Præcise Diode Circuits

L4 5 7Super Diode (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Præcise Diode Circuits

Analoge integrerede kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå at bruge model 741 op-amp, medmindre du vil udfordre dine kredsløbsdesign færdigheder. Der er mere alsidige op-amp modeller almindeligt tilgængelige for begynderen. Jeg anbefaler LM324 til DC og lavfrekvente AC-kredsløb, og TL082 til AC-projekter, der involverer lyd eller højere frekvenser.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier, for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstandsværdier mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

En almindelig type graf, der bruges til at beskrive driften af ​​en elektronisk komponent eller delkreds, er overførselskarakteristikken, der viser forholdet mellem indgangssignal og udgangssignal. For eksempel er overførselskarakteristikken for et simpelt resistivt spændingsdeler kredsløb en retlinie:

Når først en overførselskarakteristik er blevet tegnet, kan den bruges til at forudsige udgangssignalet fra et kredsløb givet et bestemt indgangssignal. I dette tilfælde fortæller overførselskarakteristikken for 2: 1 spændingsdelerkredsen os, at kredsløbet vil udgive +3 volt for en indgang på +6 volt:

Vi kan bruge den samme overførselskarakteristik til at plotte output fra spændingsdeleren givet en AC-bølgeformindgang:

Mens dette eksempel (en spændingsdeler med et forhold på 2: 1) er temmelig trivielt, viser det, hvordan overføringsegenskaber kan anvendes til at forudsige udgangssignalet fra et netværk, der er givet en vis indgangssignalstilstand. Hvor overførsel af karakteristiske grafer er mere praktisk er at forudsige adfærden af ikke-lineære kredsløb. For eksempel ser transfer karakteristikken for et ideelt halvbølge ensretter kredsløb sådan ud:

Skits overføringskarakteristikken for en realistisk diode (silicium med 0, 7 volt fremadrik) og brug denne karakteristik til at plotte den halvbølge rectified output bølgeform givet en sinusformet indgang:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Overfør karakteristiske grafer giver en elegant metode til at skitse output waveshape for ethvert elektrisk netværk, lineær eller ikke-lineær. Metoden, hvor punkter langs en inputbølgeform reflekteres og overføres til tilsvarende punkter på outputbølgeformen, berettiger navnet på dette analytiske værktøj. Sørg for, at dine elever får mulighed for at lære at bruge dette værktøj, da det kan give stor indsigt i forvrængning i elektroniske og elektromagnetiske enheder.

Spørgsmål 3

Bestem udgangsspændingen for dette kredsløb under forudsætning af en siliciumdiode (0, 7 volt typisk fremadgående dråbe):

Bestem nu udgangsspændingen i det samme kredsløb med en Schottky-diode (0, 4 volt typisk fremadgående dråbe) i stedet for en silicon PN-forbindelsesdiode:

Bestem nu udgangsspændingen i det samme kredsløb med en lysdiode (1, 7 volt typisk fremadgående dråbe):

Kommentér disse udgangsspændinger for disse tre kredsløb: Hvad angiver dette om effekten af ​​diodeens spændingsfald på opamp-udgangen "# 3"> Reveal svar Skjul svar

I begge kredsløb er udgangsspændingen netop -2 volt.

Opfølgningsspørgsmål: Hvad er forskelligt inden for disse tre kredsløb, hvis ikke udgangsspændingen?

Bemærkninger:

I sig selv er disse kredsløb ret ubrugelige. Deres formål er at forberede eleverne til at forstå, hvordan præcisionens ensretterkredsløb virker, ved at vise, hvordan negativ feedback gør diodeens fremadspændingsfald irrelevant. Dette er et andet eksempel på effekten af ​​negativ feedback og et vigtigt begreb for at forstå alle præcise (opampdrevne) diode kredsløb.

