Precyzyjne obwody diodowe

jak bez Arduino uruchomić moduły 433 MHz (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Precyzyjne obwody diodowe

Analogowe układy scalone


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zapisz wszystkie wartości składników przed budową obwodu.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Unikaj używania modelu 741 op-amp, chyba że chcesz rzucić wyzwanie swoim umiejętnościom projektowania obwodów. Dostępne są bardziej uniwersalne modele wzmacniacza operacyjnego powszechnie dostępne dla początkujących. Polecam LM324 dla DC i obwodów prądu przemiennego niskiej częstotliwości, a TL082 dla projektów AC z dźwiękiem lub wyższymi częstotliwościami.

Jak zwykle należy unikać bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystora, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" miernika. Zalecam wartości rezystorów od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Typowym typem wykresu wykorzystywanego do opisania działania elektronicznego komponentu lub podukładu jest charakterystyka przesyłania, pokazująca związek między sygnałem wejściowym a sygnałem wyjściowym. Na przykład charakterystyka przenoszenia dla prostego rezystancyjnego obwodu dzielnika napięcia jest linią prostą:

Po wykreśleniu charakterystyki transferu, można ją wykorzystać do przewidywania sygnału wyjściowego obwodu z danym konkretnym sygnałem wejściowym. W tym przypadku charakterystyka transferu dla obwodu dzielnika napięcia 2: 1 mówi nam, że obwód będzie generował +3 V dla wejścia o wartości +6 woltów:

Możemy wykorzystać tę samą charakterystykę transferu do wykreślenia wyjścia dzielnika napięcia z danym wejściem sygnału AC:

Chociaż ten przykład (dzielnik napięcia o stosunku 2: 1) jest dość trywialny, pokazuje on, w jaki sposób charakterystyki transferu mogą być wykorzystywane do przewidywania sygnału wyjściowego sieci z określonym warunkiem sygnału wejściowego. Gdzie wykresy charakterystyk przenoszenia są bardziej praktyczne, to przewidywanie zachowania się obwodów nieliniowych . Na przykład charakterystyka transferu dla idealnego prostownika półfalowego wygląda następująco:

Naszkicuj charakterystykę transferu dla realistycznej diody (krzem, z spadkiem do przodu 0, 7 V) i wykorzystaj tę charakterystykę do wykreślenia wyprostowanego przebiegu fali półfalowej z danymi sinusoidalnymi:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Charakterystyczne wykresy przenoszenia zapewniają elegancką metodę szkicowania wyjściowego kształtu fali dla dowolnej sieci elektrycznej, liniowej lub nieliniowej. Metoda, w której punkty wzdłuż przebiegu wejściowego są odbijane i przesyłane do równoważnych punktów na fali wyjściowej, uzasadnia nazwę tego narzędzia analitycznego. Upewnij się, że Twoi uczniowie mają okazję nauczyć się korzystać z tego narzędzia, ponieważ może to zapewnić doskonały wgląd w zniekształcenia w urządzeniach elektronicznych i elektromagnetycznych.

pytanie 3

Określ napięcie wyjściowe tego obwodu, zakładając diodę krzemową (typowy spadek do 0.7 V):

Teraz należy określić napięcie wyjściowe tego samego obwodu za pomocą diody Schottky'ego (0, 4 V typowy spadek w przód) zamiast krzemowej diody PN:

Teraz określ napięcie wyjściowe tego samego obwodu za pomocą diody emitującej światło (1, 7 wolta typowy spadek do przodu):

Skomentuj napięcie wyjściowe tych trzech obwodów: co to oznacza o wpływie spadku napięcia diody na wyjściu opampowym "# 3"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

W obu obwodach napięcie wyjściowe wynosi dokładnie -2 V.

Pytanie uzupełniające: co różni się w tych trzech obwodach, jeśli nie napięcie wyjściowe?

Uwagi:

Same w sobie obwody te są dość bezużyteczne. Ich celem jest przygotowanie studentów do zrozumienia, jak działają precyzyjne obwody prostownicze, pokazując, w jaki sposób ujemne sprzężenie zwrotne powoduje, że spadek napięcia diody nie ma znaczenia. Jest to kolejny przykład mocy negatywnego sprzężenia zwrotnego i niezbędna koncepcja dla zrozumienia wszystkich precyzyjnych obwodów diodowych (opamp).

