Pomiar charakterystyk przejściowych wzmacniacza sumującego, wzmacniacza różnicowego, oraz stabilizatora napięcia¶

Cel ćwiczenia¶

Praktyczne zapoznanie się ze sposobem działania wzmacniacza sumującego, wzmacniacza różnicowego, oraz stabilizatora napięcia.

Wymagane wiadomości¶

Podstawy obwodów elektrycznych prądu stałego.
Wzmacniacz operacyjny w obwodach prądu stałego
Podstawowe konfiguracje wzmacniaczy napięciowych opartych na wzmacniaczach operacyjnych.

Wprowadzenie¶

W oparciu o wzmacniacze operacyjne można budować różne układy funkcjonalne przeznaczone do analogowego przetwarzania sygnałów. Szczególna rolę w tej dziedzinie zajmują układy wzmacniaczy napięciowych jako analogowe sumatory napięć wejściowych. Podstawowy schemat takiego układu przedstawia rys. 1.

Rysunek 1: Schemat wzmacniacza sumującego

Podobnie jak w przypadku wzmacniacza odwracającego, zależność napięcia wyjściowego od napięć wejściowych znajdujemy rozpisując I prawo Kirchhoffa (prądowe) dla węzła wejścia odwracającego „-” wzmacniacza operacyjnego:

\[I_{R1}+I_{R2}+I_{R3}+....+I_{Rn}=I_{Rf}\]

\[\frac{U_1}{R_1}+\frac{U_2}{R_2}+\frac{U_3}{R_3}+...+\frac{U_n}{R_n}=-\frac{U_{wy}}{R_f}\]

\[U_{wy}=-\left( U_1\frac{R_f}{R_1}+U_2\frac{R_f}{R_2}U_3\frac{R_f}{R_3}+...+U_n\frac{R_f}{R_n} \right)\]

Zatem układ realizuje sumowanie (ze znakiem ujemnym) napięć wejściowych w stosunkach określonych przez stosunek rezystora w pętli sprzężenia zwrotnego oraz rezystora wejściowego.

Innym układem, szeroko stosowanym w technikach pomiarowych jest tzw. wzmacniacz różnicowy który służy zazwyczaj jako stopień wejściowy układów dopasowujących sygnały z sensorów do torów pomiarowych. Schemat wzmacniacza różnicowego przedstawiony jest na rys. 2.

Rysunek 2: Schemat wzmacniacza różnicowego.

Rozpisując I prawo Kirchhoffa osobno dla węzłów wejść „+” i „-” oraz oznaczając ich potencjały jako odpowiednio \(U^{+}\) oraz \(U^{-}\) możemy znaleźć zależność napięcia wyjściowego od napięć wejściowych \(U_1\) oraz \(U_2\):

\[\frac{U_2-U^*}{R_3}=\frac{U^+}{R_4},\; \frac{U_1-U^-}{R_1}=\frac{U^- - U_{wy}}{R_2},\; U^{-} = U^{+}\]

\[U_{wy}=\left( \frac{R_1+R_4}{R_3+R_4}\right)\frac{R_4}{R_1}U_2-\frac{R_2}{R_1}U_1\]

Gdy \(R_2/R_2\) jest równe \(R_4/R_3\) to

\[U_{wy}=\frac{R_2}{R_1}\left( U_2-U_1 \right)\]

Właściwości regulacyjne wzmacniaczy operacyjnych można wykorzystać do np. konstrukcji układu stabilizatora napięcia, jak na rys. 3.

Rysunek 3: Schemat stabilizatora napięcia.

Układ działa w ten sposób, że stabilizuje napięcie \(V_{stab}\) niezależnie od wartości napięcia niestabilizowanego \(+V_{DC}\) oraz obciążenia prądowego. Realizowane jest to przez objęcie pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego tranzystora \(Q\), w rezultacie czego otrzymujemy wtórnik n napięciowy powtarzający napięcie diody Zenera.

Przebieg ćwiczenia¶

Przygotować i przetestować program, napisany w środowisku LabView z wykorzystaniem modułu pomiarowego MyDaq, umożliwiający zadawanie dwóch napięć wejściowych oraz pomiar napięcia wyjściowego badanego układu.
Skonfigurować układ wzmacniacza sumującego (rys. 4) i połączyć go z modułem MyDaq. Dobrać rezystory \(R_1\), \(R_2\) i \(R_f\) tak, by układ realizował funkcję \(U_{wy}=-(U_1+2*U_2)\).

Rysunek 4: Schemat podłączenia wzmacniacza sumującego do modułu MyDaq.
Dla 10-ciu różnych kombinacji napięć wejściowych (z zakresu :math:pm 2 V`) zmierzyć napięcie wyjściowe. Sporządzić odpowiednia tabelę, a otrzymane wartości napięć wyjściowych porównać z wartościami teoretycznymi.
Skonfigurować układ wzmacniacza różnicowego (rys. 5) i połączyć go z modułem MyDaq. Dobrać rezystory \(R_1\), \(R_2\), \(R3\) i \(R_4\) tak, by układ realizował funkcję \(U_{wy}=2(U_2-U_1)\).

Rysunek 5: Schemat podłączenia wzmacniacza różnicowego do modułu MyDaq.
Dla 10-ciu różnych kombinacji napięć wejściowych (z zakresu \(\pm 2 V\)) zmierzyć napięcie wyjściowe. Sporządzić odpowiednia tabelę, a otrzymane wartości napięć wyjściowych porównać z wartościami teoretycznymi.
Skonfigurować układ stabilizatora napięcia (rys. 6) i połączyć go z modułem MyDaq. Dobrać wartość rezystora \(R_1\) do mocy diody Zenera o napięciu \(4.7 V\). Dobrać wartość rezystora bazy \(R_b\), biorąc pod uwagę współczynnik wzmocnienia tranzystora oraz maksymalny prąd stabilizatora \(100 mA\). Układ stabilizatora należy zasilać z zasilacza stałoprądowego o regulowanej wartości napięcia. Dobrać wartość rezystora obciążenia \(R_0\) tak, by prąd obciążenia wynosił \(100 mA\).

Schemat podłączenia stabilizatora napięcia do modułu MyDaq.
Określić minimalne napięcie zasilacza, przy którym napięcie wyjściowe jest stabilizowane.
Zbadać jakość stabilizacji napięcia wyjściowego przy różnym obciążeniu prądowym równym \(1\), \(10\), \(100 mA\). Zestawić w tabeli odpowiednie wielkości.

Opracowanie wyników¶

W sprawozdaniu należy:

opisać przebieg ćwiczenia,
zestawić otrzymane wyniki w formie tabel i przedyskutować je w kontekście teoretycznych, oczekiwanych wartości

Literatura¶

[Hempowicz2004-2]

P. Hempowicz, R. Kiełsznia, A. Piłatowicz, J. Szymczyk, T. Toborowski, A. Wąsowski, A.Zielińska, W. Żurawski, Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków, WNT, Warszawa 2004

[Stacewicz1994-2]

T. Stacewicz, A. Kotlicki, Elektronika w laboratorium naukowym, PWN, Warszawa 1994.

[Horowitz1995-2]

P. Horowitz, W. Hill, Sztuka elektroniki, WKŁ, Warszawa 1992, 1995.

[Tietze1996-2]

U. Tietze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa 1976, 1987, 1996.

[Sledziewski1984-2]

R. Śledziewski, Elektronika dla fizyków, PWN, Warszawa 1984.