Regulowane źródła zasilania

Źródło prądowe [RS Elektronika] #71 (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Regulowane źródła zasilania

Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe i obwody


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 zanotuj wszystkie wartości składowe przed budową obwodu, wybierając wartości rezystorów wystarczająco wysokie, aby uszkodzić jakiekolwiek aktywne komponenty, które są mało prawdopodobne.
  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.

Kiedy uczniowie najpierw zapoznają się z urządzeniami półprzewodnikowymi i najprawdopodobniej ich uszkodzą poprzez niewłaściwe połączenia w swoich obwodach, polecam eksperymentować z dużymi komponentami o dużej mocy (diody prostownicze 1N4001, tranzystory mocy TO-220 lub TO-3) itp.), a zamiast tego korzysta się z zasilanych bateriami suchych ogniw. Zmniejsza to prawdopodobieństwo uszkodzenia podzespołów.

Jak zwykle, unikaj bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystorów, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" licznika (na wyższym końcu) i uniknąć wypalenia tranzystora (na niskim końcu). Polecam rezystory 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

Wypełnij tabelę napięć wyjściowych dla kilku podanych wartości napięcia wejściowego w obwodzie wzmacniacza wspólnego kolektora. Załóżmy, że tranzystor jest standardową krzemową jednostką NPN, o nominalnym napięciu przednim złącza podstawy 0, 7 wolta:

V wV na zewnątrz
0, 0 V
0, 5 V
1, 0 V
1, 5 V
5, 0 V
7, 8 V

Na podstawie obliczonych wartości wyjaśnij, dlaczego konfiguracja obwodu wspólnego kolektora jest często nazywana obserwatorem nadajnika .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Napięcie na końcówce emitera tranzystora w przybliżeniu "podąża" za napięciem przyłożonym do terminala bazowego, stąd nazwa.

V wV na zewnątrz
0, 0 V0, 0 V
0, 5 V0, 0 V
1, 0 V0, 3 V
1, 5 V0, 8 V
5, 0 V4, 3 V
7, 8 V7.1 V

Uwagi:

Początkowo obwód tranzystora "emitter follower" może wydawać się bezcelowy, ponieważ napięcie wyjściowe jest praktycznie równe napięciu wejściowemu (szczególnie dla napięć wejściowych znacznie przekraczających 0, 7 V DC). "To, co możliwe, to taki obwód, jak ten" panel z panelem roboczym "- domyślnie" itemscope "

pytanie 3

Wypełnij tabelę napięć wyjściowych, prądów wyjściowych i prądów wejściowych dla kilku podanych wartości napięcia wejściowego w obwodzie wzmacniacza wspólnego kolektora. Załóżmy, że tranzystor jest standardową krzemową jednostką NPN, o nominalnym napięciu przednim złącza podstawy 0, 7 wolta:

V wV na zewnątrzI wWyjdę
0, 0 V
0, 4 V
1, 2 V
3.4 V
7.1 V
10, 8 V

Oblicz napięcie i przyrost prądu tego obwodu na podstawie liczbowych wartości w tabeli:

A V = ΔV na zewnątrz


ΔV w

=

A I = ΔI na zewnątrz


ΔI w

=

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V wV na zewnątrzI wWyjdę
0, 0 V0, 0 V0, 0 μA0, 0 mA
0, 4 V0, 0 V0, 0 μA0, 0 mA
1, 2 V0, 5 V2, 498 μA0, 227 mA
3.4 V2, 7 V13, 49 μA1, 227 mA
7.1 V6, 4 V31, 97 μA2, 909 mA
10, 8 V10, 1 V50, 45 μA4, 591 mA

A V = ΔV na zewnątrz


ΔV w

= 1

A I = ΔI na zewnątrz


ΔI w

= 91

Uwagi:

Celem tego pytania, oprócz zapewnienia praktyki analizy DC wspólnego kolektora, jest pokazanie właściwości wzmacniających prąd wspólnego wzmacniacza kolektora. Jest to ważna cecha, ponieważ w tym typie obwodu wzmacniacza nie występuje wzmocnienie napięciowe.

Takie podejście do określania wzmocnienia napięcia obwodu wzmacniacza tranzystorowego to takie, które nie wymaga wcześniejszej znajomości konfiguracji wzmacniacza. Aby uzyskać niezbędne dane do obliczenia wzmocnienia napięcia, wszystko, co trzeba wiedzieć, to "pierwsze zasady" Prawa Ohma, prawa Kirchhoffa i podstawowe zasady działania tranzystora dwubiegunowego. To pytanie jest po prostu eksperymentem myślowym : odkrywanie nieznanej formy obwodu poprzez stosowanie znanych reguł elementów obwodu. Jeśli uczniowie wątpią w skuteczność "eksperymentów myślowych", trzeba tylko zastanowić się nad sukcesem Alberta Einsteina, którego eksperymenty myślowe jako urzędnik patentowy (bez pomocy sprzętu eksperymentalnego) pozwoliły mu sformułować podstawy jego teorii względności.

