Regulerede strømkilder

Mercedes Klub Danmark (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Regulerede strømkilder

Diskrete halvleder enheder og 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 kredsløbskonstruktionen, og vælg modstandsværdier, der er høje nok til at skade eventuelle aktive komponenter usandsynligt.
  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.

Når elever først lærer om halvlederindretninger, og som mest sandsynligt vil beskadige dem ved at foretage ukorrekte forbindelser i deres kredsløb, anbefaler jeg, at de eksperimenterer med store komponenter med høj wattage (1N4001 rectifying dioder, TO-220 eller TO-3-tilfælde strømtransistorer, osv.), og ved brug af tørcelle batterikilder snarere end en strømforsyning. Dette mindsker sandsynligheden for komponentskader.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading" (i den høje ende) og for at undgå transistor udbrænding (i den lave ende). Jeg anbefaler modstande 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

Udfyld bordet for udgangsspændinger for flere givne værdier af indgangsspænding i dette kollektorforstærkerkredsløb. Antag at transistoren er en standard silicium NPN-enhed, med en nominel base-emitterforbindelse fremadspænding på 0, 7 volt:


V in V ud
0, 0 V
0, 5 V
1, 0 V
1, 5 V
5, 0 V
7, 8 V


Baseret på de værdier, du beregner, skal du forklare, hvorfor konfigurationen af ​​kollektorkredsløbet ofte kaldes en emitterfølger .

Reveal svar Skjul svar

Spændingen ved transistors emitterterminal svarer "spændingen" til den primære terminal, og dermed navnet.

V in V ud
0, 0 V 0, 0 V
0, 5 V 0, 0 V
1, 0 V 0, 3 V
1, 5 V 0, 8 V
5, 0 V 4, 3 V
7, 8 V 7, 1 V

Bemærkninger:

I begyndelsen kan transistorkredsløbet "emitterfølger" virke meningsløst, da udgangsspændingen praktisk talt svarer til indgangsspændingen (især for indgangsspændinger, der højst overskrider 0, 7 volt DC). "Hvilket godt godt er et kredsløb som dette" panelpanel-panelets standardpanel "defaultcope>

Spørgsmål 3

Udfyld tabellen med udgangsspændinger, udgangsstrømme og indgangsstrømme for flere givne værdier af indgangsspænding i dette kollektorforstærkerkredsløb. Antag at transistoren er en standard silicium NPN-enhed, med en nominel base-emitterforbindelse fremadspænding på 0, 7 volt:


V in V ud Jeg i Jeg ud
0, 0 V
0, 4 V
1, 2 V
3, 4 V
7, 1 V
10, 8 V


Beregn spændings- og strømforbruget af dette kredsløb fra de numeriske værdier i tabellen:


A V = ΔV ud


ΔV in

=


A I = ΔI ud


ΔI i

=

Reveal svar Skjul svar

V in V ud Jeg i Jeg ud
0, 0 V 0, 0 V 0, 0 μA 0, 0 mA
0, 4 V 0, 0 V 0, 0 μA 0, 0 mA
1, 2 V 0, 5 V 2.498 μA 0.227 mA
3, 4 V 2, 7 V 13, 49 μA 1.227 mA
7, 1 V 6, 4 V 31, 97 μA 2.909 mA
10, 8 V 10, 1 V 50, 45 μA 4.591 mA


A V = ΔV ud


ΔV in

= 1


A I = ΔI ud


ΔI i

= 91


Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål ud over at give praksis for DC-analyse med fælles kollektor kredsløb er at vise nuværende forstærkningsegenskaber for kollektorforstærkeren. Dette er en vigtig funktion, da der ikke er nogen spændingsforstærkning i denne type forstærkerkreds.

Denne fremgangsmåde til bestemmelse af transistorforstærkerkredspændingsforstærkning er en, som ikke kræver forudgående kendskab til forstærkerkonfigurationer. For at få de nødvendige data til at beregne spændingsgevinsten er alt, hvad man behøver at vide, de "første principper" i Ohms lov, Kirchhoffs love og grundlæggende driftsprincipper for en bipolar forbindelsestransistor. Dette spørgsmål er egentlig bare et tankeeksperiment : at udforske en ukendt form for kredsløb ved at anvende kendte regler for kredsløbskomponenter. Hvis elever tvivler på effekten af ​​"tankeeksperimenter", behøver man kun at reflektere over Albert Einsteins succes, hvis tankegang som patentkonsulent (uden hjælp fra eksperimentelt udstyr) tillod ham at formulere grundlaget for hans relativitetsteorier.

