DIODER OG LIKERETTERER

Transkript

1 Kurs: FY-IN204 Elektronikk med prosjektoppgaver - 4 vekttall Gruppe: Gruppe-dag: Oppgave: LABORATORIEØVELS E NR 1 Omhandler: DIODER OG LIKERETTERER Revidert, , Utført dato: Utført av: Navn: Navn: Godkjent:dato: Godkjent av: Kommentar fra veileder:

2 Litteratur: Millman, Kapittel 2 og 17 Mål: A. Dioder: Måle sammenhørende verdier av strøm og spenning i lederetning og sperreretning for to dioder ved hjelp av voltmetrar och osciloskåp i X-Y mode. Ta opp karakteristikken ved hjelp av en kurvetracer for en vanlig likeretterdiode og for to Zenerdioder. B. Likerettere: Måle utgangsspenning og rippel som funksjon av belastningstrøm og av inngangsspenning for noen enkle likeretterkoblinger. Denne oppgaven utføres med Pspice simulator. C. Zener stabilisering: Måle utgangsspenning og rippel som funksjon av belastningstrøm og av inngangsspenning for en likeretter med zener-stabilisering. Utstyrsliste Veroboard montert i ramme, Strømforsynings-diode (1N4002) Signaldioden 1N4148) Uekte Zenerdioder (BZX 3V6). Ekte Zener diode 5.6 Volt Powersuply 12 volt, Universalmeter Oscilloskop Curve tracer + oscilloskop (kun ett oppsett felles for alle) R 47Ohm 3W Pot 250 Ohm 3W Innledning: 2

3 I oppgavene A skal komponenter loddes på et "Veroboard" som er festet til en ramme med frontplate. For oversiktens skyld er det mest praktisk å montere komponentene på den siden av kortet ("Veroboardet") hvor kopperskinnene befinner seg. Inspiser kortet før bruk, og merk deg - eventult fjern - uønskede kortslutninger av f. eks. gammelt loddetinn mellom stripene. Merk ellers at noen av kontaktene (bøssingene) på frontplaten har direkte kontakt med platen mens andre er isolert fra den. 3

4 A. DIODER I kretsskjemaer angis halvlederdioder ved et symbol som vist i Figur 1 Anode P N Lederetnin Katode Figur 1: Vanlige symboler for halvlederdioder Når man skal anvende en diode, må man vite hvilken ledning som tilsvarer anoden og hvilken som går til katoden. Dioder er ofte merket med en ring eller fargeflekk ved katoden. Hvis man ikke finner noe merke, kan man måle med et ohm-meter. Noen multimetre har et eget område for dioder merket med et diode-symbol. Dioder lages i mange varianter. De skiller seg ad bl.a. med hensyn til hva de tåler av strøm og spenning, og de har derfor ulike anvendelsesområder. Vi skal her studere silisium dioder som strømforsyningsdioden 1N4002 og signal dioden signaldioden 1N4148. Videre skal vi se på Zenerdioder. Zenerdioder er meget benyttet til å holde et bestemt spenningsnivå. Såkalte "uekte Zenerdioder" for lave spenningsverdier er ofte laget ved å seriekoble vanlige dioder. Karakteristikken finnes vanligvis i fabrikantens datablad. Med en enkel kobling som vist i Figur 2 kan man selv ta opp karakteristikken for en diode. Figur 2: Prinsipp for måling av diodekarakteristikk. 4

5 A1. Måle diode karakteristikker med voltmeter og osciloskop. Vi skal her finne karakteristikken til diodene 1N4148 og 1N4002. Dette gjøres ved å koble opp som vist i skjemaet i Figur 3. Varier inngangs spenningen med potensiometeret slik at spenningen over dioden varierer fra 0.2 til 0.9 volt (X på Figur 3) Strømmen i dioden finner vi ved å måle spenningen over motstanden som står i serie med dioden, og så beregne strømmen med Ohms lov. Oppg. A. 1: Finn diode karakteristikken til diodene ved å måle sammenhørende spenninger for 1N4148 og 1N4002. Fyll ut tabell 1 og 2. Plott resultatene i Excel og kommenter trender og ulikheter. V d V m I Tabell 1. Sammenhørende strøm og spennings verdier for dioden 1N4148 V d V m I Tabell 2. Sammenhørende strøm og spennings verdier for dioden 1N

6 Figur 3. Skjema for oppgave A1 A2. Simulering med Pspice Tegn skjemaet vist i Figur 4 i Pspice. Bruk komponenten VSRC som kilde og still inn DC sweep fra o til 1 volt, 0.1step. i Simulate->setup menyen. Oppg. A.2: Simuler kretsen vist i Figur 4 og bruk simulatoren til å plotte strømmen i de to diodene. Samsvarer dette med kurvene fra forrige oppgave?. Legg ved plottet i journalen. Figur 4. Skjema for oppgave A2. B. LIKERETTERE Vi skal se på to enkle likeretterkoblinger. a) Enkel diodelikeretter. 6