Pytanie 4

Celem bieżącego obwodu lustrzanego jest utrzymanie stałego prądu przez obciążenie pomimo zmian rezystancji tego obciążenia:

Jeśli mielibyśmy z grubsza modelować zachowanie tranzystora jako automatycznie zmieniającego się rezystora - stale dostosowując opór, aby utrzymać stały prąd obciążenia - jak opisalibyście reakcję rezystora na zmiany rezystancji obciążenia "// www.beautycrew.com.au/ /sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02656x02.png ">

Innymi słowy, gdy wzrasta obciążenie R, co robi tranzystor R - zwiększają opór, zmniejszają opór lub zachowują taki sam opór, jaki był wcześniej? Jak zmieniająca się wartość tranzystora R wpływa na całkowity opór obwodu?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wraz ze wzrostem obciążenia R, tranzystor R zmniejszy opór tak, aby utrzymać stały prąd przez obciążenie i stałą sumę R.

Uwagi:

Ten model zachowania tranzystora prądowego, choć surowy, służy jako dobre wprowadzenie do tematu obciążeń czynnych w obwodach wzmacniaczy tranzystorowych. Tutaj tranzystor jest skonfigurowany do działania jako regulator stałoprądowy, następnie umieszczany szeregowo z tranzystorem wzmacniającym, aby uzyskać znacznie większe zyski napięcia niż to, co jest możliwe przy obciążeniu pasywnym (stałym rezystorze).

Pytanie 5

Na podstawie tego, co wiesz o tranzystorach bipolarnych, jaki będzie prąd kolektora (zwiększać, zmniejszać lub pozostać taki sam), jeśli zmienne źródło napięcia zwiększa napięcie? Niewielkie, stałe źródło napięcia (0, 7 V) jest wystarczające, aby przewodzić tranzystorowi, ale nie na tyle, aby w pełni go nasycić.

Z perspektywy zmiennego źródła napięcia, czym jest obwód tranzystora "wygląda" jak "# 5"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd kolektora pozostanie (w przybliżeniu) taki sam, jak źródło zmiennego napięcia wzrasta w wielkości. W ten sposób obwód tranzystora "wygląda" jak źródło prądu .

Uwagi:

To pytanie jest niczym innym jak przeglądem charakterystycznych krzywych tranzystora. Możesz poprosić uczniów, aby powiązali zachowanie tego obwodu z typowymi krzywymi charakterystycznymi pokazanymi w podręcznikach dla tranzystorów z dwubiegunowym złączem. Jaką częścią charakterystyki jest ten tranzystor pracujący w czasie regulowania prądu?

Pytanie 6

W oparciu o to, co wiesz o tranzystorach bipolarnych, jaki będzie prąd kolektora (zwiększać, zmniejszać lub pozostać taki sam), jeśli rezystancja rezystora zmiennego zostanie zmniejszona? Niewielkie źródło napięcia (0, 7 V) wystarczy, aby przewodzić tranzystorowi, ale nie wystarcza do pełnego nasycenia go.

Z perspektywy zmiennej rezystora, co robi reszta obwodu tranzystora "wygląda" jak "# 6"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd kolektora pozostanie (w przybliżeniu) taki sam, jak zmieni się zmienny opór. W ten sposób obwód tranzystora "wygląda" jak źródło prądu na zmienny rezystor.

Uwagi:

To pytanie jest niczym innym jak przeglądem charakterystycznych krzywych tranzystora. Możesz poprosić uczniów, aby powiązali zachowanie tego obwodu z typowymi krzywymi charakterystycznymi pokazanymi w podręcznikach dla tranzystorów z dwubiegunowym złączem. Jaką częścią charakterystyki jest ten tranzystor pracujący w czasie regulowania prądu?

Pytanie 7

Opisz, co dzieje się z prądem kolektora tranzystora, gdy zmienia się wartość zmiennej rezystora:

Podpowiedź: warto pamiętać, że spadek napięcia na złączu PN nie jest dokładnie stały, ponieważ natężenie prądu zmienia się. Istnieje nieliniowa zależność między spadkiem napięcia diody (V D ) a prądem diody (I D ), jak opisano w równaniu diody :

I D = I S (e (((qV D ) / NkT)) - 1)

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Prąd kolektora tranzystora wznosi się i opada wraz z prądem diody, jak to określa zmienny rezystor. Idealnie, prąd kolektora tranzystora precyzyjnie pasuje do prądu diody.