Pytanie 4

Określ napięcie wyjściowe tego obwodu dla dwóch różnych wartości napięcia wejściowego: +5 woltów i -5 woltów, zakładając użycie zwykłych krzemowych diod prostowniczych:

Na podstawie tych danych (i wszelkich innych warunków wejściowych, które chcesz przetestować pod tym obwodem), opisz funkcję tej obwodu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Gdy V in = +5 woltów, V out = -5 woltów

Gdy V in = -5 woltów, V out = 0 woltów

Ten obwód jest precyzyjnym prostownikiem.

Uwagi:

Popracuj ze swoimi uczniami, aby przeanalizować zachowanie tego obwodu, stosując prawo Ohma i podstawową zasadę negatywnego sprzężenia zwrotnego (zerowe różnicowe napięcie wejściowe). Zapytaj uczniów, czy ma znaczenie, jakie typy diod są używane (krzem czy german w porównaniu do emitowania światła).

Pytanie 5

Ten obwód wzmacniający nazywany jest prostownikiem precyzyjnym . Przeanalizuj jego napięcie wyjściowe, gdy napięcie wejściowe płynnie wzrośnie z -5 woltów do +5 woltów i wyjaśnij, dlaczego obwód jest godny swojej nazwy:

Załóżmy, że obie diody w tym obwodzie są krzemowymi diodami przełączającymi, z nominalnym spadkiem napięcia do przodu wynoszącym 0, 7 wolta.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Każde dodatnie napięcie wejściowe, nie ważne jak małe, jest "odbijane" na wyjściu jako napięcie ujemne o równej (bezwzględnej) wielkości. Moc wyjściowa tego obwodu pozostaje dokładnie na poziomie 0 V dla dowolnego ujemnego napięcia wejściowego.

Pytanie uzupełniające: czy wpłynie to na napięcie wyjściowe, jeżeli spadek napięcia na przewodzie obu diod zwiększy "notatki ukryte"> Uwagi:

Precyzyjne układy prostownicze są trudniejsze do opanowania przez studentów niż prostowniki odwracające lub nieodwracające wzmacniacza. Poświęć czas na przeanalizowanie tego obwodu razem w klasie ze swoimi uczniami, prosząc ich o określenie wielkości wszystkich napięć w obwodzie (i kierunkach prądu) dla danych warunków napięcia wejściowego.

Zrozumienie, czy zmiany spadku napięcia diody mają wpływ na działanie obwodu prostownika precyzyjnego, jest fundamentalne. Jeśli uczniowie nie zrozumieją nic więcej na temat tego obwodu, jest to związek między spadkiem napięcia diody a charakterystyką transferu wejścia / wyjścia.

Pytanie 6

Wyjaśnij, dlaczego następujący obwód uzwojenia nie może być używany jako prostownik w obwodzie zasilacza AC-DC:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Oto podpowiedź: gdzie opamp czerpie energię z "notatek ukrytych"> Uwagi:

Wierzcie lub nie, faktycznie zasiadłem kiedyś w klasie elektroniki i wysłuchałem instruktora, który przedstawił precyzyjny obwód optyczny prostownika jako "precyzyjny prostownik do zasilania". Mówił też poważnie, twierdząc, że tego typu zespół obwodów elektrycznych był wykorzystywany do zapewnienia wyjściowych napięć (+ V / -V) dla zasilaczy laboratoryjnych. Najsmutniejszą częścią tej próby jest to, że żaden z jego uczniów nie rozpoznał niczego złego w swoim stwierdzeniu (a przynajmniej nie czuł się komfortowo w zadawaniu pytań na ten temat).

Pytanie 7

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego precyzyjnego obwodu prostownika zostanie zakłócone w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Dioda D 1 nie działa poprawnie:
Dioda D 2 nie działa poprawnie:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R 1 nie działa poprawnie: napięcie wyjściowe jest równe 0 V przez cały czas.
Rezystor R2 nie działa otwarcie: V wyjście nasyca się ujemnie, gdy V in jest dodatnie, a V out płynie do +1.4 V, gdy V in jest ujemne (w zależności od tego, jak wyjście jest ładowane przez inny obwód).
Dioda D 1 zawiesza się: normalna praca, gdy V in jest dodatnia (V out = - V in ), V out = V in, gdy V in jest ujemna (pełna fala, odwrócona rektyfikacja!).
Dioda D 2 nie działa poprawnie: normalna praca, gdy V in jest ujemna (V out = 0 woltów), V out = V in, gdy V in jest dodatnie (półfalowa, nieodwrócona rektyfikacja!).

Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 8

Poniższy obwód jest czasami określany jako separator polaryzacji . Wymyśl niektóre warunki testowe, których użyjesz do "udowodnienia" działania obwodu, następnie przeanalizuj obwód w tych wyimaginowanych warunkach i zobacz, jakie są wyniki:

Wyjaśnij, co każde wyjście robi w tym obwodzie "separator polaryzacji" dla dowolnego napięcia wejściowego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wyjście V wyjścia1 jest odwrotnością (ujemną) dowolnego dodatniego napięcia wejściowego, natomiast wyjście V2 jest odwrotnością (dodatnią) dowolnego ujemnego napięcia wejściowego.

Uwagi:

Obwód ten jest dobrym wprowadzeniem do obwodu prostownika pełnego fali, chociaż jego działanie jest nieco trudniejsze do zrozumienia niż tutaj.

Pytanie 9

Określ napięcie wyjściowe tego obwodu dla dwóch różnych wartości napięcia wejściowego: +4 V i -4 V. Określ napięcie w każdym węźle w odniesieniu do ziemi w ramach analizy:

Na podstawie tych danych (i wszelkich innych warunków wejściowych, które chcesz przetestować pod tym obwodem), opisz funkcję tej obwodu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ten obwód jest precyzyjnym prostownikiem pełnookresowym.

Uwagi:

O wiele łatwiej jest analizować zachowanie tego obwodu z dodatnim napięciem wejściowym, niż analizować je przy ujemnym napięciu wejściowym! Uczniowie mają tendencję do wyciągania takich wniosków przy analizie zachowania obwodu przy ujemnym napięciu wejściowym:

Błąd wydaje się uzasadniony, dopóki nie zostanie przeprowadzona analiza prądu . Gdyby te napięcia były prawdziwe, prawo Kirchhoffa zostanie naruszone na wirtualnym gruncie pierwszego opampa:

Pytanie 10

Wyjaśnij, w jaki sposób można odwrócić polaryzację wyjściową tego precyzyjnego obwodu prostownika:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Odpowiedź na to pytanie może wydawać się zbyt oczywista dla obu pytań. W rzeczywistości jest to tylko kolejny pretekst do analizy obwodu prostownika pełno-falowego, wraz ze wszystkimi prądami i spadkami napięcia!

Pytanie 11

Jednym z problemów z ruchami miernika PMMC (cewki ruchomej z magnesami trwałymi) jest próba zmuszenia ich do zarejestrowania AC zamiast DC. Ponieważ te ruchy liczników są wrażliwe na polaryzację, ich igły jedynie wibrują w tę iz powrotem bezużytecznie, gdy zasilane są prądem przemiennym:

Ten sam problem nawiedza inne urządzenia pomiarowe i obwody zaprojektowane do pracy z DC, w tym najnowocześniejsze analogowo-cyfrowe układy konwersyjne stosowane w miernikach cyfrowych. W jakiś sposób musimy być w stanie skorygować zmierzoną ilość AC na DC, aby te obwody pomiarowe działały poprawnie.

Z pozornie oczywistym rozwiązaniem jest zastosowanie prostownika mostkowego wykonanego z czterech diod w celu przeprowadzenia prostowania:

Problemem jest tutaj spadek napięcia w kierunku prostującym diod prostowniczych. Jeśli mierzymy duże napięcia, to spadek napięcia może być nieistotny. Jednakże, jeśli mierzymy małe napięcia AC, spadek może być nie do przyjęcia.

Wyjaśnij, w jaki sposób precyzyjny obwód prostownika pełnoprądowego zbudowany z opamp może odpowiednio rozwiązać tę sytuację.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Precyzyjny obwód opamp jest w stanie naprawić napięcie prądu przemiennego bez utraty napięcia, dzięki czemu ruch miernika DC (lub analogowo-cyfrowy układ konwersyjny) działa zgodnie z projektem.

Uwagi:

Celem tego pytania jest zapewnienie praktycznego kontekstu precyzyjnych obwodów prostownika, w których uczniowie mogą wyobrazić sobie prawdziwą aplikację.

