Technik.teleinformatyk 312[02] o2.01_u

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”


1

MINISTERSTWO

EDUKACJI

NARODOWEJ

Ryszard Zankowski

Badanie elektronicznych układów analogowych

312[02].O2.01

Poradnik dla ucznia


2

Wydawca Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy Radom

2007

Recenzenci:

mgr inŜ. Krzysztof Słomczyński

mgr inŜ. Zbigniew Miszczak

Opracowanie redakcyjne: mgr

inŜ. Ryszard Zankowski

Konsultacja:

mgr Małgorzata Sienna

Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 312[02].O2.01

„Badanie elektronicznych układów analogowych”, zawartego w programie nauczania dla

zawodu technik teleinformatyk.


3

Wydawca

Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2007

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie 3 2. Wymagania wstępne 5 3. Cele kształcenia 6 4. Materiał

nauczania 7

4.1. Bierne elementy elektroniczne 7 4.1.1. Materiał nauczania 7

4.1.2. Pytania sprawdzające 14

4.1.3. Ćwiczenia 15

4.1.4. Sprawdzian postępów 17

4.2. Aktywne elementy elektroniczne 18

4.2.1. Materiał nauczania 18




4.3. Elektroniczne układy zasilające 36





4.4. Elektroniczne układy wzmacniające i generacyjne 51





4.5. MontaŜ i naprawa elektronicznych układów analogowych 73





5. Sprawdzian osiągnięć 82 6. Literatura 88

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy o podstawowych układach

elektroniki analogowej i kształtowaniu umiejętności eksploatacji i


4

uruchamiania elektronicznych układów analogowych oraz pomiaru parametrów i oceny

stanu technicznego tych układów. W poradniku znajdziesz:

– wymagania wstępne – wykaz umiejętności, jakie powinieneś mieć juŜ ukształtowane, abyś

bez problemów mógł korzystać z poradnika,

– cele kształcenia – wykaz umiejętności, jakie ukształtujesz podczas pracy z poradnikiem,

– materiał nauczania – wiadomości teoretyczne niezbędne do opanowania treści jednostki

modułowej,

– zestaw pytań, abyś mógł sprawdzić, czy juŜ opanowałeś określone treści,

– ćwiczenia, które pomogą Ci zweryfikować wiadomości teoretyczne oraz ukształtować

umiejętności praktyczne,

– sprawdzian postępów,

– sprawdzian osiągnięć, przykładowy zestaw zadań. Zaliczenie testu potwierdzi opanowanie

materiału całej jednostki modułowej, – literaturę uzupełniającą.


5

Schemat układu jednostek modułowych

312[02].O2

Podstawy elektroniki

analogowej i cyfrowej

312[02].O2.02

Badanie elektronicznych

układów cyfrowych

312[02].O2.01

Badanie elektronicznych

układów analogowych


6

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

– rozróŜniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,

– przeliczać jednostki wielkości elektrycznych w układzie SI,

– czytać schematy obwodów elektrycznych,

– stosować podstawowe prawa elektrotechniki do analizy obwodów elektrycznych,

– obliczać wartości wielkości elektrycznych w obwodach prądu stałego i zmiennego,

– charakteryzować wymagania dotyczące bezpieczeństwa pracy przy urządzeniach

elektrycznych,

– wykonywać połączenia elementów elektrycznych,

– posługiwać się podstawowymi miernikami wielkości elektrycznych i oscyloskopem,

– mierzyć wielkości elektryczne oraz interpretować otrzymane wyniki, – lokalizować

usterki w prostych obwodach elektrycznych,

– czytać dokumentację techniczną urządzeń elektrycznych,

– korzystać z róŜnych źródeł informacji,

– obsługiwać komputer,

– współpracować w grupie.


7

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

− sklasyfikować analogowe elementy i układy elektroniczne według róŜnych kryteriów,

− rozpoznać analogowe elementy i układy elektroniczne na podstawie symboli graficznych,

oznaczeń, wyglądu, charakterystyk,

− zidentyfikować wyprowadzenia analogowych elementów i układów elektronicznych,

− określić zastosowania analogowych elementów i układów elektronicznych,

− zinterpretować podstawowe charakterystyki analogowych elementów i układów

elektronicznych,

− odczytać schematy ideowe podstawowych układów elektronicznych (prostowników,

stabilizatorów napięcia, wzmacniaczy, generatorów),

− określić rolę poszczególnych elementów w układach elektronicznych,

− scharakteryzować podstawowe parametry analogowych elementów i

układów elektronicznych,

− wyjaśnić zasadę działania podstawowych analogowych elementów i układów

elektronicznych

− obliczyć podstawowe wielkości elektryczne i wybrane parametry występujące w

analogowych układach elektronicznych,

− dobrać metody oraz przyrządy pomiarowe,

– zmierzyć podstawowe parametry analogowych elementów i układów elektronicznych,

– zaobserwować na oscyloskopie przebiegi sygnałów wejściowych i wyjściowych układów

elektronicznych oraz je zinterpretować,

– sprawdzić poprawność działania analogowych elementów i układów elektronicznych,

– zlokalizować uszkodzenia elementów i podzespołów układów elektronicznych na

podstawie pomiarów dokonanych w wybranych punktach,

– dobrać analogowe elementy i układy elektroniczne do zadanych warunków,

– scharakteryzować technologie montaŜu płytek drukowanych: jedno

i wielowarstwowych,

– skompletować zestaw narzędzi i materiałów do montaŜu określonego układu

elektronicznego,

– zmontować prosty analogowy układ elektroniczny na płytce drukowanej zgodnie ze

schematem montaŜowym,

– uruchomić prosty analogowy układ elektroniczny,

– skorzystać z katalogów i innych źródeł informacji o analogowych elementach i układach

elektronicznych,

– zastosować przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwpoŜarowej,

– zorganizować stanowisko pracy zgodnie z wymaganiami ergonomii oraz ochrony

środowiska,

– posłuŜyć się sprzętem ratunkowym i ratowniczym w sytuacjach zagroŜenia zdrowia i

Ŝycia.


8

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Bierne elementy elektroniczne

4.1.1. Materiał nauczania

Oporniki

Oporniki moŜemy podzielić w zaleŜności od:

− cech funkcjonalnych na: rezystory, potencjometry, termistory i warystory,

− charakterystyki prądowo – napięciowej, na: liniowe i nieliniowe,

− stosowanego materiału oporowego, na: drutowe, warstwowe i objętościowe.

Oporniki liniowe w normalnych warunkach pracy charakteryzują się proporcjonalną

zaleŜnością napięcia od prądu.

Oporniki drutowe (symbol: RDL) są wykonane z drutu stopowego nawiniętego na

ceramiczny wałek. Produkuje się je do zastosowań precyzyjnych, gdzie wymagana jest wysoka

jakość i stabilność oraz do zastosowań o duŜej mocy, dla których potrzebny jest gruby i

wytrzymały drut.

W opornikach warstwowych (symbol: MŁT, AF, ML, RMG, AT, OWZ), materiał

rezystywny jest umieszczany na podłoŜu w postaci węgla lub metalu. Oporniki węglowe OWZ

stosuje się w układach w.cz. (do 1GHz) o niewielkiej mocy (do 1W).

Do budowy oporników objętościowych, w których prąd płynie całą objętością opornika,

stosuje się organiczne lub nieorganiczne materiały oporowe. Są one głównie stosowane w

sprzęcie profesjonalnym, gdzie wytrzymują duŜe obciąŜenia prądowe i mocy.

Parametry uŜytkowe oporników stałych

Do podstawowych parametrów oporników naleŜą:

− rezystancja znamionowa Rn, czyli wartość rezystancji podawana na obudowie,

− tolerancja wyraŜona w %, czyli dokładność z jaką wykonywane są oporniki o danej

wartości rezystancji znamionowej,

− moc znamionowa Pn, czyli największa dopuszczalna moc strat cieplnych w oporniku,

− temperaturowy współczynnik TWR, określający w % zmiany rezystancji opornika pod

wpływem zmian temperatury opornika,

− napięcie graniczne Ugr, powyŜej którego opornik moŜe ulec uszkodzeniu.

Oporniki są produkowane w następujących grupach tolerancji: ±20%, ±10%, ±5%, ±2%,

±1%, ±0,5%. Trzy ostatnie grupy oporników charakteryzują się duŜą stałością rezystancji i są

nazywane opornikami dokładnymi. Klasom dokładności odpowiadają następujące szeregi

wartości rezystancji znamionowych: E6 (±20%), E12 (±10%), E24 (±5%), E48 (±2%), E96

(±1%), E192 (±0,5%).

Przykładowe szeregi rezystancji znamionowych: E6

(10, 15, 22, 33, 47, 68)

E12 (10, 12, 15,18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82)

E24 (10,11,12,13,15,16,18,20,22,24,27,30,33,36,39,43,47,51,56,62,68,75,82,91)

Przykład:


9

JeŜeli rezystancja znamionowa opornika wynosi 220kΩ i naleŜy ona do szeregu E12, to

oznacza, Ŝe rzeczywista wartość rezystancji tego opornika mieści się w granicach ±10%

rezystancji znamionowej i znajduje się w przedziale od 198kΩ do 242kΩ.

Moc znamionowa opornika zaleŜy od jego konstrukcji, zastosowanego materiału, a takŜe

od sposobu chłodzenia opornika. Dla małych wartości moce oporników są uszeregowane

następująco: 0,125 W; 0,25 W; 0,5 W; 1 W; 2 W i 5 W.

Oznaczenia wartości znamionowej rezystancji

Istnieją dwa sposoby oznaczania wartości znamionowej oporników: kod barwny i kod

literowo – cyfrowy. Stosując kod barwny, wartość znamionową oznacza się za pomocą

barwnych pasków, kropek, lub ich kombinacji (rys 1). Pierwszy pasek (kropka), umieszczony

bliŜej czoła opornika, określa pierwszą cyfrę, drugi pasek (kropka) – drugą cyfrę, trzeci pasek

(kropka) – współczynnik krotności (mnoŜnik). Natomiast ostatni pasek oznacza tolerancję i jest

zwykle podwójnej szerokości. Kod barwny oporników przedstawiono w tabeli 1.

Rys. 1. Kod paskowy oporników [www.cyfronika.com.pl]

JeŜeli, np.: na oporniku będą paski: Ŝółty, fioletowy, czerwony, złoty oznacza to, Ŝe ma on

wartość znamionową 4,7 kΩ i tolerancję ± 5%.

W kodzie literowo – cyfrowym wartość rezystancji określa się zwykle trzema lub czterema

znakami, np.: wartość 81 Ω – znakiem 81 lub 81R, wartość 8100 Ω – znakiem 8100 lub 8k1,

wartość 7 200 000 Ω – znakiem 7M2.

Tabela 1. Kod barwny oporników [4, s. 14]

Kolor znaku

Pierwszy pasek

pierwsza cyfra

pasek Drugi

druga cyfra

pasek Trzeci

współczynnik

krotno ś ci

Czwarty

pasek

tolerancja

rezystancji %

Srebrny

Złoty

Czarny

Br ą zowy

Czerwony

Pomara ń czowy ś ółty

Zielony

Niebieski

Fioletowy

Szary

Biały

–

–

–

1

2

3

4

5

6

7

8

9

–

–

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 – 2

10 – 1

1

10

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

–

–

–

10

5

–

1

2

–

–

–

–

–

–

–


10

Oporniki zmienne – potencjometry

W układach elektronicznych oprócz oporników stałych, stosuje się oporniki zmienne

zwane potencjometrami, w których wartość rezystancji zaleŜy od połoŜenia pokrętła

(ruchomego ślizgacza).

W zaleŜności od zastosowania, potencjometry dzieli się na:

− regulacyjne, słuŜące do regulacji parametrów urządzenia w czasie jego pracy,

− dostrojcze (zwane montaŜowymi lub nastawczymi), słuŜące do ustalania warunków pracy

układu w czasie jego uruchamiania, strojenia lub naprawy.

MoŜliwe symbole graficzne potencjometrów przedstawiono na rysunku 2.

a) b)

Rys. 2. Symbole graficzne potencjometrów: a) regulacyjnych, b) dostrojczych [4, s.12]

Ze względu na sposób regulowania potencjometry dzieli się na:

− obrotowe: regulowane osią obrotową lub wkrętakiem,

− suwakowe: regulowane przesuwem suwaka w linii prostej.

Wygląd zewnętrzny obu rodzajów potencjometrów przedstawiono na rysunku 3.

a) b)

Rys. 3. Potencjometry: a) suwakowe, b) obrotowe [www.matmic,neostrada.pl]

Pomiary rezystancji i dobieranie parametrów oporników i potencjometrów

Podstawowym urządzeniem pomiarowym słuŜącym do pomiaru rezystancji jest omomierz.

JeŜeli rezystor jest połączony z innymi elementami obwodu, to w celu uniknięcia zafałszowania

wyniku pomiaru rezystancji naleŜy jedną z jego końcówek odłączyć przed pomiarem, co

wykluczy moŜliwość bocznikowania tego elementu przez obwód zewnętrzny.

Rezystancja moŜe być mierzona równieŜ za pomocą woltomierza i amperomierza tzw.

metodą techniczną, której dwa podstawowe układy pomiarowe przedstawiono na rysunku 4.


11

Rys. 4. Schematy układów do pomiaru metodą techniczną: a) małych rezystancji, b) duŜych rezystancji

[1, s.12]

Oporniki nieliniowe

Oporniki te charakteryzują się nieproporcjonalną zaleŜnością napięcia od prądu.

Rezystancja w układach nieliniowych zaleŜy od czynników zewnętrznych. Najbardziej

popularnymi nieliniowymi opornikami są:

− termistory, w których zmienna rezystancja zaleŜy od temperatury,

− warystory, w których zmienna rezystancja zaleŜy od przyłoŜonego napięcia.

Obudowy termistorów i warystorów przypominają kształtem oporniki stałe, a ich symbole

graficzne pokazano na rysunku 5.

a) b)

U T

Rys. 5. Symbole graficzne: a) warystora, b) termistor [opracowanie własne]

Termistory

Termistory są stosowane w układach temperaturowej stabilizacji punktu pracy oraz w

układach regulacji i pomiaru temperatury. Występują 3 rodzaje termistorów róŜniących się

charakterem zmian rezystancji w funkcji temperatury:

− NTC o rezystancji malejącej ze wzrostem temperatury,

− PTC o rezystancji rosnącej ze wzrostem temperatury,

− CTR o rezystancji gwałtownie zmieniającej się w pewnym zakresie temperatury.

NajwaŜniejszymi parametrami termistora są:

− rezystancja znamionowa, podawana dla temperatury 25°C (mieści się w granicach od

pojedynczych Ω do kilku M Ω),

− tolerancja rezystancji znamionowe (±10% lub ±20%),

− temperaturowy współczynnik rezystancji,

− dopuszczalny zakres temperatur i dopuszczalna moc strat cieplnych (od 4,5 do 1500 mW).


12

Warystory

Warystory są stosowane do stabilizacji i ograniczania napięć, a ich charakterystyka

prądowo – napięciowa jest pokazana na rysunku 6.

Rys. 6. Charakterystyka napięciowo – prądowa warystora [4, s.63]

Charakterystyka warystorów jest symetryczna i silnie nieliniowa. MoŜna ją opisać

następującym wzorem

U = C ⋅ Iβ

gdzie:

U – napięcie występujące na warystorze [V],

I – prąd płynący przez warystor [mA], C –

współczynnik proporcjonalności [V/(mA)β],

β – współczynnik nieliniowości i jednocześnie parametr warystora mieszczący się

w granicach od 0,15 do 0,25,

Kolejnymi parametrami warystora są: napięcie charakterystyczne Uch, określające spadek

napięcia na warystorze w zakresie nasycenia charakterystyki (napięcie stabilizacji) oraz moc

znamionowa warystora PN.

Kondensatory ich parametry

Kondensatory moŜna podzielić, w zaleŜności od ich przeznaczenia, na:

− stałe (o stałej pojemności),

− zmienne (o zmiennej pojemności, stosowane do przestrajania obwodów rezonansowych),

− biegunowe zwane polarnymi (przeznaczone do pracy przy jednym określonym kierunku

doprowadzonego napięcia stałego).

Ze względu na rodzaj zastosowanego dielektryka kondensatory dzielimy na:

− powietrzne (brak dielektryka),

− mikowe (symbol: KM),

− ceramiczne (symbole: KCP, KFP, KCR, KFR),

− z tworzyw sztucznych (symbole: KSE, KSF, MKSE, MKSF, MKSW, KMP, KFMP),

− elektrolityczne (symbole: KEN, KEO, 02/T, 04/U, 164D, 196D, ETO).

NajwaŜniejszymi parametrami kondensatora są:


13

− pojemność znamionowa – CN (wyraŜana w faradach [F], która określa zdolność

kondensatora do gromadzenia ładunków elektrycznych; podawana na obudowie

kondensatora – ciąg wartości z szeregu E6 lub E12),

− napięcie znamionowe – UN (największe dopuszczalne napięcie stałe lub zmienne, które

moŜe być przyłoŜone do kondensatora; zwykle podawane na obudowie kondensatora),

− tangens kąta stratności – tgδ (stosunek mocy czynnej wydzielającej się na kondensatorze

do mocy biernej magazynowanej w kondensatorze, przy napięciu sinusoidalnie zmiennym

o określonej częstotliwości),

− prąd upływowy – Iu (prąd płynący przez kondensator, przy napięciu stałym),

− temperaturowy współczynnik pojemności – αC (określa względną zmianę pojemności,

zaleŜną od zmian temperatury).

Kondensatory stałe

Symbole graficzne róŜnych rodzajów kondensatorów róŜnią się między sobą co pokazuje

rysunek 7.

a) b) c)

+

Rys. 7. Symbole graficzne kondensatora: a) niebiegunowego, b) biegunowego,

c) zmiennego [opracowanie własne]

Kondensatory ceramiczne mają duŜy współczynnik αC oraz mały tangens kąta stratności

dielektrycznej. Zaletą ich jest duŜa wartość pojemności znamionowej i małe wymiary. Mają

niewielkie wartości indukcyjności własnej, w związku z tym mogą być stosowane w obwodach

wielkiej częstotliwości oraz jako pojemności sprzęgające (pojemności w obwodach

rezonansowych i filtrach).

Kondensatory elektrolityczne, ze względu na uŜyty do ich budowy materiał dzielimy na:

aluminiowe i tantalowe (z elektrolitem ciekłym – mokre oraz z elektrolitem suchym –

półprzewodnikowe). Pod względem zastosowań układowych rozróŜniamy kondensatory:

biegunowe i niebiegunowe, stosowane w układach filtracji napięcia zasilania i jako

kondensatory sprzęgające w układach małej częstotliwości. Kondensatory elektrolityczne mają

duŜe wartości pojemności znamionowej (1 ÷ 47000 µF), a zakres napięć roboczych od 6,3 V

do 450 V. Tolerancje kondensatorów elektrolitycznych mają bardzo duŜe wartości sięgające (

– 10 ÷ +100 % dla aluminiowych, ±30 % dla tantalowych). Długotrwała praca kondensatora

przy napięciu większym niŜ napięcie znamionowe powoduje zmianę pojemności kondensatora

lub jego uszkodzenie. Wadą tych kondensatorów jest duŜy współczynnik strat tgδ (aluminiowe

– do 0,5; tantalowe – do 0,2) i duŜy prąd upływowy Iu, którego wartość rośnie ze wzrostem

temperatury oraz duŜa indukcyjność własna (zwłaszcza kondensatorów aluminiowych).

Kondensatory elektrolityczne mają oznaczoną biegunowość. Zamiana biegunów (elektrod)

podczas montaŜu kondensatora moŜe spowodować jego zniszczenie.


14

Oznaczenia kondensatorów stałych

Kondensatory, tak jak i rezystory, mogą być oznaczane cyfrowo, literowo – cyfrowo lub

za pomocą kodu barwnego (głównie kondensatory miniaturowe). Systemy oznaczeń są bardzo

róŜne i zaleŜne od rodzaju kondensatora i producenta tego elementu. Pewne typy

kondensatorów mają swoje systemy oznaczeń parametrów, a do najpopularniejszych

kondensatorów naleŜą: zwijkowe (z tworzyw sztucznych), ceramiczne i elektrolityczne.

Oznaczenia kondensatorów zwijkowych i ceramicznych, umieszczane na korpusie, są w

pewnym zakresie podobne i zawierają następujące dane:

− kategoria klimatyczna (w zwijkowych nie umieszczana),

− pojemność znamionowa w pF, nF i µF (dotyczy tylko zwijkowych) – w zapisie skróconym

litery p, n, µ uŜywane są jako przecinki,

− tolerancja pojemności w % lub w zapisie skróconym literowo (B – ±0,1%, C – ±0,25%, D

– ±0,5%, F – ±1%, G – ±2%, J – ±5%, K – ±10%, M – ±20%, N – ±30%),

− napięcie znamionowe w V lub małymi literami (m – 25 V, l – 40 lub 50 V, a – 63 V, b –

100 V, c – 160 V, d – 250 V, e – 400V, f – 600 V, h – 1000V, i – 1600 V).

Kondensatory ceramiczne są produkowane z róŜnych materiałów o róŜnym współczynniku

αC, który moŜe przybierać wartość dodatnią lub ujemną. Materiał dielektryka oznacza się literą

wskazującą znak αC (N – ujemny, P – dodatni, NPO – zerowy) i liczbą wyraŜającą nominalną

wartość modułu αC.

Ponadto w kondensatorach ceramicznych stosuje się równieŜ skrócony 3 – cyfrowy zapis

wartości znamionowej pojemności. Pierwsza i druga cyfra oznaczają wartość (najczęściej z

szeregu E6), a trzecia wykładnik potęgi liczby 10. Po przemnoŜeniu dwucyfrowej wartości

przez 10 (podniesione do odpowiedniej potęgi) otrzymujemy wartość CN wyraŜoną w pF.

Przykłady:

P100 / 101 – αC = +100·10 – 6/°C i CN = 100 pF,

NPO / 222 – αC = 0·10 – 6/°C i CN = 2,2 nF, N33

/ 473 – αC = – 33·10 – 6/°C i CN = 47 nF.

Pełne oznaczenia kondensatorów elektrolitycznych obejmują następujące dane: znak

producenta, typ kondensatora, pojemność znamionowa w µF, napięcie znamionowe w V, data

produkcji. Kondensatory elektrolityczne aluminiowe (02/T – z wyprowadzeniami osiowymi,

04/U – z wyprowadzeniami równoległymi) oraz elektrolityczne tantalowe (196D – z

elektrolitem stałym i ETO – z elektrolitem ciekłym) o małych rozmiarach pozbawione są

oznaczeń kategorii klimatycznej i daty produkcji.

Kondensatory zmienne

Kondensatory o zmiennej pojemności są to kondensatory z dielektrykiem powietrznym

(symbol: AM, FM) lub kondensatory ceramiczne (dostrojcze) zwane trymerami (symbol: TCP).

Kondensatory te składają się z dwu zespołów płytek (lub pojedynczych płytek) zwanych

statorem i rotorem, które zmieniając swe połoŜenie powodują zmianę wartości pojemności

kondensatora. Charakter zmian pojemności kondensatora zaleŜy od kształtu płytek rotora i

statora.

Kondensatory obrotowe mają pojemności mniejsze niŜ 500 pF, natomiast kondensatory

nastawne, zwane trymerami, mają pojemności mniejsze niŜ 100 pF.


15

Sprawdzanie i pomiary parametrów kondensatorów

Najczęściej spotykanym uszkodzeniem kondensatorów jest przebicie elektryczne po

przyłoŜeniu zbyt duŜego napięcia do okładek kondensatora. Uszkodzeniu ulega dielektryk i

okładki zwierają się ze sobą. Uszkodzenie to moŜna łatwo wykryć za pomocą omomierza, który

wskaŜe w tym przypadku zwarcie.

W kondensatorze moŜe pojawić się „przerwa”, spowodowana urwaniem się

wyprowadzenia od okładki wewnątrz kondensatora (ceramiczne i zwijkowe) lub wyschnięciem

elektrolitu (elektrolityczne z elektrolitem ciekłym). W tym przypadku sprawdzenie sprawności

kondensatora jest trudniejsze.

W przypadku duŜych pojemności (powyŜej 100 µF) kondensator moŜna sprawdzić za

pomocą omomierza, przez który popłynie malejący wykładniczo prąd ładowania kondensatora.

JeŜeli kondensator jest sprawny, to omomierz powinien rozpocząć wskazania od zwarcia do

przekroczenia zakresu miernika. Gdy zmiany wskazań następują zbyt szybko, to naleŜy

odpowiednio zwiększyć zakres pomiarowy omomierza. Ponadto moŜna porównać szybkość

zmian wskazań miernika występującą w przypadku uŜycia badanego oraz wzorcowego

kondensatora. Szybsze zmiany (na tym samym zakresie) wskazują mniejszą wartość

pojemności.