Uwagi:

Ten obwód jest tak naprawdę początkiem bieżącego lustra . Stwierdziłem, że jest to doskonały punkt wyjścia do nauki przez ucznia na temat liniowej pracy tranzystora, a także dobrego praktycznego wprowadzenia obwodów regulacji prądowej. Gdy uczniowie rozpoznają, że tranzystory bipolarne są regulatorami prądu o kontrolowanej wartości napięcia (choć są to bardzo nieliniowe!), Są gotowe do zrozumienia ich zastosowania jako wzmacniaczy sygnałowych.

Pytanie 8

Pokazany tu obwód jest prostym lustrem prądu . Wyjaśnij, co się dzieje, gdy zmienia się opór obciążenia:

Większość obecnych serwerów lustrzanych nie jest zbudowana dokładnie tak. Zamiast diody, używają tranzystora (identycznego z drugim tranzystorem) z zwartymi zaciskami podstawy i kolektora:

Idealnie, dwa tranzystory są zbudowane na tym samym materiale podłoża, aby zawsze mieć jednakową temperaturę. Wyjaśnij, dlaczego ten projekt jest lepszy od pierwszego obwodu (za pomocą diody) pokazanego w tym pytaniu.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wraz ze zmianą rezystancji obciążenia prąd płynący przez niego pozostaje w przybliżeniu taki sam. W pierwszym obwodzie odbiciowym prądu, w którym tranzystor odbiera swój sygnał sterujący z diody (a nie z innego tranzystora), występuje tendencja, aby tranzystor termicznie "uciekał", umożliwiając coraz większy prąd przez obciążenie w czasie.

Pytanie uzupełniające: wyjaśnij, jak dostosować wartość docelową regulowanego prądu w jednym z tych obwodów.

Uwagi:

Obecne zwierciadła mylą początkujących studentów, ponieważ nie można ich zrozumieć po uproszczonym modelu krzemowego złącza PN, które zawsze spada o 0, 7 wolta. Raczej ich działanie jest nierozerwalnie związane z równaniem Shockleya. Pytanie to jest zatem nie tylko dobrym przeglądem tego równania, ale także ilustruje, w jaki sposób "modele", których używamy do wyjaśnienia pewnych kwestii, okazują się czasami niewystarczające.

Pytanie 9

Dwa terminy używane powszechnie w elektronice to pozyskiwanie i pochłanianie, w odniesieniu do kierunku prądu elektrycznego między obwodem aktywnym a obciążeniem:

Praktycznym przykładem tego, gdzie to rozróżnienie jest ważne, są pewne układy scalone (układy scalone IC), w których szpilki wyjściowe mogą być w stanie pochłaniać tylko prąd, tylko prąd źródła lub zarówno prąd ulewny, jak i źródłowy. Przyjrzyj się tym dwóm przykładom, gdzie każdy układ scalony "chip" steruje zasilaniem diody LED. W jednym przypadku IC jest podłączony do źródła prądu do diody LED, w drugim przypadku jest podłączony do prądu z diody LED:

Jeśli układ scalony jest w stanie wykonać tylko jeden (prąd źródłowy lub prąd tonący, ale nie oba), ma duże znaczenie, jak podłączyć do niego urządzenia ładujące! Tym, co odróżnia obwód, który jest w stanie czerpać prąd z obwodu, który jest w stanie pochłaniać prąd, jest wewnętrzna konfiguracja jego tranzystorów.

Podobnie, bieżący obwód lustrzany może być zbudowany na źródło prądu lub prąd w zlewie, ale nie na oba. Rysuj obwody odbicia prądu w skrzynkach z kropkowanymi liniami, odpowiednie do pobierania i opadania prądu do rezystora obciążenia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

To pytanie kwestionuje zdolność uczniów do "manipulowania" podstawowym obwodem odbicia prądu w dwóch różnych konfiguracjach. W zależności od tego, jak dobrze uczniowie rozumieją podstawową koncepcję, warto poświęcić dodatkowy czas na porównanie dwóch obwodów, śledzenie prądu przez każdą z nich i ogólne omówienie ich działania.

Chociaż może to wydawać się trywialne dla doświadczonego instruktora lub specjalisty elektroniki, wariacje projektów obwodów składające się wyłącznie z elementów odwracających często są dość mylące dla studentów, szczególnie tych słabych w umiejętnościach związanych z relacjami przestrzennymi. Zachęcam do regularnej pracy z tymi uczniami w celu zbudowania tej ważnej umiejętności wizualizacji.

Pytanie 10

Oblicz przybliżoną ilość prądu, którą ten obwód lustra prądowego spróbuje utrzymać przez obciążenie R, zakładając tranzystory krzemowe (0, 7 wolta do przodu kropla złącza nadajnik-emiter):

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ładuję ≈ 6, 5 mA

Pytanie uzupełniające: co należy zmienić w tym obwodzie, aby zwiększyć natężenie prądu przez rezystor obciążenia bez zmiany napięcia zasilania "Uwagi ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób uzyskali odpowiedź na to pytanie, krok po kroku.

