Universitatea ”VASILE ALECSANDRI” din Bacăucadredidactice.ub.ro/sorinpopa/files/2011/10/Laborator_DEEA.pdf · Îndrumar laborator DEEA - Introducere P a g i n a | 1 LUCRAREA

2017

Universitatea ”VASILE ALECSANDRI” din Bacău

Facultatea de Inginerie

Departamentul ESC

Ș.l. dr. ing. Popa Sorin Eugen

Dispozitive Electronice și Electronică Analogică

- îndrumar de laborator –

P a g i n a | 1 Îndrumar laborator DEEA - Introducere

LUCRAREA NR. 1

INTRODUCERE

Scopul lucrării: recapitularea unor noțiuni de bază ale electrotehnicii – Legea lui Ohm, Legea lui Kirchoff, alte noțiuni elementare; însușirea modului de lucru cu aparatura de laborator – sursă de curent, generator de semnal, osciloscop, voltmetru, ampermetru.

1. Noţiuni teoretice

Tensiunea electrică între două puncte ale unui circuit electric este definită ca diferenţa de potenţial între cele două puncte şi este proporţională cu energia necesară deplasării de la un punct la celălalt a unei sarcini electrice.

Unitatea de măsură a tensiunii electrice în SI este voltul (V). Observație importantă: tensiunea electrică este o mărime fizică relativă. Cu alte cuvinte, o tensiune se poate măsura numai față de un punct de referință. În general, în electronică, tensiunile sunt date folosind ca punct de referință masa circuitului, căreia i se atribuie formal potențialul cu valoare nulă.

Rezistenţa electrică este o mărime fizică prin care se exprimă proprietatea unui conductor electric de a se opune trecerii prin el a curentului electric. Unitatea de măsură a rezistenţei electrice în SI este ohm-ul, notat cu Ω.

Intensitatea curentului electric, numită şi intensitate electrică sau simplu curentul este o mărime fizică scalară ce caracterizează curentul electric şi măsoară sarcina electrică ce traversează secţiunea unui conductor în unitatea de timp.

Unitatea de măsură în SI este amperul (A). Amperul este o mărime fizică fundamentală.

Legea lui Ohm

Într-un circuit, intensitatea (I) curentului electric este direct proporţională cu tensiunea (U) aplicată şi invers proporţională cu rezistenţa (R) din circuit. Formula matematică a legii lui Ohm este:

𝐼 =𝑈

𝑅 (1.1)

unde: I este intensitatea curentului, măsurată în amperi (A); U este tensiunea aplicată, măsurată în volţi (V); R este rezistenţa circuitului, măsurată în ohmi (Ω).

Fig. 1.1. Legea lui Ohm

2 | P a g i n a Îndrumar laborator – DEEA

Legile lui Kirchoff

Kirchoff I

În fiecare nod al unui circuit electric, suma intensităţilor curenţilor care intră în acel nod (considerate pozitive pentru curenții care intră în nod şi negative pentru curenții care ies din nod) este zero.

𝐼𝑘𝑛𝑘=1 = 0 (1.2)

sau - suma algebrică a intensităţilor curenţilor dintr-un nod este 0.

Fig. 2.2. Legea întâi a lui Kirchoff

𝑰𝟏 + 𝑰𝟐 = 𝑰𝟑 + 𝑰𝟒 (1.3)

Kirchoff II

Suma orientată a diferenţelor de potenţial electric într-un circuit închis este 0.

𝑉𝑘𝑛𝑘=1 = 0 (1.4)

sau - suma algebrică a căderilor de tensiune (în cazul particular a unei rezistențe, căderea de tensiune este dată de legea lui Ohm) într-o buclă închisă este egală cu tensiunea electromotoare totală disponibilă în acea buclă.

Fig. 1.3. Legea a doua a lui Kirchoff

V1 + V4 -V2 - V3 = 0 (1.5)

Divizorul de tensiune

Divizorul de tensiune rezistiv se obţine prin aplicarea unei tensiuni E pe o grupare de rezistenţe înseriate şi astfel se poate culege o fracţiune din tensiunea aplicată de pe una dintre rezistenţele grupării, figura 1.4a:

𝑈2 = E R2

R1+ R2 (1.6)

I1

I2I4

I3

P a g i n a | 3 Introducere

𝑈1 = E R1

R1+ R2 (1.7)

R1

R2

E

U2=U0

i

R

r

E

i

UR

a) b)

Fig. 1.4. Divizorul de tensiune

Tensiunea pe o rezistenţă de sarcină R, alimentată la o sursă de tensiune reală (E,r) poate fi exprimată şi cu formula divizorului de tensiune, figura 1.4b:

𝑈𝑅 = E R

𝑟+ R(1.8)

Puterea electrică dezvoltată pe rezistenţa de sarcină este:

𝑃𝑅 = 𝑅𝐼2 = 𝑈𝑅

2

𝑅= 𝑈𝑅𝐼 =

𝐸2𝑅

𝑟+𝑅 2 (1.9)

Pentru o anumită sursă reală de tensiune caracterizată prin tensiunea E şi rezistenţa internă r, prin conectarea a diferite rezistenţe de sarcină se obţin diferite puteri dezvoltate în respectivele rezistenţe. Există o anumită valoare a rezistenţei de sarcină R pentru care puterea disipată pe ea este maximă, obţinută prin rezolvarea ecuaţiei:

𝜕𝑃𝑅

𝜕𝑅= 0 (1.10)

Se obtine solutia R = r, valoare pentru care puterea PR dezvoltată în aceasta rezistenţă, este maximă:

𝑃𝑅𝑚𝑎𝑥=

𝐸2

4𝑟(1.11)

Transferul maxim de putere de la sursă la sarcină corespunde adaptării sarcinii la sursă, R=r fiind condiţia de adaptare.

La funcţionarea în sarcină a divizorului de tensiune, tensiunea obţinută la ieşire este mai mică decât cea obţinută când divizorul funcţionează în gol, fiind determinată de valoarea rezistenţei de sarcină, figura 1.5a.


a) b)

R1

R2

E

i

is

RS

RS

EU

R0

is

Fig. 1.5. Divizorul de tensiune cu sarcină

Divizorul de tensiune la care se conectează rezistenţa de sarcină poate fi echivalat cu un generator ideal de tensiune cu tensiunea:

𝑈0 =𝑅2

𝑅1+ 𝑅2 𝐸 (1.12)

(corespunzătoare tensiunii de ieşire a divizorului când acesta se află în gol), înseriat cu o rezistenţă de valoare:

𝑅𝑂 =𝑅1𝑅2

𝑅1+ 𝑅2(1.13)

(echivalentă cu rezistenţele divizorului conectate în paralel), figura 1.5b.

Din schema echivalentă a divizorului de tensiune în sarcină se disting următoarele cazuri:

Rs = 0 divizorul este în scurt-circuit când U = 0;

Rs divizorul de tensiune este în gol când U = U0;

Rs 0 divizorul funcţionează în sarcină când 0 < U < U0.

2.Utilizarea aparaturii de laborator

Voltmetru

http://www.allaboutcircuits.com/vol_6/chpt_2/1.html

Se conectează în paralel cu elementul de circuit pentru care se doreşte măsurarea tensiunii.

Ampermetru


Se conectează în serie cu elementul de circuit pentru care se doreşte măsurarea intensităţii curentului.

ATENŢIE! A nu se conecta în paralel cu o sursă de tensiune pentru a evita producerea unui scurt-circuit.




Generator de semnal

Generatoarele de semnal sunt aparate electronice care, în laboratoarele de măsurări electronice, sunt utilizate ca surse de tensiune variabilă în timp, cu o anumită formă de undă (sinusoidală, dreptunghiulară, etc) , cu nivel si frecvenţă reglabile.

Ele se folosesc la verificarea, reglarea, depanarea şi măsurarea diferitelor aparate şi instalaţii. În esenţă, generatoarele de semnal conţin circuite electronice care transformă energia furnizată de sursa de curent continuu în energie de curent alternativ furnizată la ieşirea aparatului, într-un singur punct (la borne), cu semnal reglabil într-un anumit domeniu de frecvențe.

Osciloscop

Osciloscopul analogic clasic este realizat utilizând un tub catodic în care un fascicul de electroni este accelerat spre un ecran fosforescent şi produce pe acesta un punct luminos. Poziţia x-y a punctului luminos pe ecran este comandată prin circuite şi dispozitive specializate. Astfel, ecranul osciloscopului devine un grafic al variaţiei în timp a unei tensiuni electrice sau afişează două tensiuni electrice una în funcţie de cealaltă.

Osciloscoapele moderne sunt adesea digitale şi prezintă graficele fie pe un monitor încorporat, fie pe monitorul unui calculator. Aceste osciloscoape convertesc semnalele electrice într-o reprezentare digitală şi au un număr suplimentar de funcţii, printre care: memorarea datelor, analiza matematică a semnalelor, tipărirea lor la o imprimantă şi salvarea lor în format digital ca fişier pe un disc magnetic sau memorie flash.

Printre parametrii cei mai importanţi ai semnalelor electrice care se pot măsura sunt următorii: perioada sau frecvenţa semnalelor; timpul de creştere sau descreştere (cădere) al unui impuls de la un nivel dat la altul; întîrzierea relativă a două semnale; durata unui impuls; factorul de umplere al unui semnal dreptunghiular.


DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

A1

5

6R1

1 1 1C1

P1 P2 P3

C2 C3

7

1

L1 L2 L3

LRGB

RC 3 RC 2

RC 1

D1

D2

D3

R2

R3

Fig. 1.6. Montajul de laborator

1. Se conectează (+)-ul sursei de tensiune setată la 10 V la borna A1 și (-)-ul sursei de tenisune la borna 1(borna de masă a circuitului), apoi se utilizează firele de conexiune pentru a conecta bornele C1 cu L1, C2 cu L2 și C3 cu L3. Se variază curentul de la bornele C1, C2, C3 cu ajutorul potenţiometrelor, observându-se astfel variația intensităţii luminii şi schimbarea culorii LED-ului.

Se cuplează un miliampermetru între C1 și L1 și un voltmetru între A1 și P1; Curentul din L1 se variază la: 1mA, 2mA, 5mA, 10mA, 15mA. Pentru fiecare valoare se măsoară

tensiunea dintre A1 și P1. Tensiunea se ma măsura folosind un voltmetru analogic. Se repetă pentru C2 – L2 cu A1-P2. (ATENŢIE! se pornește ampermetrul fixat pe intensitate maximă pentru a evita posibila ardere a

echipamentului în cazul conectării inverse. Dacă indicatorul ampermetrului depăşeşte scala maximă se închide imediat aparatul! Pe de altă

parte, dacă indicatorul pare insensibil, se descrește treptat scala de măsură.) (Atenție! LED-ul este de putere mică, dar nu se recomandă apropierea excesivă și pentru timp

îndelungat a ochilor.)) Rezultatele se vor trece într-un tabel de forma:

1mA 2mA 5mA 10mA 15mA

UA1P1

UA1P2


2. Se conectează sursa de tensiune la borna R1 (8V) cu masa la R3. Se măsoară tensiunea între R2 şi R3 şiîntre R1 şi R2 şi se calculează intensităţile prin fiecare rezistenţă folosind legea lui Ohm (valorile rezistenţelor se calculează pe baza codului culorilor). Se verifică prima lege a lui Kirchoff în punctul R2.

3. Se conectează sursa de tensiune la borna 5 „+” şi la borna 7 „-’’. Se va folosi osciloscopul digital setatpe VDC pentru a vizualiza tensiunea rezultată prin divizorul de tensiune. Observaţi variaţia tensiunii la borna 6 variind potenţiometrul şi apoi tensiunea de intrare de la 8 V la 12 V. Se explică ce se întâmplă.

4. Se conectează sursa de tensiune la borna D1 „+” şi la 1 „-’’, la o tensiune de 12V. Cu ajutorul unuivoltmetru digital / a osciloscopului digital se va măsura potențialul la bornele D2 şi D3 față de borna 1. Ce se observă? (vezi Divizorul de tensiune (1)).

5. Se conectează generatorul de semnal cu „+” la borna RC1 şi cu „-’’ la RC3. Frecvenţa se modifică între50Hz și 50kHz iar tensiunea se poate varia în jurul a 5V.

Semnalul de ieșire se măsoară la borna RC2 față de RC1.

Setați osciloscopul pe AUTO.

Setați manual osciloscopul astfel încât forma de undă de intrare și forma de undă de ieșire să poată fi vizualizate independent (fără a se suprapune).

Modificaţi amplitudinea tensiunii. Mutați ,,+”-ul generatorului de semnal la RC3 și masa (,,-”-ul) la RC1. Ce observaţi? Obs.: Se utilizează opţiunea VAC a osciloscopului.

Referatul va conţine:

- schemele de principiu pentru efectuarea măsurătorilor; - tabelele cu rezultatele măsurătorilor; - graficele şi determinările făcute pe baza acestora; - comparație între valorile obținute teoretic, pe baza formulelor din lucrare, și valorile măsurate

Link-uri utile:

http://www.ese.upenn.edu/rca/calcjs.html http://www.dummies.com/how-to/content/measuring-stuff-with-a-multimeter.html http://www.dummies.com/how-to/content/electronics-for-dummies-cheat-sheet0.html

http://www.ese.upenn.edu/rca/calcjs.html

http://www.dummies.com/how-to/content/measuring-stuff-with-a-multimeter.html

http://www.dummies.com/how-to/content/electronics-for-dummies-cheat-sheet0.html


Codul culorilor pentru rezistențe:

În general, rezistențele nu sunt marcate cu o valoare inscripționată numeric, întru-cât pe o rezistența de dimensiuni reduse acesta nu ar fi lizibil. Astfel, se preferă folosirea unui cod al culorilor.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Valoarea, în Ω, a unei rezistențe, este dată de formula:

𝑅 = 𝑐𝑖𝑓𝑟𝑎1 𝑐𝑖𝑓𝑟𝑎2 ∗ 10𝑚𝑢𝑙𝑡𝑖𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑡𝑜𝑟

În exemplul din figură, rezistența are o valoare de 22 * 101 = 220 Ω. Obs: multiplicator auriu semnifică (-1) iar argintiu semnifică (-2).

Pentru banda de toleranță, auriu semnifică o marjă de toleranță de 5%, iar argintiu de 10%.

Îndrumar laborator DEEA - Lucrarea nr. 2

Dioda semiconductoare

1. IntroducereDiodele semiconductoare sunt dispozitive electronice având o joncţiune pn şi două

terminale: A - anodul şi C - catodul, fiind folosite ca elemente fizice de circuit, asigurând o conducţie electrică unidirecţională. Diodele sunt de mai multe tipuri: diode redresoare, diode stabilizatoare de tensiune (Zener), diode de comutaţie, diode varicap, diode tunel, etc.

În această lucrare se va studia caracteristica curent-tensiune pentru câteva diode redresoare cu Si şi cu Ge.

2. Noţiuni teoretice

Diodele semiconductoare redresoare se reprezintă în scheme electrice ca în fig. 1. Dioda semiconductoare convenţională – dioda redresoare – conţine două straturi cu tip de conducţie diferit care formează joncţiunea p-n la care sunt conectate două terminale: anodul

(A) conectat la

Fig.1. Structura şi simbolizarea diodei semiconductoare

stratul p şi catodul (C) conectat la stratul n.

Caracteristica statică tensiune – curent (volt – amper, V–A) a diodei semiconductoare ideale este reprezentată grafic în fig. 2. La polarizarea directă prin aplicarea pe anod a unei tensiuni pozitive faţă de catod, dioda intră în conducţie dacă tensiunea depăşeşte valoarea Vp,numită tensiune de prag:

Vp = (0,5 … 0,6)V – diode cu siliciu; Vp = (0,2 … 0,5)V – diode cu germaniu. VF = (0,7 … 1)V – căderea de tensiune

pe dioda (dioda cu Si) în conducţie directă. La polarizarea inversă (tensiunea pe anod negativă faţă de catod), dacă tensiunea

inversă VR nu depăşeşte valoarea de străpungere VBR (Breakdown Voltage), dioda este blocată, fiind parcursă de un curent invers foarte mic I0, numit şi curent rezidual, de fugă sau de saturaţie la polarizare inversă.

Forma caracteristicii V–A este determinată de proprietăţile joncţiunii pn. Prin joncţiune pn se în]elege zona de trecere de la semiconductorul de tip p la semiconductorul de

p n (Anod) (Catod)

A c

C A C A A C C Simbolizare Structură

0 V VBR I0VR

Vp

VF Polarizare

directă (conducţie)

Stră

pung

ere

Polarizareinversă

(blocare)

Fig. 2. Caracteristica statică V–Aa diodei semiconductoare.

I

V I

1

tip n, în aceeaşi reţea cristalină. La formarea unei joncţiuni, o parte din electronii liberi din zona n traversează joncţiunea şi ocupă o parte din golurile din zona p. Migrarea electronilor are ca efect faptul că, în vecinătatea joncţiunii se formează în regiunea de tip n o sarcină fixă pozitivă, în timp ce în zona de tip p ia naştere o sarcină fixă negativă.

Aceste sarcini spaţiale fixe determină apariţia unui câmp electric, astfel orientat încât se opune deplasării în continuare a electronilor din zona de tip n în cea de tip p. Se spune că în zona joncţiunii a luat naştere o barieră de potenţial.

Este important că bariera de potenţial poate fi controlată prin tensiunea aplicată din exterior între terminalele dispozitivului. Astfel, dacă tensiunea V are plusul la anod (terminalul aferent zonei de tip p) şi minusul la catod (terminalul aferent zonei de tip n) , bariera de potenţial scade şi prin dispozitiv trece un curent I care creşte odată cu tensiunea aplicată. Se spune că dioda este polarizată direct. Dependenţa curentului direct I de tensiunea directă V este puternic neliniară , aşa cum evidenţiază îi fig. 2.

La polarizarea directă, caracteristica diodei semiconductoare este foarte bine descrisă de relaţia:

−=

10 TVme

UII (1.1)

unde mărimea eTkV BT /= este tensiunea termică egală cu 25 mV la temperatura camerei, iar

SI este curentul invers de saturaţie şi are valori de ordinul AA 611 1010 −− − , funcţie de materialul şi destinaţia diodei; m – coeficient de emisie, depinde de locul din structura diodei unde are loc o anumită fază a mecanismului intern de transport al curentului. Coeficientul de emisie m are valoarea 1 pentru diodele cu germaniu, în timp ce pentru diodele cu siliciu are o valoarea apropiata de 2, care poate diferi însă după mărimea curentului prin diodă.

3. Modul de lucru.

Trasarea caracteristicii statice a diodei semiconductoare Se ridică experimental, prin puncte, caracteristica statică (în curent continuu) tensiune

– curent a mai multor diode redresoare de Si şi Ge. În acest scop se realizează un montaj cacel din fig. 3.

Sursele de tensiune reglabilă ED şi ER, reostatele RD şi RR, precum şi aparatele de măsură se aleg funcţie de parametrii diodei semiconductoare D, astfel încât să poată fi trasate ambele ramuri ale caracteristicii statice.

AD

Fig. 3. Schema de montaj pentru trasarea caracteristicii statice a diodei.

+

VD

AR

VR ED ER

1 2 K

D

RD RR

+

2

Cu ajutorul comutatorul K pe poziţia 1, se reglează tensiunea sursei ED şi rezistenţa reostatului RD pentru a putea determina un număr suficient de puncte ale caracteristicii, până la valoarea maximă admisă a curentului diodei.

Pentru trasarea caracteristicii diodei în regim de polarizare inversă (blocare, comutatorul K pe poziţia 2), s-a inversat poziţia ampermetrului faţă de voltmetru (montaj amonte), deoarece curentul invers are valori foarte mici. Pentru măsurarea curentului de saturaţie la polarizare inversă, AR este un miliampermetru (microamper-metru) de precizie mare. Se trasează ramura caracteristicii corespunzătoare regimului de blocare (cadranul III), fără a depăşi valoarea de străpungere a tensiunii inverse VBR.

Se determină caracteristica statică a diodei semiconductoare prin simulare pe calculator utilizând programul Electronics Workbench (EWB). Se realizează o schemă de studiu prin simulare ca cea din fig. 4.

Fig. 4. Schema de studiu prin simulare EWB a caracteristicii statice a diodei.

3

Nume, Prenume, Grupa: 1. 2. 3.

Tabel 1. Caracteristica de funcționare a Diodei – polarizare directă ED [V]

0.5 0.8 1 1.5 2 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15

VD [V] ID

[mA]

Tabel 2. Caracteristica de funcționare a Diodei – polarizare inversă ER [V]

0.5 0.8 1 1.5 2 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 12.5 13.5 14.5 15

VR [V] IR

[mA]

Reprezentarea grafică a caracteristicii de funcţionare a Diodei – completaţi graficul cu

mărimile electrice pe cele 2 axe, respectiv valori numerice şi unităţi de măsură. Indicaţie:

pentru axa OX utilizaţi o scară neliniară.