Cewki indukcyjne i dławiki

Cewka indukcyjna, będąca dwójnikiem elektrycznym w postaci zwojnicy, składa się z

uzwojenia, korpusu oraz rdzenia (magnetowodu). MoŜliwe symbole graficzne cewek

przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Symbole graficzne cewek indukcyjnych [www.cyfronika.com.pl]

Cewki są stosowane w obwodach rezonansowych, filtrach, jako elementy sprzęgające oraz

jako dławiki w układach wielkiej lub małej częstotliwości.

Dławik jest to cewka nieprzestrajana, z rdzeniem ferromagnetycznym o nieliniowej

charakterystyce magnesowania rdzenia. Jest to element o duŜej indukcyjności własnej, którego

zadaniem jest eliminowanie lub tłumienie składowej zmiennej sygnału w obwodzie. Zwykle

współpracuje on z kondensatorami, tworząc filtry dolnoprzepustowe. W zaleŜności od

częstotliwości pracy, wyróŜniamy dławiki małej i wielkiej częstotliwości.

Dławiki wykonuje się z cieńszego drutu niŜ cewki indukcyjne (ich średnica wynosi od 0,05

do 0,1 mm), gdyŜ ich rezystancja odgrywa drugorzędną rolę.

Rodzaje, parametry i oznaczenia cewek

Ze względu na sposób wykonania cewki dzielimy na:

− powietrzne: stosowane w zakresie duŜych częstotliwości, a w przypadku bardzo duŜej

częstotliwości cewki mają postać odcinka drutu lub ścieŜki drukowanej,


16

− rdzeniowe: stosowane tam, gdzie wymagana jest duŜa wartość indukcyjności lub jej

przestrajanie. Cewki nawijane są na korpusy z tworzywa sztucznego, wewnątrz których

znajdują się rdzenie ferromagnetyczne lub niemagnetyczne rdzenie mosięŜne.

Podstawowymi parametrami cewki są:

− indukcyjność własna – L w [µH] lub [mH],

− rezystancja cewki – rL w [Ω].

W urządzeniach elektronicznych i elektrycznych są stosowane róŜnorodne cewki.

Większość z nich jest charakterystyczna tylko dla konkretnego typu urządzenia, ale są równieŜ

cewki typowe występujące w wielu urządzeniach i zawierające pewne charakterystyczne

oznaczenia (dotyczy to głównie cewek ekranowanych). Cewki takie często łączone są z

kondensatorami tworząc układy filtrów zamknięte w jednej obudowie o rozmiarach 7x7 lub

12x12.

Sprawdzanie i pomiar indukcyjności cewek indukcyjnych

Cewki rzadko ulegają uszkodzeniom spowodowanym przez prąd elektryczny (za

wyjątkiem cewek duŜej mocy lub wysokonapięciowych). JeŜeli podejrzewamy, Ŝe cewka jest

uszkodzona to najpierw naleŜy sprawdzić czy nie jest pęknięty rdzeń, korpus lub osłona

ekranująca, a następnie sprawdzić omomierzem czy uzwojenia nie są przerwane albo zwarte ze

sobą lub z osłoną ekranującą. Mogą wystąpić w cewce równieŜ zwarcia międzyzwojowe.

Przerwę w obwodzie moŜna łatwo wykryć za pomocą omomierza, natomiast wykrycie

zwarcia całkowitego lub częściowego jest uzaleŜnione od czułości omomierza. Po zmierzeniu

rezystancji rL badanej cewki moŜna wynik pomiaru porównać z wartością katalogową lub

zmierzoną wartością rL cewki wzorcowej.

Dokładny pomiar indukcyjności moŜna wykonać za pomocą: uniwersalnych mierników

cyfrowych (w ograniczonym zakresie indukcyjności), specjalizowanych, mostkowych

mierników (testerów) RLC.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jaka jest budowa i właściwości oporników drutowych, warstwowych i objętościowych?

2. Jakie są najwaŜniejsze parametry uŜytkowe oporników liniowych stałych?

3. Jakie są wartości znamionowe oporników w szeregu E6, a jakie w E12?

4. Jaki kod barwny będzie miał opornik w szeregu E24 o wartości znamionowej 91Ω?

5. Czym się róŜni potencjometr od opornika?

6. Jakie wyróŜniamy rodzaje potencjometrów i gdzie je stosujemy?

7. Czym charakteryzuje się termistor CTR?

8. Co to jest współczynnik β warystora?

9. Jakie typy kondensatorów stosuje się w obwodach rezonansowych w zakresie wysokich

częstotliwości?

10. Jak dzielimy kondensatory ze względu na zastosowany dielektryk?

11. W jaki sposób oznaczamy kondensatory?

12. Czym róŜni się kondensator elektrolityczny od kondensatora wykonanego z tworzywa

sztucznego?


17

13. Co to jest trymer?

14. Jak sprawdzić sprawność kondensatora o pojemności 1mF za pomocą omomierza?

15. Na czym polega róŜnica między cewkami indukcyjnymi a dławikami?

16. Jakie są podstawowe parametry cewek indukcyjnych?

17. W jaki sposób moŜna regulować indukcyjność w cewkach?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj spośród przedstawionych elementów opornik oraz odczytaj i sprawdź wartość

jego rezystancji znamionowej i tolerancję.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) ustalić kolory występujące na obudowie elementu elektronicznego,

2) stwierdzić po obudowie oraz po kolorach i układzie pasków, który z elementów jest

opornikiem,

3) ustalić, po której stronie znajduje się pasek tolerancji rezystancji badanego opornika,

4) rozszyfrować wartość znamionową rezystancji,

5) odczytać zakodowaną wartość tolerancji opornika,

6) zweryfikować odczyt, poprzez sprawdzenie, czy odczytana wartość mieści się w szeregu

wynikającym z odczytanej tolerancji,

7) zmierzyć omomierzem rzeczywistą wartość rezystancji,

8) obliczyć względną róŜnicę między zmierzoną wartością rezystancji a rezystancją

znamionową,

9) porównać, wyraŜoną w %, obliczoną w punkcie 8 róŜnicę z tolerancją opornika podaną

przez producenta.

WyposaŜenie stanowiska pracy:

− zestaw oporników,

− omomierz,

− kalkulator, zeszyt do ćwiczeń, przybory do psania,

− literatura zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Dokonaj pomiaru rezystancji potencjometru metodą techniczną i porównaj ją z rezystancją

znamionową tego potencjometru.



1) odczytać rezystancję znamionową potencjometru,


18

2) ustalić końcówki potencjometru między którymi naleŜy mierzyć rzeczywistą rezystancję

potencjometru,

3) ustalić właściwą metodę pomiaru,

4) narysować układ pomiarowy,

5) zbudować układ pomiarowy z dostępnych elementów,

6) obliczyć względną róŜnicę między zmierzoną wartością rezystancji a rezystancją

znamionową.


− potencjometry,

− zasilacz

− amperomierz, woltomierz,

− kalkulator, zeszyt do ćwiczeń, przybory do pisania,


Ćwiczenie 3

Rozpoznaj spośród przedstawionych elementów warystor oraz odczytaj wartości jego

parametrów na podstawie oznaczeń.



1) stwierdzić po kształcie obudowy i oznaczeniach na obudowie, który z elementów jest

warystorem,

2) określić rodzaj obudowy warystora,

3) odczytać zakodowaną wartość napięcia charakterystycznego, 4) odczytać zakodowaną

wartość współczynnika nieliniowości, 5) odczytać zakodowaną wartość mocy

znamionowej.


− zestaw elementów elektronicznych,

− zeszyt do ćwiczeń oraz przybory do pisania,


Ćwiczenie 4

Rozpoznaj po oznaczeniach literowo-cyfrowych i wyglądzie kondensator elektrolityczny

aluminiowy (spośród kilku przedstawionych), podaj jego pojemność i napięcie znamionowe,

prąd upływowy, tangens kąta stratności oraz dokonaj za pomocą omomierza cyfrowego

pomiarów sprawdzających jego sprawność.




19

1) dokonać wyboru określonego typu kondensatora na podstawie wyglądu zewnętrznego,

2) odczytać cechy i parametry wybranego kondensatora na podstawie oznaczeń naniesionych

na jego obudowie,

3) poszukać w załączonym katalogu opisu wybranego kondensatora,

4) odczytać pozostałe parametry z katalogu,

5) sprawdzić za pomocą omomierza, czy okładki kondensatora nie są wewnętrznie zwarte ze

sobą,

6) sprawdzić, czy kondensator przeładowuje się po zmianie polaryzacji przyłoŜonego

napięcia.


− zestaw kilkunastu kondensatorów róŜnych typów róŜniących się parametrami,

− katalog kondensatorów,

− cyfrowy miernik uniwersalny,

− kalkulator,

− zeszyt do ćwiczeń i długopis,


Ćwiczenie 5

Zbadaj czy uszkodzony jest filtr 12x12 poprzez oględziny rdzenia i korpusu filtru oraz

sprawdzając indukcyjność cewek i pojemność kondensatorów w badanym filtrze.



1) dokonać oględzin obudowy filtru,

2) wykręcić rdzeń,

3) odczytać ze schematu ideowego filtru parametry cewek i kondensatorów,

4) zmierzyć „przejścia” przez cewki i brak ewentualne zwarcia kondensatorów za pomocą

omomierza,

5) zmierzyć indukcyjności cewek i pojemności kondensatorów,

6) porównać zmierzone parametry z wartościami przedstawionymi na schemacie ideowym,

7) ocenić sprawność filtru.


− kilka filtrów typu 12x12,

− schematy ideowe i katalogi filtrów,

− tester elementów RLC,

− kalkulator,

− zeszyt do ćwiczeń i długopis,



20

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie 1)

opisać budowę i właściwości oporników?

2) wymienić parametry uŜytkowe oporników liniowych stałych? 3)

wymienić wartości znamionowe oporników z szeregu E6 i E12? 4)

określić czym się róŜni potencjometr od opornika?

5) opisać rodzaje potencjometrów i ich zastosowanie? 6) opisać czym

charakteryzuje się termistor CTR?

7) zdefiniować parametry warystora?

8) rozróŜnić typy kondensatorów ze względu na ich wygląd?

9) określić jak dzielimy kondensatory ze względu na zastosowany dielektryk?

10) odczytać parametry kondensatorów na podstawie oznaczeń na ich obudowie?

11) sprawdzić sprawność kondensatora?

12) określić na czym polega róŜnica między cewkami indukcyjnymi a dławikami?

13) określić jakie są podstawowe parametry cewek indukcyjnych? 14) opisać

w jaki sposób moŜna regulować indukcyjność w cewkach?

4.2. Aktywne elementy elektroniczne


Złącze P – N i jego polaryzacja

Złączem nazywamy połączenie dwóch kryształów ciała stałego w taki sposób, Ŝe tworzą

one ze sobą ścisły kontakt. W elektronice najczęściej wykorzystywane są złącza: metal –

półprzewodnik i półprzewodnik–półprzewodnik, którym w większości przypadków jest krzem.

W momencie połączenia półprzewodnika typu P (gdzie nośnikami prądu są „dziury”) z

półprzewodnikiem typu N (gdzie nośnikami prądu są elektrony) powstaje złącze P – N.

Przez pojęcie polaryzacji rozumiemy stan, jaki następuje w złączu pod wpływem

przyłoŜenia z zewnątrz róŜnych potencjałów do obydwu obszarów półprzewodnika.

JeŜeli do półprzewodnika typu P przyłoŜymy potencjał dodatni, a do półprzewodnika typu

N potencjał ujemny, to mówimy, Ŝe złącze jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co

oznacza bardzo dobre przewodzenie prądu elektrycznego. W przeciwnym wypadku mówimy,

Ŝe złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym i złącze takie prawie wcale nie przewodzi

prądu.

Diody prostownicze

Diodą prostowniczą nazywamy element półprzewodnikowy zawierający jedno złącze P –

N z dwiema końcówkami wyprowadzeń. Diody prostownicze są przeznaczone do prostowania

prądu przemiennego małej częstotliwości. Są one głównie stosowane w układach

prostowniczych urządzeń zasilających układów elektronicznych.


21

Diody prostownicze spolaryzowane zaczynają przewodzić (następuje gwałtowny wzrost

prądu) dopiero po przekroczeniu pewnej wartości napięcia w kierunku przewodzenia. Dla diod

krzemowych wynosi ona ok. 0,7 V, a dla germanowych ok. 0,3 V. Symbol graficzny diody

prostowniczej pokazano na rysunku 9a, natomiast jej charakterystykę prądowo – napięciową na

rysunku 9b. Napięcie i prąd na osiach współrzędnych oznaczone indeksem F wskazują kierunek

przewodzenia diody, natomiast oznaczone indeksem R kierunek zaporowy. Elektroda „+”

(anoda) pokazana na rysunku 9 połączona jest z półprzewodnikiem typu P, a elektroda „–”

(katoda) z półprzewodnikiem typu N.

a) b)

(+)

( – )

Rys. 9. Diody prostownicza: a) symbol graficzny, b) charakterystyka prądowo – napięciowa [4, s. 83]

Oznaczenia i wygląd diod prostowniczych

Oznaczenia i wygląd diod prostowniczych zmieniają się w zaleŜności od producenta, mocy

i napięcia występującego w urządzeniach zawierających te elementy oraz od ich konstrukcji i

przeznaczenia.

Przykładowo diody prostownicze mogą mieć następujące oznaczenia:

− typowe diody małej mocy: BYP 401, BYP 660R,

− typowe diody małej i średniej mocy: BYP 680R,

− diody wysokonapięciowe: BAYP 50, BAYP 350.

W oznaczeniach diod moŜna rozpoznać pewne prawidłowości:

− pierwsza litera oznacza materiał półprzewodnikowy A – german, B – krzem,

− druga litera Y oznacza diody prostownicze,

− litera R umieszczona na końcu oznacza, Ŝe anoda diody znajduje się na obudowie diody,

− cyfry poprzedzone znakiem „–” określają maksymalne napięcie wsteczne wyraŜone

w woltach, Przykład:

BYP 401–600R oznacza diodę prostowniczą małej mocy o napięciu wstecznym 600 V i anodą

na obudowie.

Niektórzy producenci oznaczają diody symbolem 1Nxxxxx, przy czym interpretacja

pozostałych znaków tego symbolu ustalona jest przez producenta.

I F

U R

U RWM

I 0

0

U F ( I 0 )

U F

I R

I R U ( RWM )


22

Parametry diod prostowniczych Parametry

charakterystyczne:

− napięcie progowe U(TO), poniŜej którego prąd przewodzenia ma bardzo małą wartość (0,2

V dla germanowych i 0,6 V dla krzemowych),

− napięcie przebicia U(BR) lub powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM przyjmowane

jako 0,8 napięcia przebicia (od kilku woltów do kilku kilowoltów),

− napięcie przewodzenia UF (rys.9) przy określonym prądzie przewodzenia I0,

− prąd wsteczny IR (rys. 9) przy określonym napięciu w kierunku zaporowym. Parametry

graniczne:

− dopuszczalny średni prąd przewodzenia IF(AV) jaki moŜe przepływać przez diodę w kierunku

przewodzenia (od dziesiątek miliamperów do kilku kiloamperów),

− szczytowe napięcie wsteczne URWM (rys. 9), powyŜej którego dioda moŜe ulec

uszkodzeniu,

− maksymalne straty mocy Ptotmax przy danej temperaturze otoczenia diody (najczęściej 25°C),

które mieszczą się w przedziale od kilkuset miliwatów do kilku kilowatów.

Diody stabilizacyjne (diody Zenera)

Diody te są przeznaczone do stabilizacji lub ograniczania napięcia. Są one głównie

stosowane w urządzeniach zasilających jako elementy stabilizatorów napięcia oraz jako źródła

napięć odniesienia i ograniczniki amplitudy w innych układach elektronicznych.

Diody stabilizacyjne pracują przy polaryzacji w kierunku zaporowym, charakteryzując się

niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem duŜych zmian prądu. Symbol graficzny diody

Zenera jest zamieszczony poniŜej na rys. 10a. Działanie diody stabilizacyjnej najlepiej

pokazuje charakterystyka prądowo – napięciowa przedstawiona na rysunku 10b.

a) b)


23

Rys. 10. Symbol graficzny diody stabilizacyjnej oraz charakterystyka I = f(U) diody stabilizacyjnej [4, s.

84]

Oznaczenia i wygląd diod stabilizacyjnych

Oznaczenia i wygląd diod stabilizacyjnych zmieniają się w zaleŜności od mocy i napięcia

stabilizacji diody oraz od ich konstrukcji i przeznaczenia.

Przykładowo diody stabilizacyjne mogą mieć następujące oznaczenia:

− typowe diody Zenera: BZAP 30, BZP 650,

− diody Zenera do układów hybrydowych: BZX 84,

− diody skompensowane temperaturowo: BZY 566 – wykorzystują one temperaturową

stabilność napięcia Zenera w wąskim zakresie od 6,08V do 6,72V,

− diody układów elektronicznego zapłonu: BZYP 01.

W oznaczeniach tych diod moŜna rozpoznać pewne prawidłowości:

− pierwsza litera oznacza materiał półprzewodnikowy, najczęściej B – krzem,

− druga litera Z oznacza diody stabilizacyjne (diody Zenera),

− litera poprzedzona znakiem „–” określa tolerancję napięcia stabilizacji: A – 1%, B – 2%, C

– 5%, D – 10%, E – 15%,

− po tej literze następują cyfry określające wartość znamionowego napięcia stabilizacji w

woltach, a jeŜeli napięcie to jest liczbą ułamkową, to zamiast przecinka stosuje się literę

V,

− litera R umieszczona na końcu oznacza, Ŝe anoda diody znajduje się na obudowie diody,

a polaryzacji normalnej (obudowa połączona z katodą) nie oznacza się.

Przykład: BZP 683 – C5V1 oznacza diodę stabilizacyjną małej mocy o napięciu stabilizacji

równym 5,1 V z dokładnością 5%.

Parametry diod stabilizacyjnych Parametry

charakterystyczne:

− napięcie stabilizacji UZ (zwane równieŜ napięciem Zenera),

− napięcie przewodzenia UF przy określonym prądzie przewodzenia I0,

− prąd wsteczny IR przy określonym napięciu w kierunku zaporowym,

− rezystancja dynamiczna rz jaką stanowi dioda w zakresie stabilzacji,

− temperaturowy współczynnik napięcia stabilizacji αuz.

Parametry graniczne:

− maksymalny prąd stabilizacji IZmax, płynący przez diodę podczas stabilizacji napięcia,

− maksymalne straty mocy Ptotmax przy danej temperaturze otoczenia diody.

Wyznaczanie charakterystyk prądowo – napięciowych diod półprzewodnikowch

Charakterystyki prądowo – napięciowe umoŜliwiają wyznaczenie następujących

parametrów diod półprzewodnikowych: napięcia przewodzenia UF, napięcia stabilizacji UZ i

rezystancję dynamicznej diod Zenera rz.

Najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk diod jest metoda „punkt po punkcie”,

której układy pomiarowe pokazano na rysunkach 11 i 12.


24

Rys. 11. Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyki prądowo – napięciowej zarówno diody prostowniczej

jak i diody Zenera (w zakresie przewodzenia) [www.cyfronika.com.pl]

Wyniki naleŜy zapisać w karcie pomiarowej zawierającej tabelę 2.

Tabela 2. Karta pomiarowa do badania diod spolaryzowanych w kierunku przewodzenia [opracowanie własne]

Dioda prostownicza (lub stabilizacyjna) typ:.................... – kierunek przewodzenia

UF [V]

IF [mA]

Rys. 12. Układy pomiarowe do wyznaczania charakterystyki prądowo – napięciowej w zakresie zaporowym

[www.cyfronika.com.pl]

Wyniki naleŜy zapisać w karcie pomiarowej zawierającej tabelę 3.

Tabela 3. Karta pomiarowa do badania diod spolaryzowanych w kierunku zaporowym [opracowanie własne]

Dioda prostownicza (lub stabilizacyjna) typ:.................... – kierunek zaoporowy

UR [V]

IR [mA lub µA]


25

Sprawdzanie sprawności diod półprzewodnikowych

Przyczyną elektrycznego uszkodzenia diody jest przekroczenie dopuszczalnych wartości

prądów i napięć. Uszkodzenia mechaniczne polegające na stłuczeniu lub ułamaniu obudowy,

czy złamaniu końcówki wynikają najczęściej z zaginania końcówek zbyt blisko obudowy.

Uszkodzenia w diodzie moŜna łatwo wykryć omomierzem wyposaŜonym w źródło

napięcia o wartości 1,5 V. Badaną diodę naleŜy wylutować z układu (wystarczy odlutować

tylko jedną końcówkę) i sprawdzić jaka jest wartość rezystancji w obu kierunkach. Wartość

rezystancji w kierunku zaporowym (plus omomierza na katodzie) jest bardzo duŜa i często

przekracza maksymalne zakresy miernika. Natomiast w kierunku przewodzenia (plus

omomierza na anodzie) wartość rezystancji jest znacznie mniejsza chociaŜ trudna do

określenia. Rezystancja w kierunku przewodzenia zaleŜy od kształtu charakterystyki diody oraz

rodzaju i zakresu omomierza. Oznacza to, Ŝe w zmieniając typ lub zakres miernika, a takŜe

samą diodę na inny egzemplarz tego samego typu, otrzymamy róŜne wartości rezystancji diody

w kierunku przewodzenia.

Badanie diody Zenera moŜna przeprowadzić analogicznie do badania sprawności diody

prostowniczej pod warunkiem, Ŝe napięcie stabilizacji jest większe niŜ napięcie źródłowe

omomierza. JeŜeli podczas sprawdzania rezystancji diody w obu kierunkach omomierz

wskazuje „zwarcie” to oznacza przebicie elektryczne złącza; a jeŜeli omomierz wskazuje

„rozwarcie” to oznacza przerwę mechaniczną wewnątrz diody.

Obecnie cyfrowe mierniki uniwersalne wyposaŜone są w układy do badania spadku

napięcia na złączu PN. Miernik musimy przestawić na tryb oznaczony i przyłoŜyć do

końcówek diody przewody miernika. JeŜeli „minus” miernika jest przyłączony do katody, to

miernik wskaŜe wartość spadku napięcia w mV; a jeŜeli odwrotnie to miernik wskaŜe

przekroczenie zakresu.

Podział i budowa tranzystorów bipolarnych

Tranzystory naleŜą do grupy elementów półprzewodnikowych (wzmacniających i

przełączających o regulowanym przepływie prądu. Ze względu na zasadę działania dzielimy je

na: bipolarne i unipolarne.

Ze względu na wydzielaną moc, tranzystory dzielimy na:

− małej mocy: do 0,3 W,

− średniej mocy: do 5 W,

− duŜej mocy: powyŜej 5 W, nawet do 300 W.

Ze względu na maksymalną częstotliwość pracy, tranzystory dzielimy na:

− małej częstotliwości: do kilkudziesięciu MHz,

− wielkiej częstotliwości: nawet do kilku GHz.

Tranzystory bipolarne są najczęściej wykonywane z krzemu. Ze względu na kolejność

ułoŜenia warstw półprzewodnika rozróŜniamy tranzystory typu NPN i PNP. KaŜda z tych

warstw (obszarów) ma swoją nazwę: baza – B, emiter – E, kolektor – C. Strukturę wewnętrzną

oraz symbole graficzne

(wraz z

wypowadzeniami) obydwu typów tranzystorów bipolarnych przedstawiono na rysunku 17.

E B C E B

C


26

E C

B

E C

B

tranzystor PNP tranzystor NPN

Rys. 14. Struktura i symbole graficzne tranzystorów bipolarnych [www.edw.com.pl]

Zasada działania tranzystora bipolarnego

Działanie tranzystora bipolarnego wyjaśnimy na przykładzie takiej polaryzacji tranzystora,

przy której złącze emiter – baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze baza –

kolektor spolaryzowane w kierunku zaporowym. Stan taki jest zapewniony, gdy spełniona jest

następująca zaleŜność między potencjałami na poszczególnych elektrodach:

− dla tranzystora NPN VE < VB < VC,

− dla tranzystora PNP VE > VB > VC.

Rys. 15. Rozkład napięć i rozpływ prądów tranzystora bipolarnego przy polaryzacji normalnej [4, s.93]

Oznaczenia rozpływu prądów w tranzystorze i spadków napięć na nim są następujące: IB –

prąd bazy, IC – prąd kolektora, IE – prąd emitera, UCE – napięcie kolektor – emiter, UBE –

napięcie baza – emiter, UCB – napięcie kolektor – baza, VE – potencjał emitera, VB – potencjał

emitera, VC – potencjał kolektora. Między prądami poszczególnych elektrod tranzystora

zachodzą następujące związki:

β= IC

IB

IE =IC +IB

n p n p n p E

C

B

B

E

C


27

gdzie:

IE – prąd emitera [A] lub [mA], IC – prąd kolektora [A] lub [mA], IB – prąd bazy [mA] lub [µA],

β – współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora (mieści się w granicach od 20 do 850).