Spørgsmål 4

Formålet med et nuværende spejl kredsløb er at opretholde konstant strøm gennem en belastning på trods af ændringer i belastningens modstand:


Hvis vi skulle gale model, transistorens adfærd som en automatisk varieret reostat - konstant justeringsmodstand som nødvendigt for at holde belastningsstrømmen konstant - hvordan ville du beskrive denne reostatens reaktion på ændringer i belastningsresistens? // www.beautycrew.com.au/ /sub.allaboutcircuits.com/images/quiz/02656x02.png ">

Med andre ord, når R- belastningen øges, hvad gør R- transistoren - øger modstanden, formindsker modstanden eller forbliver den samme modstand, som det var før? Hvordan påvirker den ændrede værdi af R- transistoren total kredsløbsbestandighed?

Reveal svar Skjul svar

Når R- belastningen stiger, vil R- transistoren falde i modstand for at opretholde en konstant strøm gennem belastningen og en konstant R- total .


Bemærkninger:

Denne model af nuværende spejletransistor adfærd, omend rå, tjener som en god introduktion til emnet for aktive belastninger i transistorforstærkerkredsløb. Det er her, hvor en transistor er konfigureret til at fungere som en konstant strømregulator og derefter anbragt i serie med en forstærkende transistor for at give meget større spændingsgevinster end det, der er muligt med en passiv (fast modstand) belastning.

Spørgsmål 5

Baseret på hvad du ved om bipolære forbindelsestransistorer, hvad skal samlerstrømmen gøre (øg, mindsk eller forblive den samme), hvis den variable spændingskilde stiger i spænding? Den lille, faste spændingskilde (0, 7 volt) er lige nok til at gøre transistorens adfærd, men ikke nok til fuldt ud at mætte den.


Hvordan ser transistorkredsløbet ud som "# 5" fra variabel spændingskilde perspektiv? Reveal answer Skjul svar

Samlestrømmen forbliver (omtrent) den samme som den variable spændingskilde stiger i størrelse. På denne måde ser transistorkredsløbet ud som en strømkilde .


Bemærkninger:

Dette spørgsmål er virkelig intet andet end gennemgang af en transistors karakteristiske kurver. Du vil måske bede dine elever om at relatere dette kreds adfærd til de fælles karakteristiske kurver, der er vist i lærebøger for bipolære forbindelsestransistorer. Hvilken del af den karakteristiske kurve er denne transistor, der opererer i, mens den regulerer strøm?

Spørgsmål 6

Baseret på hvad du ved om bipolære forbindelsestransistorer, hvad skal kollektorstrømmen gøre (øg, mindsk eller forblive den samme), hvis modstanden mod modstanden er reduceret? Den lille spændingskilde (0, 7 volt) er lige nok til at gøre transistorens adfærd, men ikke nok til at mætte den helt.


Hvad ser det fra den variable modstands perspektiv, hvad ser resten af ​​transistorkredsløbet ud som "# 6"> Reveal svar Skjul svar

Samlestrømmen forbliver (omtrent) den samme som den variable modstand ændres. På denne måde ser transistorkredsløbet ud som en strømkilde til den variable modstand.


Bemærkninger:

Dette spørgsmål er virkelig intet andet end gennemgang af en transistors karakteristiske kurver. Du vil måske bede dine elever om at relatere dette kreds adfærd til de fælles karakteristiske kurver, der er vist i lærebøger for bipolære forbindelsestransistorer. Hvilken del af den karakteristiske kurve er denne transistor, der opererer i, mens den regulerer strøm?

Spørgsmål 7

Beskriv, hvad der sker med transistorens kollektorstrøm, da den variable modstands værdi ændres:


Tip: Det er nyttigt at huske, at spændingsfaldet over et PN-kryds er ikke lige konstant, da strømmen gennem det varierer. Der er et ikke-lineært forhold mellem diode spændingsfald (V D ) og diode strøm (I D ) som beskrevet af diode ligningen :


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

Reveal svar Skjul svar

Transistorens kollektorstrøm stiger og falder med diodens strøm, som dikteret af den variable modstand. Ideelt matcher transistor-kollektorstrømmen netop diodens strøm.