4


DDIIOODDAA ZZEENNEERR.. AANNAALLIIZZAA FFUUNNCCTTIIOONNAARRIIII UUNNUUII SSTTAABBIILLIIZZAATTOORR EELLEECCTTRROONNIICC DDEE TTEENNSSIIUUNNEE

1. IntroducereA. Dioda Zener Dioda Zener are drept caracteristică faptul că, spre deosebire de dioda redresoare,

străpungerea joncţiunii este nedistructivă, caracterizată prin creşterea puternică a curentului invers în condiţiile menţinerii aproare constante a tensiunii inverse. Două efecte determină această comportare: efectul Zener şi efectul multiplicării în avalanşă al purtătorilor. Efectul Zener este predominant la tensiuni inverse cuprinse între 2,7 V şi 5 V. Datorită dopării puternice a zonelor de tip p şi n, bariera de potenţial este redusă chiar şi la tensiuni de polarizare inverse, astfel încât este posibilă trecerea purtătorilor prin joncţiune. Efectul multiplicării în avalanşă este predominant la diode cu dopări mai reduse şi determină tensiuni de străpungere de peste 7 V. Datorită câmpului electric intens la nivelul joncţiunii, electronii sunt puternic acceleraţi şi interacţiunea lor cu atomii din reţea duce la formarea de noi perechi electron-gol. Aceştia determină la rândul lor apariţia de noi purtători, ceea ce duce la "multiplicarea în avalanşă" a purtătorilor de sarcină.

Dioda Zener este utilizată în regim de polarizare inversă (tensiune anodică negativă faţă de catod), când tensiunea este constantă (stabilizată) pe o plajă largă de variaţie a curentului (fig. 1).

Parametri: o Vzn – tensiunea nominală de stabilizare (pentru un curent Izn specificat);o Izmax – curentul invers maxim în regim de stabilizare;o αvz – coeficient de variaţie a tensiunii stabilizate cu temperatura;o Pdmax – puterea disipată maximă.

Exemple DZ1 ÷ DZ51 : Pdmax = 0,4W, Vzn = (0,75 ÷ 51)V, αvz = (–20 ÷ 12)⋅10-4/oC; PL3V3Z ÷ PL200Z : Pdmax = 1W, Vzn = (3,3 ÷ 200)V, αvz = (–6 ÷ 10)⋅10-4/oC.

1

B. Stabilizatoare de tensiune

Aceste circuite au rolul de a stabiliza tensiunea unui consumator de energie electrică prin compensarea variaţiilor tensiunii de alimentare, a variaţiei rezistenţei de sarcină şi a variaţiilor de temperatură ale mediului ambiant. Acţiunea de stabilizare se bazează pe neliniaritatea

dispozitivelor electronice speciale utilizate. După metoda de stabilizare se deosebesc stabilizatoare parametrice, stabilizatoare cu reacţie şi stabilizatoare în comutaţie.

Rezistenţa de sarcină Rs are semnificaţia consumatorului constituit din aparatul (circuitul) electronic alimentat.

Stabilizatorul parametric utilizează componente electronice cu caracteristică curent – tensiune pronunţat neliniară. Aceste se caracterizează prin faptul că tensiunea la bornele lor variază puţin în condiţiile unor variaţii semnificative ale curentului prin ele. Ele sunt simple, asigură performanţe modeste şi sunt utilizate ca elemente de referinţă sau ca stabilizatoare auxiliare.

Stabilizatoarele cu reacţie sunt cele mai utilizate, ele furnizând tensiunea de ieşire constantă în urma unui proces de reglare. Aceste stabilizatoare sunt de două tipuri:

- cu element de reglare serie; - cu element de reglare paralel. Stabilizatoarele în comutaţie funcţionează pe un alt principiu decât cele enumerate.

Indiferent de tipul său, stabilizatorul de tensiune se apreciază prin trei parametrii: - coeficientul de stabilitate:

ctSIS

i

UU

S=

∆∆

=θ,

(2.1)

- rezistenţa de ieşire:

ctiUS

Sies I

UR

=∆∆

−=θ,

(2.2)

- coeficientul de temperatură:

;,0

ctSUiU

SUK

=∆∆

=−θ

(2.3)

unde θ este temperatura .

Fig. 2. Stabilizator parametric cu dioda Zener

2


3. Mod de lucru3.1. Ridicarea caracteristicii statice la o diodă Zener.

În acest scop se realizează montajul din fig.3. Tensiunea de alimentare se modifică din 3 în 3 V până la 30 V. Rezistorul din circuit are rol de balast, protejând dioda şi sursa în cazul apariţiei unor curenţi prea mari în circuit. Cu datele experimentale obţinute se ridică pentru dioda respectivă caracteristica statică. Forma caracteristicii este indicată în fig. 2.

3.2. Ridicarea dreptei de sarcină.

În acest scop se realizează montajul din fig.3. Se fixează pentru cele două rezistenţe şi pentru tensiunea de alimentare astfel de valori încât tensiunea la bornele diodei să fie de 9V. Dreapta de sarcină a diodei reprezintă legătura impusă de circuit între UZ şi IZ. Pentru a găsi ecuaţia dreptei de sarcină echivalăm conform teoremei lui Thevenin circuitul format din sursa şi cele două rezistenţe:

Zech

echZ RR

UI+

= ,

(2.1)

unde RZ este rezistenţa internă a diodei,

S

SIech RR

RUU

+= , (2.2)

iar,

S

Sech RR

RRR

+= . (2.3)

Se obţine o ecuaţie de forma:

ZechZech URIU += , (2.4)

care este ecuaţia unei drepte şi poate fi reprezentată prin tăieturi la axe (fig.2).

Fig.2. Caracteristica statică a diodei Zener

3


Pe caracteristica determinată la punctul anterior al lucrării se reprezintă dreapta de sarcină calculată în funcţie de tensiunea de alimentare şi de valorile rezistenţelor din circuit. Punctul de intersecţie cu caracteristica reprezintă punctul static de funcţionare, care se va compara cu valorile IZ şi UZ determinate experimental.

3.3. Determinarea caracteristicilor unui stabilizator. Se realizează în acest scop montajul din fig.4. Se ridică familia de caracteristici U2 = f( I2 ) la U1 = const. Se va acorda o atenţie deosebită la valoarea curentului I2 când tensiunea pe diodă începe să scadă. Determinările se fac pentru două valori diferite ale lui U1. Se ridică şi caracteristica U2 = f ( U1 ) la I2 = const. Curentul la care se ridică această caracteristică este cel mai mare la care dioda încă mai stabilizează, determinat din caracteristica precedentă.

Pe baza celor două caracteristici se determină pe cele două paliere coeficientul de stabilizare S0 şi rezistenţa internă a stabilizatorului R0.

Fig.3. Montaj experimental ridicarea dreptei de sarcină.

Fig.4. Determinarea caracteristicilor unui stabilizator

4



STUDIUL FENOMENULUI DE REDRESARE FILTRE ELECTRICE DE NETEZIRE

Energia electrică este transportată şi distribuită la consumatori sub formă de tensiune alternativă. În multe aplicaţii este însă necesară utilizarea tensiunilor continue. Transformarea puterii de curent alternativ în putere de curent continuu se realizează cu ajutorul circuitelor de redresare. Dintre numeroasele tipuri de redresoare existente, în această lucrare vor fi studiate redresoarele monoalternanţă necomandate.

Teoria lucrării În fig.1 sunt reprezentate cele mai simple circuite de redresare care utilizează diode

semiconductoare, cu ieşirea pe rezistor şi formele de undă ale tensiunilor corespunzătoare. Cele trei tipuri de redresoare sunt: redresorul monoalternanţă (1.a), redresorul dublă alternanţă cu priză mediană (1.b) şi redresorul dublă alternanţă în punte (1.c).

Redresarea monofazată monoalternanţă Fie u U ti = 2 sinω valoarea instantanee a tensiunii alternative care se aplică

circuitului din fig.1.a. Valoarea medie a tensiunii pe rezistenţa de sarcină se determină din relaţiile de definiţie pentru valoarea medie, cu forma tensiunii din fig.1.e:

UT

U tdtU UT

0 0

212

2= = =∫ sin

/ maxωπ π

(1)

Limitele de integrare sunt cuprinse între 0 şi T/2 deoarece dioda conduce numai în alternanţa pozitivă. Valoarea medie a curentului prin sarcină este:

IUR

URs s

00 2

= =π

(2)

Puterea de curent continuu absorbită de sarcină reprezintă puterea utilă şi se determină

Fig. 1 a) Redresorul monoalternanţă; b) Redresorul bialternanţă cu priză mediană; c) Redresorul bialternanţă în punte; d) Forma tensiunii de intrare; e) Tensiunea redresată monoalternanţă; f) Tensiunea redresată bialternanţă

1

cu relaţia:

P U IURu

s= =0 0

2

22π

(3)

De la reţea se va absorbi putere numai pe durata unei semiperioade, cât dioda este în conducţie, deci puterea absorbită este:

PURa

s=

12

2

(4)

Definim randamentul redresorului ca raportul dintre puterea utilă şi puterea absorbită, adică:

ηπ

= = =PP

u

a

440 5%2 . (5)

Acest randament este mai mic în cazul redresorului real datorită pierderilor care apar în diodă şi în transformator.

O problemă care trebuie avută în vedere în realizarea practică a redresorului este aceea a tensiunii inverse care este aplicată diodei în timpul alternanţei negative. Pentru ca dioda să nu se distrugă este necesar ca tensiunea inversă maximă pe care aceasta o suportă (dată de catalog) să fie mai mare decât tensiunea maximă aplicată, egală cu U 2 .

Redresarea monofazată dublă alternanţă Redresoarele dublă alternanţă se utilizează sub forma a două montaje fundamentale:

montajul cu transformator cu priză mediană (fig.1.b) şi montajul în punte (fig.1.c). Ambele montaje au drept rezultat aceeaşi formă a tensiunii redresate şi deci aceeaşi valoare a randamentului. Pentru calculul acestuia vom observa că cele două (respectiv patru) diode conduc alternativ, astfel încât prin rezistenţa de sarcină curentul circulă în acelaşi sens pentru ambele alternanţe. Intr-o perioadă T apar două pulsuri ale tensiunii redresate, astfel încât valoarea medie este:

UU

02 2

=π

(6)

iar puterea de curent continuu absorbită de sarcină este:

PUR

URu

s s= =0

2 2

28π

(7)

În condiţiile în care puterea de curent alternativ se absorbe de la sursă în ambele alternanţe, valoarea acesteia este:

PURa

s=

2

(8)

iar expresia randamentului devine:

ηπ

= = =PP

u

a

881%2 (9)

deci de două ori mai mare decât în cazul redresorului monoalternanţă. O deosebire importantă între cele două circuite de redresare bialternanţă este legată de

tensiunea inversă pe care trebuie să o suporte diodele în cele două cazuri. Dacă pentru redresorul în punte, diodele trebuie să suporte o tensiune inversă egală cu valoarea maximă a tensiunii de alimentare, la redresorul cu priză mediană tensiunea inversă este dublă, deoarece pe alternanţa negativă, la bornele diodei blocate se aplică atât tensiunea inversă de alimentare cât şi cea de pe rezistenţa de sarcină.

2


Filtre de netezire Tensiunea obţinută în urma redresării nu este o tensiune continuă, ci o tensiune

variabilă, diferenţa de potenţial păstrând însă semn constant. Pentru caracterizarea unei asemenea tensiuni se foloseşte noţiunea de factor de ondulaţie, definit ca raportul dintre amplitudinea armonicii principale a descompunerii Fourier a semnalului şi tensiunea medie a semnalului redresat. O tensiune redresată este cu atât mai apropiată de o tensiune continuă cu cât factorul de ondulaţie este mai apropiat de zero. În cazul redresării monoalternanţă, amplitudinea armonicii principale, pentru o frecvenţă de 50 Hz este Umax/2, ceea ce conduce la o valoare a factorului de ondulaţie egală cu:\

γπ

π= = = =

UU

UU

f

0

22

157max

max

//

. (10)

La redresorul bialternanţă, la o frecvenţă a tensiunii de alimentare de 50 Hz, frecvenţa corespunzătoare a semnalului redresat este dublă, adică 100 Hz. Amplitudinea armonicii Fourier principale este în această situaţie egală cu 4Umax/3π, iar valoarea factorului de ondulaţie devine:

γππ

= = = =UU

UU

f

0

4 32

23

0 667max

max

//

. (11)

deci tensiunea generată de redresorul bialternanţă este mai apropiată de una continuă decât cea obţinută de la un redresor monoalternanţă. Cu toate acestea, şi tensiunea obţinută de la redresorul bialternanţă este destul de departe de una continuă. Pentru a îmbunătăţii şi mai mult factorul de ondulaţie, tensiunea obţinută de la redresor este supusă în continuare unui nou

proces, numit filtrare, care are drept scop îmbunătăţirea factorului de ondulaţie prin micşorarea amplitudinii componentei alternative.

Cel mai simplu tip de filtru este filtrul cu intrare pe capacitate şi constă într-o capacitate de valoare mare legată în paralel cu rezistenţa de sarcină (fig.2.a).

Forma de undă a tensiunii pe sarcină (us, cu linie punctată în fig.2.b) este determinată de procesele de încărcare şi descărcare a condensatorului. Prin alegerea corespunzătoare a valorilor rezistenţei de sarcină şi a condensatorului, constanta de timp a sistemului poate fi mult mai mare decât perioada semnalului aplicat, ceea ce face ca în intervalul de timp dintre două alternanţe condensatorul să se descarce foarte puţin, menţinând astfel tensiunea pe sarcină la o valoare aproape constantă. Ţinând cont că timpul în care dioda este în conducţie

Fig. 2 a) schema de redresare monoalternanţă cu filtru cu intrare pe capacitate; b) formele tensiunilor din circuit.

3


(timpul în care are loc încărcarea condensatorului) este foarte mic în comparaţie cu perioada semnalului, amplitudinea de variaţie a tensiunii pe rezistenţa de sarcină se poate scrie ca fiind:

∆U UT

R Cs= − −

max exp1 (12)

În condiţiile în care constanta de timp a circuitului este mult mai mare decât perioada semnalului (RsC»T), atunci:

exp −

≅ −

TR C

TR Cs s

1 (13)

şi variaţia de tensiune se scrie:

∆U UT

R CU

R Cs s≅ =max

max

ν(14)

Această valoare poate fi considerată ca fiind chiar amplitudinea componentei Fourier principale. Componenta continuă a tensiunii pe sarcină (tensiunea efectivă) se calculează după relaţia (fig.2.b):

U UU

UR Cs

0 21

1= − = −

max max

∆ν

(15)

In aceste condiţii, factorul de ondulaţie are valoarea:

CR

CR

s

s

ν−

ν=γ 11

1

(16)

Aceeaşi valoare a factorului de ondulaţie este valabilă şi în cazul redresării bialternanţă, cu observaţia că în acest caz frecvenţa este dublă.

Experiment Se realizează montajul din fig.3.a. Se alege în secundarul transformatorului o tensiune

de 12-24 V. Voltmetrul V1 este un voltmetru de curent alternativ şi măsoară tensiunea efectivă cu care este alimentat circuitul. Voltmetrul V2 este un voltmetru de curent continuu şi măsoară componenta continuă a tensiunii la bornele rezistenţei de sarcină. Rezistenţa de sarcină este o rezistenţă în decade a cărei valoare nu trebuie să scadă sub 500 Ω. În punctele A şi B se conectează cele două canale ale unui osciloscop în scopul vizualizării tensiunii de intrare şi respectiv de ieşire. Iniţial întrerupătorul I este deschis. 1. Se compară indicaţia voltmetrului 2 cu cea calculată cu ajutorul relaţiei (1).2. Se închide întrerupătorul I. Pentru un număr de zece valori ale rezistenţei (între

1000 şi 10000 Ω) se determină cu ajutorul osciloscopului amplitudinea ∆U a tensiunii

redresate şi se calculează valoarea factorului de ondulaţie din relaţia UU∆

=γ , unde U este

tensiunea indicată de voltmetrul 2. Se calculează valoarea teoretică a factorului de ondulaţie cu ajutorul relaţiei (16). Se reprezintă pe un acelaşi grafic dependenţa γ(Rs) pentru valorile experimentale şi respectiv teoretice. Se repetă determinările pentru trei valori ale capacităţii.

3. Se repetă determinările de la punctele 1-2 pentru celelalte două montaje din fig.3.

4


Referatul trebuie să conţină: - valorile factorilor de ondulaţie fără filtrare şi comparaţia cu datele teoretice

- dependenţele γ(R) pentru valorile teoretice şi experimentale

Fig. 3 Montaje experimentale

5


1

TRANZISTORUL BIPOLAR. CARACTERISTICI STATICE

1. Teoria lucrării.

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive cu două joncţiuni. După tipul de impurităţi cu care sunt dopate cele trei zone semiconductoare care le compun, tranzistoarele sunt de două categorii complementare: npn şi pnp. Structurile şi simbolurile de circuit pentru tranzistoare npn şi pnp sunt prezentate în fig.1.a, respectiv în fig.1.b.

Fig.1. Structura şi simbolizarea tranzistoarelor npn şi pnp

Cele trei zone semiconductoare din structura tranzistorului se numesc emitor (E), bază (B) şi colector (C).

Ca structură tranzistorul corespunde cu două diode montate în opoziţie, dintre care, în mod normal, cea corespunzătoare joncţiunii emitorului este polarizată direct, iar cea corespunzătoare joncţiunii colectorului este polarizată invers. Comportarea tranzistorului ca dispozitiv este însă esenţial diferită de cea a două diode montate în opoziţie. Cauza acestei diferenţe este efectul de tranzistor. Pentru explicarea fenomenului, ne referim la un tranzistor npn polarizat ca în fig.2.

Intre cele două tensiuni există relaţia EC > EB > 0 V, ceea ce înseamnă că joncţiunea emitorului este polarizată direct, iar cea a colectorului este polarizată invers. Constructiv, colectorul şi emitorul sunt zone de grosime relativ mare şi puternic dopate cu impurităţi de tip n (donoare de electroni). Dimpotrivă, regiunea bazei este constructiv foarte îngustă (în jur de 1 μm) şi slab dopată cu impurităţi de tip p (acceptoare de electroni). Cîmpul electric creat de sursa EB injectează electroni din emitor în regiunea bazei, întocmai ca la o diodă polarizată direct. Din cauza slabei dopări a bazei şi a îngustimii acesteia, numai puţini din electronii liberi

Fig.2.


2

injectaţi din emitor dispar în bază prin recombinare. Marea lor majoritate difuzează spre stratul sărăcit în purtători al joncţiunii colectoare unde bariera de potenţial favorizează trecerea electronilor liberi în colector. Joncţiunea CB nu se mai comportă ca o diodă, ci favorizează trecerea unui curent important. Acesta este, în esenţă, efectul de tranzistor.

Fig.3.

Tranzistorul poate fi folosit în una din cele trei conexiuni fundamentale. În oricare dintre acestea se disting două circuite: un circuit de intrare, în care se aplică semnalul de prelucrat şi un circuit de ieşire, în care se obţine semnalul prelucrat. Una dintre bornele tranzistorului face parte din ambele circuite şi se ia ca electrod de referinţă; acest electrod este numit electrod comun. In funcţie de care dintre cele trei borne ale tranzistorului este considerată electod comun se disting trei conexiuni fundamentale: conexiunea bază comună - BC, conexiunea emitor comun - EC (fig.5.) şi conexiunea colector comun - CC.

Pentru calcule practice ale circuitelor cu tranzistoare se utilizează caracteristicile statice ridicate experimental. Cele mai utilizate caracteristici sunt: caracteristica de intrare, caracteristica de ieşire şi caracteristica de transfer.

La conexiunea bază comună (fig.3), caracteristica de intrare este dată de relaţia între curentul de emitor IE şi tensiunea de polarizare emitor - bază UEB; caracteristica de ieşire reprezintă dependenţa IC = f(UCB), iar caracteristica de transfer este IE = f(IC). Pentru tranzistorul în conexiunea EC, caracteristicile sunt (fig.4.): caracteristica de intrare IB = f(UBE), caracteristica de ieşire IC = f(UCE) şi caracteristica de transfer IB = f(IC).


3

Fig.4.

2. Mod de lucru

În această lucrare se vor trasa caracteristicile unui tranzistor BC 171 în conexiunea EC. Pentru trasarea caracteristicilor în

montajul EC se realizează montajul din fig.5 în care RB = 100 kΩ, iar RC = 100 Ω. Se fixează curentul IB la zero şi se variază tensiunea UCE din volt în volt pînă la 10 V. Se repetă determinările pentru curenţi de bază de 20, 50, 70 şi 100 μA. Intr-un tabel se trec IC, IB, UCE şi UBE.

Cu datele astfel obţinute se trasează caracteristicile de intrare, de ieşire şi de transfer.

Fig.5. Schema experimentală


4

Fig. 6: Simulare realizată în Electronic_Workbench_TESLA-Institute

Fig. 7: Simulare realizată în NI Multisim 11.0

IB = 0µA IC [mA] UCE [V] UBE [V] 0µA 1 0µA 2 0µA 3 0µA 4 0µA 5 0µA 6 0µA 7 0µA 8 0µA 9 0µA 10

Se repetă tabelul pentru IB = 20 µA, 50 µA, 70 µA și 100 µA.