Układy i stany pracy tranzystora bipolarnego

ZaleŜnie od doprowadzenia i wyprowadzenia sygnału rozróŜniamy trzy sposoby włączenia

tranzystora do układu (rys. 16):

− układ ze wspólnym emiterem OE (WE),

− układ ze wspólną bazą OB (WB), −

układ za wspólnym kolektorem OC

(WC).

WE WB WC

C E C E

B B

E B C

Rys. 16. Układy pracy tranzystorów bipolarnych [95]

Tranzystor składa się z dwóch złączy P – N, które mogą być spolaryzowane w kierunku

przewodzenia jak i w kierunku zaporowym. W związku z tym wyróŜniamy cztery stany pracy

tranzystora przedstawione w tabeli 4.

Tabela 4. Stany pracy tranzystora bipolarnego [4, s.98]

Stan

tranzystora

Kierunki polaryzacji złączy tranzystora

złącze emiter

– baza

złącze kolektor

– baza

Zatkanie zaporowy zaporowy

Przewodzenie aktywne przewodzenia zaporowy

Nasycenie przewodzenia przewodzenia

Przewodzenie inwersyjne zaporowy przewodzenia


28

Tranzystor pracujący w układach wzmacniających musi być w stanie aktywnym, natomiast

w układach przełączających w stanie zatkania, nasycenia lub inwersyjnym.

Parametry i oznaczenia tranzystorów bipolarnych

Do podstawowych parametrów charakterystycznych tranzystora bipolarnego zaliczamy:

− współczynnik wzmocnienia prądowego β (lub h21E) tranzystora dla układu OE,

− częstotliwość graniczna tranzystora fT przy której współczynnik h21E spada do jedności,

− napięcie między kolektorem, a emiterem w stanie nasycenia UCEsat.

Do podstawowych parametrów granicznych tranzystora bipolarnego zaliczamy:

− dopuszczalna moc całkowita wydzielana w tranzystorze Ptot,

− maksymalne napięcie między kolektorem, a emiterem UCE0max,

− maksymalny dopuszczalny prąd kolektora ICmax,

− dopuszczalna temperatura złączy Tjmax.

Tranzystory bipolarne wykonywane są najczęściej z krzemu. PoniŜej przedstawiamy

przykładowe typy, oznaczenia i parametry tranzystorów krzemowych.

Tabela 5. Przykłady oznaczeń i parametrów tranzystorów krzemowych [opracowanie własne – róŜne katalogi]

Typ Symbol UCEmax

[V] ICmax [mA]

Ptot [mW]

Grupa

h21E

h21E fT [MHz]

Polaryzacja

małej mocy m.cz. BC107

45

100

300

A B

110÷240 200÷480

100

NPN

duŜej mocy m.cz. BDP286

80

7000

25000

– 30÷200

10

PNP

małej mocy w.cz. BF180

20

20

150

– 15

500

NPN

wysokonapięciowe BU205

700

2500

10000

– 2

7,5

NPN

Sprawdzanie tranzystorów bipolarnych

Uszkodzenie tranzystora moŜe nastąpić pod wpływem tych samych czynników co w

diodzie półprzewodnikowej. Sprawdzenie sprawności tranzystora moŜna przeprowadzić w

podobny sposób jak w przypadku diody, za pomocą omomierza lub cyfrowego miernika

uniwersalnego nastawionego na pomiar napięcia na złączu PN. Sposób pomiaru i kontrolę

sprawności tranzystora pokazuje poniŜsza tabela 6.

Tabela 6. Rezystancje lub napięcia między elektrodami prawidłowo pracującego tranzystora bipolarnego

[opracowanie własne]

Tranzystor Badane

przejście

Biegun dodatni

miernika

Rezystancja

zmierzona

Napięcie złącza

PNP B – E E mała poniŜej 1 V

PNP B – E B bardzo duŜa lub duŜa poza zakresem

PNP B – C C mała poniŜej 1V


29

PNP B – C B bardzo duŜa lub duŜa poza zakresem

PNP E – C E bardzo duŜa poza zakresem

PNP E – C C bardzo duŜa lub mała róŜne

NPN B – E B mała poniŜej 1 V

NPN B – E E bardzo duŜa poza zakresem

NPN B – C B mała poniŜej 1 V

NPN B – C C bardzo duŜa poza zakresem

NPN E – C E bardzo duŜa lub mała róŜne

NPN E – C C bardzo duŜa poza zakresem

Tranzystory unipolarne

Tranzystor unipolarne (polowe) stosowane są w układach elektronicznych rzadziej niŜ

bipolarne. Tranzystory te mają kanał typu N lub P, który moŜe być wzbogacany lub zubaŜany.

Elektrody tych tranzystorów mają następujące nazwy i oznaczenia: źródło – S, bramka – G,

dren – D. W tranzystorach polowych w przepływie prądu biorą udział nośniki większościowe

jednego rodzaju – elektrony (N) lub dziury (P). Prąd moŜe płynąć przez kanał pomiędzy

źródłem i drenem, natomiast przewodnictwo tego kanału zaleŜy od napięcia bramka – źródło

UGS. Istnieje pewne napięcie UGSoff przy którym następuje odcięcie kanału i tranzystor przestaje

przewodzić. Ze względu na rodzaj sterowania kanałem i właściwości tranzystory unipolarne

dzielimy na złączowe (FET) i z izolowaną bramką (MOSFET). Symbole graficzne tranzystorów

złączowych pokazano na rysunku 17.

Rys. 17. Przykładowe symbole graficzne tranzystorów unipolarnych: a) FET – kanał N b) FET – kanał P

[4, s.122]

W zaleŜności od typu kanału i rodzaju tranzystora napięcie UGSoff moŜe być dodatnie lub

ujemne. JeŜeli załoŜymy, Ŝe UGS jest dodatnie gdy potencjał VG jest większy od VS, to

przewodzenie kaŜdego typu tranzystora unipolarnego moŜna przedstawić następująco.

Tabela 7. Warunki przewodnictwa róŜnych typów tranzystorów unipolarnych [opracowanie własne]

Typ tranzystora Tranzystor przewodzi dla:

FET z kanałem typu N – UGSoff < UGS < 0

FET z kanałem typu P 0 < UGS <+UGSoff

MOSFET z kanałem zubaŜanym typu N – UGSoff < UGS

MOSFET z kanałem wzbogacanym typu N +UGSoff < UGS

MOSFET z kanałem zubaŜanym typu P UGS <+UGSoff

MOSFET z kanałem wzbogacanym typu P UGS < – UGSoff


30

Parametry tranzystorów unipolarnych są analogiczne do bipolarnych, za wyjątkiem

napięcia odcięcia kanału UGSoff, które jest parametrem charakterystycznym.

Obudowy i oznaczenia tranzystorów bipolarnych i unipolarnych są podobne, przy czym

tranzystory MOSFET mają zwykle cztery końcówki. Tą czwartą końcówką jest tzw. podłoŜe

B, które w układach pracy prawie zawsze połączone jest ze źródłem S.

Przykład: tranzystor FET; BF245; Ptotmax=360 mW, UDSmax=30V, UGSoff=0,5÷8V, kanał N

Sprawdzanie tranzystorów unipolarnych

W przypadku tranzystorów unipolarnych typu FET naleŜy sprawdzić przejście między

drenem i źródłem (powinno istnieć w obydwie strony) i między źródłem lub drenem, a bramką.

Sprawdzanie tranzystorów typu MOSFET jest utrudnione ze względu na duŜą wraŜliwość tych

tranzystorów na ładunek elektrostatyczny wprowadzony na bramkę tranzystora poprzez ręce

lub narzędzia badającego. Jednak najpewniejszym sposobem sprawdzenia sprawności

tranzystora unipolarnego jest zbadanie jego własności wzmacniających lub przełączających w

danym układzie pracy.

Tyrystory

Tyrystor, zwany takŜe sterowaną diodą krzemową, składa się z 4 warstw półprzewodnika

PNPN. Trzy wyprowadzone na zewnątrz końcówki są dołączone do trzech warstw

półprzewodnika: anoda A do skrajnej warstwy P, katoda K do skrajnej warstwy N oraz trzecia

zwana bramką G do wewnętrznej warstwy N. Symbol graficzny tyrystora przedstawiono na

rysunku 18.

A

G K

Rys. 18. Symbol graficzny tyrystora [opracowanie własne]

Działanie tyrystora przy polaryzacji w kierunku zaporowym jest takie same jak diody

prostowniczej, nazywamy ten stan stanem zaworowym. Natomiast przy polaryzacji w kierunku

przewodzenia (anoda połączona z biegunem „+” zasilania) tyrystor jest w stanie blokowania

(nie przewodzi prądu) lub w stanie przewodzenia (przewodzi prąd tak jak dioda prostownicza).

Stąd drugie określenie tyrystora – dioda sterowana.

W zaleŜności od sposobu przechodzenie tyrystora ze stanu przewodzenia do blokowania i

odwrotnie rozróŜniamy dwa podstawowe rodzaje tyrystorów: SCR i GTO.

Przejście tyrystora SCR (nazywanego inaczej konwencjonalnym lub triodowym) ze stanu

blokowania do stanu przewodzenia (włączenie tyrystora) następuje po przekroczeniu napięcia

progowego U(BO) nazywanego napięciem przełączania. Napięcie przełączania nie jest

parametrem tyrystora, poniewaŜ zaleŜy od wartości prądu IG wpływającego do bramki tyrystora

(im większe IG, tym mniejsze U(BO). Po włączeniu tyrystora jego obwód bramkowy moŜe być


31

przerwany. Istnieje równieŜ moŜliwość samoczynnego, niekontrolowanego załączenia

tyrystora podczas zbyt szybkiego narastania napięcia w stanie blokowania.

Wyłączenie tyrystora SCR, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub

zaworowy, wymaga zmniejszenia prądu anodowego tyrystora do wartości tzw. prądu

podtrzymania IH lub do zera poprzez zmianę polaryzacji napięcia anoda – katoda. W praktyce

na ogół wykorzystuje się ten drugi sposób.

W przypadku tyrystora GTO (inaczej nazywanego wyłączalnym) włączenie odbywa się tak

samo jak tyrystora konwencjonalnego, przy czym wymagana jest duŜa wartość dodatniego

impulsu prądu bramki oraz utrzymanie wpływającego do tyrystora prądu bramkowego przez

cały stan przewodzenia.

Aby przerwać przepływ prądu głównego tyrystora GTO, naleŜy do obwodu bramki

doprowadzić ujemny impuls prądu, natomiast zmniejszenie prądu anodowego tyrystora nie jest

wymagane.

Parametry i oznaczenia tyrystorów

Podstawowymi parametrami tyrystora są:

− maksymalne napięcie blokowania UDRM,

− powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne URRM,

− maksymalna wartość skuteczna prądu przewodzenia IT(RMS),

− napięcie przełączające bramki UGT,

− prąd przełączający bramki IGT,

− prąd podtrzymania IH.

Przykład:

BTP128 – 400: UDRM = 400V, URRM = 4V, IT(RMS) = 8A, UGT = 4V, UGT = 45mA, IH = 5mA

Triaki

Triak jest trójzaciskowym, pięciowarstwowym, dwustanowym przyrządem

półprzewodnikowym, który zastępuje pod względem funkcjonalnym połączenie odwrotnie

równoległe dwóch tyrystorów jednokierunkowych. Symbol graficzny i charakterystyka

wyjściowa pokazane są na rysunku 19.

Rys. 19. Triak: a) symbol graficzny, b) charakterystyka wyjściowa [4, s.119]


32

Triak działa jako przełącznik mocy, sterujący przepływem prądu przemiennego (tzn.

przewodzi prąd w obu kierunkach oraz blokuje napięcie o dowolnej biegunowości). Posiada on

dwie elektrody obwodu głównego MT1 i MT2 oraz elektrodę sterującą G (bramkę). Elektroda

MT2 jest zwykle połączona z obudową przyrządu, a MT1 jest elektrodą odniesienia względem

której mierzone są wszystkie napięcia. Gdy do bramki G doprowadzimy dodatni lub ujemny

impuls napięciowy (zaleŜnie od wykonania struktury 5 – warstowej) triak przechodzi trwale w

stan przewodzenia, aŜ do momentu, gdy wartość prądu głównego zostanie zmniejszona przez

układ zewnętrzny do wartości mniejszej niŜ prąd podtrzymania

IH.

Parametry triaków są analogiczne jak dla tyrystorów. Natomiast oznaczenia triaków duŜej

mocy są takie same jak tyrystorów duŜej mocy za wyjątkiem pierwszej litery.

Przykłady: triak duŜej mocy – S 20–20–10–54,

triak średniej mocy – BTA – 12–600 (12 A, 600 V).

Sprawdzanie tyrystorów i triaków

Tyrystory ulegają uszkodzeniom tego samego rodzaju, co wszystkie elementy

półprzewodnikowe, tzn. przebiciom złączy. Typową przyczyną uszkodzeń tyrystorów jest

przegrzanie, w wyniku którego następuje pogorszenie parametrów tyrystora, przede wszystkim

jego czasu wyłączania.

Prawidłowość działania tyrystora moŜna sprawdzić w układzie wyposaŜonym w baterię

4,5 V, miliamperomierz i 2 rezystory 1 kΩ i 470 Ω. Biegun ujemny zasilacza łączymy z katodą

tyrystora; natomiast biegun dodatni łączymy z anodą przez rezystor 470 Ω, a przez 1kΩ i

ewentualnie przełącznik z bramką tyrystora. Przy odłączonej bramce tyrystor nie powinien się

włączyć i miliamperomierz nie powinien wskazywać przepływu prądu. Po podłączeniu bramki

do obwodu tyrystor powinien się włączyć i miliamperomierz powinien wskazywać przepływ

prądu rzędu kilku miliamperów.

W przypadku triaka procedura sprawdzania moŜe być analogiczna, przy czym nie ma

znaczenia biegunowość baterii zasilającej.

Dioda elektroluminescencyjna

Dioda elektroluminescencyjna jest źródłem promieniowania widzialnego (dioda LED,

zwana równieŜ diodą świecącą) oraz niewidzialnego promieniowania podczerwonego (dioda

IR). Dioda pracuje prawidłowo przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Długość fali

generowanego promieniowania zaleŜy od materiałów półprzewodnikowych, z których dioda

jest wykonana, takich jak: GaAs, GaP lub GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu. Diody

emitują promieniowanie o barwach: niebieskiej, Ŝółtej, zielonej, pomarańczowej, czerwonej

oraz w zakresie podczerwieni. Spotyka się równieŜ diody świecące kilkoma kolorami.

W zaleŜności od zakresu emitowanego promieniowania, diody elektroluminescencyjne

moŜna stosować jako: wskaźniki optyczne, wskaźniki stanów logicznych (diody świecące) oraz

źródła promieniowania podczerwonego (diody IR) w systemach zdalnego sterowania, czy w

systemach alarmowych.


33

Rys. 20. Symbol graficzny diody LED lub IR [opracowanie własne]

Diody elektroluminescencyjne mają takie same parametry elektryczne jak inne diody, tj.

prąd przewodzenia (moŜe być ciągły lub impulsowy), napięcie przewodzenia, napięcie

wsteczne oraz moc strat, która wynosi od kilkudziesięciu do kilkuset mW.

Do parametrów optycznych diody zaliczamy:

− strumień energetyczny Pe (moc emitowana przez diodę) wyraŜony w W, którego wartość

rośnie ze wzrostem prądu przewodzenia i maleje ze wzrostem temperatury złącza,

− światłość JV (stosunek strumienia świetlnego do kąta bryłowego, w który dioda

wypromieniowuje ten strumień) wyraŜona w kandelach.

Talela 8. Przykładowa karta katalogowa diod elektroluminescencyjnych [pl.wikipedia.org]

Typ Barwa IFmax

[mA]

UF

[V]

Pe [mW]

(Je) [mW/sr]

Soczewka

CQP431 czerwona 30 2,0 1 czerwona matowa

CQP463 Ŝółta 30 3,0 0,6 Ŝółta przezroczysta

CQYP15 podczerwona 100 1,5 0,5 – – – – – – – –

Fotodetektory

Fotodetektory (zwane równieŜ odbiornikami fotoelektrycznymi) wykorzystują

wewnętrzne zjawisko fotoelektryczne do zmiany własnej przewodności pod wpływem

zaabsorbowanego przez półprzewodnik promieniowania elektromagnetycznego. Do

fotodetektorów zaliczamy: fotorezystory, fotodiody, fotoogniwa, fototranzystory,

fototyrystory.

Fotoodbiorniki moŜemy sprzęgać z diodami elektroluminescencyjnymi, w celu przesyłania

sygnałów na drodze optycznej. W ten sposób uzyskujemy przekazywanie sygnałów z jednego

układu do drugiego, przy galwanicznym odseparowaniu tych układów.

Tak powstały przyrząd nazywamy transoptorem (dioda i fotodetektor w róŜnych obudowach)

lub łączem optoelektronicznym (dioda i fotodetektor w jednej obudowie). Transoptor moŜe być

zamknięty (transmisja promieniowania następuje za pomocą światłowodu) lub otwarty

(transmisja następuje w powietrzu).

Fotodetektory, transoptory (rys. 21) i łącza optoelektroniczne znajdują zastosowanie m.in.

w układach automatyki, zdalnego sterowania, układach telekomunikacyjnych, urządzeniach

alarmowych, sygnalizacyjnych i kontrolno – pomiarowych.

a) b) c)


34

Rys. 21. Symbole graficzne: a) fotorezystora, b) fototranzystora, c)

fototranzystora z wyprowadzoną bazą [opracowanie własne]

Fotorezystor

Fotorezystorem nazywamy element półprzewodnikowy, w którym pod wpływem

oświetlenia następuje zmiana jego przewodności niezaleŜnie od kierunku przyłoŜonego

napięcia zewnętrznego.

Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie przepływającego prądu (zmniejszenie

rezystancji). Prądem fotoelektrycznym nazywamy róŜnicę między całkowitym prądem

płynącym przez fotorezystor i tzw. prądem ciemnym, płynącym przez fotorezystor przy braku

oświetlenia.

Podstawowymi parametrami fotorezystora są:

− czułość widmowa, czyli zaleŜność rezystancji od natęŜenia oświetlenia,

− rezystancja ciemna RD (przy braku oświetlenia), zawierająca się w przedziale 106 ÷ 1012Ω

− współczynnik n określany jako stosunek rezystancji ciemnej do rezystancji przy danej

wartości natęŜenia oświetlenia (np. 50 lx), sięgający kilku tysięcy.

Tabela 9. Przykładowa karta katalogowa fotorezystorów [pl.wikipedia.org]

Typ Umax [V] Pmax

[W]

RD

[MΩ]

n λ

[nm]

RPP111 <500 <0,1 >100 >2000 58–680

RPP333 <60 <0,05 >5 >2500 540–630

RPP550 <350 <0,6 >1 >5000 580–680

Fototranzystor

Fototranzystor jest to element półprzewodnikowy z dwoma złączami PN, który działa tak

samo jak konwencjonalny tranzystor, przy czym jego prąd kolektora nie zaleŜy od prądu bazy,

lecz od natęŜenia promieniowania oświetlającego obszar bazy.

W fototranzystorach końcówka bazy moŜe być wyprowadzona lub nie wyprowadzona na

zewnątrz obudowy. Pierwszy przypadek umoŜliwia niezaleŜne sterowanie optyczne i

elektryczne fototranzystorem.

Kształt charakterystyki prądowo-napięciowej fototranzystora jest identyczny z kształtem

charakterystyki konwencjonalnego tranzystora. Ze wzrostem temperatury złącza zwiększa się

prąd ciemny i prąd fotoelektryczny, a przy wzroście napięcia UCE rośnie tylko prąd ciemny.

Sprawdzanie elementów optoelektronicznych

Uszkodzenie elementów optoelektronicznych jest dość łatwe do stwierdzenia. Brak

świecenia diody LED moŜe być spowodowany przerwą wewnątrz obudowy lub jej

przegrzaniem. NaleŜy sprawdzić czy w czasie pracy na jej końcówkach jest napięcie

polaryzujące diodę w kierunku przewodzenia. Jeśli jest naleŜy wymienić diodę na nową.


35

Trudniej jest sprawdzić diodę IR, poniewaŜ promieniowanie podczerwone nie jest widoczne.

Do sprawdzenia naleŜy uŜyć odbiornika podczerwieni uprzednio sprawdzonego, którym

steruje badana dioda. Ponadto moŜna przeprowadzić badania sprawdzające takie same jak dla

diod prostowniczych.

Fotorezystor moŜna sprawdzić mierząc jego rezystancję przy róŜnych natęŜeniach światła.

JeŜeli rezystancja znacznie się zmienia to fotorezystor jest sprawny.

W podobny sposób moŜna sprawdzić fototranzystor mierząc (w stanie pracy) jego napięcie na

kolektorze przy róŜnych natęŜeniach światła. JeŜeli fototranzystor ma wyprowadzoną bazę to

moŜna przeprowadzić badanie tak samo jak w przypadku tranzystora bipolarnego.



1. Jakie są podstawowe parametry charakterystyczne diody prostowniczej?

2. Jakie są podstawowe parametry graniczne diody stabilizacyjnej?

3. Jakie informacje moŜna odczytać z oznaczenia diody BZP 683 – D12?

4. Co oznacza litera R umieszczona na końcu oznaczenia diody?

5. Jak sprawdzić sprawność diody prostowniczej lub stabilizacyjnej za pomocą cyfrowego

multimetru uniwersalnego?

6. Jakie funkcje mogą spełniać tranzystory i tyrystory w układzie elektronicznym?

7. Na czym polega róŜnica w działaniu tranzystorów bipolarnych i unipolarnych?

8. Jak nazywamy wyprowadzenia tranzystorów bipolarnych, a jak unipolarnych?

9. Jaka jest polaryzacja złączy tranzystora bipolarnego w stanie nasycenia?

10. Jaka jest definicja współczynnika β tranzystorów?

11. Jaka jest definicja napięcia odcięcia kanału tranzystora?

12. Jaki typ tranzystora unipolarnego przewodzi prąd dla dodatniego napięcia większego od

UGsoff?

13. Jakie wyróŜniamy stany pracy tyrystora?

14. Czym się róŜni w działaniu tyrystor SCR od GTO?

15. Jaka jest definicja parametru UDRM tyrystora?

16. W jaki sposób wyłączany jest triak?

17. Wymień, jakie są rodzaje elementów optoelektronicznych?

18. W oparciu o jakie zjawisko działają fotodetektory?

19. Jakie są podstawowe parametry diody elektroluminescencyjnej?

20. Gdzie mogą być stosowane elementy optoelektroniczne?

21. Jakie są podstawowe parametry fotodetektorów?

22. Jak sprawdzić prawidłowe diody LED?

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wyznacz charakterystykę prądowo-napięciową określonej diody Zenera spolaryzowanej w

kierunku zaporowym i odczytaj z jej przebiegu parametry UZ i rz.


36



1) zaproponować układ pomiarowy do zbadania diody,

2) zbudować układ pomiarowy,

3) sporządzić tabelę do wpisywania wyników badań,

4) wyznaczyć metodą „punkt po punkcie” charakterystykę prądowo-napięciową diody,

5) narysować charakterystykę prądowo-napięciową diody na papierze milimetrowym,

6) odczytać z narysowanej charakterystyki wartości UZ i wartości rz,

7) porównać wyznaczony fragment charakterystyki diody i wyznaczone parametry diody z

danymi katalogowymi.


− zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania pomiarów parametrów

elementów półprzewodnikowych metodą „punkt po punkcie” i instrukcje obsługi do tych

przyrządów,

− zasilacz regulowany,

− makieta z badaną diodą i przewody połączeniowe,

− stanowisko do badań diod półprzewodnikowych,

− zeszyt do ćwiczeń, papier milimetrowy i karta katalogowa badanej

diody, − ołówek, linijka, inne przyrządy kreślarskie, − literatura

zgodna z punktem 6 poradnika.

Ćwiczenie 2

Dokonaj pomiaru napięcia przewodzenia UF danej diody prostowniczej przy określonym

prądzie przewodzenia I0.



1) odczytać w karcie katalogowej wartość napięcia progowego danej diody,

2) zaproponować układ pomiarowy do zbadania napięcia przewodzenia diody, 3)

zbudować układ pomiarowy,

4) wymusić za pomocą potencjometru przepływ określonego prądu przez diodę, 5)

zmierzyć wartość spadku napięcia na diodzie.


− karty katalogowe diod prostowniczych,

− zasilacz regulowany,

− makieta z badaną diodą i przewody połączeniowe,

− amperomierz i woltomierz,

− zeszyt do ćwiczeń,


37


Ćwiczenie 3

Rozpoznaj elektrody tranzystora bipolarnego oraz sprawdź prawidłowość jego działania.



