INF1411 Oblig nr. 4 Vår 2011 Informasjon og orientering Alle obligatoriske oppgaver ved IFI skal følge instituttets reglement for slike oppgaver. Det forutsettes at du gjør deg kjent med innholdet i reglementet og at besvarelsen er i henhold til dette. eglementet finner du på http://www.mn.uio.no/ifi/studier/admin/obliger/ Gjennomføring og krav til besvarelse Oppgaven skal normalt gjøres i gruppene dere er inndelt i (to og to). Gruppa leverer kun en felles besvarelse. Besvarelsen leveres elektronisk i Devilry (https://devilry.ifi.uio.no/). Frist for innlevering kunngjøres på kursets webside. Besvarelsen dere leverer skal: Ha en forside med navn på alle på gruppa som leverer. Ha svar på alle deloppgaver, målinger det bes om og en forklaring på hvordan svaret ble funnet. Være ryddig organisert (e.g. Oppgave 1 besvares før Oppgave 2) Om oppgaven I denne oppgaven skal du bruke ELVIS til å undersøke noen enkle kretser med dioder. Du skal bruke en LED-diode, en Zener-diode og en (Schottky) likeretterdiode. Side: 1/5
Oppgave 1 LED og strømbegrensning av LED Oppgave 1 a) Finn en lysdiode (LED) og koble P-siden til DUT+ og N-siden til DUT- (DUT+ og DUT- er på venstre side av breadboardet til ELVIS) (En tegning i veiledningen viser hvordan å identifisere P- og N-siden av en LED.) Åpne instrumentet 2-Wire og sett "Current Limit" til 20 ma. Bruk instrumentet 2-Wire til å tegne en VI-karakteristikk av dioden på lineær skala, som minst viser spenninger fra 0 V og opp, til strømmen har nådd 10 ma. Lever med rapporten et skjermbilde (Ctrl-Alt-Print Screen) som viser VI-karakteristikken Finn spenningen V F når foroverstrømmen i LED-dioden er 10 ma. Oppgave 1b) LED Anta en forsyningsspenning = 5 Volt. Bruk V F som du fant i oppgave 1a for dioden. Beregn hva motstanden må være slik at strømmen gjennom er ca 10 ma. Oppgave 1c) Finn en motstand med verdi nærme det du fant i oppgave 1b. Oppgi målt verdi av motstanden. Koble opp motstanden og LED-dioden i serie. Koble så denne kretsen mellom "DUT+" og "DUT-" (N-siden av dioden skal kobles til "DUT-". Du trenger ikke å jorde) Bruk instrumentet 2-Wire til å tegne en ny VI-karakteristikk der du varierer spenningen fra 0 Volt til 5 Volt i passe små steg. Lever plottet med rapporten. Bruk cursorene til å måle stigningstallet G S for VI-karakteristikken lengst til høyre der strømmen vokser tilnærmet lineært. Beregn S = 1/G S og sammenlign dette tallet med seriemotstanden du satte inn. Forklar hvorfor S blir litt større enn den verdien for som du satte inn i serie i kretsen. Oppgave 1d) Beregn effekttapet i motstanden og i LEDen ved 5 Volt, og nevn noen fordeler/ulemper ved å bruke en motstand til å begrense strømmen i en diode. Side: 2/5
Oppgave 2 Zener-diode BZX79C3V3 (Zener) Oppgave 2a Finn en zener-diode (BZX793V3 små, røde, glassinnkapslede), og en motstand med verdi omtrent 1 kohm. Koble opp kretsen over. Bruk variable power supply (VPS)-instrumentet til å sette spenninger på kretsen. (Bruk evt. oscilloskop/sagtann fra FGEN i stedet, se tipset under) Mål mens du varierer fra 0 Volt til 12 Volt. Bruk MATLAB eller lignende til å lage et plott av målingene, der forsyningspenningen går langs x-aksen. Lever med plottet. Tips: Du kan variere en spenning lineært vha. en sagtann fra funksjonsgeneratoren. Hvis sagtannen har lav nok frekvens vil dette være omtrent det samme som å bruke DC-spenninger. Har du satt opp en sagtann for de spenningene du ønsker å se på kan du lett bruke oscilloskopet til lese av spenninger på inn og utgang. Oppgave 2b 1. Vurder for hvilke innspenninger du synes utspenningen er stabil. 2. Finn effekttapet i motstanden ved den høyeste spenningen (12 Volt) og den laveste spenningen du syntes var stabil. 3. Hva kunne skje med kretsen dersom ble valgt for liten og ble for stor? 4. Hvordan mener du karakteristikken for (som funksjon av ) ville se ut, dersom ble valgt som en stor motstand (for eksempel 100k)? Oppgave 2c Hva ville skje med dersom man satte en lastmotstand i parallell med dioden? Side: 3/5