Analiza în regim variabil de semnal mic a unui circuit de amplificare cu tranzistor bipolar

- 1 -

Scopul lucrării: determinarea parametrilor de semnal mic ai unui circuit de amplificare cu tranzistor

bipolar.

Cuprins

I. Noţiuni introductive.

II. Determinarea prin măsurători a parametrilor de funcţionare ai unui amplificator de semnal mic;

III. Simularea în Orcad a unui amplificator de semnal mic cu tranzistor bipolar.

I. Noţiuni introductive.

Tranzistoarele bipolare sunt dispozitive semiconductoare cu trei terminale, denumite, Emitor,

Bază, Colector, utilizate în numeroase aplicaţii, printre care şi în circuitele de amplificare. Rolul unui

circuit de amplificare este de a mări puterea electrică a semnalului aplicat la bornele sale de intrare,

care reprezintă informaţia, fără ai modifica conţinutul, altfel spus, fără a o distorsiona. Acest lucru se

realizează prin creşterea amplitudinii semnalului aplicat la bornele de intrare (vezi Figura 1 pentru

recapitularea noţiunii de amplitudine). Aşadar, creşterea amplitudinii semnalului aplicat la intrarea

circuitului nu trebuie să determine modificarea formei de undă a semnalului rezultat la bornele de ieşire

ale acestuia; altfel spus, amplificatorul nu trebuie să distorsioneze forma de undă a semnalului de ieşire.

Figura 1. Amplitudinea si valoarea vârf_vârf a unui semnal sinusoidal.

În cazul în care amplificatorul este construit pe baza unui tranzistor bipolar, pentru evitarea

apariţiei distorsiunilor în forma de undă a semnalului de ieşire, este necesar ca funcţionarea

tranzistorului bipolar să fie menţinută permanent în Regiunea Activă Normală – prescurtat RAN.

Pentru menţinerea funcţionării tranzistorului bipolar în RAN, trebuie satisfăcute următoarele 2 condiţii:

[ ] [ ]( )[ ]V,VV,V CCCE 5050 −÷∈ 1

unde VCC este valoarea tensiunii de alimentare.

Pentru menţinerea funcţionării tranzistorului bipolar în RAN, variaţia curenţilor variabili prin

terminalele tranzistoarelor precum şi variaţia tensiunilor variabile între terminalele tranzistorului nu


- 2 -

trebuie să depăşească anumite limite maxime. Această cerinţă poate fi satisfăcută numai dacă

amplitudinea tensiunii de intrare, notată Vi, nu depăşeşte o valoare maximă, notată Vimax. Dacă

amplitudinea tensiunii de intrare în amplificator depăşeşte acest prag, atunci circuitul introduce

distorsiuni în forma de undă a tensiunii de ieşire, datorită faptului că funcţionarea tranzistorul bipolar

iese din RAN şi ajunge în regiunea de saturaţie, respectiv în regiunea de blocare.

În cazul în care semnalele de intrare şi de ieşire ale amplificatorului sunt reprezentate prin intermediul

tensiunilor, parametrul care furnizează informaţii despre nivelul creşterii amplitudinii semnalului de

intrare este reprezentat de către factorul de amplificare în tensiune, notat AV şi definit prin relaţia

generală:

i

oV

V

VA = 2

unde Vo reprezintă amplitudinea tensiunii de ieşire a amplificatorului, iar Vi reprezintă amplitudinea

tensiunii de intrare a amplificatorului.

Valoarea amplificării în tensiune AV depinde de frecvenţa semnalului de intrare în circuit, notat

vI. Astfel, există un domeniu de valori pentru frecvenţa semnalului de intrare vI, în care valoarea

parametrului AV este constantă. Această valoare se numeşte amplificarea în bandă a circuitului de

amplificare.

II. Determinarea prin măsurători a parametrilor unui amplificator de semnal mic

Pentru determinarea parametrilor amplificatorului se parcurg următorii paşi, iar rezultatele obţinute se

completează în Tabelul 1.

1. Se verifică la sursa de alimentare dacă aceasta este decuplată de la placa de test (dacă ledul ON de pe

panoul frontal al aparatului este stins); dacă nu este decuplată, atunci se apasă butonul OUTPUT al

sursei de alimentare şi se decuplează sursa de alimentare (se stinge ledul ON de pe panoul frontal al

aparatului).

2. Se realizează circuitul practic din Figura 2 (la care încă nu se conectează generatorul de semnal);

valoarea rezistenţei RC depinde de masa de lucru; sursa de alimentare se reglează la valoarea

VCC=10[V]; se setează multimetrul digital pe gama 20V din secţiunea DCV.


- 3 -

Figura 2. Circuit de amplificare cu tranzistor bipolar.

3. După realizarea circuitului şi setarea multimetrului se cheamă cadrul didactic pentru

verificarea acestora.

4. Se cuplează sursa de alimentare la circuit, prin apăsarea comutatorului OUTPUT de pe panoul

frontal al echipamentului electronic (se constată aprinderea led-ului ON de pe panoul frontal).

A. Determinarea Punctului Static de Funcţionare al tranzistorului bipolar

5. Se măsoară tensiunea continuă VCE (tensiunea dintre colector şi emitor) cu multimetru digital; în

acest scop se poziţionează testerele de măsură ale aparatului astfel: testerul care este conectat la borna

“+” a voltmetrului se aplică pe colectorul tranzistorului, iar testerul care este conectat la borna “-” a

voltmetrului se aplică pe emitorul tranzistorului;

6. Se verifică dacă este satisfăcută condiţia 1; dacă nu este satisfăcută, atunci tranzistorul bipolar nu

funcţionează în RAN, iar circuitul nu funcţionează corect; în acest caz se va chema cadrul didactic.

7. Se determină valoarea curentului continuu IC din colectorul tranzistorului; acesta se va determina

indirect, cu ajutorul legii lui Ohm prezentate în relaţia 3; în acest sens, cu multimetrul digital setat ca la

punctul precedent, se măsoară tensiunea continuă pe rezistorul RC în modul următor: testerul care este

conectat la borna “+” a voltmetrului se aplică pe terminalul superior al rezistorului RC, iar testerul care

este conectat la borna “-” a voltmetrului se aplică pe terminalul inferior al rezistorului RC;

C

RCC

R

VI = 3


- 4 -

Perechea de mărimi electrice continue IC, VCE reprezintă Punctul Static de Funcţionare al

tranzistorului. Determinarea acestuia este necesară pentru estimarea regiunii în care funcţionează

tranzistorul, la alimentarea circuitului. Valorile obţinute se introduc în Tabelul 1.

B. Determinarea rezistenţei de intrare a amplificatorului

1. Se reglează generatorul de semnal astfel încât să genereze o tensiune sinusoidală, notată vG, cu

următorii parametri: amplitudine Vg=0,5[V] şi frecvenţă f=1[kHz].

2. După realizarea reglajului menţionat, se va chema cadrul didactic pentru verificarea acestuia;

3. Semnalul generat de către generatorul de semnal se introduce la intrarea circuitului, cu borna + a

cablului de semnal conectată la terminalul stâng al condensatorului CB, şi masa cablului de semnal

conectată la masa circuitului, aşa cum este precizat în Figura 2.

4. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului, prin intermediul sondei de măsură, tensiunea la intrare vI

(vezi Figura 2 pentru identificarea pe circuit a acestei tensiuni). În acest scop, masa sondei se va

conecta la masa circuitului, iar firul cald al sondei se va aplica în baza tranzistorului.

5. Pe forma de undă observată pe ecranul osciloscopului, se măsoară amplitudinea tensiunii de intrare

vI. Se remarcă faptul că amplitudinea Vi a tensiunii de intrare în amplificator este mai mică decât

amplitudinea Vg a tensiunii furnizate de generatorul de semnal, de unde se deduce că există o pierdere

de semnal la intrarea circuitului. Acest fenomen este datorat neadaptării valorii rezistenţei de intrare

a amplificatorului la valoarea rezistenţei de ieşire a generatorului de semnal, care este egală cu 50[Ω],

valoare idicată pe panoul frontal al aparatului, în dreptul mufei la care este conectat cablul de semnal.

6. Se calculează valoarea rezistenţei de intrare a amplificatorului, notată cu Ri, cu relaţia 4.

( )gig

ii RR

VV

VR +⋅

−= 4

unde Rg reprezintă valoarea rezistenţei de ieşire a generatrorului de semnal, egală cu 50[Ω]. Din relaţia

4 se remarcă faptul că la un amplificator de tensiune, pierderile de semnal la intrarea circuitului se pot

evita dacă valoarea Ri"∞ (adică dacă valoarea rezistenţei de intrare a amplificatorului este foarte

mare). Numai în acest caz Vi=Vg, deci nu sunt pierderi de semnal la intrarea circuitului. Valoarea

calculată pentru Ri se trece în Tabelul 1.


- 5 -

C. Determinarea amplificării în tensiune în bandă

1. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului, prin intermediul sondei de măsură, tensiunea la ieşire vO

(vezi Figura 2 pentru identificarea pe circuit a acestei tensiuni). În acest scop, masa sondei se va

conecta la masa circuitului, iar firul cald al sondei se va aplica pe terminalul superior al rezistorului RL.

2. Pe forma de undă observată pe ecranul osciloscopului, se măsoară amplitudinea Vo a tensiunii de

ieşire şi apoi se calculează amplificarea în tensiune AV a circuitului cu relaţia generală 2. pentru

măsurarea corectă a amplitudinii, se recomandă vizualizarea Figurii 1, care explică diferenţa dintre

valoare vârf la vârf şi amplitudine. Valoarea obţinută se trece în Tabelul 1.

D. Determinarea frecvenţei superioare fS a circuitului.

Valoarea amplificării în tensiune a circuitului depinde de frecvenţa semnalului de intrare. Se constată

că începînd de la o anumită valoare a frecvenţei, amplificarea în tensiune scade, pe măsură ce frecvenţa

semnalului de intrare creşte.

1. Se calculează valoarea vârf la vârf pe care tensiunea de ieşire o atinge la frecvenţa egală cu valoarea

frecvenţei superioare, cu relaţia:

iVfsfvirf_virf_o VA,V ⋅⋅⋅== 702 5

unde AV are valoarea calculată la punctul C.2 iar Vi este amplitudinea semnalului sinusoidal, măsurată

la punctul B.5.

2. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului, prin intermediul sondei de măsură, tensiunea la ieşire vO.

3. Se păstrează amplitudinea tensiunii de intrare constantă (nu se modifică poziţia potenţiometrului

AMPL de la generatorul de semnal) şi se creşte semnificativ valoarea frecvenţei semnalului vG, de la

generatorul de semnal, din comutatorul gamelor de frecvenţă Æ sau FREQUENCY precum şi din

comutatorul de reglaj fin VARIABLE, până când se constată că valoarea vârf_vârf (vezi Figura 1

pentru semnificaţia acestei valori) a tensiunii vO devine egală cu valoarea calculată cu ajutorul relaţiei

5. Când se constată că valoarea vârf_vârf a tensiunii vO devine egală valoarea calculată cu ajutorul

relaţiei 5, se citeşte de pe ecranul generatorului de semnal valoarea frecvenţei semnalului la care

lucrează amplificatorul. Valoarea citită reprezintă valoarea frecvenţei superioare a circuitului de

amplificare, notată fS. Valoarea măsurată se trece în Tabelul 1.

E. Determinarea valorii maxime a tensiunii de intrare, până la care circuitul poate amplifica fără

să distorsioneze forma de undă a tensiunii de ieşire

1. Se micşorează de la generatorul de semnal frecvenţa semnalului vG la valoarea 1[kHz].


- 6 -

2. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului, prin intermediul sondei de măsură, tensiunea la ieşire vO.

3. Se creşte de la generatorul de semnal amplitudinea tensiunii vG până când se observă că forma de

undă a tensiunii de ieşire vO, vizualizată pe ecranul osciloscopului, se distorsionează (începe să nu mai

fie sinusoidală); când se constată acest lucru, se opreşte creşterea amplitudinii tensiunii de la generator.

4. Se vizualizează pe ecranul osciloscopului, prin intermediul sondei de măsură, tensiunea de intrare vI.

Se determină amplitudinea acestei tensiuni. Valoarea astfel măsurată, reprezintă amplitudinea maximă

a tensiunii de intrare vI, notată Vimax, pe care circuitul de amplificare o poate amplifica fără să

introducă distorsiuni în forma de undă a tensiunii de ieşire vO. Valoarea măsurată se trece în Tabelul 1.

III. Simularea în Orcad a unui amplificator de semnal mic

Se simulează circuitul din Figura 3, iar rezultatele obţinute se trec în Tabelul 2, în câmpurile

corespunzătoare mărimilor electrice determinate. Modelul tranzistoarelor utilizat în simulare este

specificat în tabelul de mai jos. Pentru sursa de tensiune vG, tipul sursei depinde de tipul analizei şi se

va specifica pe parcurs.

Masa 1 Masa 2 Masa 3 Masa 4 Masa 5 Masa 6

Q2N2218 Q2N2219 Q2N2270 Q2N2282 Q2N2369 Q2N2509

Figura 3. Circuit de amplificare cu tranzistor bipolar.


- 7 -

1. La intrarea circuitului se aplică o sursă de tensiune vG sinusoidală (de tipul VSIN) de amplitudine

Vg=200[mV], valoare medie 0[V] şi frecvenţă 1[kHz].

2. Se efectuează asupra circuitului o analiză de tipul Bias Point şi se determină valoarea PSF-ului

tranzistorului. Se verifică dacă circuitul funcţionează în RAN; verificarea se realizează după condiţia 1.

În caz contrar există greşeli în editarea circuitului. Acestea trebuie eliminate în acest stadiu, altfel

rezultatele de la punctele următoare sunt eronate.

3. Se efectuează asupra circuitului o analiză de tipul Time Domain, pentru vizualizarea a n=5 perioade

ale tensiunii de intrare vI, respectiv ale tensiunii de ieşire vO. Pe formele de undă astfel obţinute se va

observa defazajul de 1800 care există între cele două tensiuni, apoi se vor măsura, cu ajutorul

cursorului, amplitudea fiecărui semnal vizualizat.

4. Se va calcula modulul amplificării în tensiune a circuitului, precum şi rezistenţa de intrare în

amplificator, pe baza relaţiilor 2, respectiv 4. În determinarea valorii amplitudinilor cerute, se va

ţine cont de toate zecimalele cu care mărimile sunt afişate (în special în cazul lui Vi).

5. Se efectuează asupra circuitului o analiză de tipul AC Sweep, pentru vizualizarea variaţiei în

domeniul frecvenţă a tensiunii de ieşire. În acest scop, sursa de tensiune de tipul VSIN se elimină din

circuit şi în locul acesteia se introduce o nouă sursă de tensiune, de tipul VAC, cu următorii parametri:

amplitudine 200[mV], şi valoare medie 0[V]. Domeniul de frecvenţă în care se realizează analiza fi

baleiat (variat) logaritmic pe domeniul de valori 0.1[Hz]÷1000[MHz]. Pentru analiza respectivă, se vor

utiliza 100 puncte de analiză pe decadă. Specificarea parametrilor analizei AC Sweep este precizată în

lucrarea de laborator 1. Se vizualizează variaţia amplitudinii tensiunii de ieşire vO în domeniul de

frecvenţă stabilit prin parametrii analizei, şi pe graficul vizualizat, se determină, cu ajutorul cursorului,

frecvenţa superioară a amplificatorului, notată fS. Determinarea parametrului fS se desfăşoară astfel: se

măsoară cu ajutorul cursorului valoarea maximă a amplitudinii tensiunii de ieşire vO, valoare notată

VoB. Apoi, se va deplasa cursorul pe graficul obţinut, spre direcţia frecvenţelor mari, până când

amplitudinea tensiunii de ieşire vO scade la valoarea VoB/√2. Când cursorul ajunge în punctul respectiv,

se citeşte pe axa OX valoarea frecvenţei. Valoarea determinată astfel reprezintă frecvenţa superioară fS

a amplificatorului.

Îndrumar laborator DEEA - Lucrarea nr.6

- 9 -

Nume, Prenume, Grupa:

1. 2. 3.

Tabelul 1. Parametrii amplificatorului realizat experimental

IC

VCE

Vi

Ri

Vo

AV

fS

Vimax

Tabelul 2. Parametrii amplificatorului simulat

IC

VCE

Vi

Ri

Vo

AV

fS

Răspundeţi la întrebarea:

Care este cauza apariţiei distorsiunilor în forma de undă a tensiunii de ieşire, la amplificatorul studiat?

Îndrumar laborator DEEA - Lucrarea nr.6

- 1 -

TRASAREA CARACTERISTICII STATICE A TIRISTORULUI CONVENŢIONAL

Pentru trasarea caracteristicii statice tensiune – curent a tiristorului se realizează schema de montaj din figura L6.9.

Alegerea surselor de tensiune reglabilă şi a aparatelor de măsură şi reglare se face pe baza datelor de catalog ale tiristorului pentru a permite trasarea caracteristicii statice între valorile maxime admise ale tensiunilor şi curenţilor.

Cu comutatorul K pe poziţia 1 se trasează ramura din cadranul I la polarizarea directă a tiristorului. Înainte de conectarea sursei de tensiune ED se fixează reostatele RD şi RG pe valorile maxime ale rezistenţelor acestora. Cu întrerupătorul KG deschis (fără comanda porţii) se scade uşor rezistenţa reostatului RD şi se creşte tensiunea sursei notând valorile curentului prin tiristor măsurat de AF (conectat ca micro- sau mili-ampermetru) şi ale tensiunii directe pe tiristor VF. Se evită atingerea valorii tensiunii de străpungere (basculare) în direct, VBO, indicată în catalog.

Se închide întrerupătorul KG şi se reglează curentul de poartă la o valoare IG1 la care se asigură intrarea în conducţie a tiristorului. Se reglează reostatul RD şi se citesc valorile tensiunii VF şi curentului IF fără a se depăşi valoarea maximă admisă. Se determină cu precizie valorile limită: VBO1 – tensiunea de basculare, IL1 – curentul minim de agăţare, IH1 – curentul de menţinere.

Se reia procesul pentru alte două valori ale curentului de poartă, IG3 > IG2 >IG1, fără a depăşi valoarea maxim admisă IGM a acestuia. Se consemnează concluziile privind modificarea valorilor limită VBO, IL, IH cu curentul de comandă a porţii IG.

Cu poarta necomandată (întrerupătorul KG deschis), se trece comutatorul K pe poziţia 2 şi se determină ramura caracteristicii statice din cadranul III (polarizare inversă) la valori ale tensiunii inverse VR inferioare tensiunii de străpungere VBR.

Ca şi în cazul diodei, se trasează prin simulare pe calculator caracteristica statică a tiristorului, utilizând o schemă de simulare EWB concepută pe baza schemei din figura L6.9.

Se vor trece în referat caracteristicile obţinute experimental şi prin simulare, schemele de simulare şi se vor consemna concluziile studiului efectuat în cadrul lucrării de laborator.

AF +

VF

AR

VR ED ER

1 2 K

T

RD RR

AG

RG

VG

KG

Fig. L6.9. Schema de montaj pentru determinarea caracteristicii statice a tiristorului convenţional


Electronics Workbench

1

1. Introducere în Electronics Workbench

Programul Electronics Workbench, elaborat de firma Interactive Image Technologies Ltd.este o aplicaţie de tip CAD („Computer Aided Design” = “Proiectare asistată pe calculator”). Este destinat proiectării şi simulării circuitelor electrice şi electronice.

Versiunea 5.12 care se va prezenta în cele ce urmează reuneşte componentele şi aparatele de măsurat din domeniul electronicii analogice şi a electronicii digitale.

Pe lângă realizarea circuitelor şi a simulării funcţionării acestora cu ajutorul diferitelor indicatoare, aparate de măsurat (multimetru, ampermetru, voltmetru, osciloscop, plotter, analizor logic etc.), surse de alimentare şi generatoare de semnal (generator de funcţii, generator de semnale binare etc.), programul permite şi efectuarea unor analize complexe asupra funcţionării circuitelor electronice (afişarea tensiunilor continue în punctele marcate ale schemei, trasarea caracteristicilor amplitudine-frecvenţă şi fază-frecvenţă, analiza funcţionării în regim tranzitoriu, afişarea componentelor armonice ale semnalelor).

2. Ecranul Electronics Workbench

Structura ecranului programului Electronics Workbench 5.12 este prezentată în figura demai jos:

Componentele ecranului: 1. - Bara de meniu:

− File („Fişier” – operaţii de deschidere, salvare, importare-exportare fişiere) − Edit („Editare” – operaţii de copiere, decupare, alipire, selectare, ştergere a

componentelor circuitului) − Circuit (operaţii legate de componentele circuitului – rotire, reorientare, mărire-

micşorare)

1

2

3

4

5

6

7



2

− Analysis („Analiză” – metode de analiză a funcţionării circuitului: afişarea tensiunilor continue, trasarea caracteristicilor, analiza regimului tranzitoriu, afişarea componentelor armonice)

− Window („Fereastră” – gestionarea ferestrelor deschise) − Help („Ajutor”)

2. - Bara de unelte („Toolbar”) – conţine butoane de comandă pentru cele mai uzuale operaţii (deschidere, salvare, copiere, decupare, alipire etc.)