Pytanie 11

Oblicz przybliżoną ilość prądu, którą ten obwód lustra prądowego spróbuje utrzymać przez obciążenie R, zakładając tranzystory krzemowe (0, 7 wolta do przodu kropla złącza nadajnik-emiter):

Oblicz również przybliżone rozpraszanie mocy tranzystora Q 2 .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ładuję ≈ 4, 57 mA P Q2 ≈ 40, 77 mW

Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób uzyskali odpowiedź na to pytanie, krok po kroku.

Pytanie 12

Oblicz przybliżoną ilość prądu, którą ten obwód lustra prądowego spróbuje utrzymać przez obciążenie R, zakładając tranzystory krzemowe (0, 7 wolta do przodu kropla złącza nadajnik-emiter):

Należy również obliczyć przybliżone rozpraszanie mocy obu tranzystorów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Ładuję ≈ 8, 63 mA P Q1 ≈ 6, 041 mW P Q2 ≈ 95, 41 mW

Pytanie uzupełniające: co dwie wartości mocy rozpraszającej mówią nam o względnej sile dwóch tranzystorów obsługujących dokładnie te same prądy "notatki ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby wyjaśnili, w jaki sposób uzyskali odpowiedź na to pytanie, krok po kroku.

Kolejne pytanie jest ważne z kilku powodów. Po pierwsze, studenci muszą zdawać sobie sprawę, że rozpraszanie mocy tranzystora jest determinowane przez coś więcej niż tylko prąd kolektora. Po drugie, odmienne rozproszenie tych dwóch tranzystorów doprowadzi do niedokładności regulowanego prądu w obwodzie prądu zwierciadlanego, jeśli nie zostaną podjęte działania w celu wyrównywania ich temperatur.

Pytanie 13

Wybierz napięcie zasilania i wartość rezystancji dla R 1, które utrzymają prąd około 15 mA przez rezystor obciążenia 1 kΩ. Załóżmy użycie tranzystora krzemowego:

Aby zapewnić duży zakres regulacji (zdolność do utrzymywania regulowanego prądu w szerokim zakresie wartości rezystancji obciążenia), zaprojektuj obwód tak, aby co najmniej 20 woltów V CE spadło na tranzystor Q 2 . Oblicz również przybliżone rozpraszanie mocy tranzystora Q 2 .

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zauważ, że jest to tylko jeden z możliwych zestaw wartości spełniających kryteria podane dla tego obwodu. Twoje własne odpowiedzi mogą być inne!

R 1 = 2, 287 kΩ V zasilanie = 35 V P Q2 ≈ 300 mW

Uwagi:

Ponieważ istnieje więcej niż jedna aktualna odpowiedź na ten problem projektowy, należy poprosić uczniów o przedstawienie różnych rozwiązań, prosząc ich o wyjaśnienie, w jaki sposób uzyskali odpowiedzi na to pytanie.

Pytanie 14

Opisz cel tranzystora w tym obwodzie zasilacza AC-DC:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Tranzystor służy do "zwiększenia" zdolności prądowej obwodu regulatora napięcia rezystora / Zenera, aby dostarczyć znacznie więcej prądu do obciążenia niż to jest możliwe za pomocą samego rezystora / zenera.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby zidentyfikowali konfigurację tego wzmacniacza tranzystorowego (common-base, common-emitter lub common collector "panel workheetpanel-panel default-default" itemscope>

Pytanie 15

Zainstalować w tym obwodzie potencjometr, aby regulowane napięcie wyjściowe tego zasilacza było regulowane:

Wyzwanie: pozostaw symbol potencjometru na swoim miejscu i wykonaj niezbędne połączenia przewodów między nim a resztą obwodu!

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie dotyczące wyzwania: dla dowolnej wielkości prądu obciążenia, jakie ustawienie napięcia spowoduje, że tranzystor rozproszy najwięcej energii cieplnej, niskiej, średniej lub wysokiej "uwagi ukryte"> Uwagi:

Niektórzy uczniowie mogą zdecydować się na umieszczenie potencjometru na wyjściu zasilacza (podłączonego do terminala emitera tranzystora). Chociaż to zadziała, technicznie, nie jest to dobre rozwiązanie, ponieważ prąd obciążenia zostanie poważnie ograniczony przez rezystancję potencjometru. Porozmawiaj ze swoimi uczniami, dlaczego obwód narysowany w odpowiedzi jest bardziej praktyczny.

Odpowiedź na pytanie o wyzwanie jest nieintuicyjna, ale ma sens po ustaleniu, które zmienne wpływają na rozpraszanie mocy tranzystora (prąd emitera i V CE ).