Bemærkninger:

Dette kredsløb er virkelig begyndelsen på et nuværende spejl . Jeg har fundet det til et glimrende udgangspunkt for elevindlæring i lineær transistoroperation samt en god praktisk introduktion af nuværende reguleringskredsløb. Når eleverne genkender, at bipolære transistorer i det væsentlige er spændingsstyrede strømregulatorer (omend meget ikke-lineære!), Er de klar til at forstå deres anvendelse som signalforstærkere.

Spørgsmål 8

Kredsløbet vist her er et simpelt nuværende spejl . Forklar, hvad der sker, når belastningsmodstanden ændres:


De fleste nuværende spejle er ikke bygget præcis som dette. I stedet for en diode bruger de en transistor (identisk med den anden transistor) med bund- og kollektorterminalerne sammenkædede:


Ideelt er de to transistorer bygget på det samme underlagsmateriale, således at de altid er ved samme temperatur. Forklar hvorfor dette design er at foretrække for det første kredsløb (ved hjælp af dioden) vist i dette spørgsmål.

Reveal svar Skjul svar

Da belastningsmodstanden ændres, forbliver strømmen igennem den omtrent det samme. I det første nuværende spejlkreds, hvor en transistor modtager sit styresignal fra en diode (snarere end en anden transistor), er der en tendens til, at transistoren termisk "løber væk", hvilket tillader mere og mere strøm gennem belastningen over tid.

Opfølgningsspørgsmål: Forklar hvordan man justerer den regulerede strømmets målværdi i et af disse kredsløb.


Bemærkninger:

Nuværende spejle forvirrer begynderstuderende primært fordi de ikke kan forstås efter den forenklede model af et silicium PN-knudepunkt, der altid taber 0, 7 volt. Snarere er deres drift uløseligt forbundet med Shockleys diode ligning. Dette spørgsmål er derfor ikke kun en god gennemgang af den ligning, men det illustrerer også, hvordan de "modeller", vi bruger til at forklare ting, nogle gange viser sig at være utilstrækkelige.

Spørgsmål 9

To termer, der almindeligvis anvendes i elektronik, sourcing og synkronisering i henhold til retningen af ​​elektrisk strøm mellem et aktivt kredsløb og en belastning:


Et praktisk eksempel på hvor denne sondring er vigtig er i visse integrerede kredsløb (IC "chips"), hvor udgangsstifter kun kan synke nuværende, kun kildestrøm eller både sink og kildestrøm. Kig på disse to eksempler, hver hvor en integreret kredsløb "chip" styrer strøm til en LED. I et tilfælde er IC'et ledet til strøm til LED'en, og i det andet tilfælde er det ledet til at synke strøm fra LED'en:


Hvis en IC kun er i stand til at gøre den ene eller den anden (kilde eller synk nuværende, men ikke begge), gør det en stor forskel, hvordan du forbinder lastenheder til den! Hvad gør forskellen mellem et kredsløb, der er i stand til at kende nuværende versus et kredsløb, der kan synke nuværende er den interne konfiguration af dets transistorer.

Tilsvarende kan et nuværende spejlkredsløb bygges til enten kildestrøm eller sinkstrøm, men ikke begge dele. Tegn aktuelle spejlekredsløb inden for stiplede kasser, der er egnede til sourcing og synkronisering til en belastningsmodstand:


Reveal svar Skjul svar



Bemærkninger:

Dette spørgsmål udfordrer elevernes evne til at "manipulere" det grundlæggende nuværende spejlkreds i to forskellige konfigurationer. Afhængigt af hvor godt dine elever får det grundlæggende koncept, vil du måske bruge ekstra diskussionstid, der sammenligner de to kredsløb, sporer strøm gennem hver og diskuterer deres drift generelt.

Selvom det kan virke trivielt for en erfaren instruktør eller elektronik professionel, er variationer i kredsløbsdesign, der udelukkende består af inverterende komponenter, ofte ret forvirrende for eleverne, især de svage i rumlige relationer. Jeg opfordrer dig til regelmæssigt at arbejde med disse studerende for at opbygge denne vigtige visualiseringsevner.

Spørgsmål 10

Beregn den omtrentlige mængde strøm, som dette nuværende spejlekredsløb vil forsøge at opretholde gennem R- belastning, forudsat at siliciumtransistorer (0, 7 volt fremspring af base-emitter-forbindelsesdråb):


Reveal svar Skjul svar

Jeg indlæser ≈ 6, 5 mA

Opfølgningsspørgsmål: Hvad skal ændres i dette kredsløb for at øge strømmen gennem belastningsmodstanden uden at ændre strømforsyningsspændingen "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de fik svaret på dette spørgsmål, trin for trin.