Oppgave 3 Halvbølgelikeretter I denne oppgaven skal vi likerette et sinus-signal: Schottky 1N5818G C Vi skal bruke en elektrolyttkondensator for C. Pass på polariteten til elektrolyttkondensatoren (se evt. veiledningen). Normalt har elektrolytter sikkerhetsventiler, så selv om man kobler de galt går det bra, men kondensatorer med produksjonsfeil eller dårlig kvalitet kan allikevel sprenge/sprute ut elektrolyttvæske. Bruk evt. vernebriller om du er usikker på hva du gjør. Vi skal bruke en Schottky-diode som likeretter for å få et lavere spenningsfall over dioden. Vennligst kobl Schottky-dioden et sted godt ute på breadboardet og ikke direkte på inn og utgangene på venstre side. (Dioden har noe tykke bein som sliter på hullene i breadboardet) Oppgave 3a Bruk = 1 kω, C = 10 µf og la kildespenningen styres av FGEN. Koble så opp kretsen i figuren over. Start en sinus med Vpp = 10 Volt (maks.), og offset 0 Volt. Bruk oscilloskopet til å se på både og samtidig. Juster frekvensen til kildespenningen til 50 Hz og ta et skjermbilde fra oscilloskopet der ca 2 perioder er synlig. Juster frekvensen opp til spenningen på ikke varierer mer enn med 500 mv Noter frekvensen og ta et skjermbilde fra oscilloskopet der ca 2 perioder er synlig. Oppgave 3b Nevn tre ting som kan gjøres (i kretstopologien i skjemaet over) for å holde spenningen på mer stabil. Nevn to alternative kretstopologier for å likerette et AC signal og fordelene med disse. Side: 4/5
Oppgave 4 - Enkel spenningsregulator Vi skal nå sette sammen delene vi har sett på til en enkel spenningsregulator. Vi skal her bruke en bipolar NPN transistor. I kretsen under skal, såfremt V X er høy nok, V ref og V o ende på konstante spenninger med lite variasjon selv om lasten varierer. Den bipolare transistoren leverer strøm til lasten slik at differansen mellom V ref og V o er relativt konstant hele tiden. Schottky 1N5818G V X 10u 1k V EF NPN 2N3415 BZX79C3V3 L Enkel spenningsregulator. (Se veiledningen for pinneanvisning for NPN-transistoren, da denne er ulik den vanlige som boka oppgir.) Oppgave 4a Gjør deg først opp en mening om hvordan kretsen skal fungere. Koble opp kretsen med L = 4.7 kω. Pass på polariteten til elektrolyttkondensatoren. La kildespenningen være en DC-spenning fra VPS-instrumentet. Sett VPS til 10 Volt og mål VX, VEF og VO, og finn VBE for den bipolare npn-transistoren. Juster ned kildespenningen til har falt med omtrent 15 % og oppgi hva og V X er nå. Oppgave 4b Vi skal nå prøve å bruke en sinus til å drive spenningsregulatoren. Dette kan kanskje være litt vanskelig å få til da FGEN ELVIS kun har trygge spenninger. FGEN leverer for eksempel sinuser med maks. amplitude 5 Volt (10 V p-p ). Om vi jukser litt og setter en offset på +5 Volt kan vi få det til allikevel. FGEN kan også få problemer med strømtrekket akkurat i det vi starter opp kretsen, og du kan oppleve at FGEN-signalet er dødt fordi en automatsikring har slått inn. Ved å starte opp FGEN på en høy frekvens (~1 khz) går det som regel bra allikevel. La styres fra FGEN. Sett på en sinus med maks. amplitude, og maks. offset. Juster frekvensen på FGEN slik at minimumsverdien for V X ligger like over den verdien du fant for V X på oppgave 4a. Ta et skjermbilde fra oscilloskopet der du viser at V X varierer, mens er stabil. Svar på følgende: Hvor mye effekt leveres til motstanden nå? Hvor er strømtrekket størst i kretsen? Hva vil skje med og V X dersom L reduseres? (Bruk gjerne amperemeter, oscilloskop, osv. for å svare på spørsmålene) Oppgave 4c Erstatt L med en LED og en i serie som er tilpasset spenningen (som i oppgave 1) Får du LEDen til å lyse? Side: 5/5