Pytanie 16

Oblicz przybliżone napięcie wyjściowe tego regulowanego obwodu zasilającego i natężenie prądu przez diodę Zenera w warunkach braku obciążenia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V out ≈ -8, 6 VI zener ≈ 6, 71 mA

Uwagi:

Obliczanie napięcia wyjściowego jest znacznie prostsze niż obliczanie prądu diody Zenera! Poproś uczniów, aby wyjaśnili techniki rozwiązywania problemów w tym obwodzie.

Pytanie 17

Oblicz przybliżone napięcie wyjściowe tego regulowanego obwodu zasilania, ilość prądu płynącego przez diodę Zenera i (nieregulowane) napięcie na kondensatorze 1000 μF, wszystkie w warunkach braku obciążenia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

V out ≈ 6.2 VI ZenerKondensator 25, 6 mA V = 32, 5 V.

Uwagi:

Obliczanie napięcia wyjściowego jest znacznie prostsze niż obliczanie prądu diody Zenera! Poproś uczniów, aby wyjaśnili techniki rozwiązywania problemów w tym obwodzie.

Pytanie 18

Przewidzieć, w jaki sposób wszystkie napięcia i prądy składowe w tym obwodzie będą miały wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Tranzystor Q 1 nie działa otwarty, kolektor do nadajnika:
Tranzystor Q 1 nie zwiera zwarcia, kolektor do nadajnika:
Tranzystor Q 2 nie działa otwarty, kolektor do nadajnika:
Tranzystor Q 2 nie zwiera zwarcia, kolektor do nadajnika:
Obciążenie nie jest zwarte:

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystancja R 1 nie działa w trybie otwarcia: Brak prądu do Q 1, brak prądu do Q 2, brak prądu przez obciążenie, brak spadku napięcia w Q 1, pełne napięcie spadło na kolektor-emiter Q 2 .
Tranzystor Q 1 nie działa otwarty, kolektor do emitora: w przybliżeniu ten sam prąd do R1, zwiększony prąd do podstawy Q 2, zwiększony prąd do kolektora Q 2 (prąd obciążenia) i mniejsze napięcie spadło między kolektor-emiter Q 2 .
Tranzystor Q 1 nie jest zwarty, kolektor do nadajnika: Zwiększony prąd do R1, prawie zerowy prąd przez wszystkie zaciski Q2 i obciążenie, pełne napięcie spadło na kolektor-emiter Q 2 .
Tranzystor Q 2 nie działa otwarty, kolektor do nadajnika: Brak zmiany prądu dla R 1 lub Q 1, prąd zerowego obciążenia, pełne napięcie spadło na kolektor-emiter Q 2 .
Tranzystor Q 2 nie jest zwarty, od kolektora do nadajnika: Prąd przez R 1 najprawdopodobniej wzrośnie, zerowe napięcie spadnie na kolektor-emiter Q 2, zwiększy prąd do Q 2 i obciążenia.
Obciążenie nie jest zwarte: brak zmiany żadnego prądu (w rzeczywistości prąd obciążenia nieznacznie wzrośnie), zwiększony spadek napięcia na kolektorze-emiterze Q 2, możliwe przegrzanie Q 2 .

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 19

Przewiduj, w jaki sposób napięcie wyjściowe obwodu zasilającego zostanie zmienione w wyniku następujących błędów. Należy również zwrócić uwagę, czy jakiekolwiek inne elementy w tym obwodzie będą obciążone w wyniku każdej usterki. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie jest zwarte:
Uzwojenie wtórne transformatora T 1 nie działa poprawnie:
Dioda prostująca D 3 nie otwiera się:
Dioda Zenera D 5 nie działa poprawnie:
Dioda Zenera D 5 nie jest zwarta:
Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Kondensator C 2 nie jest zwarty:

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uzwojenie pierwotne transformatora T 1 nie jest zwarte: bezpiecznik natychmiast wieje, a napięcie wyjściowe spada do zera (po rozładowaniu kondensatorów filtrujących).
Uszkodzenie uzwojenia wtórnego transformatora T 1 : Napięcie wyjściowe spada do zera (po rozładowaniu kondensatorów filtru C 1 i C 2 ).
Dioda prostująca D 3 nie otwiera się: Brak zmiany napięcia wyjściowego (z wyjątkiem silnego obciążenia, w którym będzie występować zwiększone napięcie tętnienia).
Dioda Zenera D 5 nie otwiera się: Napięcie wyjściowe wzrasta do w przybliżeniu takiego samego poziomu, jak nieregulowane napięcie (na kondensatorze C 1 ).
Dioda Zenera D 5 nie jest zwarta: napięcie wyjściowe spada do zera (tak szybko, jak C 2 może się rozładować), rezystor R1 może się przegrzać.
Rezystor R1 nie jest otwarty: napięcie wyjściowe spada do zera (tak szybko, jak C 2 może się rozładować).
Kondensator C 2 nie jest zwarty: napięcie wyjściowe spada do bardzo niskiej wartości, tranzystor Q1 najprawdopodobniej przegrzewa się.