1) odczytać z karty katalogowej podstawowe parametry tranzystora,

2) dokonać wyboru przyrządu pomiarowego,

3) rozpoznać wyprowadzenie bazy tranzystora,

4) za pomocą wybranego przyrządu ustalić polaryzację tranzystora,

5) za pomocą wybranego przyrządu ustalić sprawność tranzystora,

6) na podstawie oględzin zewnętrznych ustalić wyprowadzenia emitera i kolektora,

7) rozpoznać, wykorzystując katalog, typ obudowy danego tranzystora,

8) sprawdzić, czy rozpoznanie wyprowadzeń badanego tranzystora jest zgodne z danymi

katalogowymi.


− badane tranzystory

− karty katalogowe badanych tranzystorów,

− uniwersalny miernik cyfrowy, −

zeszyt do ćwiczeń, przybory do

pisania,


Ćwiczenie 4

Określ warunki napięciowe przepływu prądu przez tranzystor unipolarny wskazany na

schemacie ideowym oraz kierunek przepływu tego prądu.



1) rozpoznać na podstawie symbolu graficznego typ tranzystora unipolarnego,

2) odczytać z karty katalogowej wartość napięcia odcięcia kanału danego tranzystora,

3) narysować układ polaryzacji tranzystora,

4) określić kierunek przepływu prądu przez tranzystor,

5) określić przedział napięć UGS dla których tranzystor będzie przewodził prąd.


− karty katalogowe badanych tranzystorów,

− schematy ideowe układów elektronicznych,

− zeszyt do ćwiczeń, przybory do pisania,


38


Ćwiczenie 5

Sprawdź prawidłowość działania triaka.



1) zapoznać się z danymi katalogowymi triaka,

2) zbudować układ pomiarowy zgodnie z instrukcją,

3) wybrać zakres pomiarowy miliamperomierza na podstawie danych katalogowych, 4)

dokonać pomiaru prądu płynącego w układzie pomiarowym, 5) ocenić sprawność działania

triaka.


− triak oraz zestaw oporników i potencjometrów do pomiaru parametrów elementów

elektronicznych,

− regulowany zasilacz napięcia DC,

− instrukcja do ćwiczenia,

− miliamperomierz DC,

− zeszyt do ćwiczeń, przybory do pisania,


Ćwiczenie 6

Sprawdź prawidłowość działania i parametry elektryczne określonej diody IR oraz jej

oddziaływanie na fotorezystor.



1) zaproponować metodę najprostszego zbadania sprawności diody IR w oparciu o urządzenia

i przyrządy pomiarowe przedstawione w instrukcji,

2) wykonać sprawdzanie sprawności diody,

3) zaproponować układ pomiarowy do sprawdzenia oddziaływania diody IR na fotorezystor,

4) zmontować układ pomiarowy,

5) wykonać pomiar,

6) oszacować, przy jakim prądzie przewodzenia diody (przy określonej odległości)

fotorezystor zaczyna reagować na promieniowanie diody,

7) narysować zaleŜność prądu płynącego przez fotorezystor (przy stałym napięciu zasilania)

od prądu płynącego przez diodę.


− nadajnik i odbiornik IR umieszczone na makiecie pomiarowej,


39

− zestaw mierników uniwersalnych,

− przewody połączeniowe,

− zeszyt do ćwiczeń i papier milimetrowy,

− kalkulator,

− ołówek, linijka, inne przyrządy kreślarskie,



Czy potrafisz:

Tak Nie

1) określić warunki spolaryzowania diody w kierunku przewodzenia i

zaporowym?

2) zdefiniować parametry charakterystyczne diody prostowniczej lub

stabilizacyjnej? 3) odczytać oznaczenia katalogowe diod

półprzewodnikowych? 4) sprawdzić sprawność diody

półprzewodnikowej?

5) określić jakie funkcje spełniają tranzystory i tyrystory w układach elektronicznych?

6) opisać na czym polega róŜnica w działaniu tranzystorów

bipolarnych i unipolarnych?

7) określić konfigurację wyprowadzeń tranzystorów róŜnych typów?

8) określić jaka jest polaryzacja złączy tranzystora bipolarnego

w danym stanie pracy? 9) zdefiniować parametry podstawowe

tranzystorów?

10) opisać działanie tranzystora dla róŜnych warunków polaryzacji?

11) opisać stany pracy tyrystora?

12) rozróŜniać działanie tyrystora SCR od GTO? 13) zdefiniować parametry

tyrystorów i triaków?

14) opisać działanie triaka?

15) wymienić podstawowe rodzaje elementów optoelektronicznych? 16) okreslić

podstawowe parametry elementów optoelektronicznych? 17) wskazać

zastosowanie elementów optoelektronicznych? 18) sprawdzić sprawność

diody LED i fotodetektorów?


40

4.3. Elektroniczne układy zasilające


Układy elektroniczne

Układem elektronicznym nazywamy złoŜony obwód elektryczny zawierający bierne i

aktywne elementy elektroniczne spełniający pewne podstawowe funkcje do których zaliczamy

wzmocnienie, przetworzenie lub wygenerowanie poŜądanego sygnału. Układy tworzą z kolei

podstawowe bloki urządzeń elektronicznych, których działanie jest bardziej złoŜone niŜ

działanie samych układów.

Monolitycznym układem scalonym nazywamy układ elektroniczny, którego elementy

czynne i bierne są wykonane w płytce półprzewodnikowej (najczęściej krzemowej), a

dokładniej w jej cienkiej warstwie przypowierzchniowej.

Ze względu na rodzaj przetwarzanych sygnałów układy scalone dzielimy na:

− analogowe, przetwarzające ciągłe sygnały napięciowe przyjmujące dowolne wartości w

określonym przedziale,

− cyfrowe, przetwarzające binarne sygnały napięciowe przyjmujące wartości logiczne 0 i 1.

Do podstawowych układów analogowych zaliczamy wzmacniacze operacyjne,

wzmacniacze mocy, stabilizatory napięcia, generatory oraz układy specjalizowane stosowane

w określonych urządzeniach np. układy radiowo – telewizyjne.

Podstawowe układy analogowe wytwarzane są najczęściej w obudowach typu DIP (rys. )

lub w obudowach przypominających bipolarne tranzystory mocy (rys. ). DIP jest to skrót od

angielskiej nazwy obudowy dwurzędowej czyli DUAL IN LINE PACKAGE, czasami spotyka

się równieŜ nazwę DIL. W obudowach typu DIP są umieszczane układy scalone do montaŜu

tradycyjnego (przewlekanego) co oznacza, Ŝe w obwodzie drukowanym w miejscu pod montaŜ

takiego układu znajdują się otwory w takim rozstawie i liczbie jakie ma układ scalony.

Przykład jak wyglądają typowe układy w obudowie typu DIP jest pokazany na (rys. 22)

Rys. 22. Obudowa typu DIP [www.edw.com.pl]


41

W obudowach typu DIP umieszczane są układy scalone o liczbie wyprowadzeń od 4 do 48.

Wyprowadzenia układów scalonych (tzw. pin – y) mają jednoznacznie określony sposób

numerowania polegający na liczeniu pin – ów w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek

zegara (patrząc od strony wyprowadzeń) począwszy od pin 1. Na rysunku obudowy DIP

pokazany jest znacznik (czasami jest to kropka) identyfikujący pin 1 układu.

Zasilacze napięciowe

Zasilaczem nazywamy układ elektroniczny wytwarzający napięcie stałe przeznaczone do

zasilania innych układów elektronicznych. Inaczej mówiąc zasilacz przetwarza napięcie

przemienne sieci zasilającej (np. 230 V, 50 Hz) na napięcie stałe.

Schemat funkcjonalny zasilacza przedstawiono (w dwóch wersjach) na rysunku 23.

Rys. 23. Schemat funkcjonalny zasilaczy: a) prostego, b) z transformatorem [5, s. 239]

Wersja zawierająca prosty zasilacz składa się z trzech bloków: prostownika, filtru

dolnoprzepustowego FDP oraz stabilizatora napięcia wyjściowego. Prostownik zamienia prąd

zmienny na prąd jednokierunkowy, filtr FDP przepuszcza na wyjście składową stałą

pulsującego prądu jednokierunkowego i tłumi składową zmienną, a stabilizator powoduje

zmniejszenie tętnień napięcia wyjściowego.

Wersja druga zawiera te same bloki co pierwsza, ale dodatkowo jest odseparowana od sieci

zasilającej transformatorem sieciowym, który zwykle obniŜa znacznie napięcie zmienne

podawane na prostownik, a co za tym idzie obniŜa napięcie wyjściowe zasilacza. Zasilacz z

transformatorem odseparowuje galwanicznie obwody wyjściowe od wejściowych, co jest duŜą

zaletą tego urządzenia. Ponadto układ zasilacza z transformatorem daje się łatwo zaadaptować

do wytwarzania kilku napięć stałych (jeden transformator o kilku uzwojeniach wtórnych), a

diody prostownicze stosowane w tych zasilaczach mogą mieć stosunkowo nieduŜe napięcie

wsteczne. Natomiast wadą tego typu zasilaczy są duŜe rozmiary transformatorów (gdy moc

zasilacza przekracza 20 W), mała sprawność i mała skuteczność tłumienia tętnień.

Układy prostownicze

Układy prostownicze są najczęściej podzespołem urządzenia zwanego zasilaczem

napięciowym, które przetwarza napięcie przemienne sieci zasilającej (w Polsce 230 V, 50 Hz)

na napięcie stale o ustabilizowanej wartości. Zadaniem prostownika jest wytworzenie na

wyjściu napięcia zmiennego, ale o stałej polaryzacji.


42

Prostownik jednopulsowy przewodzi prąd tylko w jednym kierunku, w wyniku czego na

wyjściu pojawiają się tylko dodatnie „połówki” wejściowego napięcia sinusoidalnego, co

pokazano na rysunku 24.

Rys. 24. Prostownik jednopulsowy: a) schemat, b) przebiegi napięć i prądów w układzie [5, s. 240]

Elementem załączającym jest dioda półprzewodnikowa D, która przewodzi, gdy napięcie

uwe > UF i nie przewodzi, gdy uwe < UF. W stanie nieprzewodzenia napięcie wyjściowe jest

równe 0, w stanie przewodzenia określone jest wzorem

uwy = uwe −U F

W celu zmniejszenia tętnień oraz zwiększenia wydatkowania energii, w obciąŜeniu

prostownika stosuje się kondensatory, które magazynują energię w czasie ∆T, co pokazano na

rysunku 25.

Prostownik z obciąŜeniem rezystancyjno – pojemnościowym (rys. 30) utrzymuje na

wyjściu napięcie o wartości zbliŜonej do wartości szczytowej napięcia wejściowego. Prąd iD w

tym układzie płynie tylko w czasie ∆T doładowywania pojemności, czyli krócej niŜ przy

obciąŜeniu rezystancyjnym.

Rys. 25. Prostownik jednopulsowy z obciąŜeniem RC: a) schemat, b) przebiegi napięć i prądów w

układzie [5, s. 241]

Lepszymi parametrami charakteryzują się prostowniki dwupulsowe pokazane na rysunku

26.


43

Rys. 26. Prostownik dwupulsowy: a) układ z transformatorem, b) układ Graetza [5, s.241]

W układach tych prąd płynie przez obciąŜenie Ro praktycznie przez cały czas w jednym

kierunku. W układzie z transformatorem (rys. 26a), przy dodatniej połówce wejściowego

przebiegu sinusoidalnego prąd płynie od zacisku 1 przez diodę D1 i obciąŜenie Ro do zacisku

2, a przy ujemnej od zacisku 2 przez diodę D2 i obciąŜenie Ro do zacisku 1.

W układzie mostka Graetza (rys. 26b), który jest najczęściej stosowany sytuacja jest

podobna. Przy dodatniej połówce wejściowego przebiegu sinusoidalnego prąd płynie od

zacisku 1 przez diodę D1, obciąŜenie Ro i diodę D3 do zacisku 2, a przy ujemnej od zacisku 2

przez diodę D2, obciąŜenie Ro i diodę D4 do zacisku 1. Układ ten zapewnia lepsze

wykorzystanie mocy transformatora.

Układy stabilizacji napięcia

Układy te charakteryzują się następującymi parametrami:

− znamionowe napięcie wyjściowe, tzn. to na które został zaprojektowany stabilizator,

− zakres regulacji napięcia wyjściowego,

− dopuszczalny zakres zmian napięcia wyjściowego,

− zakres zmian prądu wyjściowego,

− współczynnik stabilizacji S to stosunek zmiany napięcia wyjściowego do wywołującej ją

zmiany napięcia wejściowego.

Najprostszym układem stabilizacji napięcia jest stabilizator z diodą Zenera, stosowany w

prostych zasilaczach lub jako źródło napięcia odniesienia. Układ ten przedstawiono na rysunku

27.

Rys. 27. Schemat układu stabilizatora z diodą Zenera [opracowanie własne]

Właściwości stabilizacyjne tego układu wynikają z kształtu charakterystyki prądowo-

napięciowej diody Zenera, która została opisana w części 4.2 materiału nauczania tego

poradnika. Napięcie wyjściowe Uwy jest równe napięciu Zenera Uz diody, a jego zmiany pod

wpływem zmian napięcia wejściowego Uwe i rezystancji obciąŜenia Robc są zminimalizowane.

Mechanizm stabilizacji napięcia dla idealnej diody Zenera jest następujący. JeŜeli napięcie Uwe

rośnie to wzrasta wartość prądu I płynącego przez opornik R oraz część tego prądu wpływająca

do diody czyli prąd IZ, a napięcie Uz nie ulega zmianie. JeŜeli z kolei zaczniemy zmniejszać

Uwe Uwy

R obc R

U Z


44

rezystancję Robc to prąd I pozostaje bez zmian, ale zmniejsza się prąd IZ kosztem wzrostu prądu

w obciąŜeniu, a napięcie Uz równieŜ nie ulega zmianie.

Gdy załoŜymy, Ŝe dioda nie jest idealna to musimy uwzględnić jej rezystancję dynamiczną

rZ, która wpływa na współczynnik stabilizacji w taki sposób, Ŝe im większa wartość rZ tym

gorsza stabilizacja napięcia wyjściowego.

Zakres poprawnej pracy stabilizatora diodowego wyznacza z jednej strony konieczność

minimalnego przepływu prądu przez diodę IZmin i z drugiej strony maksymalny prąd płynący

przez diodę IZmax ograniczony maksymalną mocą tej diody PDmax, co moŜna opisać

następującymi wzorami.

Uwe min −U

Z − Iwy max = IZ min

R

PDmax = IZ max (UZ + IZ max ⋅rZ ) Do zasilania układów elektronicznych najczęściej stosuje się stabilizatory ze sprzęŜeniem

zwrotnym działające w układzie szeregowym lub równoległym (rys. 28). W obydwu tych

układach napięcie wyjściowe (lub jego część) porównywane jest z wzorcowym napięciem

odniesienia, a układ regulacji zmienia wartość prądu płynącego przez obciąŜenie tak, aby

utrzymać na wyjściu stałą wartość napięcia.

Rys. 28. Schematy tranzystorowych układów stabilizacji napięcia: a) szeregowego b) równoległego [5,

s.250]

Napięcie wyjściowe w obu układach ma taką samą wartość i jest równe sumie napięć na

diodzie Zenera, która jest źródłem napięcia odniesienia i złączu B – E tranzystora spełniającego

rolę elementu regulacyjnego. Układy te charakteryzują się znacznie lepszymi własnościami

stabilizacyjnymi w porównaniu ze stabilizatorami diodowymi.

Jeszcze lepsze parametry stabilizacyjne uzyskamy w układach stabilizatorów

tranzystorowych o rozbudowanej strukturze wyposaŜonych w układ porównująco –

wzmacniający zbudowany na wzmacniaczu róŜnicowym (rys. 29).


45

Rys. 29. Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym [5, s.252]

W układzie stabilizatora na rysunku 29 rezystor R1 ustala wartość prądu płynącego przez

diodę Zenera, tranzystory T1 i T2 tworzą wzmacniacz róŜnicowy, w którym następuje

porównanie napięcia Up (zdzielnikowane napięcie wyjściowe) z napięciem odniesienia Uz.

Natomiast stopniem regulującym są tranzystory T3 i T4 pracujące w układzie Darlingtona i

sterowane napięciem wyjściowym wzmacniacza róŜnicowego. JeŜeli jeden z oporników

dzielnika napięcia zastąpimy potencjometrem to uzyskamy stabilizator z regulacją napięcia

wyjściowego określonego następującym wzorem.

R6

UZ =Uwy

gdzie: R5 + R6

R5 – opornik dzielnika napięcia [kΩ],

R6 – opornik dzielnika napięcia [kΩ],

Uwy –napięcie wyjściowe stabilizatora [V], UZ

– napięcie na diodzie Zenera [V].

Zabezpieczenia stabilizatorów

W stabilizatorach stosuje się dwie grupy zabezpieczeń: nadnapięciowe i nadprądowe

Najprostszymi elementami zabezpieczenia nadnapięciowego są kondensatory włączane

równolegle do wejścia i wyjścia stabilizatora. Innym elementem tych zabezpieczeń są diody

prostownicze włączane równolegle do wejść i wyjść stabilizatora, spolaryzowane zaporowo

przy normalnej pracy stabilizatora. Diody te zabezpieczają zasilacz przed zniszczeniem

wskutek odwrotnego włączenia napięcia wejściowego lub przyłączenia wyjścia do napięcia o

odwrotnej polaryzacji.

Najczęściej stosowanym zabezpieczeniem nadprądowym jest bezpiecznik topikowy,

umieszczany w obwodzie pierwotnym transformatora i na wyjściu stabilizatora. Jednak

zabezpieczenie to nie zapewnia skutecznej ochrony przed wzrostem prądu obciąŜenia

nieznacznie większym od wartości nominalnej prądu bezpiecznika.

Jednym ze sposobów zapobiegających temu jest zastosowanie układu zwiększającego

przeciąŜenie bezpiecznika (rys. 30a). W układzie tym tranzystor zostanie włączony gdy

napięcie na oporniku Rz odłoŜy się napięcie progowe dla tego tranzystora, a on z kolei załączy

tyrystor powodujący przepływ duŜego prądu zwarcia. W konsekwencji uzyskuje się

przyśpieszone przepalenie bezpiecznika i odłączenie stabilizatora od źródła napięcia

wejściowego.


46

Rys. 30. Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym:

a) układ zwiększający przeciąŜenie bezpiecznika, b) układ „bez podcięcia” charakterystyki, c) układ „z podcięciem” charakterystyki

[5, s. 254]

Podobnie działają elektroniczne układy ograniczające prąd obciąŜenia stabilizatorów.

Układy te występują w dwóch wersjach. Pierwsza z nich (rys. 30b) tylko ogranicza napięcie

wyjściowe, gdy prąd wyjściowy osiągnie swoją maksymalną dopuszczalną wartość. Drugi

układ zabezpieczeń (rys. 30c) dodatkowo zmniejsza prąd wypływający ze stabilizatora w chwili

zwarcia wyjścia do masy. Pierwszy układ ma charakterystykę obciąŜeniową „bez podcięcia”, a

drugi „z podcięciem” poniewaŜ tranzystor zabezpieczający T sterowany jest róŜnicą spadków

napięć na rezystorach Rz i R1. Układy z podcięciem charakterystyki realizuje się w celu

zabezpieczenia układu stabilizatora przed uszkodzeniem termicznym.

Scalone stabilizatory napięcia

W praktyce często stosuje się scalone stabilizatory napięcia, które mogą pracować jako:

− uniwersalne układy o napięciu wyjściowym regulowanym za pomocą elementów

zewnętrznych,

− układy o napięciu wyjściowym ustalonym w procesie produkcji.

Przykładem uniwersalnego scalonego stabilizatora napięcia jest układ µA 723, którego

wyprowadzenia i schematy połączeń przedstawiono na rysunku 31.


47

Rys. 31. Stabilizator scalony µA 723: a) pracujący w układzie Uwy < Uo, b) pracujący w układzie Uwy

= Uo, c) rozmieszczenie wyprowadzeń układu scalonego [5, s. 257 oraz

www.cyfronika.com.pl]

W układzie z rysunku 31a napięcie wyjściowe jest porównywane ze „zdzielnikowanym”

napięciem źródła odniesienia według wzoru

R2

Uwy =UO

R1 + R2

gdzie:

UO – napięcie odniesienia [V],

Uwy– napięcie wyjściowe stabilizatora [V],

R1 – rezystancja opornika w układzie wejściowego dzielnika napięcia [kΩ], R2

– rezystancja opornika w układzie wejściowego dzielnika napięcia [kΩ].

W układzie z rys. 31b napięcie wyjściowe jest porównywane bezpośrednio z napięciem

odniesienia zatem

Uwy =UO

Układy o stałym napięciu wyjściowym mają trzy (lub dwie) końcówki wyprowadzeń:

wejście, masa, wyjście. Scalone stabilizatory na napięcie stałe o prądzie wyjściowym rzędu

kilku amperów (np. UL7805, który jest scalonym stabilizatorem napięcia +5 V) mają metalowe

obudowy.

c)


48

Stabilizatory impulsowe

Działanie zasilaczy wyposaŜonych w stabilizatory napięcia o działaniu ciągłym powoduje

wydzielanie się duŜych mocy w elemencie wykonawczym tych stabilizatorów. W celu

poprawienia sprawności energetycznej zasilaczy stosuje się stabilizatory impulsowe (rys. 32)

wykorzystujące elementy indukcyjne i układy kluczujące do przetwarzania napięcia

wejściowego na wyjściowe. Typowy stabilizator impulsowy zawiera:

− źródło napięcia odniesienia,

− układ dzielnikujący napięcie wyjściowe,

− dyskryminator napięcia z pętlą histerezy,

− układ kluczujący,

− cewka indukcyjna i dioda prostownicza.

Rys. 32. Schemat rozbudowanego stabilizatora szeregowego ze sprzęŜeniem zwrotnym [5, s. 258]

Działanie stabilizatora polega na ciągłym kluczowaniu napięcia wejściowego podawanego

przez dławik na wyjście. Kluczowanie jest przełączane napięciem Uk (rys. 32c) z

dyskryminatora, który sterowany jest napięciem Up proporcjonalnym do napięcia wyjściowego

zgodnie z charakterystyką pokazaną na rysunku 32b. Efektem działania układu kluczującego

jest piłokształtny przebieg prądu obciąŜenia (rys. 32d), a tym samym i napięcia na obciąŜeniu

Ro. Gdy klucz jest włączony napięcie Uwy zwiększa się i prąd w cewce równieŜ narasta. Po

wyłączeniu klucza prąd cewki przejmowany jest przez diodę przy czym jego wartość maleje, a

co za tym idzie maleje napięcie wyjściowe. Zmiany napięcia Uwy są nieznaczne wokół

załoŜonej wartości średniej, a częstotliwość zmian zaleŜy od indukcyjności cewki L i progów

pętli histerezy UH1 i UH2. Im większa indukcyjność i róŜnica między progami tym mniejsza


49

częstotliwość przetwarzania. W praktyce parametry cewki i dyskryminatora są tak dobierane,

aby ta częstotliwość mieściła się w granicach od 20 kHz do 200 kHz (typowo około 50 kHz).

Filtry dolnoprzepustowe

W celu poprawienia parametrów pracy prostowników połączonych bezpośrednio z

obciąŜeniem, a w szczególności eliminacji tętnień napięcia wyjściowego stosuje się obciąŜenia

reaktancyjne prostowników, to znaczy:

− obciąŜenie RoC (równoległe połączenie) stosowane przy małych prądach obciąŜenia,

− obciąŜenie RoL (szeregowe połączenie) stosowane przy duŜych prądach obciąŜenia.

Jeszcze lepsze efekty uzyskamy wstawiając między prostownik a obciąŜenie (lub

stabilizator) filtry dolnoprzepustowe FDP (rys. 33). Stosunek amplitudy składowej zmiennej na

wejściu filtru do amplitudy składowej zmiennej na jego wyjściu nazywamy współczynnikiem

filtracji F, którego wartość powinna być znacznie większa od jedności.

Rys. 33. Schematy układów do filtrowania napięć zasilających [5, s. 244]

Dla filtru z rysunku 33a stosowanego w zasilaczach duŜej mocy współczynnik ten

określony jest wzorem

F = m2ω2LC gdzie:

F – współczynnik filtracji, m – liczba pulsów wyprostowanego przebiegu sinusoidalnego w

ciągu okresu (m=1 lub m=2) ω – pulsacja wejściowego napięcia sinusoidalnego [rad/s], L –

indukcyjność filtru [mH], C – pojemności filtru [µF].

W zasilaczach małej mocy stosuje się filtry RC (rys. 33c), w których tłumienie składowej

stałej napięcia określone jest wzorem.

Uwy Ro

=

Uwe R+ Ro

gdzie:

R0 – rezystancja obciąŜenia[kΩ],

R – rezystancja filtru [kΩ],

Uwy –napięcie wyjściowe stabilizatora [V],

Uwe– napięcie wejściowe stabilizatora [V].

Natomiast tłumienie składowej zmiennej napięcia wejściowego moŜna w przybliŜeniu

wyrazić wzorem.