Spørgsmål 4

Bestem udgangsspændingen for dette kredsløb for to forskellige indgangsspændingsværdier: +5 volt og -5 volt, under forudsætning af brugen af ​​almindelige siliciumretifikationsdioder:

Baseret på disse data (og eventuelle andre indgangsforhold, du ønsker at teste dette kredsløb under), beskriv hvad funktionen af ​​dette kredsløb er.

Reveal svar Skjul svar

Når V i = +5 volt, V ud = -5 volt

Når V i = -5 volt, V ud = 0 volt

Dette kredsløb er en præcisions ensretter.

Bemærkninger:

Arbejd med dine elever for at analysere dette kredsløbs adfærd ved hjælp af Ohms lov og det grundlæggende princip om negativ feedback (nul differential input spænding). Spørg dine elever om, hvorvidt det betyder, hvilke typer dioder der anvendes (silicium versus germanium versus lysemitterende).

Spørgsmål 5

Dette opamp kredsløb hedder en præcision ensretter . Analyser dens udgangsspænding, da indgangsspændingen jævnt øges fra -5 volt til +5 volt, og forklar hvorfor kredsløbet er værdigt til dets navn:

Antag, at begge dioder i dette kredsløb er siliciumkoblingsdioder med et nominelt fremspændingsfald på 0, 7 volt.

Reveal svar Skjul svar

Enhver positiv indgangsspænding, uanset hvor lille, "reflekteres" på udgangen som en negativ spænding af lige (absolut) størrelse. Udgangen af ​​dette kredsløb forbliver nøjagtigt på 0 volt for enhver negativ indgangsspænding.

Opfølgningsspørgsmål: vil det påvirke udgangsspændingen, hvis fremadspændingsfaldet for hver diod øges "noter skjult"> Noter:

Precision ensretter kredsløb tendens til at være sværere for eleverne at forstå end ikke-rettende inverterende eller ikke-inverterende forstærkerkredsløb. Brug tid til at analysere dette kredsløb sammen i klassen med dine elever og bede dem om at bestemme størrelsen af ​​alle spændinger i kredsløbet (og retninger for strøm) for givne indgangsspændingsforhold.

Forståelse om, hvorvidt ændringer i diode fremad spændingsfald påvirker en præcisions ensretterkreds funktion er grundlæggende. Hvis eleverne ikke forstår noget andet om dette kredsløb, er det forholdet mellem diode spændingsfald og input / output transfer egenskaber.

Spørgsmål 6

Forklar hvorfor følgende opamp-kredsløb ikke kan bruges som ensretter i et AC-DC strømforsyningskredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Her er et tip: hvor får opampen sin kraft fra "noter skjult"> Noter:

Tro det eller ej, jeg sad faktisk i en elektronik klasse en gang og lyttede til en instruktør præsentere præcision ensretter opamp kredsløb som en "præcision ensretter til en strømforsyning". Han var også seriøs for at hævde, at denne type kredsløb blev brugt til at levere split (+ V / -V) spændingsudgange til bænkforsyningsaggregater. Den sørgeligste del af denne prøvelse er, at ingen af ​​hans elever erkendte noget galt med hans erklæring (eller i det mindste ikke har det godt til at rejse et spørgsmål om det).

Spørgsmål 7

Foregive, hvordan driften af ​​dette præcisions-ensretterkreds vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Diode D 1 fejler åben:
Diode D 2 fejler åben:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: V ud bliver til 0 volt hele tiden.
Modstand R 2 fejler åben: V ud mætter negativ, når V er positiv, og V ud flyder op til +1, 4 volt, når V in er negativ (afhængig af, hvordan udgangen er indlæst af et andet kredsløb).
Diode D 1 fejler åben: Normal drift, når V er positiv (V ud = - V ind ), V ud = V ind, når V in er negativ (fuldbølge, omvendt korrektion!).
Diode D 2 fejler åben: Normal drift, når V in er negativ (V ud = 0 volt), V ud = V , når V in er positiv (halvbølge, ikke-inverteret korrektion!).

