész jegyzék: LM74 db, BC337 db, 00Ω ellenállás db, k ellenállás db, k ellenállás db, 0k ellenállás 4db, 80Ω/W ellenállás db, 0k potenciométer db, 470nF kondenzátor db. 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 (ellenállások alkotta feszültségosztóal).
.0 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 tranzisztorok (BC337) épségét úgy, hogy a HM80 multiméter diódaizsgáló üzemmódjában megmérjük a tranzisztor bázisemitter feszültségét! (A mérést a műszer úgy égzi, hogy,00ma-es áramgenerátorral táplálja meg a bázis-emitter diódát és a rajta eső feszültséget méri.) Ügyeljünk a helyes bekötésre, miel a három ezetés közül kettő között is mérhetünk értéket, miel a kollektor-bázis zárióirányú dióda is mérhető! Tudán, hogy gyengeáramon és sfrekencián manapság csak szilícium-alapú tranzisztorokat alkalmaznak, tudhatjuk, hogy mekkora a árható körülbelüli BE érték.. ábra: BC337 tranzisztor bekötése. ábra: LM74 lábosztása b, Ellenőrizzük a méréshez használandó műeleti erősítő (operational amplifier /opamp/; LM74) 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!. Vizsgáljuk meg az opampot nullkomparátorként, miel úgy nincs szükség egyéb alkatrészre; adjunk az egyik tetszőleges 3. ábra: Az LM74 belső felépítése (Texas Instruments) bemenetre ofszet feszültség nélküli, kb khz-es szinuszjelet, a másik bemenetet pedig tegyük földpotenciálra. Így a meneten négyszögjelnek kell megjelennie.
. Aktí szinteltoló Az első mérendő kapcsolás az úgy neezett aktí szinteltoló, más néen terjesztett karakterisztikájú tranzisztor, sematikus ábrája és a köré építendő mérőelrendezés a 4. ábrán látható. 4. ábra: Kiterjesztett karakterisztikájú tranzisztor Első pillantásra egy földelt emitteres (kollektoros) kapcsolásnak élhető, azonban a gyakorlatban kétpólusként alkalmazzák. Nöekő be bemeneti feszültség esetén az be - feszültségek iszonya lineáris, az e és + ellenállások osztásarányáal írható le. Azonban amint a bemeneti feszültség akkora szintet ér el, hogy ellenálláson kellően nagy feszültség jön létre ahhoz, hogy a T tranzisztor bázis-emitter diódája nyisson (nyitni kezdjen), a meneti karakterisztika és ele együtt a körben folyó áram sem lesz lineáris a toábbiakban. A terjesztett 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, pontosabban szóla a letörési feszültsége. BE ( I B + I ) I B + BE + I B + + I B + BE + BE BE I B + Amennyiben nagy áramerősítési tényezőjű tranzisztort alkalmazunk, úgy a bázisáram BE + hanyagolhatóá álik, ekkor a meneti feszültség: + BE 3
A meneti dinamikus ellenállás (r ) az alábbi módon határozható meg: r I A kollektoráram áltozása a meredekség, illete az BE feszültségáltozásának szorzata (a korábbi meneti feszültség formulájából isszahelyettesíte): I C gm BE C gm + Behelyettesíte a kollektoráram áltozását a dinamikus ellenállás képletébe: r I C + gm A meneti dinamikus ellenállás értéke toább jaítható, ha kétfokozatúá tesszük a szinteltolót oly módon, hogy toább bőítjük egy 3 és egy T tranzisztorral. Gyakorlatilag létrehozunk egy aktí szinteltolót, melynek a korábbi ellenállása maga is egy szinteltoló: 5. ábra: Csökkentett dinamikus ellenállású aktí szinteltoló r ' I C gm + r 3 4
A BC337-es tranzisztor bétája kellően nagy ahhoz (00-600), hogy a feladathoz tartozó számítások során hanyagolható legyen. A gyakorlati tapasztalat azonban az, hogy az 5. ábra szerinti kapcsolás meneti ellenállása mutatható, akár számotteő függést mutat a bétától. Ennek igazolása céljából a méréshez használt két tranzisztor bétáját meg kell határozni. Ebből adódóan ügyeljünk arra, hogy a mérés során jól elkülöníte kezeljük a két tranzisztort, és ne keerjük össze! A tranzisztorok áramerősítési tényezőjének meghatározására egy nagyon egyszerű megoldást alkalmazunk: a tranzisztor bázisáal és kollektoráal egyaránt sorba kötünk egyegy árammérőt, az emitteréel pedig egy ellenállást a hőmegfutás meggátolásának érdekében. 6. ábra: Áramerősítési tényező mérése Méréshez szükséges adatok: T,T : BC337 B 5V C 5V E kω * A β a kollektor- és bázisáram hányadosaként határozandó meg. *A mérés 0 másodperc környé időt kíán a munkapont stabilizálódásához. Mérési feladatok:. Valósítsuk meg a 6. ábra szerinti mérési elrendezést. A báziskörben található árammérő µa (legpontosabb) méréshatárban legyen, a kollektorköri pedig ma-ben (három tizedesjegy).. Határozzuk meg mindkét tranzisztor β áramerősítési tényezőjét! 5