50

F=ωRC

gdzie:

F – współczynnik filtracji,

m – liczba pulsów wyprostowanego przebiegu sinusoidalnego w ciągu okresu (m=1 lub m=2)

ω – pulsacja wejściowego napięcia sinusoidalnego [rad/s], L – indukcyjność filtru [mH], C –

pojemności filtru [µF].

JeŜeli filtry zostaną połączone kaskadowo, to współczynnik filtracji będzie równy

iloczynowi współczynników poszczególnych filtrów.

Badanie stabilizatorów napięcia

Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyk i parametrów stabilizatora

przedstawiono na rysunku 10. Napięcie sieci jest obniŜane do 24 V, a jego regulacja odbywa

się po stronie wtórnej autotransformatora. Dzięki temu uzyskujemy na wejściu stabilizatora

regulację napięcia stałego od 0 do około 30 V.

Rys. 34. Układ pomiarowy do badania charakterystyk i parametrów stabilizatora [Grabowski, s. 179]

Wartości prądów i napięć na wejściu oraz wyjściu stabilizatora UB (urządzenie badane)

mierzymy za pomocą pokazanych na rysunku amperomierzy i woltomierzy, przy czym napięcie

wyjściowe UO naleŜy mierzyć woltomierzem cyfrowym mierzącym z dokładnością do dwóch

miejsc po przecinku, ze względu na niewielkie zmiany tego napięcia. Kształt napięcia

wyjściowego w stosunku do wejściowego porównujemy za pomocą oscyloskopu OSC.

Charakterystyka przejściowa to zaleŜność UO = f(UI) przy zachowaniu stałej wartości

prądu obciąŜenia bliskiej wartości maksymalnej IOmax. Od pewnej wartości UImin napięcie

wyjściowe na charakterystyce przejściowej powinno być prawie linią poziomą.

Minimalne nachylenie charakterystyki przejściowej w zakresie stabilizacji pozwala

określić (zdefiniowany wcześniej) współczynnik stabilizacji napięci wyjściowego SU.

Dla uŜytkownika bardzo waŜną charakterystyką jest charakterystyka obciąŜeniowa, czyli

zaleŜność UO = f(IO) przy stałym napięciu wejściowym bliskim wartości maksymalnej UImax.

JeŜeli stabilizator jest wyposaŜony w sprawny układ zabezpieczeń przed przeciąŜeniem to prąd


51

obciąŜenia IO moŜna zmieniać od zera aŜ do zwarcia. Obserwując reakcję układu na zwarcie

moŜemy ocenić czy charakterystyka obciąŜeniowa jest z tzw. „podcięciem” czy „bez pocięcia”.

W układzie pomiarowym (rys. 34) moŜemy wyznaczyć równieŜ współczynnik tłumienia

tętnień napięcia występujących na wejściu stabilizatora. W tym celu naleŜy przy maksymalnym

obciąŜeniu stabilizatora podać na jego wejście maksymalne dopuszczalne napięcie stałe i

obserwować na oscyloskopie składową zmienną tego napięcia na wejściu i na wyjściu badanego

układu. Stosunek wartości międzyszczytowej sygnału zmiennego na wyjściu stabilizatora do

wartości między szczytowej sygnału zmiennego na jego wejściu jest równy badanemu

współczynnikowi.

Lokalizacja uszkodzeń w układach zasilających

Wystąpienie usterek w działaniu zasilaczy stwierdzamy na podstawie przeprowadzonych

wcześniej badań. Najczęściej efektem uszkodzenia zasilacza jest brak napięcia wyjściowego.

W takim przypadku naleŜy najpierw sprawdzić (przestrzegając zasad bhp) czy do zasilacza

doprowadzone jest napięcie sieciowe, a następnie czy do wejścia stabilizatora „dochodzi”

napięcie wyprostowane. JeŜeli nie to przyczyną niesprawności zasilacza moŜe być przerwa w

obwodzie wejściowym, uszkodzenie diod w prostowniku, zwarcie kondensatorów (lub przerwa

w uzwojeniach cewek) filtrów dolnoprzepustowych lub zwarcie w obwodzie wejściowym

samego stabilizatora. Odłączając poszczególne bloki zasilacza lokalizujemy w którym z nich

nastąpiło uszkodzenie. JeŜeli przyczyną usterki okazał się stabilizator napięcia to w przypadku

układów scalonych lub skomplikowanych układów impulsowych naleŜy wymienić go na nowy.

Natomiast w przypadku prostego stabilizatora parametrycznego lub tranzystorowego

(szeregowego lub równoległego) warto sprawdzić czy nie uległ uszkodzeniu tranzystor

regulacyjny lub dioda Zenera. W przypadku niesprawności skomplikowanych zasilaczy (po

wykluczeniu prostych uszkodzeń) naleŜy je oddać do naprawy w wyspecjalizowanych

punktach serwisowych.



1. Jakie są podstawowe rodzaje prostowników?

2. Jaki jest wpływ kondensatora na wyjściu prostownika na kształt napięcia wyjściowego?

3. Jak działa mostek Graetza?

4. Jak działa stabilizator napięcia ze sprzęŜeniem szeregowym?

5. Jak dzielimy stabilizatory ze względu na zasadę działania, a jak ze względu na

charakterystykę obciąŜeniową?

6. Jakie są podstawowe parametry stabilizatora napięcia?

7. Kiedy stosujemy w zasilaczach filtry RC a kiedy RL?

8. Jak definiujemy współczynnik filtracji filtrów FDP stosowanych w zasilaczach?

9. Z jakich podstawowych bloków składa się zasilacz impulsowy?

10. Jak badamy charakterystykę obciąŜeniową, a jak charakterystykę przejściową stabilizatora

napięcia?

11. Jakie parametry moŜna odczytać z charakterystyk stabilizatora napięcia?

12. Jakie są ogólne zasady lokalizacji uszkodzeń w zasilaczu napięciowym?


52

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Rozpoznaj na przedstawionych schematach ideowych układ Graetza z obciąŜeniem RC

oraz określ na podstawie parametrów elementów tego prostownika i parametrów transformatora

maksymalne napięcie i prąd wyjściowy tego układu zasilającego.



1) dokonać wyboru właściwego układu,

2) zapoznać się ze schematem ideowym wybranego układu,

3) odczytać z katalogów parametry elementów układu zasilającego,

4) określić które parametry elementów układu mogą mieć wpływ na ograniczenie napięcia i

prądu wyjściowego,

5) oszacować maksymalne wartości wyjściowego prądu i napięcia układu zasilającego.


− schematy ideowe prostowników,

− karty katalogowe elementów układu zasilającego,

− kalkulator,

− zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania,


Ćwiczenie 2

Rozpoznaj na przedstawionych schematach ideowych układ stabilizatora szeregowego ze

sprzęŜeniem zwrotnym i zabezpieczeniem nadprądowym „bez podcięcia”. Oblicz przy jakiej

wartości prądu obciąŜenia zadziała zabezpieczenie.



1) dokonać wyboru właściwego układu,

2) zapoznać się ze schematami ideowymi układów zasilających,

3) wskazać właściwy schemat,

4) określić od parametrów których elementów układu zaleŜy zadziałanie zabezpieczenia, 5)

wykonać odpowiednie obliczenie,

6) podać wartość maksymalnego prądu zwarciowego tego układu zasilającego.


− schematy ideowe prostowników,

− kalkulator


53


− literatura zgodna z punktem 6

poradnika.

Ćwiczenie 3

Wyznacz charakterystykę przejściową szeregowego, tranzystorowego stabilizatora

napięcia z moŜliwością regulacji napięcia wyjściowego dla dwóch skrajnych ustawień

potencjometru. Odczytaj z wykresu współczynnik stabilizacji napięcia badanego układu.



1) zapoznać się ze schematem ideowym układu stabilizatora,

2) narysować właściwy schemat układu pomiarowego,

3) zmontować prawidłowo układ pomiarowy,

4) wykonać pomiar charakterystyki przejściowej metodą „punkt po punkcie” dla dwóch

ustawień potencjometru,

5) zapisać w tabeli wyniki pomiarów,

6) narysować charakterystyki przejściowe,

7) wyliczyć dla kaŜdej charakterystyki współczynnik stabilizacji napięcia,


− prostownik, filtr dolnoprzepustowy i stabilizator napięcia,

− autotransformator i opornik suwakowy,

− amperomierze i woltomierze cyfrowe,

− kalkulator

− zeszyt do ćwiczeń, papier milimetrowy i przybory do pisania,


Ćwiczenie 4

Wyznacz charakterystykę obciąŜeniową stabilizatora napięcia wyjściowego z tzw.

„podcięciem” oraz określ współczynnik tłumienia tętnień dla badanego układu.



1) zapoznać się ze schematem ideowym układu stabilizatora,

2) narysować właściwy schemat układu pomiarowego,

3) zmontować prawidłowo układ pomiarowy,

4) wykonać pomiar charakterystyki przejściowej metodą „punkt po punkcie”,

5) zapisać w tabeli wyniki pomiarów,

6) narysować charakterystykę obciąŜeniową,


54

7) określić przy jakiej wartości prądu zaczyna i przy jakim kończy działanie zabezpieczenie

przeciwzwarciowe,

8) zmierzyć oscyloskopem międzyszczytowe wartości napięć zmiennych na wejściu oraz

wyjściu stabilizatora,

9) obliczyć współczynnik tłumienia tętnień napięcia w procentach.




− oscyloskop dwukanałowy,


− kalkulator,



Ćwiczenie 5

Zaprojektować prosty układ zasilacza zawierającego mostek Graetza, filtr

dolnoprzepustowy i stabilizator scalony dla określonych warunków napięciowych na wejściu i

wyjściu zasilacza.



1) zapoznać się z warunkami napięciowymi dla zasilacza,

2) zapoznać się z budową, schematem aplikacyjnym i parametrami danego układu scalonego,

3) narysować schemat ideowy układu zasilacza,

4) wybrać i obliczyć parametry elementów zasilacza od których zaleŜy jego prawidłowe

działanie,

5) dobrać z katalogów elementy układu o określonych parametrach, 6) sporządzić listę

wybranych elementów układu.






− kalkulator,




55

Ćwiczenie 6

Zlokalizować uszkodzony element układu zasilacza składającego się z prostownika

dwupulsowego, filtra RC, stabilizatora szeregowego zbudowanego na diodzie Zenera i jednym

tranzystorze.



1) zapoznać się z warunkami bhp w których będziesz uruchamiać zasilacz,

2) zapoznać się z budową, schematem ideowym oraz parametrami zasilacza,

3) podłączyć zasilacz do sieci 230 V/50 Hz przez transformator ochronny zgodnie z zasadami

bhp,

4) ustalić czy na wejściu stabilizatora jest napięcie wyprostowane,

5) ustalić czy na wyjściu stabilizatora istnieje napięcie i jak reaguje na podłączenie

obciąŜenia,

6) dokonać pomiarów napięcia w innych punktach układu w zaleŜności od wyników ustaleń,

7) zlokalizować uszkodzony element lub uszkodzone połączenie w układzie,

8) wymontować potencjalnie uszkodzony element układu, 9) sprawdzić czy wymontowany

element jest uszkodzony,

10) powtórzyć badania w przypadku braku potwierdzenia uszkodzenia elementu, 11)

stwierdzić jaka była przyczyna uszkodzenia zasilacza.


− schematy ideowe i montaŜowe układu zasilacza,

− dokumentacja techniczna zasilacza,

− zmontowany (otwarty) układ zasilacza,

− transformator ochronny i opornik suwakowy,

− źródło napięcia sieciowego 230 V/50 Hz,

− cyfrowe mierniki uniwersalne,


− stacja lutownicza i materiały lutownicze,

− narzędzia monterskie,

− kalkulator i zeszyt do ćwiczeń.

−

literatura zgodna z punktem 6 poradnika.


Czy potrafisz:

Tak Nie 1)

rozpoznać podstawowe rodzaje prostowników?

2) określić wpływ kondensatora na wyjściu prostownika na kształt

napięcia wyjściowego?


56

3) wyjaśnić zasadę działania mostka Graetza?

4) wyjaśnić zasadę działania stabilizatora napięcia ze sprzęŜeniem szeregowym? 5)

przedstawić podział stabilizatorów według róŜnych kryteriów? 6) wymienić

podstawowe parametry stabilizatora napięcia? 7) zastosować odpowiedni filtr jako

element zasilacza?

8) opisać budowę zasilacza impulsowego?

9) zmierzyć podstawowe charakterystyki stabilizatora napięcia? 10) zmierzyć

podstawowe parametry zasilacza napięciowego? 11) zlokalizować proste

uszkodzenia w zasilaczu napięciowym?

4.4. Elektroniczne układy wzmacniające i generacyjne


Podstawowe właściwości i parametry wzmacniaczy

Podstawową funkcją wzmacniacza jest wzmocnienie sygnału, przy zachowaniu nie

zmienionego jego kształtu. Wzmocnienie to odbywa się kosztem energii doprowadzonej z

pomocniczego źródła napięcia stałego. W związku z tym w kaŜdym wzmacniaczu wyróŜnia

się dwa zasadnicze obwody: obwód sygnału i obwód zasilania. Obwód zasilania stwarza

właściwe warunki dla wzmocnienia sygnału, natomiast obwód sygnału jest związany z

przenoszeniem sygnału przez wzmacniacz. Dla wzmacnianego sygnału wzmacniacz jest

czwórnikiem (rys. 35) do którego zacisków wejściowych dołączono źródło sygnału, a do

wyjściowych odbiornik sygnału.

Rys. 35. Schemat zastępczy wzmacniacza [5, s. 37]

Do najwaŜniejszych parametrów wzmacniacza naleŜą:

− wzmocnienie: napięciowe kU, prądowe kI, mocy kP, które są definiowane następująco:

Uwy Iwy P kU = kI = kP = wy

Uwe Iwe Pwe

gdzie:

Uwe i Uwy – napięcie wejściowe i wyjściowe wzmacniacza [V],

Iwe i Iwy – prąd wejściowy i wyjściowy wzmacniacza [A],


57

Pwe i Pwy – moc sygnału wejściowego i wyjściowego wzmacniacza [W].

− częstotliwości graniczne (dolna i górna) wynikające z przebiegu charakterystyki

amplitudowo – częstotliwościowej – są to takie częstotliwości sygnału wejściowego, dla

których wzmocnienie napięciowe maleje względem wzmocnienia maksymalnego o 3dB

(czyli do poziomu 0,707 swej wartości maksymalnej), a wzmocnienie mocy maleje do

połowy,

− pasmo B przenoszonych częstotliwości (czyli róŜnica między górną i dolną częstotliwością

graniczną) podawane w kHz,

− zniekształcenia nieliniowe określające zniekształcenia kształtu sygnału wyjściowego w

stosunku do wejściowego wyraŜone w %,

− rezystancja wejściowa Rwe, czyli rezystancja „widziana” z zacisków wejściowych układu,

przy rozwartym wyjściu, tzn.

Uwe

Rwe = przy Ro = ∞,

Iwe gdzie:

Rwe – rezystancja wejściowa wzmacniacza [Ω],

Uwe– napięcie wejściowe wzmacniacza [V],

Iwe – prąd wejściowy wzmacniacza [A], Ro –

rezystancja obciąŜenia wzmacniacza [Ω].

− rezystancja wyjściowa Rwy – jest to rezystancja „widziana” z zacisków wyjściowych układu,

przy zwartym wejściu, tzn.

Uwy

Rwy = przy Uwe = 0,

Iwy gdzie:

Rwy – rezystancja wyjściowa wzmacniacza [Ω],

Uwy– napięcie wyjściowe wzmacniacza [V],

Iwy – prąd wejściowy wzmacniacza [A],

Uwe– napięcie wejściowe wzmacniacza [V].

− moc wyjściowa Pwy (przy określonym poziomie sygnału wejściowego) lub maksymalna moc

wyjściowa Pwymax wzmacniacza mierzona w watach.

Ze względu na rodzaj wejściowego sygnału elektrycznego przetwarzanego przez

wzmacniacz rozróŜniamy: wzmacniacze napięciowe, prądowe i wzmacniacze mocy.

Ze względu na zakres częstotliwości wzmacnianego sygnału rozróŜniamy: wzmacniacze

prądu stałego, małej i wielkiej częstotliwości, szerokopasmowe oraz selektywne.

Ze względu na konstrukcję wzmacniacze dzielimy na tranzystorowe i scalone (w tym

operacyjne).


58

Tranzystorowe wzmacniacze napięciowe małej częstotliwości

Wybór układu pracy tranzystora jest zaleŜny od przeznaczenia i rodzaju zastosowanego

tranzystora, co zostało opisane w punkcie 4.2.1.

Na rysunku 36 pokazano schemat wzmacniacza pracującego w konfiguracji OE z

potencjometrycznym układem zasilania z emiterowym sprzęŜeniem zwrotnym dla składowej

stałej.

Rys. 36. Wzmacniacz małych częstotliwości – schemat ideowy [5, s. 40]

Rezystory R1 i R2 polaryzują bazę tranzystora ustalając prąd bazy oraz zapewniają jego

pracę w zakresie aktywnym. Rezystor RE jest elementem sprzęŜenia zwrotnego, a rezystor RC

jest obciąŜeniem kolektorowym wzmacniacza. Kondensatory C1 i C2 oddzielają składowe stałe

napięcia generatora i obciąŜenia od napięć stałych wzmacniacza. Wzmacniacze pracujące w

układach OE charakteryzują się duŜym wzmocnieniem mocy, średnią rezystancją wejściową i

wyjściową. Cechą charakterystyczną układów OE jest odwracanie, na wyjściu, fazy sygnału

wejściowego. Są to najczęściej stosowane układy pracy tranzystorów bipolarnych.

Zastosowanie sprzęŜenia zwrotnego zapewnia stabilność parametrów wzmacniacza i

zwiększenie górnej częstotliwości pasma przenoszenia.

W układach elektronicznych stosowane są równieŜ układy OC i OB. Rysunek 37

przedstawia wzmacniacz pracujący w układzie OC. Wzmocnienie prądowe i rezystancja

wejściowa tego układu jest bardzo duŜa, a wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności. Z tego

powodu układ ten nazywany jest wtórnikiem emiterowym.

Rys. 37. Wzmacniacz tranzystorowy pracujący w układzie OC [5, s. 69]


59

Rysunek 38 przedstawia wzmacniacz pracujący w układzie OB. Rezystancja wzmacniacza

jest mała, wzmocnienie prądowe bliskie jedności, a napięciowe mniejsze niŜ w układzie OE.

Wzmacniacz ten jest rzadko stosowany, a jego podstawową zaletą jest duŜa (β razy większa

niŜ w układzie OE) górna częstotliwość graniczna.

Rys. 38. Wzmacniacz tranzystorowy pracujący w układzie OB [75, s. 68]

Wzmacniacze dwutranzystorowe

Wzmacniacze dwutranzystorowe są traktowane jako pojedynczy stopień wzmacniający, ale

o poprawionych właściwościach. Szczególne znaczenie mają dwa tego rodzaju układy:

układ Darlingtona i wzmacniacz róŜnicowy.

Rys. 39. Schemat wtórnika z układem Darlingtona: a) podstawowy b) z dodatkowym rezystorem emiterowym

tranzystora T1 [5, s.86]

Układ Darlingtona (rys.39) charakteryzuje się bardzo duŜym wzmocnieniem prądowym

wyraŜającym się wzorem

β=β1β2

gdzie:

β1 – wzmocnienie prądowe tranzystora T1, β2 –

wzmocnienie prądowe tranzystora T2, β –

wzmocnienie prądowe układu Darlingtona.

WaŜną cechą tego układu jest równieŜ duŜa rezystancja wejściowa stopnia

wzmacniającego określona wzorem

Rwe = β1β2RE

gdzie:


60

Rwe – rezystancja wejściowa układu Darlingtona

[Ω], β1 – wzmocnienie prądowe tranzystora T1, β2 –

wzmocnienie prądowe tranzystora T2,

RE –rezystancja w obwodzie emitera tranzystora wyjściowego[Ω].

Układ Darlingtona, dzięki wymienionym zaletom, jest często stosowany we

wzmacniaczach oraz w układach separujących. Tranzystory układu Darlingtona pracują w

konfiguracji OC. Tranzystor T1 (rys. 39a) pracuje w zakresie bardzo małych prądów co

powoduje pracę tego tranzystora w zakresie nieliniowym, z czego z kolei mogą wynikać

zniekształcenia nieliniowe i mała wartość wzmocnienia. MoŜna tego efektu uniknąć stosując

układ (rys. 39b), w którym prąd bazy tranzystora T2 stanowi tylko niewielką część prądu emitera

tranzystora T1 pracującego w zakresie liniowym.

Rys. 40. Schemat zasadniczy wzmacniacza róŜnicowego [5, s. 88]

Wzmacniacz róŜnicowy (rys. 40) charakteryzuje się tym, Ŝe jego napięcie wyjściowe jest

proporcjonalne do róŜnicy napięć między jego wejściami, co moŜna opisać wzorem

Uwy = k(UB1 −UB2 ) gdzie:

Uwy– napięcie wyjściowe wzmacniacza róŜnicowego [V], k –

wzmocnienie napięciowe (róŜnicowe) wzmacniacza róŜnicowego,

UB1–potencjał bazy tranzystora T1 względem masy [V], UB2–

potencjał bazy tranzystora T2 względem masy.

Przy czym napięciem wyjściowym tego wzmacniacza moŜe być napięcie UC1, UC2 lub ich

róŜnica. W obwodzie emiterowym obydwu tranzystorów znajduje się źródło prądowe, którym

teŜ moŜe być tranzystor, o stałej wydajności I0 równej sumie prądów IC1 i IC2. Źródło prądowe

moŜe być zbudowane na pojedynczym tranzystorze lub zastąpione rezystorem o duŜej

rezsytancji RE.

Zasada działania wzmacniacza róŜnicowego jest następująca. ZałóŜmy, Ŝe napięcie na

bazie T2 jest stałe, a sygnał wejściowy podawany jest na bazę tranzystora T1. Przykładowo

wzrost napięcia ub1 tranzystora T1 spowoduje wzrost napięcia ue1, a tym samym zmniejszenie

napięcia ube2 oraz zmniejszenie prądów ie2 i ic2. tranzystora T2. PoniewaŜ suma prądów

emiterowych ma pozostać stała, to muszą wzrosnąć prądy ie1 i ic1. Wynika z tego, Ŝe napięcie

wyjściowe na przykład uc1 jest odwrócone w fazie, a uc2 jest w fazie względem ub1. Natomiast


61

napięcie wyjściowe traktowane jako róŜnica uc2 – uc1 będzie wzmocnione 2 razy silniej niŜ

sygnały uc1 i uc2.

Wzmacniacz róŜnicowy charakteryzuje się bardzo duŜym wzmocnieniem, przy czym

zakres liniowy wzmacniania ogranicza się w praktyce do zmian napięcia wejściowego w

zakresie ±50 mV. Wynika z tego, Ŝe napięcia wyjściowe uc1 i uc2 podczas procesu wzmacniania

osiągają bardzo szybko wartości minimalną lub maksymalną, które moŜna określić wzorami

ucmax =UCC ucmin =UCC − IoRC

gdzie:

ucmax– maksymalne napięcie wyjściowe na kolektorze tranzystora T1 lub T2 [V], ucmin–

minimalne napięcie wyjściowe na kolektorze tranzystora T1 lub T2 [V],

Io – wydajność prądowa źródła prądowego [mA],

UCC – dodatnie napięcie zasilania wzmacniacza [V],

RC – rezystor w obwodzie kolektora tranzystora T1 lub T2 [Ω].

W układach wzmacniaczy róŜnicowych często stosowane dodatkowe rezystory między

emiterami tranzystorów tworzące lokalne ujemne sprzęŜenie zwrotne. Powoduje ono

zwiększenie zakresu liniowego pracy wzmacniacza oraz jego szybkość działania, ale

jednocześnie zmniejsza wzmocnienie całego układu.

Wzmacniacze róŜnicowe najczęściej są stosowane jako stopnie wejściowe wzmacniaczy

operacyjnych lub stopnie pośrednie wzmacniaczy szerokopasmowych.

Wzmacniacze tranzystorowe wielostopniowe

W praktycznych zastosowaniach często spotykamy wzmacniacze wielostopniowe

charakteryzujące się parametrami, których nie moŜe zapewnić pojedynczy stopień

wzmacniający. Pojedyncze stopnie tranzystorowe łączone są ze sobą kaskadowo to znaczy

wejście kaŜdego stopnia (poza pierwszym) jest sterowane ze stopnia poprzedniego.

Wzmacniacze wielostopniowe są opisywane takimi samymi parametrami jak jednostopniowe.

Rezystancja wejściowa wzmacniacza wielostopniowego jest równa rezystancji wejściowej

pierwszego stopnia, a rezystancja wyjściowa wzmacniacza wielostopniowego jest równa

rezystancji wyjściowej ostatniego stopnia. Wzmocnienie napięciowe, prądowe lub mocy jest

równe iloczynowi odpowiednich wzmocnień wszystkich stopni.

Łączenie ze sobą pojedynczych stopni prowadzi zawsze do zwęŜenia pasma wzmacniacza

wielostopniowego względem pojedynczego jednotranzystorowego stopnia wzmacniającego.

Wyznaczenie dolnej i górnej częstotliwości granicznej wzmacniacza wielostopniowego

składającego się z róŜnych stopni jest trudne, ale gdy częstotliwość dolna jednego ze stopni jest

duŜo większa od dolnych częstotliwości pozostałych stopni to moŜna przyjąć, Ŝe jest ona

równa dolnej częstotliwości całego wzmacniacza. RównieŜ w przypadku gdy górna

częstotliwość jednego ze stopni jest duŜo mniejsza od górnych częstotliwości pozostałych

stopni to moŜna przyjąć, Ŝe jest ona równa górnej częstotliwości rozpatrywanego wzmacniacza

wielostopniowego. Natomiast gdy wszystkie stopnie wzmacniacza są identyczne to dolna i

górna częstotliwość wzmacniacza wielostopniowego wyraŜają się

wzorami

gn

1 2 1 /

− = n

g f f

1 2 1 /

− n d f


62

fdn =

gdzie:

fgn – rezystancja wejściowa wzmacniacza [Ω],

fdn – napięcie wejściowe wzmacniacza [V], n

– rezystancja obciąŜenia wzmacniacza

[Ω]. fg – prąd wejściowy wzmacniacza [A], fd

– rezystancja obciąŜenia wzmacniacza [Ω].

Wzmacniacze wielostopniowe realizuje się najczęściej jako układy trzy – lub

czterostopniowe, poniewaŜ taka liczba stopni zapewnia uzyskanie wymaganej wartości

wzmocnienia. Poszczególne stopnie wzmocnienia są zwykle sprzęŜone galwanicznie, co

zmniejsza liczbę elementów polaryzujących. Stałość punktu pracy w wielostopniowych

wzmacniaczach uzyskuje się dzięki polaryzacji za pomocą źródeł prądowych i stałoprądowemu

sprzęŜeniu zwrotnemu. Podstawowym stopniem wzmacniającym jest pojedynczy tranzystor

pracujący w konfiguracji OE lub wzmacniacz róŜnicowy. Pozostałymi stopniami są najczęściej

układy OC stosowane w celu odseparowania poszczególnych stopni wzmacniających.

Przykłady schematów wzmacniaczy wielostopniowych przedstawiono na rysunku 41.

a) b)

Rys. 41. Schemat wzmacniacza trójstopniowego ze stopniem wejściowym w konfiguracji: a) OE,b)

wzmacniacza róŜnicowego [5, 94 i 95]

Układ wzmacniacza trójstopniowego (rys. 41a) zapewnia stabilizację punktów pracy dzięki

zastosowaniu sprzęŜenia zwrotnego dla składowej stałej polegającego na wstawieniu między

bazą T1 a emiterem T3 opornika RB. Układ pracuje z dwoma stopniami wzmacniającymi w

kofiguracji OE (tranzystory T1 i T3) odseparowanymi wtórnikiem emiterowym (tranzystor T2).

Układ wzmacniacza trójstopniowego zawierającego stopień wejściowy w postaci

wzmacniacza róŜnicowego pokazano na rysunku 41b. Drugim stopniem wzmacniacza jest

tranzystor T3 pracujący w układzie OE z lokalnym sprzęŜeniem zwrotnym zrealizowanym za

pomocą rezystora R5. Ostatnim stopniem jest wtórnik emiterowy T4 zmniejszający impedancję

wyjściową całego wzmacniacza. Między trzecim i pierwszym stopniem wzmacniacza

zastosowano sprzęŜenie zwrotne dla składowej stałej za pomocą rezystora R7, co zapewniło

stabilizację punktów pracy tranzystorów wzmacniacza. Kondensator C3, w tym przypadku,

eliminuje sprzęŜenie zwrotne dla składowej zmiennej.

We wzmacniaczach wielostopniowych praktycznie zawsze występuje sprzęŜenie zwrotne,

które obejmuje jeden lub kilka stopni wzmacniacza.


63

Budowa i parametry wzmacniaczy mocy

Na poniŜszym rysunku przedstawiono schemat funkcjonalny wzmacniacza mocy. Sygnał

wejściowy jest podawany na wejście wzmacniacza napięciowego, z którego poprzez stopień

sterujący jest doprowadzany do stopnia wyjściowego. Następnie jest on podawany na

obciąŜenie Ro (najczęściej głośnik) oraz poprzez pętlę sprzęŜenia zwrotnego na wejście

wzmacniacza napięciowego.

Rys. 42. Schemat funkcjonalny wzmacniacza mocy [5, s.108]

Dzięki sprzęŜeniu zwrotnemu uzyskuje się stabilizację punktów pracy tranzystorów oraz

linearyzację charakterystyki amplitudowej wzmacniacza, a co za tym idzie minimalizację

zniekształceń nieliniowych.

Zadaniem stopnia sterującego jest doprowadzenie do stopnia wyjściowego sygnału o

odpowiednich poziomach napięcia i prądu niezbędnego do jego prawidłowej pracy. Stopień

wyjściowy moŜe być sterowany ze źródła napięciowego, jak równieŜ ze źródła prądowego.

Przy sterowaniu napięciowym zniekształcenia wprowadzane przez stopień wyjściowy są

nieznaczne, a róŜnice wzmocnienia prądowego β tranzystorów mało istotne. Do podstawowych

parametrów wzmacniaczy mocy naleŜą:

− wzmocnienie mocy kP,

− moc wyjściowa Pwy (przy określonym poziomie sygnału wejściowego), mierzona w watach,

− współczynnik sprawności energetycznej η, podawany w %,

− współczynnik zawartości harmonicznych, podawany w %,

− pasmo B przenoszonych częstotliwości podawane w kHz.

Klasy pracy wzmacniaczy mocy

ZaleŜnie od połoŜenia punktu pracy tranzystorów wzmacniacze dzieli się na klasy: A, AB,

B i C. Podział ten jest związany wyłącznie ze sposobem wzmacniania sygnału w pojedynczym

stopniu wyjściowym, poniewaŜ stopnie wstępne zwykle pracują w klasie A.

Najczęściej jako stopnie końcowe stosuje się wzmacniacze klasy AB i B, a wzmacniacze

klasy A uŜywa się w sprzęcie profesjonalnym.

JeŜeli sygnał wejściowy podawany na dany stopień wzmacniający powoduje, Ŝe przez

element aktywny tego wzmacniacza płynie prąd przez:

− cały okres T sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy A (sprawność 50%),

− połowę okresu T sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy B (sprawność 78,5%),

− czas mniejszy od T, ale większy od T/2 sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy AB

(sprawność od 50% do 70%),

− czas krótszy od T/2 sygnału sterującego, to wzmacniacz jest klasy C (nie ma


64

zastosowania we wzmacnianiu sygnałów akustycznych, ze względu na bardzo duŜe

zniekształcenia nieliniowe).

Stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy

Stopnie wyjściowe wzmacniaczy mocy zazwyczaj są bardziej rozbudowane, poniewaŜ

muszą wydzielić w obciąŜeniu poŜądaną moc. W układach większej mocy wyraźnie wzrastają

prądy wyjściowe wzmacniacza, a więc i prądy sterujące tranzystory końcowe. W celu

zapobieŜenia przeciąŜenia stopnia końcowego duŜym prądem stosuje się w stopniach

wyjściowych tranzystory złoŜone pracujące w układzie Darlingtona, co pokazano na rys. 43.

Tranzystory złoŜone charakteryzują się bardzo duŜym wzmocnieniem prądowym β

będącym iloczynem wzmocnień tranzystorów składowych.

Rys. 43. Schematy podstawowych układów połączeń tranzystorów (układów Darlingtona)

stosowanych w stopniach mocy: a) i c) odpowiedniki tranzystorów NPN; b) i d)

odpowiedniki tranzystorów PNP [5, s. 113]

Wzmacniacze operacyjne

Wzmacniacze operacyjne stanowią największą grupę analogowych układów scalonych.

Symbol graficzny wzmacniacza i jego sposób działania pokazano na rys. 44.

Rys. 44. Wzmacniacz operacyjny: a) symbol ogólny b) charakterystyka statyczna [5, s.121]


65

Model idealnego wzmacniacza operacyjnego charakteryzuje się następującymi

właściwościami:

− bardzo duŜe wzmocnienie napięciowe róŜnicowe dla prądu stałego i zmiennego,

− odwracaniem fazy sygnału wyjściowego w stosunku do sygnału wejściowego odwracającego

podawanego na wejście oznaczone znakiem „–” oraz zachowaniem zgodności faz w

stosunku do sygnału wejściowego nieodwracającego podawanego na wejście oznaczone

znakiem „+”

− bardzo duŜą rezystancją wejściową i bardzo małą rezystancją wyjściową, −

bardzo duŜą częstotliwością graniczną i szybkością zmian napięcia

wyjściowego.

Dla rzeczywistych wzmacniaczy operacyjnych definiuje się parametry, których wartości

odbiegają od idealnych lub określają pewne wady wzmacniaczy rzeczywistych. Do tych

parametrów zaliczamy:

− wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego KUr, które definiujemy

jako stosunek przyrostu napięcia wyjściowego do wywołującego ten przyrost napięcia

wejściowego róŜnicowego. Wzmocnienie to nazywane jest równieŜ wzmocnieniem

napięciowym sygnału róŜnicowego i w praktyce wynosi ok. 106 V/V. NaleŜy pamiętać, Ŝe

w przypadku wzmacniacza operacyjnego objętego ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym o

wartości wzmocnienia układu (przy duŜym wzmocnieniu wzmacniacza operacyjnego)

decyduje układ sprzęŜenia zwrotnego,

∆Uwy

KUr =

∆(Uwe+ −Uwe−)

gdzie:

KUr – wzmocnienie napięciowe przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego [V/V],

Uwy – napięcie wyjściowe wzmacniacza [V],

Uwe+– napięcie podane na wejście nieodwracające wzmacniacza [V], Uwe

– – napięcie podane na wejście odwracające wzmacniacza [V].

− wejściowe napięcie niezrównowaŜenia UI0, jest to stałe napięcie róŜnicowe, które naleŜy

podać na wejście wzmacniacza (przy otwartej pętli sprzęŜenia zwrotnego) w celu

uzyskania zerowej wartości napięcia wyjściowego. W praktyce wynosi ono kilka lub

kilkanaście mV, maksimum 50 mV,

− wzmocnienie napięciowe sygnału współbieŜnego KUs, jest to stosunek zmiany napięcia

wyjściowego pod wpływem zmian napięcia sygnału współbieŜnego tzn. takiego przy

którym Uwe+ = Uwe – . W praktyce wzmocnienie to w porównaniu ze wzmocnieniem

sygnału róŜnicowego jest małe, a we wzmacniaczu idealnym byłoby równe zeru,

− współczynnik tłumienia sygnału współbieŜnego CMRR, definiowany jako stosunek

wartości wzmocnienia sygnału róŜnicowego KUr do wzmocnienia sygnału współbieŜnego

KUs. Współczynnik ten podawany jest w dB i w praktyce wynosi od 60 do 100 dB,


66

− rezystancja wejściowa wzmacniacza operacyjnego (zarówno dla wejścia odwracającego

jak i nieodwracającego) jest duŜa i wynosi od 100 kΩ do 50 MΩ, natomiast wyjściowa jest

mała i nie przekracza 300 Ω,

− zakres napięcia wejściowego jest to zakres zmian napięcia na kaŜdym z wejść względem

masy, przy którym wzmacniacz pracuje prawidłowo w zakresie liniowym,

− napięcie zasilania UCC jest symetryczne i najczęściej wynosi ±15 V,

− wejściowe prądy polaryzujące, to prądy stałe wpływające do wejść wzmacniacza

operacyjnego. W praktyce Iwe+ = Iwe – i wynosi od 5 pA do 5 mA. Dobierając elementy

sprzęŜenia zwrotnego wzmacniacza, naleŜy pamiętać, aby prądy płynące w tych

elementach były co najmniej 100 razy większe od wartości prądów polaryzujących

wzmacniacza,

− częstotliwość graniczna fT wzmacniacza operacyjnego, to częstotliwość przy której jego

wzmocnienie maleje do jedności. W praktyce częstotliwość ta waha się w granicach od 1

do 100 MHz i decyduje ona o paśmie przenoszenia wzmacniacza.

Ze względu na przeznaczenie wyróŜnia się wzmacniacze operacyjne:

− ogólnego przeznaczenia (np. ULA6741N),

− szerokopasmowe (szybkie np. µA715),

− stosowane w urządzeniach dokładnych, gdzie wymagana jest duŜa rezystancja wejściowa

oraz bardzo mały wpływ temperatury i szumów na pracę wzmacniacza (np. LM 108,

µA777, CA 3130),

− do zastosowań specjalnych (np. w technice kosmicznej lub biomedycznej).

Wzmacniacze operacyjne są głównie stosowane w następujących układach

elektronicznych:

− układy analogowe, które wykonują operacje dodawania, odejmowania, mnoŜenia,

całkowania, logarytmowania itd.,

− wzmacniacze o zadanej charakterystyce przejściowej i częstotliwościowej,

− układy filtrów aktywnych,

− generatory sygnałów np. prostokątnego, trójkątnego lub sinusoidalnego,

− detektory np. wartości szczytowej,

− układy próbkujące z pamięcią.

Wzmacniacz operacyjny pracujący z otwartą pętlą sprzęŜenia zwrotnego moŜe słuŜyć jako

„przybliŜony„ komparator (czyli układ porównujący wartości dwóch napięć), ale obarczony

wieloma wadami. Zastosowanie ujemnego sprzęŜenia zwrotnego we wzmacniaczu

operacyjnym zmniejsza nieliniowość jego charakterystyki, umoŜliwia realizację układu o

szerszym paśmie niŜ pasmo częstotliwościowe wzmacniacza bez sprzęŜenia zwrotnego.

Iloczyn wzmocnienia i odpowiadającej mu górnej częstotliwości granicznej (tzw. pole

wzmocnienia) jest stały i wynosi

KU1 f1 = KU 2 f2 =1⋅ fT

gdzie:

KU1– wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego przy zamkniętej pętli sprzęŜenia

zwrotnego dla częstotliwości f1 [V/V],


67

KU2– wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego przy zamkniętej pętli sprzęŜenia

zwrotnego dla częstotliwości f2 [V/V],

f1 – pierwsza częstotliwość sygnału wejściowego wzmacniacza [MHz],

f2 – druga częstotliwość sygnału wejściowego wzmacniacza [MHz], fT –

częstotliwość graniczna wzmacniacza [MHz].

W układach ze wzmacniaczem operacyjnym objętym ujemnym sprzęŜeniem zwrotnym

właściwości wzmacniacza i sprzęŜenia zwrotnego powodują wyrównanie napięć na obu

wejściach wzmacniacza. Na tej podstawie wyznacza się wzmocnienie całego układu pracy.

PoniŜej przedstawiamy podstawowe układy pracy wzmacniacza operacyjnego z ujemnym

sprzęŜeniem zwrotnym oraz odpowiadające tym układom wzmocnienia napięciowe.

Rys. 45. Schemat ideowy układu wzmacniacza odwracającego [5, s.127]

=Uwy =−R2 KU

U1 R1

gdzie:

KU wzmocnienie napięciowe wzmacniacza pracującego w układzie wzmacniacza

odwracającego [V/V]

Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza odwracającego [V],

U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odwracającego [V],

R2 –rezystancja w pętli sprzęŜenia [kΩ],

R1 –rezystancja między wejściem układu a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].

Rys. 46. Schemat ideowy układu wzmacniacza nieodwracającego [5, s,128]


68

KU –wzmocnienie napięciowe

wzmacniacza pracującego w układzie

wzmacniacza odwracającego [V/V]

Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza

odwracającego [V],

U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odwracającego [V],


R1 –rezystancja między masą a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].

Rys. 47. Schemat ideowy układu wzmacniacza odejmującego [5, s.130]

KU =U wy =R2(U2−U1) przy załoŜeniu R3 =R4

U1 R1 R1 R2

gdzie:

KU –wzmocnienie napięciowe wzmacniacza odejmującego [V/V],

Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza odejmującego [V],

U1 –napięcie wejściowe wzmacniacza odejmującego [V],

U2 –napięcie wejściowe wzmacniacza odejmującego [V],

R1 –rezystancja między wejściem 1 układu a wejściem „–” wzmacniacza operacyjnego [kΩ],

R2 –rezystancja między wejściem 2 układu a wejściem „+” wzmacniacza operacyjnego [kΩ],


R4 –rezystancja między wejściem nieodwracającym wzmacniacza a masą układu [kΩ].

gdzie:

U

K = wy =1+ R2

U U1 R1


69

Rys. 48. Schemat ideowy układu wzmacniacza sumującego [5, s.131]

Uwy =−R UR11 +UR22 ++URnn

gdzie:

KU –wzmocnienie napięciowe wzmacniacza sumującego [V/V],

Uwy –napięcie wyjściowe wzmacniacza sumującego [V],

R –rezystancja w pętli sprzęŜenia zwrotnego [kΩ],

Ui –napięcie wejściowe na i – tym wejściu wzmacniacza sumującego [V],

Ri –rezystancja między i – tym wejściem układu a wejściem odwracającym wzmacniacza

operacyjnego [kΩ].

Rys. 49. Schemat ideowy układu wtórnika napięciowego [5, s.129]

Uwy =U1

gdzie:

Uwy –napięcie wyjściowe wtórnika napięciowego [V],

U1 –napięcie wejściowe wtórnika napięciowego [V], R

–rezystancja w pętli sprzęŜenia [kΩ].


70

Rys. 50. Schemat ideowy podstawowego układu integratora [5, s. 132]

U1 = C ∆Uwy

R1 ∆t gdzie:

∆Uwy –liniowy przyrost napięcia wyjściowego integratora w czasie ∆t [V],

∆t –przedział czasu w którym narasta liniowo napięcie wyjściowe integratora [s], U1

–napięcie wejściowe integratora[V],

C –pojemność w pętli sprzęŜenia [µF],

R1 –rezystancja między wejściem układu a wejściem wzmacniacza operacyjnego [kΩ].

Generatory przebiegów napięciowych

Drgania elektryczne sinusoidalnie zmienne moŜna uzyskać dwoma sposobami:

− pierwszy polega na utworzeniu takiego wzmacniacza, który dla jednej ściśle określonej

częstotliwości sygnału miałby wzmocnienie dąŜące do nieskończoności (tzw. generator

sprzęŜeniowy),

− drugi polega na odtłumieniu obwodu rezonansowego przez element o ujemnej rezystancji

dynamicznej.

Najczęściej spotykanymi generatorami sygnałów sinusoidalnych są generatory

sprzęŜeniowe RC. Funkcję toru wzmacniającego pełni wzmacniacz (jednotranzystorowy lub

operacyjny), a funkcję toru sprzęŜenia pełnią elementy RC (rezystancyjno – pojemnościowe).

JeŜeli w obu torach suma przesunięć fazowych sygnału wyniesie 360˚, to w układzie mogą się

wzbudzić drgania sinusoidalne poniewaŜ spełniony jest tzw. warunek fazowy. Drugim

koniecznym warunkiem generacji drgań jest warunek amplitudy polegający na tym, Ŝe iloczyn

wzmocnienia toru wzmacniającego i toru sprzęŜenia zwrotnego wynosi 1.

Najprostszymi generatorami RC są generatory drabinkowe przedstawione na rysunku 51.


71

Rys. 51. Schemat generatora drabinkowego RC z przesunięciem fazowym o: a) 180˚, b) – 180˚ [5, s. 177]

W przedstawionych układach drabinkowych przesunięcie fazy toru wzmacniającego

wynosi 180˚ (tranzystor w konfiguracji OE). Czwórnikiem sprzęŜenia zwrotnego jest

trójsegmentowy filtr drabinkowy RC. W układzie na rysunku 51a zastosowano jednakowe filtry

górnoprzepustowe, a w układzie na rysunku 51b filtry dolnoprzepustowe. Dla częstotliwości f0

określonej wzorem

1

f0 =

2π 6RC

gdzie:

f0 –częstotliwość wyjściowego napięcia sinusoidalnego

[kHz], C –pojemność poszczególnych ogniw filtru drabinkowego

[µF], R –rezystancja poszczególnych ogniw filtru drabinkowego

[kΩ].

przesunięcie fazowe w torze sprzęŜenia wyniesie +180˚ (filtry górnoprzepustowe) lub –

180˚ (filtry dolnoprzepustowe). W rezultacie spełniony jest warunek fazowy generacji drgań,

co przy spełnieniu równieŜ warunku amplitudowego (odpowiedni dobór RC) spowoduje

generację napięcia sinusoidalnego o częstotliwości f0.

Generator z mostkiem Wiena

Lepsze parametry generatorów, np. stałość amplitudy i częstotliwości generowanego

przebiegu, moŜna uzyskać w generatorach mostkowych RC. Przykładem takiego układu jest

generator z mostkiem Wiena (rys. 52). Mostek Wiena jest filtrem środkowozaporowym, w

którym napięcie wejściowe jest napięciem wyjściowym wzmacniacza operacyjnego, a napięcie

wyjściowe filtru jest jednocześnie napięciem wejściowym tego wzmacniacza.


72

Rys. 52. Generator z mostkiem Wiena [3, s. 150]

Częstotliwość, przy której występuje stan równowagi mostka nazywana jest

częstotliwością środkową i jest opisana następującą zaleŜnością.

1

f0 = przy załoŜeniu R1 = R2 =R i C1 = C2 = C 2πRC

gdzie:

f0 –częstotliwość wyjściowego napięcia sinusoidalnego

[kHz], C –pojemność w szeregowej i równoległej gałęzi mostka

[µF], R –rezystancja w szeregowej i równoległej gałęzi mostka

[kΩ].

Przesunięcie fazowe wprowadzane przez mostek Wiena w stanie równowagi wynosi 0˚, a

stroma charakterystyka fazowa filtru zapewnia stabilność tego przesunięcia fazowego.

Wzmacniacz operacyjny pracujący w generatorze z mostkiem Wiena równieŜ wprowadza

zerowe przesunięcie fazowe, co zapewnia spełnienie warunku fazy. Teoretycznie warunek

amplitudy będzie spełniony gdy rezystancja R3 będzie 2 razy większa od R4. W praktyce naleŜy

R3 zwiększyć o kilka procent, aby napięcie wyjściowe było większe od zera przy przesunięciu

fazowym równym 0˚. Własności generatora z mostkiem Wiena są bardzo korzystne z punktu

widzenia uruchamiania układu generacyjnego i utrzymywania stabilności drgań napięcia

sinusoidalnego, co powoduje częste stosowanie tego układu w zakresie małych częstotliwości.

Generatory funkcyjne

Generatory mogą wytwarzać przebiegi sinusoidalne, prostokątne, trójkątne, trapezowe.

Najprostszym sposobem otrzymywania napięć trójkątnych jest okresowe ładowanie i

rozładowywanie kondensatora w układach prądu stałego. Ładowany kondensator najczęściej

jest umieszczany w obwodzie sprzęŜenia zwrotnego scalonych wzmacniaczy operacyjnych.

Łącząc ze sobą kaskadowo te wzmacniacze i stosując odpowiednie sprzęŜenia zwrotne

moŜemy uzyskać generatory samowzbudne wytwarzające przebiegi trójkątne i prostokątne jak

na rysunku 53.


73

Rys. 53. Schemat generatora samowzbudnego ze wzmacniaczami scalonymi [2, s. 279]

W generatorach samowzbudnych po dodaniu odpowiedniego układu diodowego moŜemy

spowodować ukształtowanie przebiegu sinusoidalnego z przebiegu trójkątnego. W ten sposób

działają najbardziej rozpowszechnione generatory uniwersalne nazywane równieŜ

funkcyjnymi. Wytwarzają one napięcia: prostokątne, trójkątne i sinusoidalne o regulowanych

częstotliwościach i amplitudach. Są one produkowane często w postaci gotowych układów

scalonych, do których dodajemy tylko ładowany kondensator i elementy rezystancyjne. Takim

układem jest monolityczny generator uniwersalny 8038, który charakteryzuje się następującymi

parametrami:

− zakres generowanych częstotliwości 0,001 Hz÷1,5 MHz,

− współczynnik wypełnienia impulsów prostokątnych od 1% do 99%,

− błąd nieliniowości przebiegów piłokształtnych i trójkątnych mniejszy od 0,1%,

− zniekształcenia przebiegu sinusoidalnego mniejsze od 1%.