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 8

Følgende kredsløb betegnes undertiden som en polaritetsafskiller . Opfinde nogle testbetingelser, du vil bruge til at "bevise" driften af ​​kredsløbet, analysere kredsløbet under de forestillede betingelser og se, hvad resultaterne er:

Forklar, hvad hver udgang gør i dette "polaritetsseparator" kredsløb for en given indgangsspænding.

Reveal svar Skjul svar

V out1- udgangen er den omvendte (negative) for enhver positiv indgangsspænding, mens V out2- udgangen er den inverse (positive) af en hvilken som helst negativ indgangsspænding.

Bemærkninger:

Dette kredsløb er en god introduktion til fuldbølge-præcisions-ensretterkredsløbet, selvom dets drift er lidt vanskeligere at forstå, end det er her.

Spørgsmål 9

Bestem outputspændingen for dette kredsløb for to forskellige indgangsspændingsværdier: +4 volt og -4 volt. Bestem spændingen ved hver knudepunkt med hensyn til jord som en del af din analyse:

Baseret på disse data (og eventuelle andre indgangsforhold, du ønsker at teste dette kredsløb under), beskriv hvad funktionen af ​​dette kredsløb er.

Reveal svar Skjul svar

Dette kredsløb er en præcisions fuldbølge ensretter.

Bemærkninger:

Det er meget nemmere at analysere dette kredsløbs adfærd med en positiv indgangsspænding, end det er at analysere det med en negativ indgangsspænding! Der er en tendens til, at eleverne når denne konklusion, når man analyserer kredsløbets adfærd med en negativ indgangsspænding:

Fejlen synes rimelig, indtil en analyse af aktuelle er lavet. Hvis disse spændinger var sande, ville Kirchhoffs nuværende lov blive overtrådt ved den første opamps virtuelle jord:

Spørgsmål 10

Forklar, hvordan du kan reversere udgangspolariteten af ​​dette præcisions-ensretterkredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Bemærkninger:

Svaret på dette spørgsmål kan virke for indlysende for både at spørge. I virkeligheden er det bare en anden undskyldning for at analysere fuldbølge-ensretterkredsløbet, komplet med alle strømme og spændingsfald!

Spørgsmål 11

Et problem med PMMC-bevægelser (permanent magnet moving spole) prøver at få dem til at registrere AC i stedet for DC. Da disse målerbevægelser er polaritetsfølsomme, bevæger deres nåle blot frem og tilbage på en ubrugelig måde, når de drives af vekselstrøm:

Det samme problem håner andre måleapparater og kredsløb, der er designet til at fungere med DC, herunder de fleste moderne analog-til-digitale konverteringskredsløb, der anvendes i digitale målere. På en eller anden måde skal vi kunne rette den målte AC-mængde til DC for at disse målekredse fungerer korrekt.

En tilsyneladende åbenlyst løsning er at bruge en broensretter udført af fire dioder for at udføre rettelsen:

Problemet her er fremadspændingsfaldet af de korrigerende dioder. Hvis vi måler store spændinger, kan dette spændingsforløb være ubetydeligt. Men hvis vi måler små AC spændinger, kan dråbet være uacceptabelt.

Forklar, hvordan et præcisions fuldbølge-ensretterkredsløb bygget med en opamp kan tage tilstrækkeligt hensyn til denne situation.

Reveal svar Skjul svar

Et præcisionsopamp-kredsløb er i stand til at korrigere vekselstrømsspændingen uden nogen spændingsforløb, hvilket gør det muligt for DC-målerens bevægelse (eller analog-til-digitalt konverteringskredsløb) at fungere som designet.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at tilvejebringe en praktisk kontekst til præcisions-ensretterkredsløb, hvor eleverne kan forestille sig en reel applikation.

Spørgsmål 12

Antag, at diode D1 i dette præcisions ensretterkredsløb fejler åbent. Hvilken effekt vil dette have på udgangsspændingen "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/01174x01.png">

Tip: hvis det hjælper, tegne en tabel med tal vedrørende V i med V ud, og baser dit svar på de tabulerede resultater.