Spørgsmål 11

Beregn den omtrentlige mængde strøm, som dette nuværende spejlekredsløb vil forsøge at opretholde gennem R- belastning, forudsat at siliciumtransistorer (0, 7 volt fremspring af base-emitter-forbindelsesdråb):


Også beregne den omtrentlige effektafledning af transistor Q 2 .

Reveal svar Skjul svar

Jeg indlæser ≈ 4, 57 mA P Q2 ≈ 40, 77 mW


Bemærkninger:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de fik svaret på dette spørgsmål, trin for trin.

Spørgsmål 12

Beregn den omtrentlige mængde strøm, som dette nuværende spejlekredsløb vil forsøge at opretholde gennem R- belastning, forudsat at siliciumtransistorer (0, 7 volt fremspring af base-emitter-forbindelsesdråb):


Også beregne den omtrentlige effektafledning af begge transistorer.

Reveal svar Skjul svar

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

Opfølgningsspørgsmål: Hvad fortæller de to strømafgivelsesfigurer os om den relative effekt af to transistorer, der håndterer nøjagtig samme strømme "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at forklare, hvordan de fik svaret på dette spørgsmål, trin for trin.

Opfølgningsspørgsmålet er en vigtig af nogle årsager. For det første skal eleverne være opmærksomme på, at transistorens strømafledning bestemmes af mere end bare samlerens nuværende. For det andet vil de uensartede dissipationer af disse to transistorer føre til unøjagtigheder i reguleret strøm i et nuværende spejlkreds, hvis der ikke træffes foranstaltninger for at udligne deres temperaturer.

Spørgsmål 13

Vælg en strømforsyningsspænding og modstandsværdi for R 1, der opretholder ca. 15 mA strøm gennem 1 kΩ belastningsmodstanden. Antag brugen af ​​en siliciumtransistor:


For at sikre rigeligt reguleringsområde (evnen til at opretholde reguleret strøm over en bred vifte af belastningsmodstandsværdier) skal du designe dit kredsløb, så mindst 20 volt V CE falder over transistor Q 2 . Også beregne den omtrentlige effektafledning af transistor Q 2 .

Reveal svar Skjul svar

Bemærk, at dette kun er et muligt sæt værdier, der opfylder kriterierne for dette kredsløb. Dine egne svar kan være forskellige!

R 1 = 2.287 kΩ V forsyning = 35 volt P Q2 ≈ 300 mW


Bemærkninger:

Da der er mere end et nuværende svar på dette designproblem, skal du bede eleverne om at præsentere forskellige løsninger på det og bede dem om at forklare, hvordan de fik deres svar på dette spørgsmål.

Spørgsmål 14

Beskriv transistorens formål i dette AC-DC strømforsyningskredsløb:


Reveal svar Skjul svar

Transistoren tjener til at "strømme" strømforsyningen til modstands / zener spændingsregulator kredsløb for at give langt mere strøm til en belastning end muligt med modstanden / zener alene.


Bemærkninger:

Bed dine elever om at identificere konfigurationen af ​​denne transistorforstærker (common-base, common-emitter eller common collector "panelpanel-panelets standardpanel" defaultcope>

Spørgsmål 15

Installer et potentiometer i dette kredsløb, så den regulerede udgangsspænding for denne strømforsyning bliver justerbar:


Udfordring: Lad potentiometer symbolet være på plads, og foretag de nødvendige ledningsforbindelser mellem den og resten af ​​kredsløbet!

Reveal svar Skjul svar


Udfordringsspørgsmålet: Hvilken spændingsindstilling vil for en given mængde belastningsstrøm forårsage, at transistoren spredes mest varmeenergi, lav, medium eller høj "noter skjult"> Noter:

Nogle studerende kan vælge at placere potentiometeret på strømforsyningens udgang (tilslutning til transistorens emitterterminal). Selvom dette vil fungere, er det teknisk set ikke en god løsning, fordi belastningsstrømmen vil blive stærkt begrænset af potentiometerets modstand. Diskuter med dine elever, hvorfor kredsløbet i svaret er mere praktisk.

Svaret på udfordringsspørgsmålet er ikke-hensigtsmæssigt, men det er fornuftigt, når du bestemmer, hvilke variabler der påvirker transistorens strømafledning (emitterstrøm og V CE ).