Badanie wzmacniaczy napięciowych małej częstotliwości

Podstawowymi charakterystykami wzmacniacza napięciowego m.cz. są:

− charakterystyka przejściowa (rys. ), czyli zaleŜność amplitudy napięcia wyjściowego UOm

wzmacniacza od amplitudy napięcia wejściowego UIm mierzona przy stałej częstotliwości

sygnału wejściowego f = const (najczęściej 1000 Hz),

− charakterystyka amplitudowo – częstotliwościowa (rys. 54), czyli zaleŜność amplitudy

napięcia wyjściowego UOm wzmacniacza od częstotliwości sygnału wejściowego f

mierzona przy stałej amplitudzie napięcia wejściowego UIm = const.


74

Rys. 54. Charakterystyki wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości:

a) amplitudowo – częstotliwościowa, b) przejściowa [3, s. 44 i 49]

Charakterystyka przejściowa wzmacniacza (nazywana równieŜ dynamiczną) powinna być

linią prostą w pewnym zakresie napięć wejściowych, po przekroczeniu którego charakterystyka

zagina się i przebiega równolegle do osi napięć wejściowych. Napięcie wejściowe po którym

następuje ten równoległy przebieg charakterystyki nazywamy napięciem przesterowania Up.

Kształt charakterystyki przejściowej pokazanej na rysunku 54 dotyczy wielostopniowych

wzmacniaczy wysokiej klasy ze sprzęŜeniem zwrotnym. W przypadku prostych wzmacniaczy

jednostopniowych zakres liniowy charakterystyki jest znacznie węŜszy, a co za tym idzie

napięcie przesterowania mniejsze. Przekroczenie napięcia Up na wejściu spowoduje tzw.

przesterowanie wzmacniacza objawiające się zniekształceniem sygnału wyjściowego.

Nachylenie liniowego odcinka charakterystyki przejściowej jest równe wzmocnieniu

napięciowemu wzmacniacza i moŜe być wyraŜane w [V/V] lub w decybelach [dB] według

następującego wzoru

UOm

KU = 20log UIm

gdzie:

KU – wzmocnienie napięciowe wzmacniacza w [dB],

UOm – amplituda napięcia wyjściowego [V], UIm

– amplituda napięcia wejściowego [mV].

Idealny wzmacniacz powinien wiernie odtwarzać na swoim wyjściu sygnał wejściowy ze

stałym wzmocnieniem w całym zakresie częstotliwości. Kształt charakterystyki amplitudowo –

częstotliwościowej wskazuje na tłumienie sygnału wyjściowego zarówno dla małych jak i

duŜych częstotliwości. Sygnały o małych częstotliwościach są tłumione ze względu na

występowanie szeregowych pojemności sprzęgających poszczególne stopnie wzmacniacza, a

sygnały o wielkich częstotliwościach są tłumione przez rozproszone pojemności pasoŜytnicze

bocznikujące wyjście wzmacniacza. Jako umowne częstotliwości graniczne (dolną fd i górną fg)

przyjęto takie przy których wzmocnienie napięciowe wzmacniacza KU maleje 2 raza w stosunku

do wartości maksymalnej tego wzmocnienia, czyli stanowi ok. 70,7 % wartości KUmax. W

mierze logarytmicznej spadek wzmocnienia wynosi 20 log 0,707 = – 3 dB. Charakterystyka

amplitudowa pozwala określić równieŜ pasmo przenoszenia wzmacniacza jako róŜnicę między

górną i dolną częstotliwością graniczną.

Układ pomiarowy do wyznaczania charakterystyki przejściowej i amplitudowo-

częstotliwościowej przedstawiono na rysunku 55.


75

Rys. 55. Charakterystyki wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości: a) przejściowej,

b) amplitudowo – częstotliwościowej [3, s. 44 i 49]

gdzie:

GS – generator sygnałowy,

UB – urządzenie badane,

ZS – zasilacz napięciowy,

MZN– miernik zniekształceń sygnału wyjściowego,

OSC – oscyloskop dwukanałowy, CZ –

częstościomierz.

Lokalizacja uszkodzeń w układach wzmacniających

Wystąpienie usterek w działaniu wzmacniaczy stwierdzamy na podstawie

przeprowadzonych wcześniej badań. Najczęściej efektem uszkodzenia wzmacniacza jest brak

sygnału wyjściowego. W takim przypadku naleŜy najpierw sprawdzić (przestrzegając zasad

bhp) czy do wzmacniacza doprowadzone jest napięcie zasilania oraz sygnał wejściowy. JeŜeli

tak, to sprawdzamy za pomocą oscyloskopu przez które stopnie wzmacniacza sygnał

przechodzi. Stopień wzmacniający na wyjściu którego stwierdzamy brak sygnału naleŜy

poddać dokładniejszym badaniom. W pierwszej kolejności mierzymy napięcia stałe na

elektrodach tranzystora i sprawdzamy prawidłowość stanu pracy tego tranzystora (czyli tzw.

punktu pracy tranzystora). Następnie sprawdzamy (po odłączeniu wzmacniacza od zasilania i

źródła sygnału) za pomocą multimetru uniwersalnego sprawność poszczególnych elementów

wchodzących w skład danego stopnia wzmacniającego oraz ich połączeń. Wzmacniacze o

skomplikowanej budowie opartej na układach scalonych (po wykluczeniu prostych uszkodzeń)

naleŜy w przypadku niesprawności oddać do naprawy w wyspecjalizowanych punktach

serwisowych.



1. Jakie są podstawowe parametry wzmacniacza elektronicznego?

2. Jakie właściwości ma układ wzmacniacza z tranzystorem pracującym w konfiguracji OE?

3. Jakie napięcia mogą być traktowane jako wyjściowe we wzmacniaczu róŜnicowym?

4. Jakimi właściwościami charakteryzuje się układ Darlingtona?


76

5. W jaki sposób zapewnia się stabilizację punktu pracy w wielostopniowych wzmacniaczach

tranzystorowych?

6. Z jakich bloków funkcjonalnych składa się wzmacniacz mocy?

7. W jaki sposób zmienia się sygnał wzmacniacza mocy pracującego w klasie AB?

8. Jakimi właściwościami i parametrami charakteryzuje się wzmacniacz operacyjny?

9. Dlaczego wzmacniacz operacyjny bardzo często pracuje w układzie ze sprzęŜeniem

zwrotnym?

10. Jakie operacje moŜe wykonywać wzmacniacz operacyjny?

11. Jaka jest zaleŜność napięcia wyjściowego wzmacniacza sumującego od napięć

wejściowych?

12. W jaki sposób moŜna wygenerować elektryczne drgania sinusoidalne?

13. Co to jest generator funkcyjny?

14. Jak badamy charakterystykę przejściową i amplitudowo-częstotliwościową wzmacniacza

napięciowego małej częstotliwości?

15. Jakie parametry moŜna odczytać z charakterystyk wzmacniacza napięcia?

16. Jakie są ogólne zasady lokalizacji uszkodzeń we wzmacniaczu napięciowym?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Narysuj schemat układu jednotranzystorowego stopnia wzmacniającego pracującego w

określonym układzie (bez sprzęŜenia) i scharakteryzuj jego własności.



1) ustalić elektrody wejściową i wyjściową tranzystora,

2) narysować schemat układu wzmacniacza zapewniający odpowiednią polaryzację

tranzystora dla danej konfiguracji bez podawania parametrów narysowanych elementów,

3) podać własności wzmacniające układu w danej konfiguracji, 4) scharakteryzować

rezystancję wejściową i wyjściową układu, 5) podać własności częstotliwościowe układu

w danej konfiguracji.




poradnika.

Ćwiczenie 2

Zaprojektuj układ wzmacniacza operacyjnego realizującego funkcję podaną następującym

wzorem Uwy = 2Uwe1 – 0,5Uwe2.



77


1) narysować odpowiedni do realizowanej funkcji układ aplikacyjny wzmacniacza

operacyjnego,

2) ustalić rząd wielkości rezystancji oporników wchodzących w skład projektowanego

układu,

3) dobrać wartości rezystancji oporników wejściowych mieszczące się w szeregu E6,

4) obliczyć wartości rezystancji pozostałych oporników w układzie,

5) dobrać, z szeregu E6, najbardziej zbliŜone do wyników obliczeń wartości rezystancji.




Ćwiczenie 3

Zaprojektuj układ generatora z mostkiem Wiena zbudowanego na wzmacniaczu

operacyjnym na stałą częstotliwość drgań sinusoidalnych f0 = 1 kHz.



1) narysować schemat układu generatora z mostkiem Wiena,

2) ustalić rząd wielkości rezystancji oporników mostka,

3) załoŜyć wartości rezystancji oporników w gałęziach RC mieszczące się w szeregu E6, 4)

obliczyć pojemności w gałęziach RC mostka,

5) dobrać, z szeregu E3, najbardziej zbliŜone do wyników obliczeń wartości pojemności,

6) dobrać, z szeregu E6, wartości rezystancji pozostałych oporników mostka tak, aby był

spełniony warunek amplitudy powstawania drgań w układzie.




poradnika.

Ćwiczenie 4

Zlokalizuj usterkę w układzie generatora impulsów prostokątnych. Wymień uszkodzony

element i dokonaj uruchomienia układu.



1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym wybranego układu,

2) sprawdzić czy prawidłowo wykonano montaŜ generatora,

3) podłączyć (o ile nie znaleziono błędów) układ do regulowanego źródła napięcia stałego 0–

24 V,


78

4) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia, generatora,

5) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebieg prostokątny napięcia wyjściowego

generatora (lub stwierdzić brak sygnału),

6) dokonać diagnozy rodzaju uszkodzenia na podstawie zaobserwowanych przebiegów, 7)

zlokalizować uszkodzony element generatora,


− zmontowany układ generatora impulsów prostokątnych,

− schemat ideowy i montaŜowy generatora,

− zasilacz regulowany 0–24 V,


− cyfrowe mierniki uniwersalne,


Ćwiczenie 5

Wyznacz charakterystykę amplitudową i pasmo przenoszenia

tranzystorowego wzmacniacza napięciowego pracującego w układzie OE.




2) wybrać zakresy urządzeń pomiarowych zgodnie z instrukcją,

3) dobrać poziom sygnału z generatora poniŜej napięcia przesterowania,

4) dobrać zakres częstotliwości dla których badamy wzmacniacz,

5) wybrać częstotliwości pomiarowe,

6) wykonać pomiary,

7) zapisać wyniki pomiarów w opracowanej tabeli,

8) narysować charakterystykę amplitudową wzmacniacza zgodnie ze skalą częstotliwości

podaną w instrukcji,

9) odczytać częstotliwości graniczne wzmacniacza i wyznaczyć jego pasmo przenoszenia.


− makieta do demonstracji działania wzmacniacza,


− zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania ćwiczenia,

− instrukcje do przyrządów pomiarowych,

− zeszyt do ćwiczeń,

− papier milimetrowy,


− poradnik dla ucznia,



79

Ćwiczenie 6

Wyznacz charakterystykę przejściową wzmacniacza operacyjnego odwracającego i

wyznacz napięcia przesterowania tego wzmacniacza dla podanych wartości wzmocnień

napięciowych.




2) wybrać zakresy urządzeń pomiarowych zgodnie z instrukcją,

3) dobrać poziom napięcia wejściowego poniŜej napięcia przesterowania,

4) dobrać zakres napięcia wejściowego dla którego badamy wzmacniacz,

5) wybrać 3 róŜne rezystory pracujące w pętli sprzęŜenia zwrotnego, dla których

wzmocnienie napięciowe będzie równe 10 V/V, 50 V/V, 100V/V

6) wykonać pomiary,

7) zapisać wyniki pomiarów w opracowanej tabeli,

8) narysować 3 charakterystyki przejściowe wzmacniacza dla 3 podanych wzmocnień

napięciowych,

9) odczytać z 3 charakterystyk przejściowych wzmocnienia napięciowe wzmacniacza

operacyjnego oraz odpowiadające im napięcia przesterowania,

10) zinterpretować zaleŜność wartości napięcia przesterowania od wzmocnienia napięciowego

wzmacniacza.


− makieta do demonstracji działania wzmacniacza,

− zasilacz napięciowy DC,

− dzielnik napięcia,


− zestaw przyrządów pomiarowych niezbędnych do wykonania ćwiczenia,

− instrukcje do przyrządów pomiarowych,

− kalkulator

− zeszyt do ćwiczeń i papier milimetrowy,




Czy potrafisz:

Tak Nie

1) zdefiniować podstawowe parametry wzmacniacza elektronicznego?

2) opisać własności układu wzmacniacza z tranzystorem pracującym w

konfiguracji OE? 3) opisać zasadę działania wzmacniacza


80

róŜnicowego? 4) określić właściwości układu Darlingtona? 5)

wymienić bloki funkcjonalne wzmacniacza mocy? 6)

scharakteryzować klasy pracy wzmacniacza mocy? 7) zdefiniować

podstawowe parametry wzmacniacza operacyjnego? 8) opisać

zasadę działania wzmacniacza operacyjnego? 9) określić jakie

operacje moŜe wykonywać wzmacniacz operacyjny? 10)

zastosować odpowiedni układ aplikacyjny wzmacniacza

operacyjnego do określonych zadań?

11) wyjaśnić w jaki sposób powstają drgania sinusoidalne w obwodach elektrycznych?

12) rozróŜnić rodzaje i właściwości generatorów RC?

13) opisać sposób pomiaru podstawowych charakterystyk i parametrów

wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości?

14) zastosować zasady lokalizacji uszkodzeń we wzmacniaczu

napięciowym?


81

4.5. MontaŜ i naprawa elektronicznych układów analogowych


MontaŜ układów elektronicznych

MontaŜ przewlekany (ang. Through – Hole Technology, THT) – to sposób montowania

podzespołów elektronicznych na płytce obwodu drukowanego (ang. Printed Circuit Board,

PCB). Elementy elektroniczne przystosowane do montaŜu przewlekanego mają

wyprowadzenia w postaci cienkich drutów, które w trakcie montaŜu przewlekane są przez

otwory w płytkach i lutowane do ścieŜek przewodzących po przeciwnej stronie płytki niŜ

montowany element. MontaŜ przewlekany przeprowadzany jest ręcznie lub automatycznie.

Płytki drukowane moŜna znaleźć w niemal kaŜdym urządzeniu elektronicznym. Jeśli w

urządzeniu znajdują się jakieś elementy elektroniczne, są one umieszczone na większej lub

mniejszej płytce drukowanej. Oprócz utrzymywania umieszczonych na niej elementów, płytka

ma za zadanie zapewnić połączenia elektryczne pomiędzy nimi. Wraz ze wzrostem złoŜoności

urządzeń elektronicznych i liczby umieszczonych w nich elementów, płytki drukowane stały

się bardziej zagęszczone, pełne ścieŜek i elementów. PodłoŜe płytki wykonane jest ze

sztywnego, szklano – epoksydowego materiału o właściwościach izolujących. Cienkie

przewody widoczne na powierzchni płytki są częścią miedzianej folii, która początkowo

pokrywała całą płytkę. W procesie produkcyjnym folia ta jest częściowo wytrawiana, a

pozostała miedź tworzy sieć cienkich przewodów. Przewody te nazywane są ścieŜkami i

zapewniają połączenia elektryczne pomiędzy elementami zamontowanymi na płytce.

Prawidłowy rozkład elementów na płytce drukowanej rozpoznajemy na podstawie

schematu montaŜowego (rys. 56b)obrazującego fizyczne rozstawienie elementów na płytce i

schematu ideowego (rys. 56a) pokazującego obwód elektryczny montowanego układu

elektronicznego.

Rys. 56. Przykładowy schemat scalonego wzmacniacza mocy: a) ideowy, b) montaŜowy

[www.edw.com.pl]

Płytki jedno – i dwustronne

Jak wspomnieliśmy wcześniej, najprostsze płytki mają elementy po jednej stronie, a ścieŜki

po drugiej. PoniewaŜ ścieŜki są tylko po jednej stronie, płytki tego typu nazywa się

jednostronnymi. Ten typ płytki posiada powaŜne ograniczenia co do poprowadzenia ścieŜek


82

(poniewaŜ jest tylko jedna strona, ścieŜki nie mogą się przecinać i muszą być poprowadzone

wokół siebie) i jest uŜywany tylko przy bardzo prostych obwodach.

Płytki dwustronne posiadają ścieŜki po obu stronach. Dwa oddzielne układy ścieŜek

wymagają jakiegoś połączenia elektrycznego pomiędzy nimi. Takie elektryczne mostki

nazywamy „przelotkami”. Przelotka kontaktowa to po prostu otwór w płytce wypełniony lub

pokryty metalem i łączący ścieŜki po obu stronach. PoniewaŜ powierzchnia dostępna na ścieŜki

jest dwa razy większa niŜ na płytkach jednostronnych, a ścieŜki mogą się przecinać (są

poprowadzone na przeciwnych stronach płytki), płytki dwustronne duŜo lepiej nadają się do

złoŜonych obwodów niŜ płytki jednostronne,

Płytki wielowarstwowe

By jeszcze bardziej zwiększyć powierzchnię przeznaczoną na ścieŜki, płytki tego typu

mają co najmniej jedną warstwę ścieŜek umieszczoną we wnętrzu płytki. Dokonuje się tego

przez sklejanie (laminowanie) razem kilku płytek dwustronnych z warstwami izolacyjnymi

pomiędzy nimi. Liczba warstw jest wyraŜona liczbą oddzielnych układów ścieŜek. Jest ona

zwykle parzysta i zawiera dwie warstwy zewnętrzne. Większość płyt głównych ma od 4 do 8

warstw, lecz moŜliwe jest wyprodukowanie płytek z niemal 100 warstwami. PoniewaŜ warstwy

płytki są zlaminowane razem, często trudno stwierdzić, ile ich jest.

Przelotki opisane w części o płytkach dwustronnych zawsze przenikają płytkę na wylot.

Kiedy warstw ścieŜek jest wiele, a chcemy połączyć tylko niektóre z nich, takie przelotki

marnują miejsce, którego moŜna by uŜyć na poprowadzenie innych ścieŜek. „Zagrzebane” i

„ślepe” przelotki nie sprawiają takiego problemu, poniewaŜ przenikają tylko tyle warstw, ile

potrzeba. Ślepe przelotki łączą jedną lub więcej wewnętrznych warstw z jedną z warstw

powierzchniowych, nie przenikając całej płytki. „Zagrzebane” przelotki łączą tylko warstwy

wewnętrzne. Dlatego nie da się zobaczyć takich przelotek patrząc na powierzchnię płytki.

W płytkach wielowarstwowych całe warstwy przeznaczone są na uziemienie i zasilanie.

Dlatego teŜ dzielimy warstwy na sygnałowe, zasilające i uziemiające. Czasami zdarza się

więcej niŜ jedna warstwa zasilająca i uziemiająca, zwłaszcza jeśli róŜne elementy na płytce

wymagają róŜnych napięć.

Zasady wykonywania połączeń lutowanych na płytkach drukowanych

Najczęściej stosowaną technologią montaŜu układu elektronicznego jest montaŜ

przewlekany, polegający na łączeniu metalowych końcówek elementów z punktami

lutowniczymi płytki drukowanej za pomocą specjalnego spoiwa zwanego tinolem.

Głównymi składnikami tinolu (drutu o średnicach od jednego do kilku milimetrów) są cyna

i ołów o róŜnej zawartości oraz topnik, którym jest kalafonia. Prawidłowe lutowanie wymaga

przestrzegania następujących zasad:

− moc lutownicy dobiera się w zaleŜności od wielkości powierzchni lutowanej (zasadą jest,

aby grot lutownicy nie był mniejszy od powierzchni lutowanej),

− przed kaŜdym lutowaniem naleŜy dokładnie oczyścić łączone powierzchnie z tlenków

metali, tłuszczów, lakierów i resztek innych spoiw,

− grot lutownicy musi być czysty, pozbawiony brudu i resztek spalonego topnika oraz

pokryty spoiwem,

− podczas lutowania grot lutownicy nie powinien dotykać bezpośrednio miejsc, które chcemy

połączyć, a wyłącznie poprzez tinol,


83

− czas lutowania nie powinien przekraczać kilku sekund, gdyŜ moŜe to spowodować

termiczne uszkodzenie lutowanych elementów lub spalić topnik.

Prawidłowo wykonana spoina po wystygnięciu powinna być gładka, błyszcząca o ostrym

kącie przylegania spoiwa do punktu lutowniczego.

Podstawowe narzędzia do montaŜu układów elektronicznych

Podstawowymi narzędziami stosowanymi podczas klasycznego, „przewlekanego”

montaŜu elektronicznego są:

− lutownica (transformatorowa zasilana napięciem sieciowym 230 V/50 Hz, stałocieplna

precyzyjna lutownica zasilana z napięcia 230 V lub 24 V, stacja lutownicza moŜliwością

regulacji temperatury grota lutownicy),

− odsysacz cyny stosowany podczas demontaŜu elementów elektronicznych z płytki

drukowanej,

− kleszcze do cięcia, szczypce boczne i płaskie, nóŜ monterski, pęseta słuŜące do

przycinania końcówek elementów lub przytrzymywani elementów podczas montaŜu i

demontaŜu elektronicznego,

− ściągacz izolacji stosowany do obróbki przewodów wlutowywanych do płytki,

− wkrętaki płaski i gwiazdkowy do montaŜu mechanicznego płytki i niektórych elementów

na płytce (np. do radiatora).

Natomiast podstawowymi materiałami stosowanymi podczas montaŜu i demontaŜu płytki

są:

− lutowie najczęściej w postaci tinolu o właściwych parametrach do takiego montaŜu;

− kalafonia lub pasta lutownicza;

− materiały do czyszczenia płytki drukowanej (denaturat, spirytus, papier ścierny i szmatki do

czyszczenia).

MontaŜ i uszkodzenia elementów rezystancyjnych

Rezystory najczęściej są montowane na płytce drukowanej, ale zdarza się teŜ montaŜ

mechaniczny, gdzie korpus rezystora jest umieszczony w specjalnej obejmie, a do końcówek

rezystora dolutowywane są przewody łączące go z układem. Uszkodzenia rezystorów moŜemy

podzielić na mechaniczne i elektryczne. Do mechanicznych moŜemy zaliczyć: urwanie

końcówki, złamanie korpusu rezystora, odprysk ceramiki lub przecięcie drutu oporowego. Do

uszkodzeń elektrycznych zalicza się spalenie rezystora w wyniku przegrzania lub przebicia

napięciowego. Spalenie rezystora powoduje przerwanie ścieŜki oporowej lub wzrost jej

rezystancji. Często trudno odróŜnić rezystor spalony od przegrzanego, ale sprawnego i dlatego

w wypadkach wątpliwych naleŜy sprawdzić czy rezystancja rzeczywista zgadza się ze

znamionową (z uwzględnieniem tolerancji). Uszkodzenie elektryczne rezystora jest zwykle

skutkiem innego uszkodzenia w układzie, np. zwarcia innego elementu lub przebicia

kondensatora.

Potencjometry dostrojcze najczęściej są montowane na płytce drukowanej, a regulacyjne

na obudowie urządzenia. Te drugie pełnią często rolę wyłączników danego urządzenia.


84

Przyczyną uszkodzenia potencjometru moŜe być jego zuŜycie lub zniszczenie przez

przekroczenie dopuszczalnych parametrów elektrycznych. Objawem zuŜycia potencjometru

moŜe być całkowity brak regulacji, trzeszczenie, iskrzenie, regulacja niezgodna z

charakterystyką (np. skokowa). Często przyczyną nieprawidłowości w działaniu potencjometru

jest zły kontakt ślizgacza ze ścieŜką rezystywną. Nieprawidłowości te moŜna usunąć za

pomocą przemycia ścieŜki odpowiednim środkiem chemicznym (np. benzyną ekstrakcyjną).

Podczas wymiany potencjometru naleŜy zwrócić uwagę na sposób mocowania (musi być ten

sam), charakterystykę regulacji i moc znamionową. Nowy potencjometr powinien mieć

równieŜ tę samą rezystancję znamionową, ale w mniej wymagających układach wystarczy

zastosować rezystancję znamionową tego samego rzędu. JeŜeli potencjometr pracował jako

dzielnik napięcia, to mniejszą rezystancję znamionową moŜna uzupełnić szeregowo

dołączonymi rezystorami kosztem zmniejszenia zakresu regulacji.

MontaŜ i uszkodzenia kondensatorów

Kondensatory są montowane podobnie jak rezystory do płytki drukowanej, ale

kondensatory o duŜych pojemnościach znajdują się najczęściej w specjalnych obejmach i nie

są lutowane do druku. Najczęściej spotykanym uszkodzeniem kondensatorów jest przebicie

elektryczne. Następuje ono po przyłoŜeniu zbyt wielkiego napięcia na okładki. Zniszczeniu

ulega wtedy dielektryk i okładki zwierają się ze sobą. W kondensatorze moŜe pojawić się teŜ

„przerwa” spowodowana urwaniem wyprowadzenia od okładki. W kondensatorach

elektrolitycznych przerwa moŜe być spowodowana równieŜ wyschnięciem elektrolitu

ciekłego.