Az aktí szinteltoló tehát a tranzisztor BEátmenetének nyitását köetően közel állandó feszültséget tart kollektora és emittere között. Ennek megfelelően a fő felhasználási területei: Programozható referenciafeszültség, B- és AB-osztályú erősítők munkapontbeállítása (3. és 7. ábra), Műeleti erősítők fázisösszegzője és toábbi fokozatai közti munkapont-illesztés. 7. ábra: Példa az aktí szinteltoló alkalmazására Méréshez szükséges adatok: T,T : BC337 be 0-0V DC e kω 0kΩ 3,kΩ Mérési feladatok:. Valósítsuk meg a 4. ábra szerinti szinteltolót, majd együk fel az be - és az -I karakterisztikáit!. Határozzuk meg a meneti dinamikus ellenállást mindkét tranzisztorral! 3. Valósítsuk meg a 5. ábra szerinti kéttranzisztoros szinteltolót, majd együk fel az be - és az -I karakterisztikáit! 4. Határozzuk meg a meneti ellenállást (a tranzisztorok felcseréléséel is!) A meneti dinamikus ellenállás meghatározásakor ne feledjük, hogy az árammérő a tranzisztor I C (agy I C ) kollektorárama mellett a bázisosztó áramát is méri, így azzal számoláskor kompenzálni kell! A mérés útján kapott értékekből történő számítás módja (a esszős értékek két mérési eredményt reprezentálnak a szinteltoló dinamikus tartományában, agyis ahol már közel állandó a meneti feszültség: r D I C I C ' ' I észletesebben erről emlékeztetőül az Elektronika I. laboratóriumi útmutatóban. C '' '' 6
. Súlyozott összeadó áramkör Az analóg összeadó kapcsolás akár égtelen számú analóg jel összeadására is képes; a gyakorlatban természetesen leginkább kettő bemenettel szokás alkalmazni (erre példa a. foglalkozáson mérésre kerülő precíziós kétutas egyenirányító), de D/A konerterben is alkalmazzák. A mérendő kapcsolás a 8. ábrán látható. 8. ábra: Súlyozott analóg összeadó két bemenettel A meneti feszültség meghatározásához ismerni kell a irtuális földpontba ( - ) befolyó, és onnan elfolyó áramokat, azaz a irtuális nulla pont csomóponti egyenletét. Két bemenet esetén: I + I I 0 Miel a lelke mélyén ez az áramkör egy inertáló erősítő, mindössze több bemenettel, ezért annak erősítéséből, alamint az előbbi egyenletből fejezhető: be + be Méréshez szükséges adatok: IC: LM74 ( t ±0V) 0kΩ P0kΩ. A tetszőleges bemeneti feszültség előállítása potenciométerrel történjen úgy, hogy a potenciométer két égpontját +0V és -0V feszültségre kötjük, így a csúszkát kezele menetként megkapjuk az ezen két határérték között állítható egyenfeszültséget. Mérési feladatok:. Adjunk a két bemenetre potenciométerekkel beállított, ±0V feszültség közé eső tetszőleges értékeket, majd mérjük meg azokat és a meneti feszültséget. A kapott értéket számítással is igazoljuk!. Adjunk az egyik bemenetre tetszőleges DC feszültséget, a másik bemenetre pedig khz, V amplitúdójú szinusz jelet. Vizsgáljuk meg a meneti jelalakot (oszcilloszkóp bemenete legyen DC üzemmódban!). 7
.3 Analóg különbségképző (onó) 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 meneten megjelenő jel lesz a hibajel (hibafeszültség). Egyszerűbb értéktartó szabályozási rendszerekhez alkalmazható, illete szimmetrikus bemeneti feszültségből aszimmetrikus menetet lehet ele létrehozni (pl.: Wheatsone-híd meneteiből). Az alapkapcsolást, egyben a mérendő kört a 9. ábra ismerteti. 9. ábra: Analóg különbségképző A különbségképző működésének a köetkező:. Legyen az ellenálláson folyó áram I, a rajta eső feszültség, ellenálláson folyó áram I, a rajta eső feszültség és így toább.. Legyen az inertáló bemenet potenciálja -, a nem inertáló bemeneté pedig +. 3. Feltételezzük, hogy a műeleti erősítő bemeneteinek árama zérus (I + I - 0). 4. Miel a műeleti erősítő nem inertáló bemenetére nincs isszahatása a menetnek (ebben az ágban nincs isszacsatolás), ezért felírhatjuk a mindenkor érényes képletet: + be 3 + 5. A műeleti erősítő mindig arra törekszik, hogy a két bemenete azonos potenciálú legyen (ez csak negatí isszacsatolás mellett alósulhat meg!), agyis - +. 3 8