7 b) Brolikeretter med 4 dioder Disse er vist i Figur 5 og Figur 6. Pspice-tegningene finnes ferdig og kan lastes ned fra FY-IN204's hjemmeside for lab-oppgaver under Oppgave1: http//: Filene er på zip format og må pakkes ut på et område enten lokalt på PC-en eller på nettet. Opprett og benytt et område som for eksempel M:\Kurs\FYSIN204\Oppg1 Når dette er gjort kan man starte simulatoren og åpne de ønskede skjemafilene. I disse simuleringsoppgavene er det først og fremst transient analyse som skal benyttes. Denne analysen viser hva som skjer i tid fra det øyeblikket vi setter på et signal. Etter at et signal er påtrykt tar det alltid litt tid før systemet stabiliseres og vi må derfor passe på å simulere over en tilstrekkelig lang tids periode. For de etterfølgende oppgavene vil 0.2sec være tilstrekkelig. Utskrifts oppløsningen, dvs. tid mellom hver enkelt beregning som skrive ut kan settes til 0.1ms. Høyere oppløsning gir finere kurver men tar lengre tid. For å kunne simulere en strømforsyning i arbeid benytter vi en modell av en enkel diode eller brolikeretter drevet av en sinus generator på 50 Hz. For å simulere indremotstand i generatoren er det koblet inn en liten motstand Ri. Etter likeretteren er det satt inn en kondensator. Belastningen er koblet på som en egen motstand Rlast. Oppg. B1 : Mål utgangsspenningen og rippelen som funksjon av belastningsstrømmen for likeretterkoplingene i Figur 5 og Figur 6 ved to ulike lastmotstander. Belastningsstrømmen endres ved å endre verdien på lastmotstanden (bruk f.eks Rlast=2k, 100 Ω). Oppg. B2: Hvor stor er rippelfrekvensen for de to kretsene? 7

8 Figur 5. PSpice skjema for strømforsyning med enveis likeretter. Figur 6. PSpice skjema for strømforsyning med bro likeretter. C. Likeretter med spennings stabilisering Strømforsyningene i Figur 5 og Figur 6 har ingen stabilisering for variasjoner i inngangsspenning og liten stabilisering for variasjon i belastning. Hvis inngangsspenningen øker vil utgangen også øke og omvendt. Hvis belastningen øker vil utgangs spenningen synke som følge av en relativt stor ekvivalent indremotstand i strømforsyningen. Dette kan være uheldig for de kretsene som forsynes av strømforsyningen. Vi skal derfor se på en enkel form for stabilisering av slike variasjoner. Stabiliseringen vil også redusere rippel spenningen. En enkel måte å oppnå dette på er ved å hekte på et ledd bestående av en motstand og en zener diode som vist i Figur 7. Så lenge det går strøm i zener dioden vil variasjoner i inngangsspenningen og variasjoner i belastning legge seg som variasjoner over motstanden R2 mens spenningen over zenerdioden tilnærmet vil være konstant. Hvis det ikke går strøm i 8

9 zener dioden vil vi være utenfor stabilisatorens regulerings område. Mer avanserte former for regulering av strømforsyning er beskrevet i kapittel 17 i Millman. Figur 7. Simuleringsskjema for zener stabilisering med variabel last. (Skjema kan lastes ned fra nettet) Simulerings kretsen for Zener stabiliseringen i zener.sch er laget av en motstand på 150Ω og en zenerdiode på 4.5 V. Som lastmotstand benyttes en 10 kω variabel motstand. Denne har en parameter "SET" som kan stilles fra 0 til 1 og angir faktoren som motstanden skal multipliseres med i simulatoren. Oppg C1: Benytt verdiene 0.01, 0.02, 0.03, 0.05, 0.1, 0.5 og 1.0. Dette gjøres enklest ved å klikke på selve set variabelen. Utfør en simulering for hver innstilling og les av simulert utgangs peakspenning og rippelspenning. Oppg. C. 2: Beregn last strøm for alle de målte peak-spenningene og plot lastspenning og rippel spenning mot laststrøm. Kommenter kurvene. Bestem grensen for hvor liten lastmotstanden kan være før zener-stabiliseringen slutter å stabilisere (dvs. finn arbeidsområdet). Stabilisatorens ekvivalente indre motstand Stabilisatorens ekvivalente indremotstand (z= V/ I) kan enklest beregnes ved å finne hvor mye utgangsspenningen faller ved økning i laststrømmen i forhold til null last (åpen utgang). Det er ikke nødvendig å utføre nye simuleringer fordi data kan hentes fra forrige oppgave. Oppg. C.3: Hva menes med ekvivalent indre motstand? 9

10 Oppg. C.4: Hva blir ekvivalent indremotstand for den zener stabiliserte strømforsyningen innenfor og utenfor arbeidsområdet? Stabilisering av variasjoner på inngangsspenningen. Vi skal her se på hvordan zenerstabilisatoren kan stabilisere variasjoner i inngangs-spenningen. For å simulere en økende inngangsspenning kobler vi enkelt en puls generator i serie med sinus generatoren. Pulsgeneratoren er satt opp slik art den gir en økende spenning ut, og denne spenningen vil nå bli overlagret spenningen fra sinus generatoren. Dette gir ikke helt det samme resultatet som en ren amplitude endring i inngangsspenningen, men det illustrerer klart hvordan zener stabilisatoren fungerer. Last inn filen Rampe6.SCH, start simulatoren og plot V(A), V(in) og V(out) i programmet probe.exe. Stimulansen Mystim henter data fra en egen fil som heter Rampe6.STI. Denne må også ligge på arbeidsområdet sammen med skjema filen. Oppg. C.5: Ta utskrift av kurvene og legg med i journalen. Kommenter kort hva kurvene forteller. Figur 8. Kretsskjema for simulering av stabilisering ved variabel inngang. 10