Przebicie kondensatora jest łatwo wykrywalne za pomocą omomierza, kondensator ma

wtedy rezystancję od zera do kilkuset kΩ. NaleŜy pamiętać, Ŝe kondensatory elektrolityczne

mają stosunkowo duŜą upływność i moŜna zakwalifikować taki kondensator jako uszkodzony

tylko wtedy, gdy jego rezystancja jest wyraźnie mała tzn. wynosi od zera do kilku kΩ. Do

wykrycia przerwy w kondensatorach o małych pojemnościach konieczny jest miernik

pojemności.

Stare kondensatory elektrolityczne, które montujemy po długim czasie od daty produkcji,

naleŜy poddać formowaniu. Polega ono na dołączeniu do kondensatora napięcia stałego,

zgodnie z polaryzacją, na kilka godzin. Napięcie formujące stopniowo naleŜy zwiększać do

znamionowego utrzymując prąd upływu na niskim poziomie (sprawdzając jego wartość na

mikroamperomierzu).

MontaŜ elementów półprzewodnikowych

Elementy półprzewodnikowe w większości są montowane na płytkach drukowanych, ale

elementy wydzielające duŜą moc często montuje się na radiatorach w celu zwiększenia emisji

ciepła przez te elementy. Radiator zwykle połączony jest z masą układu, a jeŜeli obudowa

metalowa elementu półprzewodnikowego ma inny potencjał niŜ masa to między radiatorem i

obudową umieszcza się specjalne izolacyjne podkładki (np. mikowe). Podkładki te są

smarowane pastą silikonową w celu zmniejszenia oporu cieplnego. Podczas montaŜu tego typu

elementów naleŜy dokładnie sprawdzić na schemacie ideowym z jakim potencjałem powinna

być połączona elektroda elementu montowana na radiatorze.


85

Przyczyną uszkodzeń elektrycznych elementów półprzewodnikowych (takich jak: diody,

tranzystory, tyrystory czy elementy optoelektroniczne) jest przekroczenie dopuszczalnych

wartości napięć i prądów wynikające z:

− nieostroŜności w czasie naprawy (praca pod napięciem),

− niewłaściwego dobrania punktu pracy lub typu danego elementu.

Podczas wymiany diod półprzewodnikowych i tyrystorów naleŜy sprawdzić dokładnie

gdzie jest katoda i anoda tego elementu. W przypadku wymiany elementu montowanego na

radiatorze naleŜy wymienić przekładkę albo przynajmniej dokładnie ją oczyścić z resztek

opiłków i smarów.

Podczas wymiany tranzystorów bipolarnych naleŜy dokładnie rozpoznać końcówki tego

tranzystora i ich połączenie z pozostałymi elementami układu. Podczas wylutowywania

tranzystorów naleŜy zastosować odsysacz cyny i dopiero po usunięciu spoiwa z punktów

lutowniczych moŜna podwaŜyć i wyjąć tranzystory. W przypadku tranzystorów typu MOSFET

naleŜy postępować bardzo ostroŜnie, najlepiej czynności montaŜowe wykonywać w

specjalnych obrączkach metalowych odprowadzających ładunek elektrostatyczny do masy

układu.

Przed wymianą elementów optoelektronicznych naleŜy sprawdzić czy zabrudzenie

obudowy tych elementów (brak emisji promieniowania – diody IR lub brak odbioru

promieniowania – fototranzystory) nie jest przyczyną pozornego uszkodzenia tych elementów.

MontaŜ układów scalonych

MontaŜ układów scalonych polega na umieszczeniu wszystkich końcówek układu

scalonego w otworach płytki drukowanej i wykonania lutowania z zachowaniem środków

ostroŜności podobnych jak w przypadku tranzystorów typu MOSFET. Często montaŜ układu

scalonego polega na umieszczeniu tego układu w podstawce, która jest na wlutowana w płytkę

drukowaną. Czynnością która sprawia wiele trudu jest wymiana układów scalonych. Polega ona

na ostroŜnym wycięciu nóŜek układu scalonego i oczyszczeniu płytki denaturatem lub

spirytusem. Następnie wylutowujemy poszczególne końcówki układu scalonego posługując się

precyzyjną lutownicą stałocieplną (stacja lutownicza) oraz odsysaczem cyny. NaleŜy

wykonywać tę czynność stosunkowo szybko, uwaŜając aby nie przegrzać ścieŜek płytki

drukowanej. Po usunięciu metalowych końcówek czyścimy płytkę spirytusem usuwając resztki

kalafonii i montujemy nowy układ scalony.

MontaŜ SMD

Nowoczesną metodą wykonania płytki jest montaŜ powierzchniowy zwany montaŜem

SMD. Polega on na tym, Ŝe pola lutownicze nie słuŜą do przewlekania końcówek elementów

elektronicznych, ale do ich przyklejania do płytki. Zatem pola lutownicze przeznaczone do

montaŜu SMD nie są przewiercane, a przez specjalnie wykonaną maskę nanosi się na nie

półpłynną pastę lutowniczą. Na tak przygotowanych polach lutowniczych sterowany

programowo automat rozkłada odpowiednie elementy zwane elementami SMD. W porównaniu

z klasycznymi elementami elektronicznymi elementy SMD są bardzo małe i posiadają specjalne

wyprowadzenia przeznaczone do montaŜu powierzchniowego lub tylko metalizowane

fragmenty obudowy (np. diody, rezystory czy kondensatory).

Na rysunku 57 pokazano typowe płytki przeznaczone do montaŜu SMD.


86

Rys. 57. Płytki drukowane częściowo przeznaczone do montaŜu SMD [pl.wikipedia.org]

Oznakowanie elementów SMD

W przypadku maleńkich elementów o wymiarach rzędu milimetra oczywistym jest brak

miejsca na oznakowanie. Rezystory, kondensatory i najmniejsze cewki SMD w ogóle nie mają

Ŝadnych oznaczeń. Diody, tranzystory i inne małe elementy mają oznaczenia w postaci dwu –

lub trzyznakowego kodu. Na przykład dioda Zenera BZX84C5V1 ma oznaczenie Z2, podwójna

dioda Schottky’ego BAS70 – 06 ma oznaczenie D98, a tranzystor BCW71 – K1. Nie ma tu

Ŝadnego specjalnego kodu – klucza i naleŜy posługiwać się tabelami z pełnymi i skróconymi

oznaczeniami. Natomiast układy scalone oznaczane są „normalnie“, to znaczy podany jest typ

np. LM339. Brak oznaczeń nie jest Ŝadną przeszkodą przy masowej produkcji za pomocą

automatów. Utrudnia to jedynie ewentualną naprawę, ale to nie ma dziś większego znaczenia,

bo koszty naprawy często byłyby wyŜsze niŜ wyprodukowanie nowego modułu (urządzenia).

Na rysunku 58 pokazano typowe elementy SMD.

a) b)

Rys. 58. Widok typowych elementów SMD: a) mostek prostowniczy, b) rezystory [pl.wikipedia.org]

Automatyczny montaŜ SMD

Przy montaŜu „zwykłych“ płytek drukowanych, końcówki elementów są przewlekane

przez otwory płytki. W przypadku elementów SMD nie ma ani drutowych wyprowadzeń

elementów, ani otworów w płytce. Dlatego elementy SMD muszą być wstępnie przyklejone do

płytki, a dopiero potem lutowane. Seryjna produkcja opiera się na zautomatyzowanych liniach

montaŜowych. Wydajność dobrych automatów montujących sięga 100000 elementów na

godzinę. Precyzyjne automaty montują elementy na płycie, a ingerencja człowieka ogranicza

się jedynie do wizualnej kontroli poprawności montaŜu. Wyeliminowanie człowieka i wielka

precyzja stosowanych automatów w całym procesie produkcji umoŜliwia uzyskiwanie bardzo

wysokiej dokładności i niezawodności montaŜu.

Elementy SMD dostarczane są zwykle w taśmach, które zawierają od kilkuset do kilku

tysięcy elementów. W konsekwencji urządzenia montowane masowo z elementów SMD


87

zdecydowanie wygrywają konkurencję z klasycznymi elementami „przewlekanymi“.

Wygrywają nie tylko ze względu na cenę, ale równieŜ ze względu na większą niezawodność,

mniejszy cięŜar i wymiary. NaleŜy takŜe mieć świadomość, Ŝe krótsze ścieŜki i mniejsze

wymiary takŜe są korzystne ze względu na podatność na zewnętrzne zakłócenia.

Podczas montaŜu elementy SMD muszą być wstępnie przyklejone do płytki, a potem

dopiero lutowane do niej. Znane są dwa główne sposoby lutowania: „na fali „ i rozpływowe”.

Lutowanie na tak zwanej fali polega na tym, Ŝe w naczyniu z ciekłą cyną (stopem

lutowniczym) wytwarzana jest fala roztopionej cyny, w której zanurzane są lutowane elementy.

Elementy SMD muszą być wcześniej przyklejone do powierzchni płytki na właściwych

miejscach za pomocą specjalnego (nieprzewodzącego) kleju. Z powodu licznych wad obecnie

ten sposób jest stosowany bardzo rzadko.

Drugi sposób to tak zwane lutowanie rozpływowe (reflow soldering). W sumie polega on

na naniesieniu na pola lutownicze płytki specjalnej pasty lutowniczej, która na tym etapie pełni

rolę kleju wstępnie mocującego elementy umieszczane na płytce. Pasta ta zawiera takŜe, a

raczej przede wszystkim, stop lutowniczy. Zmontowana płytka zostaje następnie podgrzana do

takiej temperatury, w której następuje stopienie stopu lutowniczego zawartego w paście i tym

samym trwałe połączenie mechaniczne i elektryczne elementów. Istnieje co najmniej kilka

odmian tego sposobu lutowania, róŜniących się sposobem podgrzewania, czyli przekazywania

ciepła. W przypadku montaŜu klasycznych, czyli „przewlekanych“ płytek podgrzewane są

jedynie stosunkowo cienkie końcówki elementów, a wewnątrz element nagrzewa się niewiele.

Zupełnie inaczej jest z elementami SMD. NiezaleŜnie od sposobu lutowania, montowane

elementy nagrzewane są do temperatury praktycznie takiej, jaka jest potrzebna do stopienia

stopu lutowniczego, czyli w praktyce do ponad +200˚C. Inaczej mówiąc, wszystkie elementy

SMD muszą być odporne na wysokie temperatury zarówno pod względem napręŜeń

mechanicznych jak i struktur półprzewodnikowych.

W katalogach elementów SMD moŜna znaleźć szczegółowe wskazówki dotyczące

sposobu montaŜu, temperatur i dopuszczalnej szybkości zmian temperatury. Jedynie

przestrzeganie tych zaleceń gwarantuje osiągnięcie załoŜonego poziomu niezawodności.

MontaŜ ręczny SMD

Przed uruchomieniem duŜej produkcji wykonuje się prototypowe egzemplarze danego

urządzenia. Do wykonania prototypowych płytek stosuje się najczęściej ręczny montaŜ SMD.

Podstawowymi narzędziami wykorzystywanymi do tego montaŜu są: strzykawka do

nakładania pasty lutowniczej lub kleju, próŜniowa pinceta i lutownica na gorące powietrze.

Istnieją takŜe specjalne niewielkie stanowiska montaŜowe SMD przeznaczone specjalnie do

ręcznego montowania prototypów. Zmontowane płytki mogą być lutowane za pomocą

gorącego powietrza (lub innego gazu), albo teŜ w niewielkich piecach do lutowania

rozpływowego.

Przy ręcznym montaŜu i demontaŜu płytek SMD, a zwłaszcza przy pracach serwisowych,

uŜywa się właśnie lutownic przekazujących ciepło za pomocą gorącego powietrza lub (lepiej)

jakiegoś gazu o właściwościach ochronnych oraz pincet podłączonych do pompki ssącej

działających tak samo jak odsysacz cyny.




88

1. Na czym polega montaŜ elektroniczny wykonywany w technologii THT?

2. Jak zbudowana jest wielowarstwowa płytka drukowana?

3. Wymień podstawowe zasady wykonywania połączeń lutowanych?

4. Czym róŜni się schemat ideowy układu elektronicznego od jego schematu montaŜowego?

5. Jakie narzędzia są stosowane podczas montaŜu i demontaŜu układu elektronicznego

metodą „przewlekaną”?

6. W jaki sposób montujemy półprzewodnikowe elementy dyskretne na płytce drukowanej

metodą THT?

7. Jakie są zasady montaŜu i demontaŜu układów scalonych na płytce drukowanej metodą

THT?

8. Na czym polega technologia elektronicznego, automatycznego

montaŜu powierzchniowego?

9. Czym się charakteryzują i jak są znakowane elektroniczne elementy SMD?

10. Jakie sposoby lutowania elementów są stosowane w technologii SMD?

11. Jakie narzędzia są stosowane podczas ręcznego montaŜu powierzchniowego?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Wymień uszkodzone elementy (dioda i kondensator) w prostowniku z układem Graetza i

obciąŜeniem RC oraz dokonaj uruchomienia tego układu.



1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym wybranego układu,

2) wyszukać w katalogach zamienniki uszkodzonych elementów i wybrać je z dostępnego

zestawu,

3) wylutować z płytki drukowanej uszkodzone elementy, 4) oczyścić płytkę,

5) wykonać prawidłowo montaŜ wybranych elementów na płytce drukowanej,

6) podłączyć zmontowany układ przez wyłącznik i transformator separujący do źródła

jednofazowego napięcia przemiennego o wartości skutecznej 24 V,

7) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wejścia, a drugi do wyjścia prostownika,

8) zaobserwować na ekranie oscyloskopu przebiegi napięcia wejściowego i wyjściowego

prostownika,

9) ocenić, na podstawie obserwowanych przebiegów sprawność działania prostownika.


− schematy ideowe i montaŜowe prostowników,

− źródło jednofazowego napięcia przemiennego o wartości skutecznej 24 V,


− cyfrowy miernik uniwersalny,

− płytka drukowana i zestaw elementów do zmontowania,



89


− prądowa sonda pomiarowa,

− kalkulator i zeszyt do ćwiczeń.

Ćwiczenie 2

Wykonaj montaŜ (wraz z uruchomieniem) tranzystorowego, szeregowego zasilacza ze

stabilizacją i regulacją napięcia wyjściowego zgodnie ze schematem ideowym i montaŜowym.



1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym układu stabilizatora oraz jego

parametrami,

2) wykonać prawidłowo montaŜ przewlekany elementów tego układu na płytce drukowanej,

3) podłączyć zmontowany układ stabilizatora do regulowanego źródła napięcia stałego 0÷24

V,

4) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia stabilizatora,

5) zaobserwować na ekranie oscyloskopu tętnienia przebiegu wyjściowego,

6) zmierzyć za pomocą multimetru cyfrowego zakres regulacji napięcia wyjściowego przy

róŜnych obciąŜeniach i granicznych wartościach napięcia wejściowego,

7) porównać zmierzone i teoretyczne parametry układu,

8)

ocenić prawidłowość działania zmontowanego układu.


− schemat ideowy i montaŜowy zasilacza,

− katalog elementów i opis techniczny zasilacza,

− regulowane źródło napięcia stałego,

− oscyloskop,

− miernik uniwersalny,


− opornik suwakowy jako obciąŜenie,



− kalkulator,

− zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania.

Ćwiczenie 3

Wykonaj montaŜ (wraz z uruchomieniem) tranzystorowego

dwustopniowego wzmacniacza napięciowego małej częstotliwości zgodnie ze

schematem ideowym i montaŜowym.



90


1) zapoznać się ze schematem ideowym i montaŜowym układu wzmacniacza oraz jego

parametrami,

2) wykonać prawidłowo montaŜ przewlekany elementów tego układu na płytce drukowanej,

3) podłączyć zmontowany układ wzmacniacza do wymaganego źródła napięcia stałego,

4) podłączyć do wejścia regulowany generator sygnału sinusoidalnego, nastawiony na

częstotliwość 1 kHz i minimalną amplitudę sygnału wejściowego,

5) obciąŜyć wzmacniacz opornikiem o rezystancji i mocy znamionowej,

6) podłączyć jeden kanał oscyloskopu do wyjścia, a drugi do wejścia wzmacniacza,

7) włączyć zasilanie i generator,

8) zwiększać poziom sygnału wejściowego aŜ do zaobserwowania na oscyloskopie zjawiska przesterowania wzmacniacza,

9) odczytać z oscyloskopu amplitudę napięcia przesterowania, 10) ocenić prawidłowość

działania zmontowanego układu.


− schemat ideowy i montaŜowy wzmacniaczy,

− katalog elementów i opis techniczny wzmacniacza,

− regulowane źródło napięcia stałego,


− generator funkcyjny,

− miernik uniwersalny,


− opornik o rezystancji znamionowej jako obciąŜenie,



− kalkulator,

−

zeszyt do ćwiczeń i przybory do pisania.


Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wykonać montaŜ elektroniczny w technologii THT? 2) określić jak

zbudowana jest wielowarstwowa płytka drukowana? 3) rozróŜnić schemat

ideowy od schematu montaŜowego?

4) wymienić narzędzia stosowane podczas montaŜu i demontaŜu

układu elektronicznego metodą „przewlekaną”?

5) wymienić zasady montaŜu diod i tranzystorów na płytce drukowanej metodą

THT?

6) zamontować i zdemontować układ scalony na płytce drukowanej metodą

THT? 7) wyjaśnić technologię montaŜu elektronicznego SMD? 8)


91

wskazać cechy charakterystyczne elementów SMD? 9) wyjaśnić zasady

ręcznego montaŜu elementów SMD?

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA 1. Przeczytaj uwaŜnie instrukcję.

2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.

3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.

4. Test zawiera 20 zadań. Do kaŜdego zadania dołączone są 4 moŜliwości odpowiedzi. Tylko

jedna jest prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki naleŜy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie

ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Zadania wymagają stosunkowo prostych obliczeń, które powinieneś wykonać przed

wskazaniem poprawnego wyniku.

7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.

8. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóŜ jego rozwiązanie

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

9. Na rozwiązanie testu masz 40 minut.

Powodzenia!


92

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Na poniŜszym schemacie ideowym przedstawiono

a) układ wzmacniacza róŜnicowego.

b) układ wzmacniacza odejmującego.

c) układ wzmacniacza odwracającego.

d) układ generatora.

2. Do ograniczania i stabilizacji napięć stosuje się

a) dławiki.

b) hallotrony.

c) termistory.

d) warystory.

3. W generatorze funkcyjnym przebieg sinusoidalny jest uzyskiwany

a) dzięki zastosowaniu układu sprzęŜeniowego.

b) z przebiegu prostokątnego.

c) dzięki zastosowaniu elementu o ujemnej rezystancji dynamicznej.

d) z przebiegu trójkątnego.

4. Diody stabilizacyjne pracując w kierunku zaporowym (blisko napięcia Zenera)

charakteryzują się

a) niewielkimi zmianami napięcia pod wpływem duŜych zmian prądu.

b) niewielkimi zmianami prądu pod wpływem duŜych zmian napięcia.

c) nieodwracalnym przebiciem złącza PN.

d) brakiem przepływu prądu.

5. Parametr URWM definiowany dla diod półprzewodnikowych oznacza

a) maksymalne napięcie przewodzenia diody.

b) maksymalne napięcie wsteczne diody.

c) napięcie stabilizacyjne diody.

d) napięcie progowe diody.

6. Złącze emiterowe tranzystora NPN jest w stanie przewodzenia gdy

a) VE > VB.


93

b) VB > VC.

c) VB > VE.

d) VC > VE.

7. Przedstawiony symbol graficzny jest symbolem

a) kondensatora powietrznego.

b) trymera.

c) kondensatora elektrolitycznego.

d) kondensatora zwijkowego.

8. W celu wyznaczenia charakterystyki diody prostowniczej spolaryzowanej w kierunku

przewodzenia metodą „punkt po punkcie” budujemy układ pomiarowy składający się z

zasilacza regulowanego oraz:

a) rezystor, miliamperomierz i miliwoltomierz.

b) rezystor, amperomierz i oscyloskop.

c) potencjometr, amperomierz i woltomierz.

d) potencjometr, amperomierz i oscyloskop.

9. Opornik o rezystancji znamionowej 1,2 MΩ (z szeregu E24) ma następujący kod barwny

a) brązowy – czerwony – zielony – złoty.

b) brązowy – czerwony – niebieski – złoty.

c) brązowy – czerwony – zielony – srebrny.

d) brązowy – czerwony – niebieski – srebrny.

10. Napięcie przełączania U(BO) jest związane z pracą tyrystora w stanie

a) zaworowym.

b) blokowania.

c) przewodzenia.

d) aktywnym.

11. Parametrem charakterystycznym tranzystora unipolarnego jest

a) współczynnik wzmocnienia prądowego β.

b) napięcie odcięcia kanału UGsoff.

c) napięcie powtarzalne URRM.

d) napięcie przewodzenia UF.

12. W procesie ręcznego montaŜu SMD pastę lutowniczą powinno się nakładać

a) pędzelkiem.

b) szpatułką.

c) strzykawką.

d) szmatką.


94

13. Tranzystor, którego potencjały elektrod wynoszą (w stanie aktywnym) VE = 2 V, VB = 2,7

V, VC = 6 V naleŜy do typu określanego w skrócie a) NPN.

b) PNP.

c) JFET.

d) MOSFET.

14. W przypadku stwierdzenia braku sygnału wyjściowego wzmacniacza tranzystorowego

pierwszą czynnością sprawdzającą powinien być

a) pomiar sprawdzający sprawność tranzystora wyjściowego.

b) pomiar napięcia wejściowego i zasilającego.

c) pomiar napięć stałych na elektrodach tranzystorów.

d) pomiar sygnału napięciowego na wejściu tranzystora wyjściowego.

15. Dioda prostownicza pracuje w układzie prostownika, z mostkiem Graetza, zasilanego

napięciem 230V/50Hz. Optymalna wartość parametru URRM tej

diody dla przedstawionego układu wynosi a) 200 V.

b) 300 V.

c) 400 V.

d) 600 V.

16. Wzmacniacz operacyjny pokazany na poniŜszym rysunku pracuje w układzie scalonego

stabilizatora napięcia. Zastosowane rezystory mają następujące wartości R1 = 2 kΩ, R2 = 1

kΩ i R3 = 3 kΩ. Wartość stabilizowanego napięcia wyjściowego w tym układzie wynosi

a) Uwy = 3,6 V.

b) Uwy = 2,4 V.

c) Uwy = 10,8 V.

d) Uwy = 14,4 V.

17. Podczas montowania elementów elektronicznych na radiatorze stosujemy przekładki

mikowe wtedy, gdy

a) potencjał obudowy elementu elektronicznego jest róŜny od potencjału radiatora.

b) radiator połączony jest z masą.

c) element elektroniczny pracuje pod wysokim napięciem.


95

d) element elektroniczny przegrzewa się.

18. Pojedynczy stopień wzmacniacza tranzystorowego, którego wyjście połączone jest z

kolektorem, a wejście z emiterem pracuje w układzie a) OE.

b) OC.

c) OB.

d) wtórnika emiterowego.

19. Na poniŜszym schemacie wzmacniacza wielostopniowego tranzystorem pracujacym w

układzie OC jest

a) T1.

b) T2.

c) T3.

d) T4.

20. Wartość pojemności znamionowej kondensatora ceramicznego oznaczonego symbolami

N33 i 101 wynosi a) CN = 33pF.

b) CN = 10pF.

c) CN = 330pF.

d) CN = 100pF.


96

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko.....................................................................................................................

Badanie elektronicznych układów analogowych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

Nr zadania Odpowiedź Punkty

1 a b c d

2 a b c d

3 a b c d

4 a b c d

5 a b c d

6 a b c d

7 a b c d

8 a b c d

9 a b c d

10 a b c d

11 a b c d

12 a b c d

13 a b c d

14 a b c d

15 a b c d

16 a b c d

17 a b c d

18 a b c d

19 a b c d

20 a b c d

Razem:

6. LITERATURA

1. Chwaleba A., Moeschke B., Pilawski M.: Pracownia elektroniczna – elementy układów

elektronicznych. WSiP, Warszawa 1996

2. Chwaleba A., Moeschke B., Płoszajski G.: Elektronika. WSiP, Warszawa 1996

3. Grabowski L.: Pracownia elektroniczna – układy elektroniczne. WSiP, Warszawa 1999

4. Pióro B., Pióro M.: Podstawy elektroniki cz. 1. WSiP, Warszawa 1998 5. Pióro B., Pióro

M.: Podstawy elektroniki cz. 2. WSiP, Warszawa 1997


97

6. Zachara Z.: Zadania z elektrotechniki nie tylko dla elektroników. WSPWN, Warszawa

2000

7. http://pl.wikipedia.org

8. http://www.cyfronika.com.pl

9. http://www.edw.com.pl

10. http://www.matmic.neostrada.pl

11. http://www.meditronik.com.pl

Czasopisma:

– Elektronika dla wszystkich

– Elektronika praktyczna

Technik.teleinformatyk 312[02] o2.01_u

Business

Transcript of Technik.teleinformatyk 312[02] o2.01_u