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 20

Załóżmy, że ten regulowany obwód zasilania służy do prawidłowego funkcjonowania, ale teraz przestał wyprowadzać jakiekolwiek napięcie DC w ogóle:

Początkowe pomiary diagnostyczne wskazują na pełne napięcie DC (nieregulowane) na kondensatorze C 1 i brak napięcia stałego między podstawą tranzystora a masą. Z tych danych, gdzie można podejrzewać, że problem jest "# 20"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Najprawdopodobniej R 1 nie działa poprawnie lub dioda Zenera D 5 nie jest zwarta, tak że tranzystor nie jest "informowany" o wyjściu napięcia na jego zacisku emiterowym.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, dlaczego pomiary diagnostyczne opisane w pytaniu są dobrym punktem do sprawdzenia (w kolejności, w jakiej zostały podjęte).

Pytanie 21

Wiele różnych typów czujników działa na zasadzie zmiennej rezystancji reprezentującej inną wielkość fizyczną. Jednym z takich czujników jest wspólny czujnik poziomu paliwa stosowany w samochodowych, morskich i przemysłowych zastosowaniach do przechowywania paliwa:

Gdy poziom paliwa w zbiorniku ulegnie zmianie, zmieni się pozycja pływaka, zmieniając opór czujnika. Ta zmiana rezystancji jest wykrywana za pomocą elektrycznego wskaźnika (specjalnego rodzaju miernika), który następnie zapewnia wizualne wskazanie poziomu paliwa w zbiorniku.

Musimy mieć dokładny sposób pomiaru rezystancji elektrycznej, aby ten schemat zadziałał. Powszechnie stosowaną techniką jest przepuszczanie stałego prądu przez rezystancję czujnika, a następnie mierzenie spadającego na niego napięcia. Ponieważ obecne obwody lustrzane działają jako regulatory prądu, a zatem mogą być używane jako źródła prądu, jeśli są zasilane z zewnętrznego napięcia, możemy użyć lustra prądu do wymuszania stałego prądu przez czujnik poziomu paliwa:

Jednym z problemów z przedstawionym obwodem jest to, że prąd czujnika zmienia się wraz ze zmianą napięcia zasilania (+ V). Może to być dla nas ważne, ponieważ napięcie w systemie DC w samochodzie może nie być bardzo stabilne, a to może prowadzić do niedokładności pomiaru poziomu paliwa.

Wymyślmy sposób, w jaki moglibyśmy użyć diody Zenera w celu stabilizacji napięcia w tym obwodzie prądu zwierciadła, tak aby zmiany napięcia zasilania miały minimalny wpływ na ilość prądu przez czujnik o zmiennej rezystancji.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Uwagi:

Uczniowie mogą próbować wdrożyć system regulacji napięcia dla całego obwodu, czujnika i wszystkiego, ale nie jest to konieczne. Używanie diody Zenera do regulowania napięcia dla prawej części bieżącego obwodu odbicia, tak aby prawy tranzystor (działający jak dioda) odbierał stały prąd, to wszystko, co jest konieczne. Lewy tranzystor powinien wiernie regulować prąd przez czujnik pomimo zmian rezystancji czujnika i zmian napięcia zasilania.

Pytanie 22

Bardzo przydatną funkcją regulowanego napięcia jest elektroniczne ograniczenie prądu : obwód, który ogranicza ilość prądu dostarczanego do obciążenia, aby uniknąć niepotrzebnego przepalania bezpiecznika. Połączenie tranzystora Q2 i rezystora R2 zapewnia właśnie tę funkcję dla następującego obwodu regulatora napięcia:

Opisz, w jaki sposób tranzystor Q2 ogranicza prąd doprowadzany do bezpośredniego zwarcia na zaciskach obciążenia.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Tranzystor Q2 włącza się w przypadku, gdy nadmierny prąd przechodzi przez obciążenie, skutecznie łącząc katodę diody Zenera z końcówką wyjściową + V, co zmniejsza napięcie zadane regulacji aż do momentu, gdy prąd obciążenia spadnie do akceptowalnego poziomu.

Pytanie uzupełniające: jakie wartości składników będziemy musieli zmienić w celu dostosowania ograniczenia prądu w tym obwodzie zasilania "uwagi ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby wskazali, co to jest, zmieniając tranzystor Q2 na.

Jeśli uczniowie mają trudności ze zrozumieniem funkcji ograniczającej tranzystor Q2, po prostu powiedz im, aby zastąpili Q2 bezpośrednim zwarciem (między końcówkami kolektora i emitera z Q2) i przeprowadź ponowną analizę obwodu. Powinni zobaczyć, że tranzystor Q1 nie może się włączyć w tym stanie.