6. Ha be 0, akkor: 7. Ha be 0, akkor: 8. Összegeze: + be + 3 be 3 + + + 3 be be 3 Ha és 3, akkor az meneti feszültség a III. képlet alapján számítható: ( ) III. képlet: Analóg különbségképző egyszerűsített képlete Méréshez szükséges adatok: IC: LM74 ( t ±0V) 3 0kΩ P0kΩ. *Az esetleges 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!) Mérési feladatok:. Tegyük földpotenciálra a két bemenetet ( be és be ), majd mérjük meg az erősítő meneti ofszet feszültségét!. Az inertáló bemenetre ( be ) ezessünk rá V amplitúdójú khz-es szinusz jelet, a nem inertáló bemenetre pedig 0kΩ potenciométerrel beállított tetszőleges egyenfeszültséget. Mérjük meg a meneti feszültséget oszcilloszkóppal DC üzemmódban! 3. Cseréljük fel be és be pontokat, majd ismételjük meg a. mérési pontot! 9
.4 Farok csóálja a kutyát típusú erősítő Normál üzem esetén a műeleti erősítők menetét használjuk menetnek, azonban ezen ételes alkalmazás esetén a műerősítő azon tulajdonságát aknázzuk, hogy amennyiben a menetet földre tesszük (agy s 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 áramáltozás formájában. Ahhoz, hogy az áramáltozásból meneti feszültségáltozást hozzunk létre, úgy a tápágakkal sorosan kapcsolt ellenállásokat kell alkalmazni. A legjobb hatásfok és legsebb torzítás elérése égett minden esetben célszerű szimmetrikus táplálás mellett alkalmazni. A kapcsolást főleg hangfrekenciás tartományban használják ellenütemű teljesítményerősítők meghajtására. Erre látható példa a 0. ábrán. Ebben az esetben ügyelni kell arra, hogy ellenállások értéke úgy kerüljön megálasztásra, hogy biztosítani tudják a műeleti erősítő nyugalmi áramát, amely rend szerint katalógus adat, illete a tranzisztorok bázisáramát egyaránt. 0. ábra: Példa a farok csóálja a kutyát típusú erősítőre A mérendő kapcsolás részét nem képezi az ellenütemű égfokozat, az egyszerűsített áltozat a. ábrán látható. Jól megfigyelhető a két kapcsolásban egy fontos különbség, hogy a bemenetre érkező isszacsatoló jelnek mindig a teljes erősítő kapcsolás menetéről kell érkeznie, különben a jel erősen torzított lesz. Miel a kapcsolás B osztályú fokozatok meghajtására hiatott, ezért a meneti jelben mindkét esetben keresztezési torzítás fog fellépni. 0
. ábra: A farok csóálja a kutyát erősítő mérési elrendezése Méréshez szükséges adatok: IC: LM74 ( t ±0V) kω 0kΩ 80Ω/W 00Ω *A kapcsolás jelalakjai lehetőleg mm-papíron kerüljenek rögzítésre! Mérési feladatok:. Adjunk a bemenetre akkora amplitúdójú, khz körüli szinusz jelet, ami nem ezérli túl a két menet egyikét sem, ily módon meghatároza a maximális ezérelhetőséget!. A két menetet ezessük az oszcilloszkópra, majd rögzítsük a jelalakokat először külön-külön, majd a két jel összegeként is (analóg oszcilloszkópon ADD, digitálison pedig a MATH menüben). 3. Vizsgáljuk meg a keresztezési torzítás jelenségét külön-külön és összegző módban is (amennyiben mutatható nagyságú; a látottakat mindenképpen magyarázzuk)! 4. Amennyiben a két meneti félhullám csúcsértéke között számotteő eltérés an, úgy azt is rögzítsük, magyarázzuk.
.5 Ellenőrző kérdések:. Ismertesse a terjesztett karakterisztikájú tranzisztor működését!. Adja meg az aktí szinteltoló meneti feszültségének képletét (és kapcsolási rajz)! 3. Adja meg az aktí szinteltoló meneti ellenállásának formuláját! 4. Ismertesse az aktí szinteltoló meneti ellenállásának mérési módját! 5. Mondjon példát a terjesztett karakterisztikájú tranzisztor alkalmazására! 6. Ismertesse a súlyozott összegző működését (képlet, kapcsolási rajz)! 7. Mondjon példát a súlyozott összegző alkalmazására! 8. Ismertesse az analóg különbségképző működését (égképlet, kapcsolási rajz)! 9. Vezesse le az analóg különbségképző működését (kapcsolási rajzzal)! 0. Ismertesse a farok csóálja a kutyát típusú erősítő működösét (kapcsolási rajzzal)!