Pytanie 12

Załóżmy, że dioda D1 w tym precyzyjnym obwodzie prostownika nie jest otwarta. Jaki będzie to miało wpływ na napięcie wyjściowe "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01174x01.png">

Podpowiedź: jeśli pomaga, narysuj tabelę liczb odnoszącą się do V in z V- out i oprzyj swoją odpowiedź na tabelach wyników.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zamiast napięcia wyjściowego, które wynosi dokładnie 0 wolt dla jakiegokolwiek dodatniego napięcia wejściowego, wyjście będzie równe (dodatnie) napięciu wejściowemu, zakładając, że pozostaje rozładowane, jak pokazano.

Pytanie dotyczące wyzwania: jaka funkcja matematyczna spełnia ten obwód, z diodą D1 nieudaną?

Uwagi:

Zauważ, że podane niepowodzenie nie powoduje, że obwód jest bezużyteczny, ale przekształca jego funkcję w coś innego! Jest to ważna lekcja dla uczniów, aby zrozumieć, że awarie komponentów nie zawsze powodują całkowite wyłączenie obwodu. Obwód może dalej funkcjonować, tylko inaczej. A w niektórych przypadkach, takich jak ten, nowa funkcja może wydawać się celowa!

Pytanie 13

Określ napięcie wyjściowe tego obwodu dla następujących warunków napięcia wejściowego:

V 1 = +2 V
V 3 = -1, 5 V
V 1 = +2, 2 napięcia

Podpowiedź: jeśli uważasz, że ten obwód jest zbyt złożony, aby analizować wszystkie naraz, pomyśl o sposobie jego upraszczania, abyś mógł go przeanalizować jeden "kawałek" na raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Napięcie wyjściowe będzie dokładnie +2, 2V.

Pytanie uzupełniające: jaka funkcja wykonuje ten układ "notatki ukryte"> Uwagi:

Kolejnym aspektem tego pytania do rozważenia z uczniami jest proces upraszczania, szczególnie dla uczniów, którzy mają trudności z analizowaniem całego obwodu. Jakie metody upraszczania wymyślili Twoi uczniowie, kiedy podeszli do tego problemu? Jakie wnioski można wyciągnąć z ogólnej koncepcji uproszczenia problemu (jako techniki rozwiązywania problemów)?

Pytanie 14

Obwód ten jest określany jako szczytowy popychacz i przytrzymanie, przyjmując ostatnie największe dodatnie napięcie wejściowe i "utrzymując" tę wartość na wyjściu, aż pojawi się większe dodatnie napięcie wejściowe:

Podaj krótkie wyjaśnienie działania tego obwodu, jak również cel i funkcję przełącznika "reset". Wyjaśnij także, dlaczego jest wymagany opamp wejścia FET dla ostatniego etapu amplifikacji.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwolę ci dowiedzieć się, jak działa obwód! W odniesieniu do konieczności wprowadzania FET, pozwól mi powiedzieć: jeśli prąd polaryzacji z ostatniego opampu byłby zbyt duży, obwód "straciłby pamięć" ostatniej dodatniej wartości szczytowej w czasie.

Pytanie uzupełniające: w jaki sposób sugerowałbyś wybór wartości rezystora R i kondensatora C "// www.allaboutcircuits.com/video-lectures/junction-field-effect-transistors-jfet/">JFET dla możliwości resetu elektronicznego.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, czy potrafią wymyślić praktyczne zastosowania tego typu obwodów. Jest wiele!

Uważam, że interesujące jest to, że w dwóch bardzo godnych uwagi tekstach na temat obwodów opampowych znalazłem następujący szczytowy układ follower-and-hold podany jako praktyczny przykład:

Obwód ten zawiera dwa błędy: pierwszy polega na tym, że przełącznik resetowania przechodzi do masy, a nie -V. To sprawia, że ​​funkcja resetowania ustawia domyślne wyjście na 0 woltów, co uniemożliwia późniejsze śledzenie i utrzymywanie dowolnego sygnału wejściowego poniżej potencjału ziemi. Drugi błąd to brak rezystora przed przełącznikiem resetowania. Bez rezystora na miejscu zamknięcie przełącznika resetowania powoduje chwilowe zwarcie na wyjściu pierwszego opampa. Przy założeniu, rezystor tworzy pasywny etap integratora (stałą czasową RC), który musi być utrzymywany w znacznym tempie, aby szybkie zmiany wejścia były przestrzegane i utrzymywane, ale nie jest to trudny do zaprojektowania czynnik.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →