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Relazione di laboratorio di elettronica - Verificare le applicazioni pratiche degli effetti di diodi in un circuito elettrico

elettronica


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Relazione di laboratorio di elettronica - Verificare le applicazioni pratiche degli effetti di diodi in un circuito elettrico

Istituto Tecnico Industriale Statale "F. Viola"

Relazione di Elettronica

Esperienza N°

-Gruppo 2-



Relazione di laboratorio di elettronica 

Esperienza n°

Titolo proposta di laboratorio: Sommatore ad A.O.

Obbiettivi : Verificare le applicazioni pratiche degli effetti di diodi in un circuito elettrico

COMPONENTI E STRUMENTAZIONI UTILIZZATI NELL'ESPERIENZA:


  • Bread Board (Come Supporto Per Il Circuito);
  • N°2 amplificatori operazionali mA741;
  • N°3 cavetti di collegamento (cavo BMC a coccodrillo);
  • N°3 resistenze da 10 kW;
  • N°2 resistenze da 47 kW;
  • G.d.F. serie HM8030-2;
  • oscilloscopio serie HM203-6

CENNI TEORICI

L'amplificatore operazionale

Gli amplificatori operazionali sono componenti integrati molto versatili;essi fanno uso sia di BJT che di FET,soprattutto nello stadio di ingresso,e con essi è possibile realizzare funzioni sia lineari che non lineari. Lo schema circuitale di un amplificatore operazionale è il seguente:


Il terminale + indica l'ingresso non invertente mentre il terminale - l'ingresso invertente.Per comprendere il significato di questa terminologia si supponga di applicare la sovrapposizione degli effetti (l'operazionale è un componente idealmente lineare) e si consideri un ingresso alla volta; se si considera solo l'ingresso + e si porta il - a massa si ha che:

vo' = v1 . Av+  con Av+>0

mentre se consideriamo solo l'ingresso invertente otteniamo:

vo" = v2 . Av-  con Av-<0

Il fatto che Av+  sia positivo e Av- negativo equivale a dire ,nel caso di un segnale sinusoidale, che il segnale applicato all'ing 414f57e resso + viene amplificato e trasferito in uscita in fase; quello applicato all'ingresso - viene amplificato e trasferito in uscita in opposizione di fase.Più in generale in un caso il segnale in uscita mantiene in ogni istante la stessa polarità di quello di ingresso, nell'altro ha sempre polarità opposta.

A differenza degli altri tipi di amplificatori l'operazionale può amplificare anche segnale continui o componenti continue di segnali alternati.

Teoricamente il guadagno di tensione rispetto al primo ingresso corrisponde a quello del secondo ingresso,quindi applicando la sovrapposizione degli effetti si ottiene:

vo = v1 . Av - v2 . Av = (v1 - v2) Av

Ovvero l'amplificatore operazionale è un amplificatore differenziale, in quanto fornisce in uscita l'amplificazione della differenza tra gli ingressi.

I parametri teorici dell'operazionale sono fondamentalmente 5, e sono:

  1. Un guadagno di tensione Av infinito (¥);
  2. bilanciamento tra i due ingressi;
  3. una resistenza di ingresso infinita;
  4. valore resistivo dell'uscita pari a zero;
  5. banda passante BW = ¥;

I valori reali non sono ovviamente coincidenti,tuttavia è consentito approssimarli a tali valori poiché molto prossimi. Ad esempio la Av di un amplificatore può raggiungere un modulo di 200 . 103,e la resistenza di ingresso ha valori standard nell'ordine di decine di MegaOhm.

Gli operazionali vengono utilizzati in due configurazioni,quella invertente e quella non invertente. Nella seguente esperienza verranno impiegate entrambe.

Configurazione invertente

Il circuito di configurazione invertente è un circuito a retroazione negativa,ottenuto collegando l'operazionale a componenti passivi. Anche se nello schema è omesso per questioni pratiche,è sottinteso che un operazionale non può essere impiegato da solo come amplificatore, poiché anche esso necessita di un'alimentazione continua per polarizzare i transistor integrati nel componente.

Osserviamo lo schema di un amplificatore invertente senza aggiunte:


Il valore dell'uscita è teoricamente   vo = - Av  . vs  ,ed essendo Av infinito l'uscita tenderebbe ad essere infinita; in realtà sappiamo che potrà raggiungere al massimo il valore di alimentazione, quindi vo sarà al limite uguale a +Vcc.

Per fare funzionare realmente il circuito è necessario limitare il guadagno, e ciò è possibile tramite un resistenza di retroazione negativa; in pratica si inserisce una resistenza Rf che collega l'ingresso invertente (per questo la retroazione si dice negativa) con l'uscita.


Se si considerano i parametri teorici dell'operazionale si può dimostrare matematicamente che in presenza di un carico all'uscita il guadagno di tensione non subisce variazioni significative.

Il guadagno della configurazione invertente è controllato sostanzialmente dal rapporto tra la resistenza di retroazione e quella applicata all'ingresso invertente. Perciò l'espressione finale di AV sarà:

Configurazione non invertente


V0

 
Text Box: isText Box: i2

Vs

 


Anche con questa configurazione è presente una retroazione negativa poiché abbiamo un collegamento resistivo tra uscita ed ingresso. Facendo delle considerazioni sulle correnti is,i1 e i2 e  si ricava che l'espressione dell'uscita è la seguente:

vo =

Si osserva subito che il guadagno,espresso tra parentesi,non è invertente e il valore minimo del guadagno con questa configurazione è pari a 1.

Il generatore di funzioni

Si tratta di uno strumento che è in grado di fornire segnali periodici,  in una gamma di frequenze che vanno dalla frazione di Hz a qualche MHz. Le forme d'onda disponibili sono la sinusoidale, la triangolare e la quadra. Spesso si ha la possibilità di regolare il duty cycle e di aggiungere una componente continua (offset di tensione) al segnale con la possibilità, quindi, di ottenere segnali bidirezionali o unidirezionali. L'ampiezza in uscita è normalmente regolabile da pochi mV ad alcune decine di Volt   (25 Vpp a circuito aperto). E' normalmente disponibile una uscita quadra compatibile TTL e/o CMOS. Spesso sono disponibili anche uno o più ingressi con i quali è possibile agire sui segnali forniti dal generatore di funzioni, provocando la variazione di alcuni parametri tramite comandi esterni.


L'oscilloscopio

L'oscilloscopio è uno strumento di visualizzazione (non di misura) che permette di osservare l'andamento di uno o due segnali elettrici, più precisamente di tensioni, in funzione del tempo, tramite rappresentazione di un grafico su uno schermo per mezzo di un tubo catodico il cui cannone elettronico si muove in base al segnale di ingresso applicato. L'uso più comune che se ne fa riguarda misure qualitative, non quantitative, e soprattutto si analizzano le forme d'onda di segnali periodici nel tempo. In questo modo, dunque, l'oscilloscopio può visualizzare sia segnali periodici che non periodici.

DESCRIZIONE DELL'ESPERIENZA

La prova si divide in tre parti: ci viene dato lo schema di figura e ai circuiti si deve fornire,dopo il corretto assemblaggio e dopo aver alimentato gli operazionali con Vcc = ± 12V, un ingresso sinusoidale di ampiezza 1V e frequenza di oscillazione 1KHz; porre all'oscilloscopio come segnale d'ingresso V1 sul CH1 e l'uscita del circuito che si considera come V2 sul CH2. Dopo aver confrontato teoricamente uscita e ingresso (cioè analizzando lo schema) procedere con la misurazione ed il confronto reale dei due segnali e riportarne gli oscillogrammi.

Scemi circuitali

1) inseguitore - sommatore invertente




                                                                                                                                              


V1

 

 R1

10K

 

V2

 

3

 

6

 

6

 

3

 

2

 

2

 

1

 

R2

10K

 

R3

10K

 

Vo

 

741

 

741

 

­+               

 

_

 

+

 

2

 
2) amplificatore non invertente - sommatore invertente

V1

 

­_               

 


V2

 

­+               




 

_

 

2

 

3

 

6

 

2

 

 R1

10K

 

R2

10K

 

R3

10K

 

Vo

 

741

 

­+               

 

_

 

V1

 

47K

 

2

 

3

 

6

 

1

 

741

 

­_               

 

47K

 
3) amplificatore invertente - sommatore invertente

V1

 


Analisi teorica e pratica dei circuiti

Osserviamo il circuito in figura n° 1); analizzando il primo operazionale si può notare che è in configurazione di inseguitore di tensione o buffer; la sua funzione è di separare il segnale dal carico in modo da renderlo stabile,ma non produce alcuna variazione dell'uscita rispetto all'ingesso applicatogli. Nello stadio successivo abbiamo che l'uscita va a sommarsi con il primo ingresso,pertanto abbiamo ottenuto un sommatore che sfasa il segnale di 180° poiché i collegamenti sono effettuati sull'ingresso invertente.essendo v2 = v1 avremo che vo = 2 . v1 e sfasato di p rispetto all'ingresso. In sostanza l'equazione di uscita è la seguente:

vo = - 2 . v1

0

 

0

 

1Vpp

 

2Vpp

 

V0

 
Effettuando la prova reale abbiamo un riscontro positivo delle nostre ipotesi: dando come ingresso 1V otteniamo come uscita finale vo 2V e uno sfasamento di 180°. La visualizzazione sull'oscilloscopio è più che esauriente e mostra chiaramente la variazione di fase introdotta dall'ingresso invertente.



V1

 


Analizziamo il secondo schema, che si può ottenere sostituendo al blocco inseguitore del primo circuito un sommatore operazionale non invertente, così come viene riportato nel disegno.

Riflettiamo sul suo principio di funzionamento: al primo stadio viene prelevato l'ingresso V1 e portato all'ingresso non invertente. Il guadagno che otteremo a questo stadio sarà data dalla formula (vedi cenni teorici sull'amplificazione in configurazione non invertente):

vo =   =  = 2V

Perciò l'uscita del primo stadio (V2) sarà sostanzialmente il doppio dell'ingresso applicatogli,senza alcuna variazione sulla fase del segnale.

Il secondo stadio è un sommatore invertente: ai suoi ingressi è applicato il segnale V2, inoltre viene prelevato nuovamente V1. Avremo perciò:

 = = -3V

Il "-" sta ad indicare proprio che nel secondo stadio del circuito 2) viene introdotto uno sfasamento di 180° rispetto ai due ingressi (in fase) del secondo stadio. Vediamo sotto riportato l'andamento dell'ingresso V1 iniziale e la visualizzazione su oscilloscopio dell'uscita finale Vo.


È subito evidente che i due segnali sono sfasati tra loro di 180°, poiché ad ogni ventre del primo segnale corrisponde esattamente un nodo di tensione nell'uscita,e viceversa.

La terza e ultima prova consiste nel sostituire nuovamente il primo stadio del circuito e sostituirlo con un amplificatore operazionale invertente in cui il rapporto Rf /Rin è pari a 1: possiamo quindi affermare che lo stadio che andremo ad applicare è un semplice invertitore di fase,che ritarda il segnale di un semiperiodo rispetto all'ingresso applicato V1.

­+               

 

_

 

6

 

3

 

1

 

741

 

­_               

 

2

 

47K

 

47K

 

V1

 

V2

 
Primo stadio

Avremo che V2 = -V1. Facciamo attenzione e osserviamo il secondo stadio: abbiamo ancora il sommatore invertente del circuito precedente, a cui viene ancora riportato l'ingresso iniziale caratterizzato dalla sua fase originale, il quale viene sommato a V2 che ha il suo stesso modulo (avendo constatato che il primo stadio di questo circuito non amplifica) ma avente fase esattamente opposta. Se due segnali perfettamente inversi vengono sommati la loro risultante è ovviamente zero. Teoricamente non dovremmo quindi rilevare alcun valore di tensione in uscita dal secondario, in realtà avremo una tensione molto bassa (nell'ordine di 5mV) che dipenderà dalla tensione di offset dell'operazionale impiegato.


L'analisi del funzionamento del circuito tramite oscilloscopio conferma le conclusioni fatte seguendo lo studio analitico; vengono qui rappresentati sia V1 che V2 per semplificare la comprensione del motivo dell'annullamento dell'uscita. Si definisce chiaramente l'identicità del modulo dei due segnali di ingresso del sommatore operazionale e la loro opposizione di fase. Chiaramente il fatto che l'amplificatore sia invertente in questo caso è di importanza irrilevante, poiché la risultante finale è comunque nulla.

CONCLUSIONI

Le prove sono state svolte con successo, e ci hanno permesso di comprendere più approfonditamente il funzionamento degli operazionali, la possibilità di interazione tra più amplificatori e la possibilità di progettazione utilizzando questi versatili componenti.







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