Reveal svar Skjul svar

I stedet for at udgangsspændingen forbliver på nøjagtigt 0 volt for en positiv indgangsspænding, svarer outputen til den (positive) indgangsspænding, forudsat at den forbliver afladet som vist.

Udfordringsspørgsmål: Hvilken matematisk funktion udfører dette kredsløb, da diode D1 mislykkedes åbent?

Bemærkninger:

Bemærk at den givne fejl ikke gør kredsløbet ubrugeligt, men forvandler dets funktion til noget andet! Dette er en vigtig lektion for eleverne at forstå: at komponentfejl ikke altid resulterer i fuldstændig kredsløbsfunktion. Kredsløbet kan fortsætte med at fungere, bare anderledes. Og i nogle tilfælde som dette kan den nye funktion endda synes at være forsætlig!

Spørgsmål 13

Bestem outputets spænding for følgende indgangsspændingsforhold:

V 1 = +2 volt
V3 = -1, 5 volt
V 1 = +2, 2 volt

Tip: Hvis du finder dette kredsløb for komplekst til at analysere alt på én gang, så tænk på en måde at forenkle det, så du kan analysere det ene "stykke" ad gangen.

Reveal svar Skjul svar

Udgangsspændingen vil være +2, 2 volt, netop.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilken funktion udfører dette kredsløb "noter gemt"> Noter:

En anden facet af dette spørgsmål at overveje dine elever er forenklingsprocessen, især for de studerende, der har svært ved at analysere hele kredsløbet. Hvilke forenklingsmetoder har dine elever tænkt på, da de nærmede sig dette problem? Hvilke konklusioner kan der drages om det generelle begreb problemforenkling (som problemløsningsteknik)?

Spørgsmål 14

Dette kredsløb er omtalt som en toppfølger-og-hold, idet den sidste største positive indgangsspænding og "holder" denne værdi ved udgangen, indtil en større positiv indgangsspænding kommer sammen:

Giv en kort forklaring på, hvordan dette kredsløb fungerer, samt formålet og funktionen af ​​"reset" -knappen. Forklar også, hvorfor en FET-input-opamp er nødvendig for det sidste trin i forstærkning.

Reveal svar Skjul svar

Jeg vil lade dig regne ud, hvordan kredsløbet virker! Med hensyn til nødvendigheden af ​​FET-indgange, lad mig sige dette: Hvis biasstrømmen for den sidste opamp var for stor, ville kredsløbet "miste sin hukommelse" af den sidste positive toppeværdi over tid.

Opfølgningsspørgsmål: Hvordan vil du foreslå at vælge værdierne af modstand R og kondensator C "// www.allaboutcircuits.com/video-lectures/junction-field-effect-transistors-jfet/">JFET til elektronisk reset-kapacitet.

Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvis de kan tænke på nogen praktiske applikationer til denne type kredsløb. Der er mange!

Jeg finder det interessant, at i to meget respektable tekster om opamp-kredsløb har jeg fundet følgende topfølger-og-hold kredsløb givet som et praktisk eksempel:

Dette kredsløb indeholder to fejl: den første er ved at have reset switchen til jorden, snarere end -V. Dette gør resetfunktionen indstillet til standardindgang til 0 volt, hvilket gør det umuligt for kredsløbet at efterfølgende følge og holde ethvert indgangssignal under jordpotentialet. Den anden fejl er ikke at have en modstand før nulstillingsknappen. Uden en modstand på plads, lukker nulstillingsknappen en øjeblikkelig kortslutning på udgangen af ​​den første opamp. Tilstedeværelsen af ​​en modstand skaber et passivt integratorstadium (RC-tidskonstant), som skal holdes betydeligt hurtigt, således at hurtige ændringer i input følges og holdes, men dette er ikke en vanskelig faktor for ingeniør.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →