CIRCUITE DE COMUTARE DC

I. OBIECTIVE

a) Stabilirea legăturii dintre alcătuirea diporţilor DC şi funcţiile realizate de acestea. b) Înţelegerea modului prin care multiplicatoarele de tensiune (dublor, triplor) se pot

construi folosind diporţi DC simpli.

II. COMPONENTE ŞI APARATURĂ

Folosim un breadboard, trei diode semiconductoare de tip 1N4148 (banda indică catodul) şi trei condensatoare cu valoarea de 100nF. Deoarece aplicăm tensiuni continue şi variabile şi măsurăm tensiuni continue şi variabile avem nevoie de o sursă de tensiune continuă stabilizată, un generator de semnale, un osciloscop catodic cu două canale şi un multimetru digital.

III. ASPECTE TEORETICE

Diporţii DC sunt circuite de comutare care conţin diode şi condensatoare. Ei au aceleaşi scheme electrice ca şi diporţii DR, doar că R este înlocuit cu C. 1. Diporţi DC de extrem (maxim/minim) temporal Să considerăm diportul DC din Fig. 1., cu ieşirea în gol.

Analiza acestui diport o facem considerând că la momentul iniţial t=0 (momentul

aplicării sursei de tensiune variabilă vI ), condensatorul este descărcat vC (0)=0V. Ne propunem să determinăm tensiunea pe ieşire vO(t), care este identică cu cea de pe

condensator vO(t) = vC (t) şi tensiunea pe diodă vD(t). O dată cu evoluţia în timp, se pot schimba potenţialele la ambele terminale ale diodei.

Atâta timp cât vD tinde să fie pozitivă, dioda conduce, vD=10V, condensatorul se încarcă şi

iC vI

D

vD

C vO vC Fig. 1. Diport DC de

maxim temporal

dtdv

Ci IC =

1

vC(t) creşte. Prin circuit trece curentul iC >0, a cărui intensitate este determinată doar de valoarea capacităţii şi a vitezei de creştere a tensiunii de intrare:

Deoarece dioda este ideală, tensiunea de ieşire este egală cu cea de intrare. Atâta timp cât vD<0V, dioda este blocată, deci nu există curent în circuit, ceea ce face

ca tensiunea pe condensator să rămână nemodificată: vC (t)=constant. Conform TKV avem:

vD (t) = vI (t) – vO(t)

Formele de undă pentru diportul de maxim temporal sunt prezentate în Fig.2 (cu tensiunea de intrare vI, reprezentată prima).

Se observă că în fiecare moment de timp valoarea tensiunii de ieşire vO este egală cu

cea mai mare valoare pozitivă luată de tensiunea de intrare vI în momentele anterioare. Din acest motiv, circuitul se mai numeşte şi diport de maxim temporal sau detector de vârf.

Dacă se consideră pe D o cădere de 0,7V în conducţie, atunci pentru t∈[t1,t2]; vO=4,3V, iar pentru t>t3, vO=7,3V.

Pentru a obţine un diport de minim temporal se foloseşte o schemă asemănătoare cu

cea a circuitului de maxim, doar că se inversează modul de conectare al diodei. 2. Diporţi DC de translaţie

Pentru circuitul din Fig. 1. se poate considera ieşirea pe diodă, caz în care circuitul se poate redesena ca în Fig.3:

8

vI [V]

t1 t2 t3

5 0

-5 -8 vC=vO [V]

t

t t

8 5

-8 -10

-16

vD [V]

Fig. 2. Cronogramele tensiunilor pentru diportul de maxim temporal

Fig.3. Circuit de translaţie spre valori negative

vC

C

vI vD vO

2

Cronogramele tensiunilor rămân cele din Fig.2. doar că tensiunea de ieşire va fi considerată cea de pe diodă, vO(t)=vD(t).

Aşa cum ne arată şi relaţia

vO(t)=vI(t)-vC(t)

în fiecare moment de timp tensiunea de ieşire rezultă prin translatarea tensiunii vI în jos cu tensiunea de pe condensator. Deoarece vC(t)≥0, întotdeauna vI este translatată înspre valori negative, de aceea circuitul se numeşte diport de translaţie spre valori negative.

Tensiunea de ieşire este întotdeauna mai mică sau egală cu zero. Circuitul din Fig.4. este un circuit de translaţie spre valori pozitive:

Cronogramele tensiunilor sunt prezentate în Fig.5., cu linie plină pentru dioda ideală

şi cu linie punctată pentru 0,7V tensiune pe dioda în conducţie. Relaţia cu care se determină vO este:

vO = vI+vC

Deoarece vC≥ 0; vI este translatat în sus, în fiecare moment cu o cantitate egală cu tensiunea de pe condensator vC, adică cu cea mai mică valoare nenegativă a tensiunii de intrare până în acel moment.

t -5

vI [V] 5

-0,7

t

vC [V] 5

4,3

t

vO [V]

5

0,7

10 9,3

Fig. 5 Cronograme pentru diportul de translaţie spre valori pozitive în două situaţii: D ideală; 0.7 V pe D în conducţie

vD vC

Fig.4. Circuit de translaţie spre valori pozitive

vI vO

3

3. Dublorul de tensiune Putem vedea acest circuit ca o legare în cascadă a unui diport de translaţie spre valori

pozitive (de la vI la vO1) şi a unui diport de vârf pozitiv (de la vO1 la vO).

Formele de undă (în regim permanent) pentru dublorul de tensiune sunt prezentate în Fig.7.

IV. EXERCIŢII PREGĂTITOARE

Pentru toate circuitele, exerciţiile se vor rezolva folosind pentru diodă modelul acesteia cădere de tensiune constantă, vD=0.7V.

P1. Diporţi DC de extrem (maxim/minim) temporal Cronograme şi funcţionarea circuitului • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vD(t), în regim permanent, pentru circuitele

din Fig. 8 și Fig.9, dacă vI(t)=5V c.c. (Fig. 8) și vI(t)= -5V c.c. (Fig. 9) ? • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vD(t), în regim permanent, pentru circuitele

din Fig. 8 și Fig.9, dacă vI(t) este tensiune sinusoidală cu amplitudinea de 0.3V? • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vD(t), în regim permanent, pentru circuitele

din Fig. 8 și Fig.9, dacă vI(t) este tensiune sinusoidală cu amplitudinea de 10V?

vI vO1 vO

Fig. 6. Dublor de tensiune

Fig. 7. Cronogramele tensiunilor în regim permanent pentru dublorul din Fig. 6.

t

t

t

vO

vO1

vI

0

0

0 IV̂

- IV̂

IV̂

2 IV̂

2 IV̂

4

P2. Diporţi DC de translaţie Cronograme şi funcţionarea circuitului • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vC(t), în regim permanent, pentru circuitele

din Fig. 10 și Fig.11, dacă vI(t) este tensiune sinusoidală cu amplitudinea de 0.3V? • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vC(t), în regim permanent, pentru circuitele

din Fig. 10 și Fig.11, dacă vI(t) este tensiune sinusoidală cu amplitudinea de 10V? P3. Dublorul de tensiune Cronograme şi funcţionarea circuitului • Cum arată cronogramele tensiunilor vO1(t) şi vC1(t), în regim permanent, pentru circuitul

din Fig. 12, dacă vI(t) este sinusoidală cu amplitudinea de 10V? • Cum arată cronogramele tensiunilor vO(t) şi vD2(t), în regim permanent, pentru circuitul

din Fig. 12, în condiţiile de la punctul anterior? • Cum se poate construi circuitul din Fig. 12, folosind circuitele din Fig. 8 şi din Fig. 10?

Opțional

P4. Triplorul de tensiune Funcţionarea circuitului • Ce funcţie îndeplineşte grupul D1C1 din circuitul reprezentat în Fig. 13, considerând vI

tensiunea de intrare şi v1 tensiunea de ieşire? • Ce funcţie îndeplineşte grupul D2C2 din circuitul reprezentat în Fig. 13, considerând v1

tensiunea de intrare şi v2 tensiunea de ieşire? • Ce funcţie îndeplineşte grupul D3C3 din circuitul reprezentat în Fig .13, considerând v2

tensiunea de intrare şi vC3 tensiunea de ieşire? • Ce valoare are tensiunea vO pentru circuitul din Fig. 13, dacă amplitudinea tensiunii

sinusoidale de intrare este de 10V?

V. EXPERIMENTARE ŞI REZULTATE

1. Diporţi DC de extrem (maxim/minim) temporal 1.1. Diportul de maxim temporal - cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare Se construieşte circuitul din Fig. 8.

Fig. 8. Diport de maxim temporal

Y vD

C

X

vO vI D

M

5

• La intrarea circuitului se aplică tensiune continuă de 5V de la sursa de tensiune continuă stabilizată.

• Cu multimetrul digital se măsoară tensiunile vD şi vO. • La intrarea circuitului se aplică semnal sinusoidal cu frecvenţa de 500Hz şi amplitudine

de 0.3V de la generatorul de semnale. • Se vizualizează semnalele vI şi vO cu ajutorul osciloscopului. Semnalul vI se vizualizează

între punctele X și masă M iar semnalul vO se vizualizează între punctele Y și masă M. • Se crește amplitudinea semnalului de intrare la 10V și se repetă măsurătorile.

Rezultate

• Valorile tensiunilor vI, vO, vD pentru vI=5V c.c. • Graficele tensiunilor vI(t), vO(t) şi vD(t) pentru valorile amplitudinii semnalului sinusoidal

de intrare de 0.3V, respectiv 10V. Tensiunea vD(t) se determină prin calcul ca diferenţă a tensiunilor vI(t) şi vO(t) .

1.2. Diportul de minim temporal - cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare

Se construieşte circuitul din Fig. 9.

Fig. 9. Diport de minim temporal

• La intrarea circuitului se aplică tensiune continuă de -5V de la sursa de tensiune continuă stabilizată.

• Cu multimetrul digital se măsoară tensiunile vD şi vO. • La intrarea circuitului se aplică semnal sinusoidal cu frecvenţa de 500Hz şi amplitudine

de 0.3V de la generatorul de semnale. • Se vizualizează semnalele vI şi vO cu ajutorul osciloscopului. Semnalul vI se vizualizează

între punctele X și masă M iar semnalul vO se vizualizează între punctele Y și masă M. • Se crește amplitudinea semnalului de intrare la 10V și se repetă măsurătorile.

Rezultate

• Valorile tensiunilor vI, vO, vD pentru vI= -5V c.c.

Y vD

C

X

vO vI D

M

6

• Graficele tensiunilor vI(t), vO(t) şi vD(t) pentru valorile amplitudinii semnalului sinusoidal de intrare de 0.3V, respectiv 10V. Tensiunea vD(t) se determină prin calcul ca diferenţă a tensiunilor vI(t) şi vO(t) .

2. Diporţi DC de translaţie 2.1. Diportul de translaţie spre valori pozitive - Cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare

Se construieşte circuitul din Fig. 10. • La intrarea circuitului aplicăm semnal sinusoidal cu frecvenţă de 500Hz şi amplitudine de

0.3V de la generatorul de semnale. • Se vizualizează semnalele vI şi vO cu ajutorul osciloscopului. • Se crește amplitudinea semnalului de intrare la 10V și se repetă măsurătorile.

Fig. 10. Diport de translaţie spre valori pozitive Rezultate

• Graficele tensiunilor vI(t), vO(t) şi vC(t) pentru valorile amplitudinii semnalului sinusoidal de intrare de 0.3V, respectiv 10V. Tensiunea vC(t) se determina prin calcul ca diferenţa dintre vI(t) şi vO(t).

2.2. Diportul de translaţie spre valori negative - Cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare

Se construieşte circuitul din Fig. 11.

Fig. 11. Diport de translaţie spre valori negative

Y X

vO vI

M

C

D

vC

Y X

vO vI

M

C

D

vC

7

• La intrarea circuitului aplicăm semnal sinusoidal cu frecvenţă de 500Hz şi amplitudine de 0.3V de la generatorul de semnale.

• Se vizualizează semnalele vI şi vO cu ajutorul osciloscopului. • Se crește amplitudinea semnalului de intrare la 10V și se repetă măsurătorile.

Rezultate

• Graficele tensiunilor vI(t), vO(t) şi vC(t) pentru valorile amplitudinii semnalului sinusoidal de intrare de 0.3V, respectiv 10V. Tensiunea vC(t) se determina prin calcul ca diferenţa dintre vI(t) şi vO(t).

3. Dublorul de tensiune 3.1. Cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare

Se construieşte circuitul din Fig. 12.

Fig. 12. Dublorul de tensiune

• La intrarea circuitului aplicăm semnal sinusoidal cu frecvenţa de 500Hz şi amplitudine de 10V de la generatorul de semnale.

• Se vizualizează semnalele vI, vO1 şi vO cu ajutorul osciloscopului. Deoarece cu osciloscopul cu două canale putem vizualiza simultan doar două semnale, vom vizualiza pe rând vI şi vO1, apoi vI şi vO. Atenţie la reglajul osciloscopului!

Rezultate

• Graficele tensiunilor vI(t), vO1(t), vO(t), vC1(t) şi vD2(t) pentru amplitudinea de 10V a

semnalului sinusoidal de intrare.

vO1 vI

M

C1 D1

vC1 vD2

C2 vO

D2

8

Opțional

4. Triplorul de tensiune 4.1. Cronograme şi funcţionarea circuitului

Experimentare

Se construieşte circuitul din Fig. 13. • La intrarea circuitului aplicăm semnal sinusoidal cu frecvenţa de 500Hz şi amplitudine de

10V de la generatorul de semnale. • Se vizualizează semnalele vI şi vO cu ajutorul osciloscopului.

Rezultate

• Graficele tensiunilor vI(t), v1(t), v2(t) şi vO(t) pentru valoarea de 10V a amplitudinii tensiunii vI.

BIBLIOGRAFIE 1. Oltean, G., Dispozitive si circuite electronice. Dispozitive electronice, Risoprint, Cluj-Napoca, ISBN 973-656-433-9, 316 pag, 2003, retiparită în 2004 2. http://www.bel.utcluj.ro/dce/didactic/de/de.htm

C1

Y

v2 C2

D2

vC2

v1 vI

M

D1

vC1

C3

D3

vC3 vO

Fig. 13. Triplorul de tensiune

9