Spørgsmål 16

Beregn den omtrentlige udgangsspænding for dette regulerede strømforsyningskredsløb og mængden af ​​strøm gennem zenerdioden under ubelastede forhold:


Reveal svar Skjul svar

V ud ≈ -8, 6 VI zener ≈ 6, 71 mA


Bemærkninger:

Beregning af udgangsspændingen er en meget enklere opgave end at beregne zener diodeens strøm! Lad dine elever forklare deres problemløsningsteknikker til dette kredsløb.

Spørgsmål 17

Beregn den omtrentlige udgangsspænding for dette regulerede strømforsyningskredsløb, mængden af ​​strøm gennem zenerdioden og den (uregulerede) spænding på tværs af 1000 μF kondensatoren, alt under ikke-belastede forhold:


Reveal svar Skjul svar

V ud ≈ 6.2 VI zener ≈ 25, 6 mA V kondensator = 32, 5 V


Bemærkninger:

Beregning af udgangsspændingen er en meget enklere opgave end at beregne zener diodeens strøm! Lad dine elever forklare deres problemløsningsteknikker til dette kredsløb.

Spørgsmål 18

Forudsig, hvordan alle komponentspændinger og strømme i dette kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):


Modstand R 1 fejler åben:
Transistor Q 1 fejler åben, samler til emitter:
Transistor Q 1 fejler ikke kort, samler til emitter:
Transistor Q 2 fejler åben, samler til emitter:
Transistor Q 2 fejler ikke kort, samler til emitter:
Belastning afkortes:

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

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Ingen strøm gennem Q 1, ingen strøm gennem Q 2, ingen strøm gennem belastning, ingen spænding faldt over Q 1, fuld spænding faldt over kollektor-emitteren på Q 2 .
Transistor Q 1 fejler åben, kollektor til emitter: Ca. samme strøm gennem R 1, øget strøm gennem Q 2 base, øget strøm gennem Q 2 kollektor (belastningsstrøm), og mindre spænding faldt mellem kollektor-emitter af Q 2 .
Transistor Q 1 svigter kort, samler til emitter: Øget strøm gennem R 1, næsten nul strøm gennem alle terminaler på Q 2 og belastningen, fuld spænding faldt over kollektor-emitteren af ​​Q 2 .
Transistor Q 2 fejler åben, samler til emitter: Ingen ændring i strøm for R 1 eller Q 1, nul laststrøm, fuld spænding faldt over kollektor-emitteren af ​​Q 2 .
Transistor Q 2 fejler kort, samler til emitter: Strøm gennem R 1 vil højst sandsynligt stige, nul spænding faldt over kollektor-emitter af Q 2, øget strøm gennem Q 2 og belastning.
Load fail shorted: Ingen ændring i nogen strøm (i virkeligheden vil belastningsstrømmen stige en smule), øget spændingsfald over kollektor-emitteren på Q 2, mulig overophedning af Q 2 .

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 19

Forudsig, hvordan dette strømforsyningskreds udgangsspænding vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Bemærk også, om andre komponenter i dette kredsløb vil blive stresset som følge af hver fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):


Transformator T 1 primære vikling mislykkes kortsluttet:
Transformator T 1 sekundær vikling fejler åben:
Korrigerende diode D 3 fejler åben:
Zener diode D 5 fejler åbent:
Zener diode D 5 fejler ikke kort:
Modstand R 1 fejler åben:
Kondensator C 2 fejler ikke kort:

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

Reveal svar Skjul svar

Transformator T 1 primære vikling mangler kortslutning: Sikringen blæser straks, så falder udgangsspændingen til nul (efter at filterkondensatorerne er afladet).
Transformator T 1 sekundær vikling fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul (efter filterkondensatorer C 1 og C 2 er afladet).
Korrigerende diode D 3 fejler åben: Ingen ændring i udgangsspænding (undtagen når det er tungt lastet, hvor der vil øges ripplespændingen).
Zener diode D 5 fejler åben: Udgangsspændingen stiger til omtrent samme niveau som ureguleret spænding (over kondensator C 1 ).
Zener diode D 5 mangler kortslutning: Udgangsspændingen falder til nul (så hurtigt som C 2 kan aflades), kan modstand R 1 overophedes.
Modstand R 1 fejler åben: Udgangsspændingen falder til nul (så hurtigt som C 2 kan aflades).
Kondensator C 2 svigter ikke: Udgangsspændingen falder til en meget lav værdi, transistor Q 1 vil højst sandsynligvis blive overophedet.

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 20

Antag, at dette regulerede strømforsyningskredsløb bruges til at fungere fint, men nu er det stoppet med at udlade nogen jævnspænding overhovedet:


Indledende diagnostiske målinger viser, at der er fuld DC (ureguleret) spænding over kondensator C 1, og ingen DC spænding mellem transistorbasis og jord. Fra disse data, hvor ville du have mistanke om problemet er "# 20"> Reveal svar Skjul svar

Det er sandsynligvis, at R 1 ikke er åben eller zener diode D 5 ikke er kortsluttet, således at transistoren ikke bliver "fortalt" for at sende nogen spænding ved dens emitterterminal.


Bemærkninger:

Spørg dine elever, hvorfor de diagnostiske målinger, der er beskrevet i spørgsmålet, er gode punkter at kontrollere (i den rækkefølge, de blev taget).

Spørgsmål 21

Mange forskellige typer sensorer arbejder på princippet om en variabel modstand, der repræsenterer en anden fysisk mængde. En sådan sensor er den fælles brændstofniveau sensor, der anvendes til applikationer inden for automobil-, marine- og industriel brændstofopbevaring:


Da brændstofniveauet i tanken ændres, ændres floatpositionen og ændrer sensorens modstand. Denne modstandsændring registreres ved hjælp af en elektrisk måler (en speciel type måler), som derefter giver en visuel indikation af brændstofniveauet i tanken.

Vi skal have en præcis måde at måle elektrisk modstand på for at denne ordning kan fungere. En almindelig teknik til at gøre dette er at passere en konstant strøm gennem sensorens modstand og derefter måle spændingen faldt over den. Da de nuværende spejlekredsløb fungerer som strømregulatorer og derfor kan bruges som strømkilder, hvis de leveres med en ekstern spænding, kunne vi bruge et aktuelt spejl til at tvinge konstant strøm gennem brændstofniveau sensoren:


Et problem med det viste kredsløb er, at sensorstrømmen ændres, da forsyningsspændingen (+ V) ændres. Dette kan være vigtigt for os, fordi DC-systemets spænding på en bil måske ikke er meget stabil, og dette kan medføre unøjagtigheder i brændstofniveau måling.

Find ud af, hvordan vi kunne bruge en zener diode til at stabilisere spændingen i dette nuværende spejl kredsløb, således at forsyningsspænding ændringer ville have minimal effekt på mængden af ​​strøm gennem variabel modstand sensor.

Reveal svar Skjul svar



Bemærkninger:

Studerende kan forsøge at gennemføre et spændingsreguleringssystem for hele kredsløbet, sensoren og alt, men det er unødvendigt. Brug en zener diode til at regulere spændingen for den højre del af det nuværende spejl kredsløb, så den højre transistor (fungerer som diode) modtager konstant strøm er alt, hvad der er nødvendigt. Den venstre transistor skal regulere strømmen korrekt gennem sensoren på trods af ændringer i sensorens modstand og ændringer i forsyningsspændingen.

Spørgsmål 22

En meget nyttig funktion for en reguleret spændingskilde er en elektronisk strømgrænse : et kredsløb, som begrænser mængden af ​​strøm, der kan leveres til en belastning, for at undgå unødvendig sikring. Kombinationen af ​​transistor Q2 og modstand R2 giver netop denne funktion til følgende spændingsregulator kredsløb:


Beskriv hvordan transistor Q2 begrænser strømmen til en direkte kortslutning over belastningsterminalerne.

Reveal svar Skjul svar

Transistor Q2 tændes i tilfælde af, at overdreven strøm går gennem belastningen, der effektivt forbinder zenerdiodens katode med + V-udgangsterminalen, hvilket reducerer reguleringens setpunktsspænding, indtil belastningsstrømmen reduceres til et acceptabelt niveau.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke komponentværdier skal vi ændre for at justere den nuværende grænse i dette strømforsyningskredsløb "noter skjult"> Noter:

Bed dine elever om at identificere, hvad det er, der tænder transistor Q2.

Hvis eleverne har svært ved at forstå transistor Q2's begrænsningsfunktion, skal de bare erstatte Q2 med en direkte kort (mellem kollektor og emitterterminaler i Q2) og genanalysere kredsløbet. De skal se, at transistor Q1 ikke kan tænde i denne tilstand.

En meget nyttig strategi til at analysere, hvad der sker i et elektronisk kredsløb, da variabler ændrer sig, er at forestille sig de variabler, der antager ekstreme tilstande. I dette tilfælde, for at se den tendens, der opstår, når Q2 begynder at udføre, forestille Q2 at udføre perfekt (en kort mellem samler og emitter). Omvendt, hvis vi ønskede at se, hvad kredsløbet ville gøre under forhold, hvor Q2 er i cutoff-tilstand, skal du bare erstatte Q2 med et åbent kredsløb. Selvom det ikke altid er pålideligt, hjælper denne teknik ofte med at overvinde mentale forhindringer i analyse, og det er en færdighed, du bør opmuntre i elevernes diskussioner ofte.

Spørgsmål 23

Antag at du havde det kedelige job ved manuelt at holde udgangsspændingen for en DC-generator konstant. Din eneste kontrol over spændingen er indstillingen af ​​en reostat:


Hvad skal du gøre for at opretholde belastningsspændingen konstant, hvis belastningsmodstanden ændres for at trække mere strøm "# 23"> Reveal svar Skjul svar

For at øge belastningsspændingen skal du mindske modstanden af ​​reostat. For at denne ordning skal virke, skal generatorspændingen være større end målbelastningen.

Bemærk: Denne generelle spændingsstyringsordning er kendt som serieregulering, hvor en serie modstand varieres for at styre spændingen til en belastning.


Bemærkninger:

Ræostatjusteringens retning bør være indlysende, ligesom det er, at generatorens spænding skal være mindst lige så høj som den tilsigtede (mål) belastningsspænding. Det kan dog ikke være indlysende for alle, at generatorens spænding ikke kun kan svare til den tilsigtede belastningsspænding.

For at illustrere nødvendigheden af ​​dette, spørg dine elever om, hvordan systemet ville fungere, hvis generatorens udgangsspænding var nøjagtigt den forventede belastningsspænding. Fremhæv det faktum, at generatoren ikke er perfekt: den har sin egen indre modstand, hvis værdi ikke kan ændres af dig. Hvilken position vil reostat være i under disse forhold for at opretholde målspændingen ved belastningen? Kan målspændingen overhovedet opretholdes?

Spørgsmål 24

Antag at du havde det kedelige job ved manuelt at holde udgangsspændingen for en DC-generator konstant. Din eneste kontrol over spændingen er indstillingen af ​​en reostat:


Hvad skal du gøre for at opretholde belastningsspændingen konstant, hvis belastningsmodstanden ændres for at trække mere strøm "# 24"> Reveal svar Skjul svar

For at øge belastningsspændingen skal du øge modstanden af ​​reostat. For at denne ordning skal virke, skal generatorspændingen være større end målbelastningen.

Bemærk: Denne generelle spændingsstyringsordning er kendt som shunt-regulering, hvor en parallel (shunt) modstand varieres for at styre spændingen til en belastning.

Opfølgningsspørgsmål: Under forudsætning af, at belastningsspændingen opretholdes til en konstant værdi af en stram reostatoperatør trods fluktuationer i belastningsstrømmen, hvordan ville du karakterisere strømmen gennem generatorens viklinger? Stiger det med belastningsstrøm, reduceres med belastningsstrøm eller forbliver det samme? Hvorfor?


Bemærkninger:

Ræostatjusteringens retning bør være indlysende, ligesom det er, at generatorens spænding skal være mindst lige så høj som den tilsigtede (mål) belastningsspænding. Det kan dog ikke være indlysende for alle, at generatorens spænding ikke kun kan svare til den tilsigtede belastningsspænding.

For at illustrere nødvendigheden af ​​dette, spørg dine elever om, hvordan systemet ville fungere, hvis generatorens udgangsspænding var nøjagtigt den forventede belastningsspænding. Fremhæv det faktum, at generatoren ikke er perfekt: den har sin egen indre modstand, hvis værdi ikke kan ændres af dig. Hvilken position vil reostat være i under disse forhold for at opretholde målspændingen ved belastningen? Kan målspændingen overhovedet opretholdes?

En nyttig analogi for elever er den for en bil med automatisk transmission, hvor hastigheden styres af bremsepedalen, mens acceleratorpedalen holdes konstant. Dette er ikke den mest energieffektive metode til hastighedsstyring, men det vil fungere inden for visse grænser!

Spørgsmål 25

Beskriv, hvordan en zener diode er i stand til at opretholde reguleret (næsten konstant) spænding over belastningen på trods af ændringer i belastningsstrømmen:


Reveal svar Skjul svar

Zener trækker mere eller mindre strøm som nødvendigt fra generatoren (gennem seriemodstanden) for at opretholde spændingen med en næsten konstant værdi.

Opfølgningsspørgsmål nr. 1: Hvis generatoren tilfældigvis producerer en smule krusningsspænding (som alle elektromekaniske DC-generatorer gør), vil nogen af ​​denne krusningsspænding komme frem i belastningen efter at have passeret zener diode spændingsregulator kredsløb "noter skjult"> Bemærkninger:

Bed dine elever om at beskrive, hvordan energieffektive de tror, ​​at dette kredsløb er. Har de mistanke om, at det ville være mere egnet til lavspændingsapplikationer eller højspændingsapplikationer?

Spørgsmål 26

Beregn den effekt, der afledes af 5 volt zener diode for følgende værdier af motorstrøm (antag batterispændingen forbliver konstant ved 12 volt):


I motor = 20 mA; P zener =
I motor = 50 mA; P zener =
I motor = 90 mA; P zener =
I motor = 120 mA; P zener =
I motor = 150 mA; P zener =
Reveal svar Skjul svar

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

Opfølgningsspørgsmål: Ladespænding ved 5 volt konstant i hele dette område af belastningsstrømme (fra 20 mA til 150 mA) "noter skjult"> Noter:

Opfølgningsspørgsmålet er ret vigtigt her, da eleverne skal indse begrænsningerne for zenerbaserede spændingsregulatorer. Vigtigst er det, at de kan beregne den nøjagtige nuværende grænse for en zener-baseret spændingsregulator - det punkt, hvor det stopper med at regulere?

Det skal bemærkes, at de beregnede svar vist her ikke vil svare præcist til et ægte zener-diode-kredsløb, fordi zener-dioder har en tendens til gradvist at aftage i strømmen, idet den anvendte spænding nærmer zener spændingsværdien i stedet for strømmen kraftigt faldende til nul som en enklere model ville forudsige.

Spørgsmål 27

Er det muligt at reducere dette zener diode spændingsregulator kredsløb til et Thévenin tilsvarende kredsløb? Forklar hvorfor eller hvorfor ikke.


Reveal svar Skjul svar

Teknisk set kan dette kredsløb ikke reduceres til enten Thévenin eller Norton ækvivalent, fordi zener diode er en ikke-lineær komponent. Det er dog muligt at oprette to forskellige Thévenin-ækvivalente kredsløb: den ene repræsenterer kredsløbet ved regulering af spænding ved V zener, og den anden repræsenterer kredsløbet, når belastningsmodstanden er under kritisk værdi, og spændingen reguleres ikke længere:




Bemærkninger:

Nogle elever kan protestere mod det første Thévenin-ækvivalente kredsløb (med en 0 ohm serie modstand), fordi dette ville være en perfekt spændingskilde. I virkeligheden ville der være en meget lille serie modstand, der tegner sig for den lille spænding "sag" oplevet under skiftende belastninger inden for reguleringsområdet, men det er vanskeligt at beregne.

Spørgsmål 28

Forudsig, hvordan alle komponentspændinger og strømme i dette kredsløb vil blive påvirket som følge af følgende fejl. Consider each fault independently (ie one at a time, no multiple faults):


Zener diode fails shorted:
Zener diode fails open:
Series resistor fails open:
Series resistor fails shorted:

For each of these conditions, explain why the resulting effects will occur.

Reveal answer Hide answer

Zener diode fails shorted: Little voltage across load, increased voltage across R series, increased current through source and R series .
Zener diode fails open: Increased voltage across load, decreased voltage across R series, decreased current through source and R series .
Series resistor fails open: No voltage across D 1 or load, no current through D 1 or load, no current through source.
Series resistor fails shorted: Full source voltage across load and D 1, greatly increased current through D 1, increased current through source, D 1 will most likely overheat and fail.

Notes:

The purpose of this question is to approach the domain of circuit troubleshooting from a perspective of knowing what the fault is, rather than only knowing what the symptoms are. Although this is not necessarily a realistic perspective, it helps students build the foundational knowledge necessary to diagnose a faulted circuit from empirical data. Questions such as this should be followed (eventually) by other questions asking students to identify likely faults based on measurements.

  • ← Previous Worksheet

  • Worksheets Index

  • Next Worksheet →