3. - Listele de componente („Parts Bin”):− Favorites: conţine subcircuitele proprii ale utilizatorului − Sources: conţine surse de alimentare în curent continuu şi alternativ − Basic: conţine componentele de bază (rezistoare, condensatoare, relee,

comutatoare, transformatoare) − Diode: conţine tipurile de diode, inclusiv diacul, triacul, LED-ul, dioda Zener − Transistors: conţine diferitele tipuri de tranzistoare bipolare şi cu efect de câmp − Analogic ICs: conţine diferitele tipuri de circuite integrate analogice − NIxed ICs: conţine diferitele tipuri de circuite integrate mixte (analog-digitale) − Digital ICs: conţine diferitele tipuri de circuite integrate digitale − Logic Gates: conţine diferitele tipuri de porţi logice − Digital: conţine diferitele tipuri de componente digitale (sumatoare, bistabile,

multiplexoare, registre de deplasare şi codificatoare) − Indicators: conţine aparatele indicatoare disponibile (ampermetre, voltmetre,

lămpi de semnalizare, afişaje etc.) − Controls: conţine controalele (circuite de comandă) disponibile în program (ex.

circuite de derivare şi de integrare, sumatoare şi limitatoare de tensiune etc.) − Miscellaneous: conţine componentele care nu intră în altă categorie (siguranţe,

linii de transmisie, cristale, motoare de curent continuu, tuburi cu vacuum, casete de text box şi blocuri de titlu)

− Instruments: conţine instrumentele disponibile (multimetru digital, generator de funcţii, osciloscop, analizor logic, generator de semnale digitale).

4. - Spaţiul de lucru (aici se plasează piesele componente ale circuitului de realizat)5. - Linia de stare (prezintă informaţii despre starea simulării)6. - Butonul de pornire-oprire a simulării („Activate simulation”)7. - Butonul de pauză („Pause”) – întrerupe temporar simularea.3. Realizarea şi testarea circuitelor electronice3.1. Plasarea componentelor pe spaţiul de lucru şi setarea proprietăţilor

− Se dă clic pe lista de componente din care face parte componenta dorită şi se trage cu mouse-ul pe suprafaţa de lucru.

− Pentru setarea proprietăţilor se dă dublu clic pe componentă, sau se dă clic dreapta şi din meniul care apare se alege opţiunea Component Properties. Se va deschide fereastra cu proprietăţile componentei, cu mai multe pagini, ca de exemplu în cazul unui rezistor:


3

Cele mai importante proprietăţi sunt: − Label - eticheta componentei (denumirea, notaţia care asigură identificarea

acesteia în schemă, de ex.: R1, R2, E etc.). − Value - valoarea componentei (valoarea celui mai reprezentativ parametru al

acestora), exprimată în unitatea de măsură corespunzătoare (de ex. Ohm – Ω - pentru rezistenţa rezistoarelor, Farad – F - pentru capacitatea condensatoarelor, Henry – H – pentru inductanţa bobinelor, Ohm – Ω – pentru rezistenţa proprie a ampermetrelor şi voltmetrelor etc.).

− Fault - defectul simulat pentru componentă. În funcţionarea circuitelor pot fi simulate cele mai frecvente tipuri de defecte care pot apărea în schemele reale în timpul funcţionării:

o Leakage: scurgere, pierdere (scăderea valorii parametrului respectiv cuvaloarea înscrisă în caseta din dreapta)

o Short: scurtcircuit (contactul direct dintre bornele selectate alecomponentei)

o Open: întrerupere (între bornele selectate ale componentei)o None: anularea defectului ales în prealabil (readuce componenta în stare de

funcţionare normală).− Models - modelul ales pentru anumite componente (de ex. tipul de tranzistor, de

diodă sau de circuit integrat). Modelul reprezintă un anumit tip de componentă cu valori prestabilite pentru diferiţii parametri caracteristici ai acesteia.

− Selectarea uneia sau a mai multor componente se face cu mouse-ul. Componentele selectate pot fi mutate, copiate sau şterse simultan.

− Rotirea componentelor selectate se poate executa prin combinaţia de taste Ctrl + R sau prin clic dreapta şi opţiunea Rotate din meniul care apare.

− Ştergerea componentelor selectate se poate executa prin apăsarea tastei Delete sau prin clic dreapta şi opţiunea Delete din meniul care apare.

− Întoarcerea pe orizontală sau pe verticală se poate executa prin clic dreapta şi alegerea uneia din opţiunile Flip Horizontal sau Flip Vertical din meniul care apare.

3.2. Interconectarea componentelor − Interconectarea componentelor se realizează prin conductoarele de legătură care se

pot trasa cu ajutorul mouse-ului între:


4

− bornele componentelor − nodurile de circuit (punctele de ramificaţie – din lista Basic.

− Nodurile de circuit sunt ramificaţii la care se pot conecta 4 conductoare (sus, jos, în dreapta şi în stânga). Nodurile pot fi plasate din lista Basic, dar se pot forma şi în mod automat, atunci când tragem un conductor de la o bornă spre mijlocul unui alt conductor deja trasat: în punctul de contact al celor două conductoare va apare automat un nod care realizează legătura dintre ele. De exemplu, în schema electrică din figura de mai jos, la nodul A sunt interconectate 4 conductoare, iar la nodurile B, C şi D câte 3:

− Conductoarele de legătură pot fi colorate pentru a favoriza identificarea semnalelor

transmise prin acestea în cazul utilizării unor instrumente cu afişaj: osciloscop, analizor logic, plotter. În acest caz semnalele afişate pe ecranul acestora vor avea aceeaşi culoare ca şi conductoarele prin care ajung la instrumentul cu afişaj. Se dă dublu clic pe conductor şi din paleta care apare se alege culoarea dorită.

3.3. Alimentarea şi legarea la masă (pământarea) schemelor electronice

− Orice circuit electric sau electronic are nevoie de cel puţin o sursă de alimentare cu energie electrică. Aceste surse pot fi de curent continuu sau de curent alternativ.

− Sursele de alimentare se aleg din lista de componente Sources.

− Cea mai uzuală sursă de alimentare în curent continuu este bateria (Battery): − Cea mai uzuală sursă de alimentare în curent alternativ este sursa de tensiune

alternativă (AC Voltage Source): − Orice circuit trebuie să aibă cel puţin un punct de masă (punct de pământare) –

Ground: . Masa reprezintă potenţialul de referinţă al circuitului, care corespunde tensiunii de 0V . La acest punct de masă se leagă de obicei borna minus a surselor de alimentare în curent continuu.

3.4. Conectarea aparatelor de măsurat şi a instrumentelor indicatoare

− Scopul principal al simulării funcţionării unui circuit electronic constă în măsurarea valorilor parametrilor electrici (tensiuni, curenţi, rezistenţe etc.), în vizualizarea formei semnalelor electrice în diferitele puncte ale schemei, respectiv în trasarea


5

caracteristicilor statice ale diferitelor componente şi circuite electronice, cum ar fi de exemplu caracteristica curent-tensiune a unei diode, caracteristica amplificare-frecvenţă a unui amplificator etc.)

− În acest scop trebuiesc ataşate la circuitul de studiat diferite aparate de măsurat (multimetre, voltmetre, ampermetre etc.) şi / sau instrumente indicatoare (osciloscop, analizor logic, plotter Bode, becuri sau lămpi indicatoare etc.)

− Aparatele de măsurat şi instrumentele indicatoare se găsesc în listele de piese Indicators şi Instruments. Cele mai des utilizate aparate de măsurat sunt: o Lista Indicators:

o o

o Lista Instruments:

− Aparatele din lista Indicators pot fi rotite în mod similar cu componentele, pentru a se

putea conecta cu polaritatea sau în poziţia dorită. Din aceste aparate pot fi plasate simultan oricâte exemplare pe suprafaţa de lucru.

− Instrumentele din lista Instruments nu pot fi rotite şi într-un anumit circuit nu poate fi plasat decât un singur exemplar din fiecare.

3.5. Activarea circuitului

− Activarea circuitului constă în pornirea simulării funcţionării acestuia. Se poate realiza prin comanda Activate din meniul Analysis, prin combinaţia de taste Ctrl + G sau – cel mai simplu – prin clic pe butonul din dreapta sus al ecranului:

− Dezactivarea (oprirea simulării) se realizează prin încă un clic pe acelaşi buton, sau prin comanda Stop din meniul Analysis, eventual prin combinaţia de taste Ctrl + T.

− Se poate introduce o pauză în funcţionarea circuitului prin clic pe butonul Pause sau prin comanda Pause din meniul Analysis, eventual acţionând tasta F9.

Voltmetru Ampermetru Bec Lampă de probă

Multimetru Osciloscop Analizor logic Plotter Bode

Buton de activare

Buton de pauză


6

− După activarea circuitului aparatele sau instrumentele de măsurat încep să măsoare valorile parametrilor electrici (tensiuni, curenţi, rezistenţe etc.), afişează forma semnalelor în diferitele puncte ale schemei, iar instrumentele indicatoare indică starea anumitor porţiuni ale circuitului: becurile, LED-urile se aprind sau se sting, siguranţele fuzibile sau filamentele becurilor se întrerup (se ard) dacă sunt suprasolicitate etc.

4. Simularea defectelor

În cadrul simulării funcţionării circuitelor electrice şi electronice este foarte utilă studierea efectului diferitelor tipuri de defectări ale componentelor asupra modului de funcţionare al ansamblului. Aceste defectări pot lua forma scăderii valorii unui anumit parametru de circuit (de ex, scăderea rezistenţei, a capacităţii electrice etc.), scurtircuitării componentei (atingerea accidentală a două din bornele sale de acces), sau întreruperii acesteia.

Etapele simulării unui defect: • Se selectează componenta care trebuie „defectată” (clic stânga cu mouse-ul). • Se execută dublu clic pe componentă sau se dă clic dreapta şi din meniul care apare se

alege opţiunea Component Properties. Se va deschide fereastra cu proprietăţile componentei, cu mai multe pagini.

• Din fereastra cu proprietăţi se alege pagina Fault, iar de aici se alege tipul de defect dorit:

Leakage: scurgere, pierdere (scăderea valorii parametrului respectiv cu valoarea înscrisă în caseta din dreapta)

Short: scurtcircuit (contact direct între cele 2 borne de legătură ale componentelor simple – de ex. rezistoare, condensatoare etc., sau între cele 2 bornele selectate ale componentei – în caz că are mai multe - de ex. circuite integrate)

Open: întrerupere (lipsa continuităţii între cele 2 borne de legătură ale componentelor simple sau între cele 2 bornele selectate ale componentei – în caz că are mai multe).

• După alegerea defectului componenta va apare în schemă marcat prin culoarea roşie. În continuare se poate realiza studiul efectului defectării componentei, făcând măsurătorile corespunzătoare şi notând abaterile parametrilor electrici măsuraţi în acest caz (de ex. valorile unor tensiuni, curenţi etc.)

• Anularea defectului – după studierea comportării circuitului în cazul producerii defectului simulat – se realizează tot din fereastra cu proprietăţile componentei, de la pagina Fault, alegând opţiunea None. Prin aceasta se readuce componenta în starea de funcţionare normală.

5. Realizarea subcircuitelor

Subcircuitele sunt module formate din mai multe componente individuale, care împreună îndeplinesc o anumită funcţie într-un circuit mai complex, de ex. atenuatoare, filtre, reţele de rezistoare, punţi redresoare cu diode etc.

În cadrul programului Electronics Workbench un subcircuit se realizează urmând paşii de mai jos:

• Realizarea legăturilor dintre componentele care vor alcătui szbcircuitul, de exemplu în cazul unui atenuator în T (format din 3 rezistoare conectate sub formă de T):


7

• Selectarea ansamblului cu mouse-ul (se încercuieşte circuitul apăsând butonul

stâng) • Din meniul Circuit se alege opţiunea Create subcircuit, sau se apasă simultan

tastele Ctrl şi B. • În fereastra care se deschide se scrie numele subcircuitului (de ex. „Aten_T”),

după care se alege una din opţiunile: − Copy from circuit (copiere din circuit) − Move from circuit (mutare din circuit) − Replace in circuit (înlocuire în circuit).

• Apare fereastra cu subcircuitul, în exemplul dat va arăta astfel:

• Se realizează bornele de legătură, trăgând câte un conductor de legătură de la

bornele dorite până la marginea ferestrei. În locurile respective vor apărea nişte dreptunghiuri mici, care reprezintă bornele de acces spre exterior ale subcircuitului:

• Rezultatul final este un bloc, un subcircuit cu 4 borne de acces, cu ajutorul cărora

poate fi conectat cu alte componente într-o anumită schemă:

• Utilizarea ulterioară (şi în mai multe porţiuni ale unui anumit circuit) a

subcircuitul nou creat se realizează astfel: − Se dă clic pe lista de componente Favorites din partea stângă a ecranului (1). − Din fereastra (2) se trage subcircuitul pe suprafaţa de lucru şi se eliberează în

locul dorit.


8

− Apare fereastra (3) din care se alege subcircuitul dorit (dacă există mai multe în listă) şi dând clic pe butonul Accept acesta se plasează pe suprafaţa de lucru (într-o schemă se pot plasa oricâte exemplare ale unui anumit subcircuit).

6. Utilizarea multimetrului

Multimetrul este un instrument care permite măsurarea mărimilor electrice de bază: tensiunea electrică U (în volţi – V), intensitatea curentului electric I (ăn Amperi – A), rezistenţa electrică R (în Ohmi – Ω), respectiv nivelul relativ de tensiune în decibeli (dB), atât în cazul curentului continu, cât şi a curentului alternativ.

Selectarea multimetrului se poate face din bara de unelte „Instruments”:

Se plasează apoi multimetrul pe suprafaţa de lucru şi se dă dublu clic pe pictogramă

pentru a se afişa panoul frontal mărit al aparatului (pe care se pot efectua apoi reglajele şi setările dorite):

Multimetru

Pictograma multimetrului

Bornele multimetrului

Butoanele de alegere a mărimii

de măsurat Alegerea regimului de

lucru (c.a. sau c.c.)

Buton pentru setări speciale

3

1

2


9

Butoanele din rândul de sus permit alegerea mărimii electrice de măsurat: • A - intensitatea curentului • V - tensiunea electrică • R - rezistenţa electrică • dB - nivelul relativ de tensiune.

Cele două butoane din rândul al doilea permit alegerea modului de lucru: • curent alternativ: ~ • current continuu: ---

Butonul Settings permite efectuarea unor reglaje speciale, recomandate doar celor avansaţi, cum ar fi reglajul rezistenţei interne (proprii) a voltmetrului sau ampermetrului, a curentului debitat de ohmmetru în rezistenţa de măsurat şi valoarea tensiunii considerate drept referinţă la măsurarea nivelului relative în decibeli:

Pentru a efectua o anumită măsurare, ordinea de lucru este următoarea: 1. Se conectează multimetrul în circuit în mod corespunzător:

• În cazul măsurării curenţilor (A) se conectează în serie cu consumatorul prin care se doreşte măsurarea curentului (se întrerupe în prealabil un conductor):

• În cazul măsurării tensiunilor (V) se conectează în paralel cu consumatorul la

bornele căruia se doreşte măsurarea tensiunii, de exemplu:

• În cazul măsurării rezistenţelor (R) se conectează în paralel cu consumatorul la

care se doreşte măsurarea rezistenţei, dar numai în lipsa alimnetării (după deconectarea de la orice sursă de alimentare), de exemplu:


10

• În cazul măsurării nivelului relativ (dB) se conectează în paralel cu consumatorul

la bornele căruia se doreşte măsurarea nivelului relativ de tensiune, de exemplu:

2. Se alege mărimea de măsurat nd clic pe unul din butoanele din rândul de sus. 3. Se alege modul de lucru (dând clic pe unul din cele două butoane din rândul al doilea),

în funcţie de tipul sursei de alimentare a a schemei (c.c. sau c.a.). 4. În caz de nevoie se fac setări avansate cu ajutorul butonului Settings. 5. Se dă clic pe butonul de activare pentru a porni simularea şi se citeşte indicaţia

multimetrului. Observaţie: într-o anumită schemă se poate intercala un singur multimetru, deci dacă se

doresc mai multe măsurări, acestea se vor realiza succesiv, nu simultan. Măsurarea nivelului relativ al tensiunii: în multe aplicaţii, în special în telecomunicaţii

prezintă interes variaţia relativă a semnalului de tensiune faţă de un nivel considerat de referinţă. De exemplu este important să se ştie cu cât s-a atenuat semnalul (de câte ori s-a micşorat) după parcurgerea unui anumit tronson al liniei de comunicaţie, sau cu cât a fost amplificat (de câte ori s-a mărit) după trecerea printr-un regenerator de semnal sau printr-un amplificator. Pentru aceasta se alege un nivel de referinţă, de exemplu 1V în cazul implicit în programul EWB, la care se vor raporta semnalele măsurate.

Nivelul relativ se va exprima în decibeli (dB), conform formulei de mai jos:

)lg(20refU

UN ⋅=

unde: • lg – reprezintă logaritmul în bază 10 (reprezintă acea putere a lui 10, care este

egală cu argumentul funcţiei, de exemplu lg100 = 2, pentru că 102 = 100). • U – reprezintă tensiunea măsurată de multimetru • Uref - reprezintă tensiunea de referinţă aleasă.

Exemple de calcul pentru cazul Uref = 1V :

1. pentru U = 10V : dBN 2012010lg20)1

10lg(20 =⋅=⋅=⋅=

2. pentru U = 100V : dBN 40220100lg20)1

100lg(20 =⋅=⋅=⋅=


11

3. pentru U = 1000V : dBN 603201000lg20)1

1000lg(20 =⋅=⋅=⋅=

4. pentru U = 1V : dBN 00201lg20)11lg(20 =⋅=⋅=⋅=

5. pentru U = 0,1V : dBN 20)1(201,0lg20)11,0lg(20 −=−⋅=⋅=⋅=

6. pentru U = 0,01V : dBN 40)2(2001,0lg20)101,0lg(20 −=−⋅=⋅=⋅=

7. Utilizarea generatorului de funcţii şi a osciloscopului 7.1. Generatorul de funcţii

Generatorul de funcţii este o sursă de tensiune care poate furniza semnale alternative de tensiune sinusoidale, triunghiulare sau dreptunghiulare. Permite reglajul următorilor parametri ai semnalului:

forma de undă frecvenţa amplitudinea factorul de umplere (în cazul semnalelor dreptunghiulare) sau durata frontului

crescător (la semnalele triunghiulare) offsetul (componenta continuă).

Domeniul de frecvenţă al generatorului este suficient de mare pentru a produce semnalele utilizate în mod curent în aplicaţiile de audio- şi radiofrecvenţă.

Generatorul de funcţii se alege din bara de unelte Instruments şi are 3 terminale (borne) prin care poate fi conectat la circuitele electronice pe care le alimentează:

Borna comună („Common”) asigură nivelul de tensiune de referinţă pentru semnal. Pentru

ca tensiunea de referinţă a semnalului să fie masa (nulul), acesta trebuie conectat la conductorul de masă al circuitului.

Borna pozitivă (+) furnizează un semnal în sens pozitiv faţă de nivelul bornei comune , iar borna negativă (-) un semnal în sens negativ faţă de acest nivel.

Pictograma multimetrului

Butoane pentru alegerea formei semnalului

Reglajul frecvenţei

Reglajul amplitudinii

Reglajul factorului de umplere

Reglajul componentei de c.c.

Bornele de acces


12

Reglajele generatorului de funcţii: a. Frecvenţa (1 Hz — 999 MHz)

Această opţiune determină numărul de perioade (T) sau cicluri descrise de semnalul generat într-o secundă. Frecvenţa este de 1 Hertz (Hz) dacă într-o secundă semnalul descrie un ciclu complet. b. Factorul de umplere – „Duty Cycle” (1% — 99%)

Această opţiune afectează forma semnalelor dreptunghiulare şi triunghiulare. Determină raportul dintre duratele pozitive şi negative (la semnalele dreptunghiulare), respectiv dintre duratele crescătoare şi descrescătoare (la semnalele triunghiulare). Valoarea implicită a raportului este de 50%. c. Amplitudinea (1 V — 999 kV)

Această opţiune determină amplitudinea (Umax) semnalului generat, măsurat de la nivelul componentei sale continue (a valorii medii) până la vârful pozitiv sau negativ. Tensiunea vârf la vârf (Uvv) reprezintă diferenţa dintre vârfurile pozitive şi negative ale semnalului, fiind egală cu dublul amplitudinii. Dacă conductoarele se leagă între bornele (+) şi (-), amplitudinea semnalului va fi dublă faţă de cazul conectării între (+) şi borna comună sau (-) şi brna comună. d. Componenta continuă – „Offset” (-999 kV - 999 kV)

Această opţiune determină nivelul de tensiune continuă în jurul căreia oscilează valoarea semnalului alternativ. Un offset de 0 poziţionează semnalul pe mijlocul ecranului osciloscopului (la nivelul axei X). Un offset pozitiv urcă semnalul pe verticală, pe când un offset negativ îl coboară pe ecran. Pentru offset se utilizează aceleaşi unităţi de măsură ca şi pentru amplitudine.

Parametrii principali ai semnalelor de tensiune. 7.1. Osciloscopul

Osciloscopul cu două canale are următoarele funcţii principale: • afişarea (vizualizarea) modului de variaţie în mărime şi în frecvenţă a semnalelor

electronice • reprezentarea grafică a curbelor caracteristice, adică a variaţiei mărimii unui

semnal în funcţie de o altă mărime (de ex.: caracteristica curent-tensiune a unei diode, reprezentând variaţia curentului I prin diodă în funcţie de tensiunea U aplicată la bornele sale)

• compararea formei de variaţie a două semnale (de ex. Compararea frecvenţei, amplitudinii acestora sau măsurarea defazajului dintre ele).

Osciloscopul se alege din bara de unelte Instruments şi are următoarele elemente de control:

Uvv

Umax

T


13

Reglajele osciloscopului: a. Baza de timp – „Time base” Baza de timp se utilizează la reglajul sensibilităţii pe orizontală (pe axa X a

osciloscopului) în cazul afişării variaţiei în timp a mărimii semnalelor (regimul de lucru Y/T), de fapt se reglează ce durată de timp să reprezinte o diviziune a ecranului pe orizontală. Domeniul de reglaj al bazei de timp este: 0.10 ns/div-1s/div (nanosecunde pe diviziune, respectiv secunde pe diviziune).

Pentru ca afişajul să fie uşor de citit şi interpretat (este de preferat ca pe ecran să fie vizibile circa 1 ... 4 perioade complete ale semnalului – dacă se văd prea multe, nu se poate citi precis durata în timp a perioadei, iar dacă nu se vede decât o fracţiune dintr-o perioadă, nu avem posibilitatea să măsurăm durata acesteia şi nici să evaluăm forma de variaţie a semnalului), se ajustează baza de timp invers proporţional cu variaţia frecvenţei generatorului de funcţii sau ale sursei de curent alternativ: cu cât frecvenţa este mai mare, cu atât baza de timp se reglează la valori mai mici şi invers.

De examplu, dacă dorim să vedem pe ecran o singură perioadă a unui semnal cu frecvenţa de 1 kHz, baza de timp se va regla la 0.10 millisecunde pe diviziune, pe când în cazul unui semnal de 10 kHz baza de timp trtebuie reglată la 0.01 millisecunde pe diviziune.

Citirea-măsurarea perioadei şi calculul frecvenţei: • Se reglează baza de timp astfel încât să se poată citi uşor durata unei perioade. • Se citeşte pe axa orizontală (X) durata exprimată în număr de diviziuni a unei

perioade: ori ca distanţa între două treceri prin zero a semnalului din aceeaşi direcţie (de jos în sus) – de fapt durata însumată a unei alternanţe pozitive şi a uneia negative, ori ca distanţa între două vârfuri consecutive de acelaşi fel (pozitive sau negative) ale semnalului. În cazul exemplului de mai jos se observă că durata perioadei este de 5 diviziunui (2,5 div. alternanţa pozitivă plus tot 2,5 div. cea negativă).

Pictograma osciloscopului Ecranul

osciloscopului Baza de timp

Volţi pe diviziune

Poziţia X

Poziţia Y

Buton de expandare

Axe (Y/T, A/B, B/A)

Cuplaj intrare

Declanşare

Borna de masă

Borne de intrare (canalele A şi B)


14

• Se citeşte indicaţia casetei „Time base”, în cazul de faţă 0,10 ms / div. Deci o

diviziune orizontală de pe ecran reprezintă 0,1 ms. • Perioada T se calculează înmulţind această valoare cu numărul diviziunilor citite de

pe ecran: T = 5 * 0,1 = 0,5 ms = 500 μs. • Frecvenţa f a semnalului reprezintă numărul de perioade descrise de semnal în

unitatea de timp (într-o secundă) şi se măsoară în Hertz (Hz). Formula de calcul este:

][1 HzTsf =

În exemplul dat, frecvenţa va fi:

KHzHzmsms

mss

Tsf 22000

510000

5,01000

5,011

====== .

b. Poziţia X - „X Position” Din această casetă se poate regla punctul de început al axei X, adică punctul de pe

orizontală din care începe afişarea a semnalului. Dacă „X Position” este reglat la 0, semnalul începe de la colţul din stânga al ecranului. O valoare pozitivă a acesteia deplasează punctul de start spre dreapta, iar o valoare negativă o deplasează spre stânga.

Acest reglaj este util de exemplu când dorim să citim cu precizie durata perioadei şi de aceea vrem ca perioada semnalului să înceapă exact în dreptul unei diviziuni întregi de pe ecran.

c. Modul de lucru (axele osciloscopului - Y/T, A/B sau B/A) Aceste 3 butoane de comandă permit alegerea modului de lucru al osciloscopului. În modul de lucru Y/T se va afişa variaţia mărimii semnalului în funcţie de timp (în acest

caz axa X reprezintă timpul, iar axa Y mărimea semnalului exprimată în volţi). Acest mod de lucru permite măsurarea amplitudinii, tensiunii vârf la vârf şi perioadei semnalelor, respectiv a defazajului dintre 2 semnale de aceeaşi frecvenţă.

Pentru a putea analiza în detaliu formele de undă ale semnalelor, este recomandat să bifaţi opţiunea "Pause after each screen" din tabul Instruments al ferestrei de dialog corespunzătoare submeniului Analysis Options al meniului Circuit sau să daţi clic pe butonul Pause. După efectuarea citirilor necesare se poate reporni simularea din meniul Analysis/Resume sau apăsând tasta F9, eventual prin clic pe butonul Resume (care înlocuieşte butonul Pause).

În modul de lucru A/B sau B/A se va afişa variaţia mărimii semnalului aplicat pe primul canal (A respectiv B) în funcţie de mărimea semnalului aplicat pe cel de-al doilea canal (B respectiv A). În acest caz şi axa X se citeşte pe baza setării volţi / diviziune (V/Div) de pe canalul corespunzător. Acest mod de lucru permite trasarea unor caracteristici ale dispozitivelor electronice, care descriu modul de funcţionare a acestora în diferite condiţii, de ex.: caracteristica curent-tensiune a diodelor, caracteristicile de intrare, de ieşire şi de transfer ale trannzistoarelor bipolare sau cu efect de câmp, etc.

d. Setările canalelor A şi B (Volţi pe diviziune)


15

Această setare determină sensibilitatea pe verticală (pe direcţia axei Y) a ecranului. În cazul mopdului de lucru A/B sau B/A determină şi sensibilitatea axei X.

Pentru ca afişajul să fie uşor de citit şi interpretat (semnalul să nu depăşească pe direcţie verticală cadrul ecranului, dar totodată să fie suficient de mare pentru a-i citi amplitudinea în număr de diviziuni), se ajustează sensibilitatea în funcţie de valoarea estimată, aşteptată a tensiunii aplicate pe canalul respectiv. De exemplu, un semnal alternativ de 3 V ocupă întreg ecranul, dacă sensibilitatea axei Y este setată la 1 V/Div. Dacă se măreşte numărul de volţi pe diviziune, semnalul afişat pe ecran devine mai mic, iar dacă se măreşte, semnalul afişat devine mai mare (mai înalt) şi în cazul exemplului dat vârfurile se vor tăia (nu vor mai încape pe ecran).

Domeniul de reglaj al sensibilităţii pe verticală este: 0.01 mV/Div .... 5 kV/Div. Citirea-măsurarea tensiunii vârf la vârf şi a amplitudinii: • Se reglează sensibilitatea pe verticală astfel încât să se poată citi uşor amplitudinea

semnalului. • Se citeşte pe axa verticală (Y) mărimea exprimată în număr de diviziuni a tensiunii

vârf la vârf a semnalului (distanţa dintre un vârf pozitiv şi unul negativ). În cazul exemplului de mai jos se observă că aceasta este de 6 diviziuni.

• Se citeşte indicaţia casetei de sub „Channel A”, în cazul de faţă 2 V/Div. Deci o

diviziune verticală de pe ecran reprezintă 2 V. • Tensiunea vârf la vârf Uvv se calculează înmulţind această valoare cu numărul

diviziunilor citite de pe ecran: Uvv = 2 * 6 = 12V. • Amplitudinea reprezintă jumătate din tensiunea vârf la vârf, deci:

VVUU vv 62

122max === .

e. Poziţia Y - „Y Position” Din această casetă se poate regla punctul de început (de origine) al axei Y. Dacă „Y

Position” este setat la 0.00, punctul de început al axei Y va fi intersecţia cu axa X. Mărind „Y Position”, de exemplu la valoarea 1.00, punctul de origine (de zero) se mută în sus cu o diviziune (la prima diviziune verticală deasupra axei X). Micşorând „Y Position”, de exemplu la valoarea -1.00, punctul de origine (de zero) se mută în jos cu o diviziune (la prima diviziune verticală sub axa X).

Alegând valori „Y Position” diferite pentru cele două canale A şi B, se vor putea distinge şi compara mai uşor semnalele aplicate la intrările acestora. Pentru cazul de mai jos s-a mărit „Y Position” pentru canalul A (semnalul din partea de sus) şi s-a micşorat pentru canalul B (semnalul de jos), şi se pot distinge uşor, altfel ele apăreau suprapuse.


16

Domeniul de reglaj „Y Position” este cuprins între: -3.00 — 3.00. f. Cuplajul intrărilor (AC, 0, DC) • Dacă se alege opţiunea cuplaj în curent alternativ – c.a. (AC), osciloscopul va afişa doar componenta alternativă a semnalului. În cazul cuplajului în c.a. se conectează un condensator în serie cu sonda osciloscopului, acesta filtrând componenta continuă. • Dacă se alege opţiunea cuplaj în curent continuu – c.c. (DC), osciloscopul va afişa atât componenta alternativă, cât şi cea continuă a semnalului. Practic se va afişa aceeaşi formă de undă ca în cazul AC, dar decalată în sus sau în jos, în funcţie de valoarea componentei continue a semnalului. • Dacă se alege opţiunea 0, osciloscopul va afişa o linie orizontală de referinţă, la nivelul setat ca origine cu opţiunea „Y Position”, adică afişează un semnal nul. Observaţie: NU conectaţi niciodată un condensator de cuplaj în serie cu sonda

osciloscopului, aceasta fiind considerată ca o eroare în cursul analizei funcţionării circuitului. g. Declanşarea osciloscopului Setările de declanşare determină condiţiile în care se va începe afişareape ecran a formei

de undă, la începutul simulării. Opţiunile posibile se aleg cu ajutorul butoanelor Auto, A, B, External.

Auto – semnalul se afişează cât mai repede posibil, indiferent de orice condiţie A sau B – semnalele se afişează în funcţie de valoarea semnalului aplicat pe

canalul A sau B (pe baza opţiunilor Trigger Edge şi Trigger Level) External - semnalele se afişează în funcţie de valoarea unui semnal extern.

• Frontul de declanşare - „Trigger Edge” Dacă se alege frontul crescător (butonul cu săgeata orientată în sus), afişarea formei de undă va începe de la începutul alternanţei sale pozitive (imaginea din stânga). Dacă se alege frontul descrescător (butonul cu săgeata orientată în jos), afişarea formei de

undă va începe de la începutul alternanţei sale negative (imaginea din dreapta).

• Nivelul de declanşare - „Trigger Level” (-300 — 3.00) Nivelul de declanşare este acea valoare a semnalului, pe care trebuie s-o ia pentru a începe

afişarea lui pe ecran. Acesta poate lua valori între: 3.00 (partea superioară a ecranului) şi -3.00 (partea inferioară a ecranului).

În imaginile de mai jos sunt ilustrate cazurile:


17

• Level = + 1.00 (în stânga): afişarea începe din momentul trecerii semnalului prin valoarea corespunzătoare nivelului de 1 diviziune deasupra axei X

• Level = - 1.00 (în dreapta): afişarea începe din momentul trecerii semnalului prin valoarea corespunzătoare nivelului de 1 diviziune sub axa X.

• Semnalul de declanşare - „Trigger Signal” Declanşarea poate fi internă, în funcţie de nivelul semnalelor aplicate pe canalele A sau B

(cum s-a văzut mai sus, la Nivelul de declanşare), sau externă, în funcţie de nivelul unui semnal extern aplicat la borna de declanşare (borna „Trigger”, sub borna de masă „Ground”).

Observaţie: Dacă se aşteaptă ca semnalul să fie plat (semnal continuu sau cu variaţii foarte mici), sau dacă dorim ca afişarea semnalului să înceapă cât mai repede posibil, se va alege opţiunea Auto.

h. Expandarea osciloscopului - „Expand” Butonul „Expand” expandează, extinde afişajul grafic al osciloscopului, mutând

butoanele de control ale acestuia în partea de jos a ferestrei.

Revenirea la afişarea în fereastă mică se face executând clic pe butonul „Reduce”. Pentru a tipări conţinutul ecranului expandat se alege opţiunea Print din meniul File, apoi

se bifează opţiunea „XY Plot”.

1

Proiectarea și simularea caracteristicile filtrelor active trece jos realizate cu amplificatoare operaţionale

Scopul lucrării: introducerea tipurilor de filtre de tensiune, relaţiilor de proiectare şi a

modului de determinare prin măsurători/simulări a principalilor parametri ai acestora.

Cuprins

I. Noţiuni introductive

II. Analiza filtrului activ trece jos de ordin 1 în configuraţie neinversoare

III. Proiectarea unui filtru trece jos şi testarea funcţionării sale prin simulare în Multisim.


Un filtru de tensiune este un circuit electronic care permite trecerea spre ieşirea sa numai

a acelor tensiuni sinusoidale, aplicate la intrările sale, a căror frecvenţă se află într-un anumit

domeniu de valori, denumit banda de frecvenţă (banda de trecere) a filtrului. Din acest punct

de vedere, filtrele de tensiune se împart în patru categorii, variaţia ideală a amplitudinii

tensiunii de ieşire VO în funcţie de frecvenţa tensiunii aplicate la intrarea filtrului fiind

prezentată, în funcţie de tipul filtrului,în Figura 1.

filtru de tensiune trece jos: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale a

căror frecvenţă are o valoare mai mică decât o anumită valoare de prag;

filtru de tensiune trece sus: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale a

căror frecvenţă are o valoare mai mare decât o anumită valoare de prag;

filtru de tensiune trece bandă: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale

a căror frecvenţă are o valoare cuprinsă într-un anumit domeniu de frecvenţe;

filtru de tensiune opreşte bandă: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor

sinusoidale a căror frecvenţă are o valoare în exteriorul unui anumit domeniu de

frecvenţe;

Filtrele se mai pot clasifica în două mari clase:

filtre pasive: sunt filtre realizate numai din componente pasive R, L, C, nu necesită

surse de alimentare şi nu pot modifica valoarea amplitudinii semnalului sinusoidal

aplicat la intrare.

filtre active: sunt filtre care, pe lângă componentele pasive R, L, C, utilizează şi o

componentă activă, cea mai utilizată fiind amplificatorul operaţional, necesită surse de


2

alimentare şi pot modifica valoarea amplitudinii semnalului sinusoidal aplicat la

intrare.

Figura 1. Caracteristica de frecvenţă a filtrelor de tensiune.

Selectivitatea unui circuit de filtrare este un parametru important al acestuia. Pentru un

filtru performant, selectivitatea are o valoare mare. Valoarea selectivităţii filtrului este

sugerată grafic de panta palierului/palierelor variaţiei amplitudinii tensiunii de ieşire vO în

funcţie de frecvenţa tensiunii aplicate la intrarea acestuia, filtrul având o selectivitate cu atât

mai mare cu cât panta palierelor respective este mai mare. După cum se remarcă, observând

Figura 1, panta palierelor este infinită pentru filtrele ideale. În circuitele de filtrare practice,

panta palierelor amintite este mai mică decât în cazul ideal. În funcţie de valoarea pantei

acestor paliere, filtrele au diverse ordine. De exemplu, filtrele de ordin 1, care sunt şi cele mai

simple, au panta cea mai mică, valoarea acesteia fiind de 20decibeli/decadă. Filtrele de ordin

2 sunt mai performante, valoarea pantei caracteristicii de frecvenţă fiind de 40decibeli/decadă,

filtrele de ordin 3 au valoarea pantei caracteristicii de frecvenţă de 60decibeli/decadă, etc. În

continuare vor fi analizate filtrele de ordin 1.


3

A. Filtru activ trece jos de ordin 1

Schema electrică a filtrului trece jos în configuraţie neinversoare, precum şi variaţia

amplitudinii tensiunii de ieşire vO în funcţie de frecvenţa tensiunii de intrare sunt prezentate în

Figura 2. Dacă la intrarea circuitului se aplică o tensiune sinusoidală a cărei frecvenţă este mai

mare decât frecvenţa superioară fS a filtrului, atunci tensiunea de intrare este filtrată, la

ieşirea acestuia observîndu-se o tensiune a cărei amplitudine tinde la 0[V], pe măsură ce

valoarea frecvenţei tensiunii sinusoidale aplicate la intrare creşte. Parametrii de proiectare ai

filtrului sunt frecvenţa superioară fS, respectiv amplificarea în tensiune în mijlocul benzii de

trecere AV, care au relaţiile de mai jos:

frecvenţa superioară a filtrului:

CRf S ⋅⋅⋅

=π2

1 1

amplificarea în tensiune în mijlocul benzii de trecere a filtrului:

1

21RR

AV += 2

Figura 2. Filtru activ trece jos în configuraţie neinversoare, de ordin 1.

Să se proiecteze și simuleze următoarele filtre: • Filtru 1: fs = 250Hz, AV = 2;• Filtru 2: fs = 500Hz, AV = 1,75;


4

Etapele de proiectare ale filtrului sunt următoarele:

1. se stabilesc specificaţiile de proiectare ale filtrului, adică valorile parametrilor fS,

respectiv AV, în funcţie de aplicaţie.

2. se alege convenabil valoarea capacităţii electrice a condensatorului C, (C=22nF) iar

valoarea rezistenţei R se calculează din relaţia 1, apoi se alege din catalog un rezistor a

cărei rezistenţă are valoarea cea mai apropiată de valoarea calculată.

3. se alege convenabil valoarea rezistenţei R1, iar valoarea rezistenţei R2 se calculează

din relaţia 2, apoi se alege din catalog un rezistor a cărei rezistenţă are valoarea cea

mai apropiată de valoarea calculată.

4. se calculează valorile parametrilor de proiectare fS, respectiv AV, în funcţie de valorile

componentelor alese.

2.1. Exemplu pentru Simularea în mediul Multisim a filtrului 1-FTJ.

Fig.3. Schema de principiu a filtrului 1.


5

Fig.4. Forma semnalului la intrarea şi ieşirea filtrului 1.

Fig.5. Caracteristica amplitudine-frecvenţă a filtrului 1.


1

Proiectarea și simularea caracteristicile filtrelor active trece sus realizate cu amplificatoare operaţionale

Scopul lucrării: introducerea tipurilor de filtre de tensiune, relaţiilor de proiectare şi a

modului de determinare prin măsurători/simulări a principalilor parametri ai acestora.

Cuprins


II. Analiza filtrului activ trece jos de ordin 1 în configuraţie neinversoare

III. Proiectarea unui filtru trece jos şi testarea funcţionării sale prin simulare în Multisim.


Un filtru de tensiune este un circuit electronic care permite trecerea spre ieşirea sa numai

a acelor tensiuni sinusoidale, aplicate la intrările sale, a căror frecvenţă se află într-un anumit

domeniu de valori, denumit banda de frecvenţă (banda de trecere) a filtrului. Din acest punct

de vedere, filtrele de tensiune se împart în patru categorii, variaţia ideală a amplitudinii

tensiunii de ieşire VO în funcţie de frecvenţa tensiunii aplicate la intrarea filtrului fiind

prezentată, în funcţie de tipul filtrului,în Figura 1.

filtru de tensiune trece jos: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale a

căror frecvenţă are o valoare mai mică decât o anumită valoare de prag;

filtru de tensiune trece sus: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale a

căror frecvenţă are o valoare mai mare decât o anumită valoare de prag;

filtru de tensiune trece bandă: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor sinusoidale

a căror frecvenţă are o valoare cuprinsă într-un anumit domeniu de frecvenţe;

filtru de tensiune opreşte bandă: permite trecerea spre ieşirea sa a tensiunilor

sinusoidale a căror frecvenţă are o valoare în exteriorul unui anumit domeniu de

frecvenţe;

Filtrele se mai pot clasifica în două mari clase:

filtre pasive: sunt filtre realizate numai din componente pasive R, L, C, nu necesită

surse de alimentare şi nu pot modifica valoarea amplitudinii semnalului sinusoidal

aplicat la intrare.

filtre active: sunt filtre care, pe lângă componentele pasive R, L, C, utilizează şi o

componentă activă, cea mai utilizată fiind amplificatorul operaţional, necesită surse de


2

alimentare şi pot modifica valoarea amplitudinii semnalului sinusoidal aplicat la

intrare.