Bardzo przydatną strategią analizowania tego, co dzieje się w obwodzie elektronicznym, gdy zmieniają się zmienne, jest wyobrażenie sobie tych zmiennych przy założeniu ekstremalnych stanów. W tym przypadku, aby zobaczyć trend, który pojawia się, gdy Q2 zaczyna się przewodzić, wyobraź sobie, że Q2 działa idealnie (krótki czas między kolektorem a emiterem). I odwrotnie, gdybyśmy chcieli zobaczyć, co obwód mógłby zrobić w warunkach, w których Q2 jest w trybie odcięcia, wystarczy zastąpić Q2 obwodem otwartym. Chociaż technika ta nie zawsze jest niezawodna, często pomaga pokonać przeszkody psychiczne w analizie i jest umiejętnością, którą powinieneś często zachęcać podczas sesji dyskusyjnych swoich uczniów.

Pytanie 23

Załóżmy, że miałeś nudne zadanie ręcznego utrzymywania napięcia wyjściowego stałej generatora prądu stałego. Twoja jedyna kontrola nad napięciem to ustawienie reostatu:

Co musiałbyś zrobić, aby utrzymać stałą napięcia obciążenia, jeśli zmieni się rezystancja obciążenia, aby pobierać więcej prądu "# 23"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby zwiększyć napięcie obciążenia, należy zmniejszyć rezystancję opornika. Aby ten schemat działał, napięcie generatora musi być większe niż docelowe napięcie obciążenia.

Uwaga: ten ogólny schemat sterowania napięciem jest znany jako regulacja szeregowa, w której rezystancja szeregowa jest zmieniana, aby sterować napięciem do obciążenia.

Uwagi:

Kierunek regulacji reostej powinien być oczywisty, podobnie jak fakt, że napięcie generatora musi być co najmniej tak wysokie, jak zamierzone (docelowe) napięcie obciążenia. Jednak dla wszystkich może nie być oczywiste, że napięcie generatora nie może być równe wymaganemu napięciu obciążenia.

Aby to zilustrować, zapytaj uczniów, jak system będzie działał, jeśli napięcie wyjściowe generatora było dokładnie równe planowanemu obciążeniu. Podkreśl fakt, że generator nie jest doskonały: ma swój wewnętrzny opór, którego wartość nie może być zmieniona przez ciebie. Jaką pozycję powinien mieć reostat w tych warunkach, aby utrzymać docelowe napięcie przy obciążeniu? Czy w ogóle można utrzymać docelowe napięcie?

Pytanie 24

Załóżmy, że miałeś nudne zadanie ręcznego utrzymywania napięcia wyjściowego stałej generatora prądu stałego. Twoja jedyna kontrola nad napięciem to ustawienie reostatu:

Co musiałbyś zrobić, aby utrzymać stałą napięcia obciążenia, jeśli zmieni się rezystancja obciążenia, aby pobierać prąd "# 24"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Aby zwiększyć napięcie obciążenia, należy zwiększyć rezystancję opornika. Aby ten schemat działał, napięcie generatora musi być większe niż docelowe napięcie obciążenia.

Uwaga: ten ogólny schemat sterowania napięciem jest znany jako regulacja bocznikowania, gdzie rezystancja równoległa (bocznikowa) jest zmieniana, aby sterować napięciem do obciążenia.

Pytanie uzupełniające: zakładając, że napięcie obciążenia jest utrzymywane na stałym poziomie przez inteligentnego operatora rektora pomimo wahań prądu obciążenia, jak scharakteryzowałbyś prąd przez uzwojenia generatora? Czy wzrasta wraz z prądem obciążenia, spada z prądem obciążenia, czy pozostaje taki sam? Czemu?

Uwagi:

Kierunek regulacji reostej powinien być oczywisty, podobnie jak fakt, że napięcie generatora musi być co najmniej tak wysokie, jak zamierzone (docelowe) napięcie obciążenia. Jednak dla wszystkich może nie być oczywiste, że napięcie generatora nie może być równe wymaganemu napięciu obciążenia.

Aby to zilustrować, zapytaj uczniów, jak system będzie działał, jeśli napięcie wyjściowe generatora było dokładnie równe planowanemu obciążeniu. Podkreśl fakt, że generator nie jest doskonały: ma swój wewnętrzny opór, którego wartość nie może być zmieniona przez ciebie. Jaką pozycję powinien mieć reostat w tych warunkach, aby utrzymać docelowe napięcie przy obciążeniu? Czy w ogóle można utrzymać docelowe napięcie?

Pomocną analogią dla studentów jest samochód z automatyczną skrzynią biegów, którego prędkość jest regulowana za pomocą pedału hamulca, a pedał przyspieszenia jest utrzymywany w stałej pozycji. To nie jest najbardziej energooszczędna metoda kontroli prędkości, ale będzie działać w pewnych granicach!

Pytanie 25

Opisz, w jaki sposób dioda Zenera jest w stanie utrzymać regulowane (prawie stałe) napięcie w całym obciążeniu, pomimo zmian prądu obciążenia:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Zener pobiera mniej lub więcej prądu w razie potrzeby z generatora (poprzez rezystor szeregowy), aby utrzymać napięcie na prawie stałej wartości.

Pytanie kontrolne nr 1: jeśli generator generuje jakieś napięcie tętnienia (jak to robią wszystkie elektromechaniczne generatory prądu stałego), czy jakiekolwiek napięcie tętnienia pojawi się przy obciążeniu, po przejściu przez obwód regulatora napięcia diody Zenera "uwagi ukryte"> Uwagi:

Poproś uczniów, aby opisali, jak efektywne energetycznie uważają ten obwód. Czy podejrzewają, że byłoby to bardziej odpowiednie dla aplikacji o niskim poborze prądu lub aplikacji wysokoprądowych?

Pytanie 26

Oblicz moc rozpraszaną przez 5-woltową diodę Zenera dla następujących wartości prądu silnika (zakładając, że napięcie akumulatora pozostaje stałe przy 12 woltach):

I silnik = 20 mA; P zener =
I silnik = 50 mA; P zener =
I silnik = 90 mA; P zener =
Silnik I = 120 mA; P zener =
I silnik = 150 mA; P zener =
Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

I silnik = 20 mA; P zener = 600 mW
I silnik = 50 mA; P zener = 450 mW
I silnik = 90 mA; P zener = 250 mW
Silnik I = 120 mA; P zener = 100 mW
I silnik = 150 mA; P zener = 0 mW

Pytanie uzupełniające: czy napięcie obciążenia utrzymywane jest na stałym poziomie 5 woltów w całym zakresie prądów obciążenia (od 20 mA do 150 mA) "Uwagi ukryte"> Uwagi:

Kolejne pytanie jest dość ważne, ponieważ studenci muszą zdać sobie sprawę z ograniczeń regulatorów napięcia opartych na Zenera. Co najważniejsze, czy są w stanie obliczyć dokładną granicę prądu regulatora napięcia na bazie Zenera - punkt, w którym przestaje regulować?

Należy zauważyć, że wyliczone tutaj odpowiedzi nie będą dokładnie pasować do rzeczywistego obwodu diody Zenera, ponieważ diody Zenera mają skłonność do stopniowego zmniejszania się prądu, ponieważ przyłożone napięcie zbliża się do wartości napięcia znamionowego Zenera, a nie prądu gwałtownie spadającego do zera. jak przewidywałby prostszy model.

Pytanie 27

Czy można zredukować obwód regulatora napięcia diody Zenera do obwodu zastępczego Thévenina? Wyjaśnij dlaczego lub dlaczego nie.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Z technicznego punktu widzenia obwodu tego nie można zredukować do odpowiednika Thévenina lub Nortona, ponieważ dioda Zenera jest składnikiem nieliniowym . Możliwe jest jednak utworzenie dwóch różnych obwodów zastępczych Thévenina: jeden reprezentuje obwód podczas regulacji napięcia w V zener, a drugi reprezentuje obwód, gdy rezystancja obciążenia jest poniżej wartości krytycznej, a napięcie nie jest już regulowane:

Uwagi:

Niektórzy uczniowie mogą protestować na pierwszym obwodzie równorzędnym Thévenina (z opornością 0 omów), ponieważ byłoby to idealne źródło napięcia. W rzeczywistości wystąpiłaby bardzo niewielka rezystancja szeregowa uwzględniająca niewielkie "zwisanie" napięcia występujące pod zmiennymi obciążeniami w zakresie regulacji, ale jest to trudne do obliczenia.

Pytanie 28

Przewidzieć, w jaki sposób wszystkie napięcia i prądy składowe w tym obwodzie będą miały wpływ na następujące błędy. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Dioda Zenera nie jest zwarta:
Dioda Zenera nie działa poprawnie:
Rezystor szeregowy nie działa poprawnie:
Rezystor szeregowy nie jest zwarty:

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

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Dioda Zenera nie jest zwarta: małe napięcie na obciążeniu, podwyższone napięcie w całej serii R, zwiększony prąd przez źródło i serię R.
Dioda Zenera nie otwiera się: zwiększone napięcie na obciążeniu, obniżone napięcie w serii R, zmniejszone natężenie prądu przez źródło i serię R.
Rezystor szeregowy ulega uszkodzeniu: Brak napięcia na D 1 lub obciążenie, brak prądu przez D 1 lub obciążenie, brak prądu przez źródło.
Rezystor szeregowy nie jest zwarty: Pełne napięcie źródła pomiędzy obciążeniem i D 1, znacznie zwiększony prąd przez D 1, zwiększony prąd przez źródło, D 1 najprawdopodobniej przegrzeje się i ulegnie awarii.

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.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →