Elektroteknikens grunder Laboration 3. OP-förstärkare

Transkript

1 Elektroteknikens grunder Laboration 3 OPförstärkare

2 Elektroteknikens grunder Laboration 3 Mål Du ska i denna laboration studera tre olika användningsområden för OPförstärkare. Den ska användas som komparator, förstärkare samt aktivt filter. Förberedelser Läs igenom labhandledningen samt besvara samtliga uppgifter märkta med F. Komparatorkoppling Genom att återkoppla utgången från en OPförstärkare till dess plusingång fås en komparatorkoppling med hysteras, en så kallad Schmitttrigger. Denna koppling kan användas för att jämföra två signaler. Om spänningen som ligger på plusingången är större än den på minusingången blir OP:ns utgång maximalt positiv ( m ). Om däremot minusingången har högst spänning skiftar OP:ns utgång till maximalt negativ eller noll om den är enkelsidigt matad ( m eller 0). Figur visar beteendet hos en enkelsidigt matad komparatorkoppling. En komparator med hysteres kan användas t.ex för att styra ett värmeelement som ska se till att hålla konstant temperatur. Insignalen är då en mätsignal som är proportionell mot temperatur och omslagspunkterna motsvarar temperaturen som värmeelementet ska slå till respektive från vid. Komparatorns utgång aktiverar värmen. Komparator 0 eller M omslag omslag ref R A R 0 0 A ' '' A 5 ' Figur Komparatorkoppling samt sambandet mellan komparatorn in och utsignal. Antag att matningsspänningen är enkelsidig och att M =3.5 V, ref =7.5 V, R =00 kω, R = 00 kω. F. Bestäm omslagspunkterna A ' och A '', dvs beräkna A för de två fallen med =0 respektive = m. F. Förklara funktionen när varierar från 5 V till 0 V och åter till 5V. På laborationen ska komparatorn driva en lysdiod så att lysdioden är tänd när komparatorns utgång är hög ( M ) och släckt när utgången är låg (0 V). Eftersom Lysdioden kräver 40 ma för att lysa fullt klarar inte komparatorn att driva denna direkt utan en transistorkoppling enligt Figur används. Spänning ut från komparatorn ger en basström som med hjälp av transistorn förstärks så att man får en högre kollektorström vilken går genom lysdioden.

3 Elektroteknikens grunder Laboration 3 h femin = 60 BEon = 0.6 V och CEsat = 0. V 0 R 5 Komparator 0 eller M I B R nollnivå eller jord (elektronikjord för OP) R 3 R 4 Lysdiod bas BE anod katod Figur Komparator samt transistorswitch med lysdiod. D kollektor CE emitter Transistor BC 3375 Lysdiodens framspänningsfall D är.8 V. Transistorns strömförstärkningsfaktor h FE = I C / I B är 60 ggr, BE =0.6 V och CEsat =0. V. F 3. Dimensionera R3 och R4 i transistorswitchen så att lysdiodens ström är 40 ma när komparatorns utgång är hög, dvs = M. Förstärkarkoppling Genom att återkoppla utgången från en OPförstärkare till dess minusingång fås en förstärkarkoppling som kan användas för att förstärka en spänning. Förstärkarkopplingen kan vara antingen inverterande eller ickeinverterande beroende på hur insignalen kopplas in, se Figur 3. I in =I I I in = 0 Figur 3 Inverterande och ickeinverterande förstärkarkoppling. Antag att OPförstärkarkopplingarna i Figur 3 är dubbelsidigt matade med ±5 V. F 4. Härled ett uttryck för förstärkningen F = ut / in i de båda förstärkarna. F 5. Antag att R = kω. Hur stor skall R vara i den inverterande förstärkarkopplingen för att erhålla en förstärkning på 00 ggr? F 6. Hur stor ström I in drar de två OPkopplingarna maximalt inom det linjära utstyrningsområdet? F 7. Vilken ingångsimpedans Z in = in /I in har de två kopplingarna? F 8. Vad menas med offsetspänning i OPförstärkarsammanhang?

4 Elektroteknikens grunder Laboration 3 3 Filterkoppling I förstärkarkopplingen i Figur 4 har en frekvensberoende komponent i form av en kondensator införts i återkopplingen. Detta innebär att kretsen kommer att ha en förstärkning som är frekvensberoende. Figur 4 Aktivt filter. Antag att R = R = 00 kω och C = 0,0 μf i Figur 4. F 9. Vilken sorts filter är det? Skissa bodediagram för filterkopplingen. F 0. Vilken förstärkning har kretsen för låga respektive höga frekvenser? F. Vilken brytfrekvens har filtret? Labutrustningen OPförstärkare OPförstärkarna samt diverse passiva komponenter (bl.a. resistanser och kondensatorer) är placerade på två olika labplattor. Den vänstra labplattan har dubbelsidig matning (5 V, 0 V och 5 V) medan den högra har enkelsidig matning (0 V och 5 V). Dessa spänningar som används som matning till OPförstärkarna är redan färdigkopplade på plattornas undersida. Till vänster på respektive labplatta finns ett antal uttag med konstanta spänningar. Märkningen på dessa uttag ska multipliceras med matningsspänningen, dvs 5 V, för att få utspänningen från respektive uttag. T.ex. ger 0.5 uttaget 0,5 x 5 V = 7.5 V. Potentiometer För att åstadkomma en variabel inspänning till OPförstärkaren används en så kallad potentiometer. Denna består av en släpkontakt som kan flyttas längs en resistans, se Figur 5 till vänster (observera att figuren är starkt förenklad för åskådlighetens skull). Figur 5 Potentiometer.

5 Elektroteknikens grunder Laboration 3 4 I mitten i Figur 5 visas symbolen för en potentiometer (rödmarkerad). Potentiometern kan ses som två variabla resistanser enligt Figur 5 till höger. Genom att flytta släpkontakten varierar man förhållandet mellan den övre och undre resistansen men summan av dessa två resistanser är alltid konstant. Man kan alltså se potentiometern som en variabel spänningsdelare. Om den kopplas in enligt Figur 5 kan spänningen varieras mellan.5v och.5v i förhållande till jordreferensen. Denna variabla spänning kan används som insignal till OPförstärkaren. Labuppgifter Den första delen av laborationen behandlar en komparator med hysteres. Därefter studeras en förstärkarkoppling och slutligen en filterkoppling. Komparatorkoppling OBSERVERA: I denna uppgift ska den högra labplattan med enkelsidig matingsspänning (0/5 V) användas. Koppla upp komparatorn med en enkelsidigt matad OPförstärkare enligt Figur och komponentvärden enligt förberedelseuppgiften. 0 tas från spänninguttaget till vänster på labplattan som är märkt 0,5. Detta uttag ger 0,5x5 V = 7.5 V. Anslut transistorswitchen till komparatorns utgång. Transistorswitchen finns färdigkopplad på en komponentadapter längst upp till höger på labplattan. Schema över adaptrarnas anslutningskontakter finns uppsatt vid labplatsen. För att skapa insignal till komparatorn används en 0 kω potentiometer. Potentiometerns yttre kontakter ansluts till 0V respektive 5 V och dess mittanslutning kopplas in till komparatorns ingång. Mät komparatorns inspänning och utspänning samtidigt. Kontrollera vid vilken inspänning komparatorn slår om när inspänningen ökar respektive minskar. Komparatorns karakteristik i Figur kan åskådliggöras på oscilloskopet genom att plotta in på xaxeln och ut på yaxeln. Med hjälp av tongeneratorn skapas en oscillerande signal som kommer att fungera som insignal till komparatorn. Välj Hz sinussignal. Justera amplitud och DCoffset så att signalen ligger inom intervallet 05V. (om signalen överskrider OPförstärkarens matningsspänning kan denna skadas). Koppla bort potentiometern på komparatorns ingång och koppla in tongeneratorn istället. Koppla komparatorns utsignal till kanal och dess insignal till kanal på oscilloskopet. Tryck på knappen [xy] på oscilloskopet för att se in på xaxeln och ut på yaxeln. Plotta ut som funktion av in på oscilloskopskärmen och studera komparatorns beteende när insignalen varierar. Jämför med Figur.

6 Elektroteknikens grunder Laboration 3 5 Förstärkarkoppling OBSERVERA: I denna uppgift ska den vänstra labplattan med dubbelsidig matingsspänning (±5 V) användas. Inverterande förstärkarkoppling Koppla upp den inverterande förstärkaren enligt det vänstra schemat i Figur 3. För att skapa insignal till förstärkaren används en 0 kω potentiometer. Potentiometerns yttre kontakter ansluts till.5v respektive.5v och dess mittanslutning kopplas till förstärkarens ingång. Använd två voltmetrar, mät upp förstärkningen och fyll i tabellen nedan. in [V] ut [V] F [ggr] Rita ut som funktion av in. Ett bra sätt att analysera funktionen hos förstärkarkretsar är att plotta ut mot in i xykoordinater på ett oscilloskop. Med hjälp av tongeneratorn skapas en oscillerande signal som kommer att fungera som insignal till förstärkaren. Sätt tongeneratorns DCnivå till noll. Välj sinussignal och ställ in en amplitud som ligger inom området för förstärkarens matningsspänning, alltså mellan 5V och 5V. Välj frekvensen till ca 0 Hz. Koppla tongeneratorn till förstärkarens ingång (potentiometern från föregående uppgift kopplas bort och ersätts av tongeneratorn). Koppla förstärkarens utsignal till kanal och dess insignal till kanal på oscilloskopet. Tryck på knappen [xy] på oscilloskopet för att se in på xaxeln och ut på yaxeln. Det är alltid viktigt att se till att förstärkarens insignal inte överskrider matningsspänningen, varken i positiv eller negativ riktning. I annat fall kan OPförstärkaren skadas. Plotta ut som funktion av in på oscilloskopskärmen och identifiera förstärkning. Offsetjustering Sätt in = 0V, dvs anslut förstärkaringången med en sladd direkt till jord. Mät ut. Troligen är ut inte riktigt noll även om in är noll. Detta beror på den så kallade offseten. För att få ut =0 när in =0 kan offsetjustering med hjälp av en potentiometer införas enligt Figur 6. Sätt in = 0V, dvs anslut förstärkaringången med en sladd direkt till jord. Koppla in en potentiometer enligt Figur 6. Mät ut och verifiera att offseten kan justeras bort.

7 Elektroteknikens grunder Laboration k in = 0 V k.5 V 00 kωpotentiometer.5 V 00 k V ut = 0 V V Figur 6 Offsetjustering. nolla, nollnivå eller jord Filterkoppling OBSERVERA: I denna uppgift ska den vänstra labplattan med dubbelsidig matingsspänning (±5 V) användas. Koppla upp det aktiva filtret enligt Figur 4 med R = R = 00 kω och C = 0,0 μf. Anslut 0 V till filtrets ingång. Bestäm DCförstärkningen F = ut / in och för in denna i tabellen nedan. Anslut en sinusformig signal från tongeneratorn till förstärkarens ingång. Mät filtrets inoch utsignal med hjälp två multimetrar, observera att dessa mäter RMSvärde. Samtidigt mäts fasförskjutningen mellan in och utsignal med hjälp av oscilloskop. Variera frekvensen och fyll i tabellen nedan. F [Hz] DC û in [V] û ut [V] F= u ut /u in [ggr] F= u ut /u in [db] arg(u ut /u in ) [ ] Vid vilken frekvens har fasförskjutningen mellan in och utsignal vridits 45 i förhållande till vinkeln vid låga frekvenser? Vad kallas denna frekvens? Hur stor är förstärkningen vid denna frekvens? Vad händer med utsignalen om insignalen består av en växelspänning överlagrad på en DCspänning (växelspänning med DCoffset)?

8 Elektroteknikens grunder Laboration 3 7 Integrator Filtrets överföringsfunktion kan skrivas F = ut in R = R jω R C Vid höga frekvenser är /(jωc ) << R vilket innebär att impedansen i återkopplingen blir ungefär /(jωc ). Filtrets överföringsfunktion kan då approximeras med F = ut in = jω R C Detta betyder att för höga frekvenser fungerar kopplingen som en integrator, dvs ut = R C in dt Anslut en fyrkantvåg (utan DCoffset) från tongeneratorn till förstärkarens ingång. Mät kretsens in och utsignal med hjälp av oscilloskop. Variera frekvensen mellan Hz. Vid vilken frekvens verkar kretsen fungera som en integrator?