Figura 1. Caracteristica de frecvenţă a filtrelor de tensiune.

Selectivitatea unui circuit de filtrare este un parametru important al acestuia. Pentru un

filtru performant, selectivitatea are o valoare mare. Valoarea selectivităţii filtrului este

sugerată grafic de panta palierului/palierelor variaţiei amplitudinii tensiunii de ieşire vO în

funcţie de frecvenţa tensiunii aplicate la intrarea acestuia, filtrul având o selectivitate cu atât

mai mare cu cât panta palierelor respective este mai mare. După cum se remarcă, observând

Figura 1, panta palierelor este infinită pentru filtrele ideale. În circuitele de filtrare practice,

panta palierelor amintite este mai mică decât în cazul ideal. În funcţie de valoarea pantei

acestor paliere, filtrele au diverse ordine. De exemplu, filtrele de ordin 1, care sunt şi cele mai

simple, au panta cea mai mică, valoarea acesteia fiind de 20decibeli/decadă. Filtrele de ordin

2 sunt mai performante, valoarea pantei caracteristicii de frecvenţă fiind de 40decibeli/decadă,

filtrele de ordin 3 au valoarea pantei caracteristicii de frecvenţă de 60decibeli/decadă, etc. În

continuare vor fi analizate filtrele de ordin 1.


3

B. Filtru activ trece sus de ordin 1

Schema electrică a filtrului trece sus în configuraţie neinversoare, precum şi variaţia

amplitudinii tensiunii de ieşire vO în funcţie de frecvenţa tensiunii de intrare sunt prezentate în

Figura 3. Dacă la intrarea circuitului se aplică o tensiune sinusoidală a cărei frecvenţă este mai

mică decât frecvenţa inferioară fJ a filtrului, atunci tensiunea de intrare este filtrată, la ieşirea

acestuia observându-se o tensiune a cărei amplitudine tinde la 0[V], pe măsură ce valoarea

frecvenţei tensiunii sinusoidale aplicate la intrare scade. Parametrii de proiectare ai filtrului

sunt frecvenţa inferioară fJ, respectiv amplificarea în tensiune în mijlocul benzii de trecere a

filtrului AV, care au relaţiile de calcul 1, respectiv 2, iar etapele de proiectare ale circuitului

sunt cele prezentate în cazul filtrului precedent.

Figura 3. Filtru activ trece sus în configuraţie neinversoare, de ordin 1.

frecvenţa inferioara a filtrului:

CRf J ⋅⋅⋅

=π2

1 1

amplificarea în tensiune în mijlocul benzii de trecere a filtrului:

1

21RR

AV += 2


4

Să se proiecteze și simuleze următoarele filtre: • Filtru 1: fJ = 2,5kHz, AV = 2;• Filtru 2: fJ = 5KHz, AV = 1,75;

Etapele de proiectare ale filtrului sunt următoarele:

1. se stabilesc specificaţiile de proiectare ale filtrului, adică valorile parametrilor fJ,

respectiv AV, în funcţie de aplicaţie.

2. se alege convenabil valoarea capacităţii electrice a condensatorului C, (C=22nF) iar

valoarea rezistenţei R se calculează din relaţia 1, apoi se alege din catalog un rezistor a

cărei rezistenţă are valoarea cea mai apropiată de valoarea calculată.

3. se alege convenabil valoarea rezistenţei R1, iar valoarea rezistenţei R2 se calculează

din relaţia 2, apoi se alege din catalog un rezistor a cărei rezistenţă are valoarea cea

mai apropiată de valoarea calculată.

4. se calculează valorile parametrilor de proiectare fJ, respectiv AV, în funcţie de valorile

componentelor alese.



- 1 -

Scopul lucrării

a. familiarizarea cu utilizarea sursei de alimentare;

b. familiarizarea cu utilizarea multimetrului digital pentru măsurarea tensiunilor continue şi a

rezistenţelor electrice;

c. introducerea analizei de curent continuu specifică mediului de proiectare a sistemelor

electronice Orcad.

d. analiza divizorului rezistiv de tensiune; analiza divizorului rezisitiv de curent.

Cuprins

I. Realizarea practică a divizoarelor rezistive.

II. Analiza divizoarelor rezistive prin simularea acestora în mediul de proiectare a sistemelor

electronice Orcad.

I. Realizarea practică a divizoarelor rezistive

A. Analiza divizorului rezistiv de tensiune.

Structura acestui circuit este prezentată în Figura 1.

Figura 1. Divizorul rezistiv de tensiune.

În acest circuit, tensiunea de intrare VI se divide pe cele 2 rezistoare R1 şi R2, care formează

divizorul rezistiv de tensiune. Valoarea tensiunii de ieşire VO se poate calcula cu formula 1:

IO VRR

RV

21

2 1

Pentru analiza acestui circuit se vor parcurge următoarele etape:

1. Se setează multimetrul digital ca ohmetru.

2. Se măsoară valoarea rezistenţelor electrice ale rezistoarelor R1 şi R2, iar valorile măsurate

se trec în Tabelul 1.

Divizoare rezistive

- 2 -

3. Se determină cu formula 1 valoarea tensiunii de ieşire VO, în care se consideră că tensiunea

VI=5[V]. Valoarea calculată se trece în Tabelul 1, în coloana VO_CALCULAT.

4. În scopul protejării sursei de alimentare, se verifică dacă sursa de alimentare este decuplată

(se verifică dacă led-ul ON de pe panoul frontal al sursei de alimentare HM8040 este stins;

dacă nu este stins, se acţionează comutatorul OUTPUT de pe panoul frontal al sursei de

alimentare, în scopul stingerii acestui led, caz în care sursa de alimentare este decuplată de

circuit).

5. Se realizează pe placa de test un divizor rezistiv de tensiune, aşa cum este indicat în

circuitul din Figura 1 (momentan, voltmetrul nu se introduce în circuit). Sursa de tensiune VI

din figură reprezintă sursa de alimentare; firul de alimentare, care este conectat la borna + a

sursei de alimentare, se va conecta la terminalul stâng al rezistorului R1, iar firul de

alimentare, care este conectat la borna - a sursei de alimentare, se va conecta la terminalul de

jos al rezistorului R2.

6. Se reglează tensiunea de alimentare la valoarea 5[V].

7. Se setează multimetrul digital ca voltmetru: din comutatorul 1 (vezi Lucrarea 1) se

selectează gama de măsură 20 din secţiunea indicată prin textul DCV, sau simbolul V-.

8. După realizarea circuitului, se anunţă cadrul didactic, pentru verificarea acestuia.

9. După verificarea circuitului, se cuplează sursa de alimentare la circuitul de test (led-ul ON

al sursei trebuie să se aprindă), prin apăsarea comutatorului OUTPUT al sursei de alimentare.

10. Se introduce voltmetrul în paralel cu rezistorul R2 (aşa cum este indicat în Figura 1, cu

testerul care este conectat la borna + a voltmetrului la terminalul de sus al rezistorului R2) şi

se citeşte de pe ecranul aparatului de măsură valoarea tensiunii continue VO, obţinută la

ieşirea divizorului. Valoarea măsurată se trece în Tabelul 1, în coloana VO_MASURAT.

11. Se decuplează sursa de alimentare reglabilă de la circuit prin acţionarea comutatorului

OUTPUT, în sensul stingerii led-ului ON al sursei de alimentare HM8040.

B. Analiza divizorului rezistiv de curent.

Structura acestui circuit este prezentată în Figura 2. Curentul de intrare II al circuitului se

divide pe cele 2 rezistoare care compun divizorul rezistiv de curent. Valoarea curentului de

ieşire IO al circuitului se calculează cu formula 2:

IO IRR

RI

21

1 2


- 3 -

Figura 2. Divizorul rezistiv de curent – circuitul teoretic.

Pentru analiza acestui circuit se vor parcurge următoarele etape:

1. Se setează multimetrul digital ca ohmetru.

2. Se realizează pe placa de test un divizor rezistiv de curent. Structura circuitului practic

diferă de cea a circuitului teoretic şi este prezentată în Figura 3. În prealabil, se măsoară

valoarea rezistenţei electrice a rezistorului R3 iar valoarea obţinută se trece în Tabelul 1. În

circuitul din Figura 3, VI reprezintă sursa de alimentare, iar firul de alimentare, care este

conectat la borna + a sursei, se conectează la terminalul stâng al rezistorului R3, iar firul de

alimentare, care este conectat la borna - a sursei, se conectează la terminalul de jos al

rezistorului R2.

Figura 3. Divizorul rezistiv de curent – circuitul practic.

3. Se setează multimetrul digital ca voltmetru: din comutatorul 1 (vezi Lucrarea 1) se

selectează gama de măsură 20 din secţiunea indicată prin textul DCV sau simbolul V-.

4. După realizarea circuitului, se anunţă cadrul didactic, pentru verificarea acestuia.

5. După verificarea circuitului, se cuplează sursa de alimentare la circuitul de test (led-ul ON

al sursei trebuie să se aprindă), prin apăsarea comutatorului OUTPUT al sursei de alimentare.


- 4 -

6. Se introduce voltmetrul în paralel cu rezistorul R3 (aşa cum este indicat în Figura 3) şi se

citeşte de pe ecranul aparatului de măsură valoarea tensiunii continue, obţinută pe acest

rezistor; în continuare, se calculează curentul de intrare în divizorul de curent cu ajutorul legii

lui Ohm:

3

3

R

VII

iar valoarea obţinută se trece în Tabelul 1, în coloana II_MASURAT.

7. Se determină cu formula 2 valoarea curentului de ieşire IO al circuitului, care se trece în

Tabelul 1, în coloana IO_CALCULAT; în calculul respectiv, valoarea curentului de intrare II în

divizor este cea obţinută la punctul 6.

8. Se introduce voltmetrul în paralel cu rezistorul R2 (aşa cum este indicat în Figura 3) şi se

citeşte de pe ecranul aparatului de măsură valoarea tensiunii continue obţinută pe acest

rezistor; se calculează apoi curentul de ieşire din divizorul de curent cu ajutorul legii lui Ohm:

2

2

R

VIO

iar valoarea astfel determinată se trece în Tabelul 1, în coloana IO_MASURAT.

9. Se decuplează sursa de alimentare de circuit prin apăsarea comutatorului OUTPUT de pe

panoul frontal al acesteia, iar valoarea tensiunii se reglează la 0[V].


- 5 -

DATA:

NUME – GRUPA:

1.

2.

3.

Tabelul 1. Partea practica

DIVIZOR DE TENSIUNE

Mărime

electrică R1 R2 VO calculat VO măsurat

Valoare

DIVIZOR DE CURENT

Mărime

electrică R1 R2 R3 II masurat IO calculat IO măsurat

Valoare

Tabelul 2. Simulare Orcad

DIVIZOR DE TENSIUNE

VO

DIVIZOR DE CURENT

IO


DEEA - Lucrarea 12. Filtre pasive de tensiune

- 1 -

Scopul lucrării:

a. Familiarizarea cu utilizarea osciloscopului;

b. Familiarizarea cu utilizarea generatorului de semnal;

c. Introducerea analizei în regim de curent alternativ specifică mediului de proiectare Orcad.

Cuprins

I. Realizarea practică a unui filtru de tensiune trece jos.

II. Simularea în Orcad a funcţionării în regim armonic a unui filtru de tensiune trece sus.

I. Filtre de tensiune

În sistemele electronice, filtrele sunt utilizate pentru filtrarea informaţiei. Funcţia de filtrare

constă în permiterea trecerii informaţiei prin circuit, numai dacă informaţia respectivă respectă

anumite particlarităţi. În cazul filtrului de tensiune, tensiunea sinusoidală, care, în acest caz

reprezintă informaţia, trece prin filtru numai dacă frecvenţa sa aparţine unui anumit domeniu de

valori. Pe baza acestui criteriu de selecţie a informaţiei, se disting diferite tipuri de filtre. De

exemplu, la filtrul trece jos, tensiunea sinusoidală trece prin acesta numai dacă frecvenţa sa aparţine

unui domeniu de valori mici. Pe de altă parte, la filtrul trece sus, tensiunea sinusoidală trece prin

circuit numai dacă frecvenţa sa aparţine unui domeniu de valori mari. La un filtru trece bandă,

tensiunea sinusoidală trece prin circuit numai dacă frecvenţa sa aparţine unui domeniu de valori

stabilit între 2 valori distincte, care formează banda de frecvenţă a circuitului.

A. Comportamentul filtrului de tensiune trece jos.

Structura circuitului este prezentată în Figura 1. Filtrul este compus dintr-un rezistor conectat

în serie cu o bobină. Tensiunea de intrare a filtrului se aplică între bobină şi masa circuitului, iar

tensiune de ieşire este furnizată între terminalele rezistorului.

Figura 1. Filtru RL de tensiune de tip trece jos.

Comportamentul circuitului poate fi determinat exprimând tensiunea de ieşire în funcţie de

tensiunea de intrare a filtrului. Cele două componente ale filtrului compun un divizor de tensiune,

Lucrarea 12. Filtre pasive de tensiune

- 2 -

astfel, conform comportamentului acestui tip de circuit, tensiunea de ieşire se poate exprima în

funcţie de tensiunea de intrare prin intermediul relaţiei:

ILR

RO v

ZZ

Zv

În relaţia de mai sus, ZL reprezintă impedanţa bobinei şi are expresia

LL XjZ

unde XL reprezintă reactanţa bobinei şi are expresia

)ohm(XLωX SILL

în care L reprezintă inductanţa magnetică a bobinei, unitatea de măsură a acesteia fiind henry-ul, iar

reprezintă pulsaţia semnalului la terminalele bobinei. Raportul

LR

R

ZZ

Z

reprezintă funcţia de transfer a circuitului, notată cu H(j).

Se reaminteşte că o mărime electrică sinusoidală de forma:

tXx sin

poate fi exprimată în domeniul complex astfel:

tjXx exp

unde:

X reprezintă amplitudinea mărimii x

reprezintă pulsaţia semnalului, unitatea de măsură a acesteia fiind radiani/secundă,

legătura dintre această mărime şi frecvenţa f a unui semnal fiind

f 2

reprezintă faza iniţială semnalului.

Amplitudinea tensiunii de ieşire în funcţie de amplitudinea tensiunii de intrare se poate exprima cu

relaţia:

io VωjHV

sau:

io V

R

Lω

V

2

1

1

Din ultima relaţie, se pot scoate în evidenţă următoarele cazuri particulare, care permit descrierea

comportamentului filtrului din punctul de vedere al modificării amplitudinii semnalului de ieşire în

funcţie de frecvenţa semnalului sinusoidal aplicat la intrarea sa.


- 3 -

0

0

o

io

Vinalte_frecventeω

VVjoase_frecventeω

În concluzie, acest circuit permite trecerea spre ieşirea sa doar a semnalelor care au frecvenţe

de valori mici (semnale de frecvenţă joasă). Doar în acest caz valoarea amplitudinii tensiunii de

ieşire este aceeaşi cu valoarea amplitudinii tensiunii de intrare a circuitului. Semnalele care au

frecvenţă mare nu trec prin acest circuit. Se observă că pentru semnale de frecvenţă mare,

valoarea tensiunii de ieşire tinde la zero. Din acest motiv circuitul se numeşte filtru trece jos (trec

prin circuit numai semnalele de frecvenţă joasă). Un astfel de circuit poate fi utilizat, de exemplu,

într-un sistem audio, pentru redarea în boxele audio a semnalelor de frecvenţă joasă (başii). Se

remarcă faptul că, dacă pulsaţia semnalului de intrare are o valoare caracteristică, care prin definiţie

este

L

Rωω

definitie 0

atunci amplitudinea tensiunii de ieşire scade la valoarea:

2i

oV

V

Pulsaţia notată o se numeşte pulsaţia caracteristică a filtrului (frecvenţa corespunzătoare acestei

pulsaţii se numeşte frecvenţa caracteristică a filtrului, şi de calculează cu relaţia de legătură dintre

cele 2 mărimi, aminitită mai sus) şi marchează pulsaţia/ frecvenţa semnalului de intrare peste care

semnalul de ieşire începe să scadă semnificativ. Utilizând pentru componentele R şi L valorile

exprimate în unităţile fundamentale de măsură (ohm, respectiv henry) pulsaţia caracteristică a

filtrului rezultă în radiani/secundă, iar frecvenţa caracteristică în herţi.

Defazajul dintre tensiunea de ieşire şi cea de intrare (întârzierea între acestea exprimată în

radiani/secundă sau grade sexazecimale) se poate exprima cu relaţia:

0ω

ωarctgφ


comportamentului filtrului din punctul de vedere al modificării defazajului dintre semnalul de

ieşire, faţă de cel de intrare, în funcţie de frecvenţa semnalului sinusoidal aplicat la intrarea filtrului.

2

4

00

0

πφinalte_frecventeω

πφticacaracteris_frecventaωω

φjoase_frecventeω

B. Comportamentul filtrului de tensiune trece sus.

Structura circuitului este prezentată în Figura 2. Filtrul este compus dintr-un rezistor conectat

în serie cu un condensator. Informaţia prelucrată este reprezentată de tensiunea sinusoidală vI,


- 4 -

aplicată la intrarea filtrului, între condensatorul C şi masa circuitului. Rezultatul prelucrării

informaţiei de către filtru este furnizat sub forma unei tensiuni de ieşire, notate vO – tensiunea

filtrată, care este furnizată între terminalele rezistorului R.

Figura 2. Filtru RC de tensiune de tip trece sus.

Comportamentul circuitului în regim armonic poate fi determinat exprimând tensiunea de

ieşire în funcţie de tensiunea de intrare a filtrului. Cele două componente ale filtrului compun un

divizor de tensiune, astfel, conform comportamentului acestui circuit, tensiunea de ieşire se poate

exprima în funcţie de tensiunea de intrare prin intermediul relaţiei:

ICR

RO v

ZZ

Zv

unde, cele 2 tensiuni sunt exprimate ca mărimi complexe. Raportul

CR

R

ZZ

Z

se numeşte funcţie de transfer a circuitului, este o mărime complexă şi se notează cu H(j). În

relaţia de mai sus, ZC reprezintă impedanţa condensatorului şi are expresia

CC XjZ

unde XC reprezintă reactanţa condensatorului şi are expresia

)(1

ohmXC

X SICC

în care C reprezintă capacitatea condensatorului, unitatea de măsură a acesteia fiind farad-ul, iar

reprezintă pulsaţia semnalului la terminalele condensatorului.

Amplitudinea tensiunii de ieşire în funcţie de amplitudinea tensiunii de intrare se poate

exprima cu relaţia:

io VωjHV

sau:

io V

CRω

V

2

11

1


- 5 -


comportamentului filtrului din punctul de vedere al modificării amplitudinii tensiunii de ieşire, în

funcţie de frecvenţa tensiunii sinusoidale aplicate la intrarea circuitului.

io

o

VVinalte_frecventeω

Vjoase_frecventeω

00

Din cele prezentate mai sus, se poate trage concluzia că acest circuit permite trecerea spre

ieşirea sa doar a semnalelor (tensiunilor sinusoidale) care au frecvenţe de valori mari (semnale de

frecvenţă înaltă). Doar în acest caz valoarea amplitudinii tensiunii de ieşire este aceeaşi cu valoarea

amplitudinii tensiunii de intrare a circuitului. Semnalele care au frecvenţă mică nu trec prin

acest circuit. În cazul semnalelor de frecvenţă joasă, se observă că valoarea tensiunii de ieşire tinde

la zero. Din acest motiv circuitul se numeşte filtru trece sus (trec prin circuit numai semnalele de

frecvenţă înaltă). Un astfel de circuit poate fi utilizat, de exemplu, într-un sistem audio, pentru

redarea în în boxele audio doar a semnalelor de frecvenţă înalte.

Pulsaţia caracteristică a filtrului se definşte astfel,

CR

definitie

10

şi marchează pulsaţia/ frecvenţa semnalului de intrare sub care semnalul de ieşire începe să scadă

semnificativ. Utilizând pentru componentele R şi C valorile exprimate în unităţile fundamentale de

măsură (ohm, respectiv farad) pulsaţia caracteristică a filtrului rezultă în radiani/secundă, iar

frecvenţa caracteristică în herţi.

Defazajul dintre tensiunea de ieşire şi cea de intrare (întârzierea între acestea, exprimată fie în

radiani/secundă, fie în grade sexazecimale), se poate exprima cu relaţia:

ω

ωarctgφ 0


comportamentului filtrului din punctul de vedere al modificării defazajului dintre semnalul de

ieşire, faţă de cel de intrare, în funcţie de frecvenţa semnalului sinusoidal aplicat la intrarea filtrului:

04

20

0

φinalte_frecventeω

πφticacaracteris_frecventaωω

πφjoase_frecventeω

II. Realizarea practică a unui filtru pasiv de tensiune de tip trece sus

Pentru analiza practică a filtrului de tensiune trece sus se vor efectua următorii paşi.


- 6 -

1. Se realizează circuitul practic din Figura 1, care reprezintă un filtru trece-sus, în care C=33[nF],

iar rezistenţa electrică a rezistorului R trebuie măsurată cu ohmetrul, iar valoarea obţinută trebuie

precizată în Tabelul 1, caseta R= . Generatorul de semnal reprezentat în Figura 1 de către sursa de

tensiune vI se reglează astfel încât să genereze o tensiune sinusoidală de amplitudine Vi=1[V] şi

frecvenţă egală cu prima valoare din Tabelul 1. După reglajul indicat, se aplică semnalul respectiv,

prin intermediul cablului de semnal, la bornele de intrare ale circuitului. În acest scop, firul de masă

al cablului de semnal se conectează la masa circuitului, iar firul de semnal la terminalul stâng al

rezistorului R.

2. După realizarea circuitului şi reglarea generatorului de semnal se va chema cadrul didactic pentru

verificarea acestuia.

3. Se măsoară cu osciloscopul amplitudinea Vo a

tensiunii de ieşire a filtrului şi se completează

valoarea obţinută în Tabelul 1, în coloana

corespunzătoare valorii curente a frecvenţei. Pentru

măsurarea amplitudinii respective, sonda osciloscopului trebuie introdusă în circuit aşa cum este

sugerat în figura alăturată: masa sondei se conectează la masa circuitului, iar firul cald al sondei se

aplică pe terminalul superior al rezistorului R. Deoarece, la această frecvenţă, amplitudinea

semnalului măsurat cu osciloscopul este mică, pentru vizualizarea corectă (clară) a semnalului, de la

comutatorul Volt/Div de pe panoul frontal al osciloscopului se va seta o valoare mică (ca indicaţie,

setaţi o valoare de ordinul zecilor sau a sutelor de milivolţi pe diviziune).

4. În continuare, se reglează frecvenţa semnalului la a 2a valoare din Tabelul 1 şi se reface punctul

3. Procedura indicată la punctul 3 se repetă pentru toate valorile frecvenţei semnalului sinusoidal de

intrare, indicate în Tabelul 1, astfel încât, la final, tabelul respectiv să fie completat cu perechi de

valori: amplitudine semnal ieşire – frecvenţa semnal de intrare. Deoarece, pe măsură ce frecvenţa

semnalului de intrare în circuit creşte, creşte şi amplitudinea semnalului de ieşire, pentru

vizualizarea completă a semnalului pe ecranul osciloscopului, valoarea setată de la comutatorul

Volt/Div de pe panoul frontal al osciloscopului se va creşte la rândul ei progresiv. Creşterea

amplitudinii semnalului de ieşire este datorată funcţiei de filtrare de tip trece sus a circuitului: pe

măsură ce frecvenţa informaţiei creşte, la ieşirea circuitului ”se regăşeşte tot mai mult din aceasta”.

5. Pe baza valorilor completate în Tabelul 1 se va trasa graficul Vo=Vo(f), care reprezintă variaţia

amplitudinii tensiunii de ieşire în funcţie de frecvenţa semnalului aplicat la intrarea filtrului. Acest

grafic poartă denumirea de caracteristică de frecvenţă a filtrului.


- 7 -

III. Proiectarea filtrelor unui sistem audio şi determinarea caracteristicii de frecvenţă a

acestora în Orcad.

Partea 1 - proiectare. Se vor proiecta filtrele unui sistem audio, redat simplificat în figura de mai

jos. Semnalul audio este filtrat de către filtrul trece jos FTJ, la ieşirea căruia sunt furnizate

armonicile de frecvenţă joasă ale semnalului audio, care apoi sunt redate în boxa „bas” a sistemului

audio. Totodată, semnalul audio este filtrat de către filtrul trece sus FTS, la ieşirea căruia sunt

furnizate armonicile de frecvenţă înaltă ale semnalului audio, care apoi sunt redate în boxa “înalte”

a sistemului audio.

Armonicile reprezintă semnale sinusoidale de diferite frecvenţe, care compun semnalul audio. Aceste armonici se pot

determina prin descompunerea semnalului audio în serie Fourier. Termenii seriei Fourier reprezintă o aromonică a

semnalului audio.

Structura simplificată a ieşirii unui sistem audio

1. Se va proiecta filtrul trece jos al sistemului audio, având ca date iniţiale de proiectare datele

indicate în tabelul de mai jos, în funcţie de masa de lucru, unde R reprezintă rezistenţa boxei, iar fo

reprezintă frecvenţa caracteristică a filtrului (pentru filtrul trece jos, valorile fO sunt indicate în linia

3 din tabel):

Date iniţiale de proiectare pentru filtrele sistemului audio: rezistenţa boxei şi frecvenţa caracteristică

Masa 1 Masa 2 Masa 3 Masa 4 Masa 5 Masa 6

R [] 4 8 16 4 8 16

FTJ: fO [Hz] 500 200 100 200 100 500

FTS: fO [kHz] 1 2 5 2 5 1

Proiectarea filtrului constă în determinarea valorii inductanţei magnetice a bobinei filtrului trece jos,

astfel încît să se respecte valorile datelor de proiectare impuse în tabelul de mai sus. Pentru valoarea

inductanţei magnetice L a bobinei, consideraţi ca rezultat final valoarea obţinută în calcule,


- 8 -

rotunjită la cel mai apropiat număr întreg. După proiectarea filtrului trece jos, valorile R, L, fO vor

fi specificate în Tabelul 2 din referat.

2. Se va proiecta filtrul trece sus al sistemului audio, având ca date iniţiale de proiectare datele

indicate în tabelul de mai sus, în funcţie de masa de lucru, unde R reprezintă rezistenţa boxei, iar fo

reprezintă frecvenţa caracteristică a filtrului (pentru filtrul trece sus, valorile fO sunt indicate în linia

4 din tabel). Proiectarea filtrului constă în determinarea valorii capacităţii electrice a

condensatorului filtrului trece sus, astfel încît să se respecte valorile datelor de proiectare impuse în

tabelul de mai sus. Pentru valoarea capacităţii electrice C a condensatorului consideraţi valoarea

obţinută în calcule, aproximată la cea mai apropiată valoare din tabelul indicat mai jos, care

reprezintă tabelul valorilor standard ale capacităţii electrice, furnizate în cataloagele de componente

electronice. După proiectarea filtrului trece jos, valorile R, C, fO vor fi specificate în Tabelul 2.

Valorile standard ale capacităţii electrice a condensatorului (gama de toleranţă 10%

În continuare, se vor determina în Orcad caracteristicile de frecvenţă ale celor 2 filtre proiectate

(mai exact, graficul variaţiei amplitudinii tensiunii de ieşire Vo în funcţie de frecvenţa f a

semnalului de intrare = semnalul audio). Determinarea acestor caracteristici se realizează prin

efectuarea analizei de tip AC Sweep, asupra circuitului, care permite determinarea graficulului

variaţiei în frecvenţă a mărimilor electrice ale circuitului. În acest scop, se vor parcurge următorii

paşi:

3. Se creează în Orcad un nou proiect.


- 9 -

4. În cadrul proiectului creat, se va edita schema filtrului trece jos, în care valoarea R se ia din

tabelul cu datele de proiectare, conform mesei de lucru, iar valoarea inductanţei magnetice L se ia

egală cu valoarea calculată. În cazul analizei de tip AC Sweep, sursa de tensiune vI, introdusă la

intrarea circuitui trebuie să fie de tip VAC (vI=VAC). Acest tip de sursă permite setarea unui

domeniu de variaţie a frecvenţei sale, domeniu în care apoi se poate vizualiza modul în care valorile

mărimilor electrice ale circuitului variază. Sursa de tip VAC are 2 câmpuri distincte de valori:

Vac – reprezintă amplitudinea tensiunii variabile; în această lucrare se va considera că

Vac=1 volt.

Vdc – reprezintă valoarea medie a tensiunii variabile; această valoare se va seta la 0 volţi.

5. Se salvează circuitul editat şi se trece la simularea circuitului: se setează la fel ca în lucrarea

precedentă un profil de simulare (Pspice New Simulation Profile), iar din secţiunea Analysis

Type se va selecta analiza AC Sweep/Noise. Parametrii analizei se specifică în fereastra

Simulation Settings, astfel: în câmpul AC Sweep Type se precizează modul de baleiere (modul de

variaţie) a frecvenţei sursei de semnal VAC (se va selecta Logaritmic pe Decade) iar în câmpurile

Start frequency, End frequency, respectiv Points/Decade se precizează domeniul de valori în

care se realizează variaţia frecvenţei sursei de tensiune VAC, respectiv numărul de puncte/decadă în

care se va realiza simularea (decada = intervalul de valori între 2 puteri consecutive ale lui 10). În

această lucrare, domeniul de variaţie al frecvenţei sursei de tensiune VAC este [0.1Hz÷10MHZ],

iar numărul de puncte pe decadă=10 (atenţie la modul în care se precizează valoarea megahertz în

Orcad).

6. Pentru vizualizarea variaţiei în timp a semnalelor circuitului, se selectează din bara care conţine

pictogramele specifice instrumentelor utilizate pentru vizualizarea mărimilor electrice ale

circuitului, pictograma indicată prin simbolul indicat mai jos,

şi apoi, sonda de măsură afişată după selectarea pictogramei respective se plasează în nodul de

ieşire al filtrului, aflat la intersecţia rezistorului R cu bobina L. În acest mod, după simulare, se va

afişa variaţia amplitudinii tensiunii de ieşire Vo în funcţie de frecvenţa semnalului vI.

7. Se simulează circuitul cu comanda: Pspice Run. La finalul simulării, datorită utilizării sondei

de măsură selectare la puntul precedent, se activează o nouă fereastră grafică în care se pot vizualiza

rezultatele obţinute în urma simulării, care, pentru analiza efectuată reprezintă variaţia amplitudinii

tensiunii de ieşire Vo în funcţie de frecvenţa semnalului vI.


- 10 -

8. Pentru determinarea valorilor coordonatelor punctelor de pe graficul afişat, se activează cursorul

cu comanda Trace Cursor Display. În funcţie de poziţia cursorului sunt afişate valorile

coordonatelor punctului selectat pe grafic de către cursor. Valorile de interes sunt indicate în dreptul

liniei identificate prin notaţia A1. Prima valoare reprezintă valoarea de pe axa OX (valoarea

frecvenţei pentru această analiză), iar a 2a valoare reprezintă valoarea de pe axa OY (valoarea

amplitudinii tensiunii Vo în acest caz).

Caseta în care sunt afişate valorile coordonatelor punctelor de pe graficul generat după efectuarea analizei

Pe graficul variaţiei Vo(f) se va determina valoarea frecvenţei caracteristice fO obţinute pentru filtrul

proiectat. Prin definiţie, frecvenţa caracteristică a filtrului este frecvenţa la care amplitudinea

tensiunii de ieşire scade de la valoarea maximă Vo_maxim la valoarea 0,707Vo_maxim . Astfel, pentru

determinarea valorii fO se parcurg următorii paşi:

cu ajutorul cursorului se măsoară pe grafic valoarea Vo_maxim,

pe baza valorii astfel măsurate se calculează valoarea 0,707Vo_maxim,

se deplasează cursorul pe grafic pînă când, valoarea tensiunii afişate în caseta cu valorile

coordonatelor punctelor de pe grafic devine egală cu valoarea calculată la punctul precedent;

în acest moment, se citeşte din caseta cu valorile coordonatelor punctelor de pe grafic

valoarea frecvenţei. Frecvenţa astfel obţinută este frecvenţa caracteristică a filtrului.

Rezultatul obţinut pentru frecvenţa caracteristică a filtrului se trece în Tabelul 2.

9. Se desenează graficul variaţiei Vo(f).

10. Se repetă punctele 4÷9 şi pentru cazul filtrului trece sus proiectat.


- 11 -


1. 2. 3.

Tabelul 1: realizarea practică a filtrului trece sus

R =

Frecvenţa 150 Hz 300 Hz 500 Hz 700 Hz 1 kHz 2 kHz 5 kHz 10 kHz 15 kHz 20 kHz

Vo

Răspundeţi la întrebări: 1. Ce reprezintă pulsaţia caracteristică a unui filtru trece jos?R:

2. Se consideră un filtru trece jos a cărui frecvenţă caracteristică este f0=1[kHz]. La intrarea sa seaplică un semnal de frecvenţă f = 100 [Hz], respectiv un semnal de frecvenţă f = 100 [kHz]. Care din cele două semnale trece prin filtru? R:

3. Calculaţi valoarea frecvenţei caracteristice a filtrului trece jos realizat practic şi completaţirezultatul obţinut în caseta de mai jos:

f0

4. Ce reprezintă caracteristica de frecvenţă a unui filtru? Utilizînd datele obţinute în Tabelul 1,desenaţi caracteristica de frecvenţă a filtrului trece – jos (pe axa OX alegeţi pentru reprezentarea grafică o scară neliniară. Pe grafic, completaţi mărimile electrice pe cele 2 coordonate, unităţile de măsură şi valorile numerice. R:


- 12 -


1. 2. 3.

Tabel 2: Proiectarea filtrelor unui sistem audio; rezultate obţinute în Orcad

FILTRU TRECE JOS - FTJ FILTRU TRECE SUS - FTS

Date iniţiale de

proiectare Rezultate

Date iniţiale de

proiectare Rezultate

R fO L fO_SIMULAT R fO C fO_SIMULAT

Desenaţi caracteristica de frecvenţă ale filtrelor sistemului audio (pe axa OX alegeţi pentru reprezentarea grafică o scară neliniară. Pe grafic, completaţi mărimile electrice pe cele 2 coordonate, unităţile de măsură şi valorile numerice. Indicaţi pe fiecare caracteristică valoarea frecvenţei caracteristice a filtrului, precum şi valoarea amplitudinii tensiunii de ieşire la frecvenţa respectivă.

Filtru trece jos Filtru trece sus

DEEA – Laborator nr. 13

1

Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale (AO) prin masuratori

Scopul lucrarii: determinarea parametrilor principali ai unui AO. Introducere Amplicatoarele operationale, prescurtat AO, sunt circuite integrate, a caror simbol este prezentat in Figura 1.

Figura 1. Simbolul amplificatorului operational.

AO-ul are doua intrari de semnal, care se numesc intrarea neinversoare (notata pe simbol

cu +), respectiv intrarea inversoare (notata pe simbol cu -). Pe aceste intrari se aplica tensiunile de intrare, notate in figura cu vi+, respectiv vi-, care “codeaza” informatia care este prelucrata de catre AO. Diferenta dintre cele 2 tensiuni de intrare se numeste tensiune de intrare diferentiala si este notata in figura cu viD. AO-ul are o singura iesire, de unde se preia tensiunea de iesire v0, care reprezinta rezultatul prelucrarii informatiei prezente pe intrari de catre AO.

Raportul dintre tensiunea de iesire vo si tensiunea de intrare diferentiala viD se numeste amplificare in tensiune si se noteaza cu AV_AO:

Un AO are o amplificare in tensiune foarte mare, valoarea sa fiind aproximativ 100000:

Pentru ca AO-ul sa poata fi capabil sa prelucreze informatia, acesta trebuie alimentat. AO-ul are

doua borne de alimentare, pe care se aplica o tensiune pozitiva (notata VCC), respectiv o tensiune negativa (notata VEE) fata de un potential de referinta, care constituie masa schemei electronice.

Partea 1. Analiza AO-ului in bucla deschisa. Deoarece amplificarea in tensiune a AO-ului este foarte mare, chiar si pentru valori foarte mici ale tensiunii viD, rezulta o valoarea foarte mare pentru tensiunea de iesire vo: de exemplu, daca viD=1mVΤ vo=1mV×100000=1000V. In practica, pentru tensiunea de iesire vo nu se poate obtine o valoare atat de mare. Se constata ca, valoarea tensiunii de iesire vo se limiteaza intotdeauna la una din 2 valori posibile, una pozitiva, cealalta negativa, in functie de semnul tensiunii viD. Acest fenomen se numeste saturatia AO-ului, iar tensiunile la care valoarea lui vo se limiteaza se numesc tensiuni de saturatie. 1. Determinarea tensiunilor de saturatie ale AO-ului. a. se va verifica la sursa de alimentare HM8040 daca ledul ON este stins, daca nu este stins, atunci se va apasa butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 Τ se stinge ledul, iar sursa este deconectata; b. se va realiza circuitul din Figura 3; cu ledul ON pastrat in continuare stins, se va alimenta circuitul din Figura 3, de la 2 surse de tensiune continua HM8040, ambele setate la valoarea de 15V (se utilizeaza cele 2 surse reglabile – din partile laterale ale sursei de alimentare). Aceste surse se vor


2

conecta in serie, ca in Figura 2, pentru a asigura ceea ce se numeste o alimentare „diferentiala” pentru AO. Dupa realizarea circuitului si alimentarea sa se va chema cadrul didactic pentru verificarea circuitului; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 Τ ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare.

Figura 2. Alimentarea diferentiala a AO-ului.

Figura 3. Circuitul pentru determinarea tensiunilor de saturatie.

c. La intrarea circuitului din Figura 3, se va introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala vi de amplitudine 1V si frecventa 1kHz (acesti parametrii se vor regla conform cu cele prezentate in laboratorul 3). Se va vizualiza cu osciloscopul HM303, prin intermediul sondei de masura aplicate in circuit conform indicatiei din figura 3, tensiunea la iesire vo. Datorita limitarii tensiunii vo la cele 2 valori posibile, care reprezinta tensiunile de saturatie ale AO-ului, forma de unda a tensiunii vo va rezulta distorsionata = modificata fata de forma de unda a tensiunii de intrare vi (vi este sinusoidala, iar vo rezulta dreptunghiulara). Trebuie retinut ca un amplificator NU trebuie sa distorsioneze formele de unda ale tensiunilor. d. Se vor masura cu osciloscopul tensiunile de saturatie pozitiva, notata cu VSAT+, respectiv negativa, notata cu VSAT- astfel:

- mai intai, prin apasarea comutatorului GD de la osciloscopul HM303, (situat langa mufa la care este conectata sonda) se va fixa pe ecranul osciloscopului, din potentiometrul Y-POS1 nivelul de 0 volti; in acest moment, pe ecran se va vedea o linie continua; - apoi se va elibera comutatorul GD; in acest moment, pe ecran apare forma de unda dreptunghiulara a lui vo; - se va masura VSAT+ astfel: se va masura pe ecranul osciloscopului intervalul dintre valoarea maxima a tensiunii de iesire si nivelul de 0 volti; - se va masura VSAT- astfel: se va masura pe ecranul osciloscopului intervalul dintre valoarea minima a tensiunii de iesire si nivelul de 0 volti; - rezultalele obtinute se vor completa in Tabelul 1.


3

Partea 2. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mic (semnal mic = tensiunea de la iesirea AO-ului este mai mica decat 1V).

De la punctul precedent s-a constatat ca, datorita valorii foarte mari a amplificarii in tensiune a

AO-ului, tensiunea de iesire rezulta distorsionata, ceea ce face ca, in aparenta, AO-ul sa nu poata fi utilizat in circuitele de amplificare. Utilizarea AO-ului in circuitele de amplificare, poate fi realizata prin introducerea unei asa numite reactii negative in circuit, caz in care, se spune ca AO-ul lucreaza in bucla inchisa; daca AO-ul nu are reactie se spune ca acesta lucreaza in bucla deschisa – acesta a fost cazul precedent. Reactia negativa reduce substantial amplificarea in tensiune a circuitului, ceea ce ofera solutii pentru eliminarea fenomenului de limitare prin intrarea in saturatie a AO-ului, care a constituit cauza aparitiei distorsiunilor la punctul precedent.

Prin introducerea reactiei negative intr-un circuit cu AO, valoarea amplificarii in tensiunea a acestuia, notata acum cu AV, devine independenta de valoarea amplificarii in tensiune AV_AO a AO-ului. Se constata ca, prin introducerea reactiei negative intr-un circuit cu AO, valoarea amplificarii in tensiune AV a circuitului depinde numai de rezistentele circuitului, ceea ce aduce multiple avantaje. 2. Determinarea amplificarii in tensiune in bucla inchisa a. Se va deconecta de la placa de testare sursele de alimentare (numai in acest caz se pot opera modificari asupra circuitului de pe placa de testare): la sursa de alimentare HM8040, se va apasa butonul OUTPUT Τ ledul ON se stinge; b. se va realiza circuitul din Figura 4, care se numeste “amplificator neinversor”; la acest circuit, reactia negativa este realizata prin conectarea rezistentei RF intre iesirea circuitului si intrarea inversoare a AO-ului; la intrarea circuitului, se introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala cu aceeasi parametrii (amplitudine, frecventa), ca la punctul precedent); pentru rezistenta RF se va alege valoarea indicata pe tabla, in functie de masa de lucru; dupa realizarea circuitului se va chema cadrul didactic pentru verificarea acestuia; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 Τ ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare. c. se va vizualiza cu osciloscopul HM303, prin intermediul sondei aplicate conform indicatiei din figura, tensiunea la iesire vo. d. Pe forma de unda observata se va masura amplitudinea tensiunii de iesire vo (conform procedurii indicate in laboratorul 3) si se va calcula amplificarea in tensiune a circuitului cu relatia de mai jos:

unde Vo si Vi sunt amplitudinile tensiunii de iesire, respectiv intrare (Vi este amplitudinea tensiunii furnizate de catre generatorul de semnal, reglata la valoarea 1V). Se va completa rezultatul in Tabelul 1. Totodata, in acelasi tabel se va trece si rezultatul teoretic, calculat cu formula:


4

Figura 4. Amplificator neinversor cu AO.

Partea 3. Analiza AO-ului in bucla inchisa la semnal mare (semnal mare = tensiunea de iesire a AO-ului este mai mare de 1V).

Datorita structurii sale, tensiunea de iesire vo a unui AO poate varia intre 2 valori diferite care definesc un interval de valori ∆vo, intr-un interval de timp diferit de zero, notat ∆t. In cazul in care intervalul ∆vo este mare, caz in care se spune ca AO-ul functioneaza in regim de semnal mare, datorita faptului ca intervalul de timp ∆t≠0, forma de unda a tensiunii de iesire a AO-ului poate rezulta distorsionata. De exemplu, in cazul in care forma de unda a tensiunii de iesire vo ar trebui sa fie dreptunghiulara, AO-ul ar trebui sa fie capabil sa genereze la iesire o tensiune care sa treaca de la valoarea maxima la cea minima (si invers) instantaneu, adica intr-un interval de timp ∆t=0. Dar, in realitate, tensiunea de la iesirea AO-ului, trece de la valoarea maxima la cea minima (si invers) intr-un interval de timp finit, datorita valorii ∆t≠0, iar forma de unda rezulta trapezoidala, nu dreptunghiulara. Astfel, la iesirea AO-ului forma de unda a tensiunii rezulta distorsionata. Acest fenomen constituie a 2a cauza a aparitiei distorsiunilor la iesirea unui AO si este specific cazurilor in care AO-ul functioneaza in regim de semnal mare; pentru cazul in care AO-ul functioneaza in regim de semnal mic, fenomenul este neglijabil.

AO-ul dispune de un parametru, numit Slew Rate, prescurtat SR, care furnizeaza informatii despre cat de repede se poate modifica valoarea tensiunii la iesirea AO-ului. Acest parametru se calculeaza cu formula:

Un AO performant are un parametru SR mare.

Se constata ca, in conditiile in care se impune pentru tensiunea de iesire un salt de valoare ∆vo, forma de unda a acesteia se mentine nedistorsionata pana la o valoare maxima notata fMAX, a frecventei tensiunii vi aplicate la intrare. Valoarea acestei frecvente se determina cu formula:

Daca frecventa f a tensiunii vi aplicate la intrare este mai mica decat valoarea fMAX, atunci, chiar daca tensiunea de iesire trebuie sa varieze cu valoarea ∆vo (cea utilizata in formula de mai sus), forma de unda a acsetei tensiune nu rezulta distorsionata.


5

Figura 5. Circuitul pentru determinarea parametrului SR.

3. Determinarea parametrului SR a. Se va deconecta de la placa de testare sursele de alimentare (numai in acest caz se pot opera modificari asupra circuitului de pe placa de testare): la sursa de alimentare HM8040, se va apasa butonul OUTPUT Τ ledul ON se stinge; b. se va realiza circuitul din Figura 5; acest circuit se numeste “repetor” deoarece tensiunea de iesire vo este identica cu tensiunea de intrare vi; la intrarea circuitului, se introduce de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 o tensiune sinusoidala de amplitudine egala cu valoarea maxima setata din potentiometrul AMPLITUDE al generatorului de semnal HM8030 sau HM8032 si frecventa 50kHz; dupa realizarea circuitului se va chema cadrul didactic pentru verificarea acestuia; dupa verificare se va apasa din nou butonul OUTPUT al sursei de alimentare HM8040 Τ ledul ON se aprinde, pentru a reconecta placa de testare la sursele de alimentare; c. se va vizualiza cu ajutorul sondei osciloscopului HM303, aplicate in circuit conform indicatiilor din figura, tensiunea la iesire vo. Pe forma de unda vizualizata se va observa distorsionarea semnalului de iesire (nu mai este sinusoidal), cauzata de viteza de variatie redusa a tensiunii de iesire a AO-ului, care-l face incapabil pe aceasta sa genereze la iesire o tensiune suficient de rapida incat sa urmareasca variatia ideala a semnalului, care ar trebui sa fie sinusoidala (identica cu tensiunea aplicata la intrare); d. pe aceasta forma de unda se va masura variatia maxima a tensiunii de iesire, adica valoarea ∆vo. Totodata, se va masura intervalul de timp in care este realizata variatia de tensiune ∆vo, adica valoarea ∆t. Apoi, se va calcula cu formula de mai sus parametrul SR, iar rezultatul se va trece in Tabelul 1. e. se va calcula frecventa maxima fMAX cu formula de mai sus, apoi se va micsora de la generatorul de semnal HM8030 sau HM8032 frecventa semnalului de intrare vi sub valoarea fMAX si se va verifica disparitia distorsiunilor. Valoarea calculata pentru fMAX se va trece in Tabelul 1.


6

Referat laborator 13 – Determinarea parametrilor amplificatoarelor operationale (AO) prin masuratori

Data: Nume: 1. 2. 3.

Tabelul 1. VSAT+ VSAT- RF Vo AV(masurat) AV_ideal ∆vo ∆t SR fMAX

Raspundeti la intrebari

1. Ce sunt distorsiunile? 2. Care este cauza aparitiei distorsiunilor in cazul in care AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mic? 3. Cum pot fi eliminate distorsiunile intr-un circuit de amplificare cu AO, cand AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mic? 4. Care este cauza aparitiei distorsiunilor in cazul in care AO-ul functioneaza in regim variabil de semnal mare? 5. Un AO care functioneaza in regim varaibil de semnal mare. Cum pot fi evitate distorsiunile in cazul in care acesta are un parametru SR=0,5[volti/microsecunda], daca este necesar ca tensiunea de la iesire sa sa aibe o variatie maxima ∆vo= valoarea indicata pe tabla, in functie de masa de lucru. Raspuns:

1

DEEA - LUCRAREA nr. 14

CIRCUITE ELEMENTARE CU AMPLIFICATOARE OPERAȚIONALE

Scopul lucrării: Se studiază câteva dintre circuitele elementare ce se pot realiza cu amplificatoare operaţionale (AO), în care acestea sunt considerate ca elemente de circuit caracterizate prin parametrii de catalog, statici și dinamici.

1. Amplificatorul inversor

Amplificatorul inversor are schema din figura 6.1.

AO

R1

R2

R3

vi vo

Fig. 1 Amplificatorul inversor

Pentru un AO ideal amplificarea de tensiune este dată de relația:

1

2

R

RAu (1)

0

Relația este valabilă pentru valori mici ale amplificării de tensiune. Pentru valori mari ale amplificării de tensiune, eroarea introdusă în calcul de valoarea finită a amplificării în buclă

deschisă a amplificatorului operaţional, A , devine importantă, relaţia (1) fiind înlocuită

de relaţia :

0

1

21

2

1

1

1

A

R

RR

RAu

(2)

Amplificarea de tensiune cu buclă închisă este influențată și de valoarea limitată a produsului amplificare-bandă a lui AO precum și de rezistențele de intrare și de ieșire ale AO.

2. Amplificatorul neinversorAmplificatorul neinversor are schema de principiu din figura 2. Considerând AO ideal,

amplificarea de tensiune va fi:

2

11R

RAu (3)

AO

R1

R2

R3

vi vo

Fig. 2. Amplificatorul neinversor

3. Repetorul de tensiuneRepetorul de tensiune se realizează din schema din figura 2 cu rezisteţa R1 necuplată

(R1→ ∞ ). Se obţine:

1uA (4)

Repetorul de tensiune realizat cu AO prezintă amplificare de tensiune unitară, impedanţă de intrare foarte mare şi impedanţă de ieșire foarte mică.

4. Amplificatorul diferenţial realizat cu AO

Amplificatorul diferenţial realizat cu AO este reprezentat în figura 3.

AO

R1

R2

R3

vi2

vo

R4

vi1

Fig. 3 Amplificatorul diferenţial

2

Pentru un AO ideal, tensiunea de ieşire se poate scrie sub forma:

2

1

2

43

3

1

1

2 1 iioR

R

RR

R

R

R

(5)

Condiţia ca circuitul să se comporte ca un amplificator diferenţial este:

4

3

1

2

R

R

R

R (6)

Astfel, tensiunea de ieşire va fi:

21

1

2iio

R

R (6)

Tensiunea de mod comun este rejectată în măsura în care este îndeplinită relaţia (6).

5. Integrator cu AO

În figura 4 este reprezentat un integrator cu AO.

AO

R1

C

R3

vi vo

Fig. 4 Amplificator integrator

Pentru semnal sinusoidal de amplitudine constantă ( 1U ) şi cu frecvenţa variabilă (f) ,

integratorul furnizează la ieşire un semnal cu aceeași frecvenţă, cu amplitudinea dependentă de

frecvenţă (prin intermediul pulsației) şi de elementele circuitului (1

1

CR

Uo

) şi defazat faţă de

semnalul de intrare cu o fază dependentă de frecvenţă ( Φ = arctg CR ), unde ω = 2πf.

Pentru un salt de tensiune aplicat la intrarea inversoare, răspunsul este exponenţial. În cazul unei succesiuni de impulsuri, dacă durata impulsurilor este mică în raport cu constanta de

timp 1CR , atunci circuitul funcţionează ca un integrator, dând la ieşire o tensiune aproape

continuă, egală cu componenta continuă a impulsurilor aplicate la intrare. În figura 5 se arată

3

forma de undă obţinută la ieşire în cazul aplicării unor impulsuri cu factorul de umplere egal cu 0,5 .

Fig. 5. Forma de undă a semnalului furnizat la ieșirea integratorului Se obţine:

ECR

TV

12 (7).

Capacitatea poate fi pusă în paralel cu o rezistență, obținându-se o constantă de integrare repartizată mai mică.

Eroarea de integrare este dependentă de timpul de integrare.

6. Comparatorul cu histerezis

AO

R1

R5

R6

vi vo

ER

+-

Fig.6. Comparatorul cu histerezis Comparatorul cu histerezis din figura 6.6 foloseşte amplificatorul operaţional cu o

reacţie pozitivă realizată cu rezistenţele 5R şi 6R . Se obţine o caracteristică de transfer cu

histerezis, ca în figura 7, unde s-au folosit notaţiile:

E

-E

t

vi

t

v0

ΔV

T

4

65

6

65

5

01RR

RE

RR

RVV Rp

(8)

65

6

65

5

02RR

RE

RR

RVV Rp

(9)

65

5

012 2RR

RVVVV pp

(10).

Fig.7 Caracteristica de transfer a comparatorului cu histerezis

Prin 0V s-au notat valorile maximă și minimă ale tensiunii de ieșire a AO, așa cum se

observă și în figura 7. Cu ajutorul raportului rezistenţelor 5R şi 6R se modifică lărgimea

histerezisului ( HV ), iar cu ajutorul tensiunii de referinţă RE se precizează poziţia acestuia faţă

de origine.

7. Generator de impulsuri dreptunghiulare cu AO

AO

R5

R6

R2

C

vivo

ER

+-

Fig.8 Generatorul de impulsuri dreptunghiulare

vo

vi

+Vo

-Vo

VPL VPH

5

2

Un generator de impulsuri dreptunghiulare cu AO se poate realiza ca în figura 8, în care se foloseşte circuitul de comparare cu histerezis din figura 6, tensiunea de la intrarea sa fiind tensiunea de pe capacitatea C, variabilă în timp; încărcarea şi descărcarea acestei capacităţi se

fac prin rezistenţa R de la ieşirea AO, care stă în una din cele două stări stabile în funcţie de

semnul diferenţei dintre tensiunile celor două intrări ale AO.

Pentru 0RE (figura 9.a) se obține o formă de undă aproape simetrică (nesimetria

provine numai din diferenţa valorilor absolute ale tensiunii de ieşire a AO în cele două stări).

Fig.9 a Formele de undă de la intrarea și de la ieșirea generatorului de impulsuri pentru ER=0

Perioada impulsurilor va fi dată de relaţia:

6

5

211 21ln2R

RCRTTT (11)

În cazul în care 0RE , se obţin impulsuri cu factor de umplere diferit de 0,5 (figura

9.b),

Fig.9 b. Formele de undă de la intrarea și de la ieșirea generatorului de impulsuri pentru ER≠0

vi

t

VpH

VpL

vo

t

+Vo

–Vo

T1 T2

T1 T2

vi

t

VpH

VpL

vo

t

+Vo

–Vo

6

59

caracterizate prin:

20

10

21 lnCRp

p

VV

VVT

,

20

10

22 lnp

p

VV

VVCRT

(12).

unde 1pV si 2pV au expresiile (6.8) și (6.9), determinate pentru comparatorul cu histerezis.

Pentru 0RE , frecvenţa impulsurilor se reglează din modificarea histerezisului

circuitului (raportul rezistenţelor 5R şi 6R ). Pentru 0RE , prin modificarea tensiunii de

referinţă, se modifică atât frecvenţa cât şi factorul de umplere al impulsurilor generate:

21

1

TTf

(13)

21

2

TT

Tn

(14).

DESFĂŞURAREA LUCRĂRII

Se identifică montajul din figura 10, echipat cu amplificatoare operaţionale µA741, caracterizate prin A0 =100.000. Circuitul se alimentează cu tensiunile de alimentare +15V (borna 2 faţă de masă) şi –15V (borna 3) faţă de masă (borna 1).

AO 5 6

8 13

12

7

9

10

11

13

4

AO

R1

R6

R2`

R2``

C

C0

R4 6= RR3 5= R

P

Figura 10 Montajul de laborator

Tensiunile de comandă se aplică prin intermediul unui repetor de tensiune realizat tot cu AO (pentru a avea o impedanţă a generatorului de semnal cât mai mică), acesta fiind comandat printr-un potenţiometru ce permite reglarea tensiunii de intrare în limite largi. Tensiunile de intrare în circuitul testat se vor măsura la ieşirea repetorului de tensiune (borna 5).

1. Se realizează schema de amplificator inversor (figura 1) cu rezistenţele R1=1,2 kΩ şiR2′ =12 kΩ (se leagă cu un fir borna 7 cu borna 9 și se pune la masă borna 8). Se aplică semnal sinusoidal de frecvenţă 200 Hz. Pentru o tensiune de ieşire de 5V (între borna 7 și masa (borna 1) (valoare eficace), se măsoară amplificarea de tensiune (Au) şi se compară cu rezultatul obţinut cu relaţia (1). Se compară faza semnalului de ieşire cu faza semnalului de la intrare, pe osciloscop, constatându-se inversarea de fază a semnalului amplificat.

Se repetă măsurătoarea pentru R2′′ = 4.7 MΩ (se leaga borna 7 cu borna 10 (se scoate din borna 9)) şi se compară cu rezultatele obţinute cu relaţiile (1) şi (2). Se vor explica diferenţele constatate.

Pentru ambele valori ale rezistenţei R2 se trasează caracteristica de frecvenţă (pentru R2′ se ia Vi =100mV iar pentru R2′′ se ia Vi =2mV).

2. Se realizează schema de amplificator neinversor (figura 2) cu R2′ =12kΩ şi R1 =1,2 kΩ (seleagă borna 6 la masă (borna 1) și borna 9 cu borna 7); se aplică semnal sinusoidal de frecvenţă 200 Hz şi amplitudine 100 mV şi se măsoară amplificarea de tensiune, comparându-se – cu ajutorul osciloscopului – şi fazele tensiunilor de intrare şi de ieşire.

Se realizează montajul repetor de tensiune (se elimina rezistența R1) şi se măsoară amplificarea de tensiune.

Rezultatele măsurătorilor pentru aceste două montaje se compară cu valorile obţinute cu relaţiile (3) şi (4). Pentru montajul de amplificator neinversor se ridică şi caracteristica de frecvenţă.

3. Se realizează schema de amplificator diferenţial (se leagă borna 13 la masă și borna 7 cu borna10) (figura 6.3) cu R1 =1,2kΩ, R2′ =12kΩ, R3 =1,2kΩ şi R4 =12 kΩ. Se aplică semnale cu frecvenţe de200 Hz, astfel:

- Vi1 =100mV ; Vi2 =0; se măsoară V01

- Vi1 =0 ; Vi2 =100 mV; se măsoară V02

- Vi1 ′ = Vi2 ′ = 1V; se măsoară V03 .

Se determină amplificarea de tensiune de mod diferenţial definită ca 1

1

i

o

V

V sau

2

2

i

o

V

Vşi

amplificarea de mod comun definită ca

1

3

i

o

V

V. Se interpretează rezultatele.

4. Se realizează montajul de integrator (se leagă borna 11 la borna 7 și borna 8 la masă)(figura 4) cu R1 =1,2 kΩ şi C =0,22μF. Se aplică semnal eficace de 1V şi se măsoară amplificarea de tensiune ca funcţie de frecvenţă şi se va reprezenta grafic; se va pune în evidenţă, pe osciloscop, modificarea diferenţei de fază dintre intrare şi ieşire la modificarea frecvenţei semnalului de la intrare.

Se aplică la intrare impulsuri dreptunghiulare cu perioadă T=30ms şi amplitudinea cuprinsă între 1 şi 5V. Se vizualizează (cu ajutorul osciloscopului) formele de undă de la intrare şi

8

de la ieşire (figura 5) şi se măsoară ΔV (cu ajutorul osciloscopului), comparând rezultatul cu valoarea obţinută cu relaţia (7).

Se modifică, în limite largi, frecvenţa impulsurilor de comandă şi se vizulalizează forma de undă de la ieşire. Se interpretează rezultatele.

5. Se realizează montajul de comparator (se introduce o sursă de tensiune înainte de borna 8 șise leagă borna 13 cu borna 7) (figura 6) cu R1 =1,2 kΩ ; R5 = 1,2kΩ ; R6′ =12kΩ şi ER =0. Se aplică pe intrare o tensiune continuă reglabilă (eventual de la repetorul de tensiune cu borna 14 cuplată succesiv la cele două borne de alimentare, tensiunea fiind reglabilă prin potenţiometru) şi se măsoară tensiunile de ieşire în cele două stări şi tensiunile de prag Vp1 şi Vp2. Se deduce mărimea histerezisului şi se verifică relaţia (10).

Se vizualizează, pe osciloscop, caracteristica de transfer (figura 7), aplicând pe intrarea comparatorului, prin intermediul repetorului de tensiune, un semnal de frecvenţă 200 Hz şi amplitudine mare (potenţiometrul P la maxim). La intrarea X a osciloscopului se aplică tensiunea de intrare iar la intrarea Y semnalul de la ieşirea comparatorului (borna 7).

Se modifică frecvenţa semnalului şi se constată influenţa acesteia asupra formei caracteristicii de transfer; se justifică, teoretic, modificările caracteristicii de transfer.

Se repetă măsurătorile pentru R6′′ =120 kΩ; ER =0 şi apoi pentru R6′′ =120 kΩ ;

ERR

RER

65

6 . Se verifică relaţiile (8), (9) şi (10).

6. Se realizează generatorul de impulsuri dreptunghiulare (se leagă borna 11 la masă, borna 9 laborna 7, borna 13 la borna 7 și se introduce o sursă de tensiune la borna 8) (figura 8) cu R2′ =12kΩ ; R5=1,2kΩ ; R6′′ =120 kΩ; ER =0 şi C =0,22 μF. Se vizualizează formele de undă de la ieşirea circuitului şi de pe borna inversoare a AO. Se măsoară amplitudinile impulsurilor, frecvenţa de oscilaţie şi factorul de umplere, verificându-se relaţia (11). Se repetă măsurătorile pentru R6′ =12 kΩ.

Pentru R6′ =12kΩ , rezistenţa R5 se cuplează la ieşirea repetorului de tensiune, iar la borna 14 se aplică tensiunea de alimentare pozitivă, E+. Se vizualizează forma de undă la ieşirea şi la intrarea inversorului AO, astfel încât pe osciloscop să se vadă şi componenta continuă a tensiunii vizualizate.

Se constată influenţa tensiunii de referinţă asupra frecvenţei impulsurilor şi a factorului de umplere.

Pentru ER =0 ; 2; 3; 4 V se măsoară T1 , T2 , f şi n şi se compară cu valorile obţinute cu relaţiile (12), (13) şi (14).

9

Referatul va conţine: Referatul va conţine schemele electrice ale tuturor montajelor măsurate cu :

- valorile numerice ale componentelor ; - relaţiile de calcul specifice ; - formele de undă vizualizate în comparaţie ; - tensiunile de intrare, atunci când este cazul ; - valorile mărimilor electrice măsurate şi calculate precum şi comentarii asupra acestora.

Datasheet-uri : http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/SGSThomsonMicroelectronics/mXssuwx.pdf

Documents

Universitatea ”VASILE ALECSANDRI” din Bacăucadredidactice.ub.ro/sorinpopa/files/2011/10/Laborator_DEEA.pdf · Îndrumar laborator DEEA - Introducere P a g i n a | 1 LUCRAREA