Elektronikk 2 : analogteknikk

391 Pages·1995·128.513 MB·Norwegian

by  Svanes, Edmund

Edmund Svanes
Elektronikk 2
Analogteknikk
Bokmål
Universitetsforlaget
© Universitetsforlaget AS 1995
ISBN 82-00-41632-1
Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven og
fotografiloven eller i strid med avtaler om kopiering inngått med
Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.
Godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter til bruk i den videregående
skolen.
Forfatteren har mottatt støtte fra Norsk faglitterært forfatterfond.
Spørsmål om denne bokan kan rettes til:
Universitetsforlaget
Postboks 2959 Tøyen
0608 Oslo 6
Omslag: Tor Berglie
Sats: Brødr. Fossum A/S, Oslo
Trykk: PDC - Printing Data Center as, Aurskog 1995
Forord
Denne boka dekker modul 1, analogteknikk, i læreplanen for vide­
regående kurs I, elektronikklinjen i den videregående skolen. Boka
tar for seg emnene strømforsyninger, småsignalforsterkere, effekt-
forsterkere, lavfrekvensfiltre og lavfrekvensoscillatorer. Boka kan
også ha interesse for andre som ønsker en grundig innføring i disse
emnene.
Det er brukt den konvensjonelle strømretningen i boka.
Med tanke på senere utgaver er jeg takknemlig for forslag til for­
andringer og forbedringer av boka.
Kristiansand, våren 1995
Edmund Svanes
Innhold
Veiledning til boka....................................................................................................................... 9
1 Lavfrekvensforsterkeren .............................................................................................. 11
1.1 Innledning .......................................................................................................................... 12
1.2 Historikk ............................................................................................................................. 12
1.3 Blokkskjema for en lavfrekvensforsterker .................................................................. 13
1.4 Integrert lavfrekvensforsterker ....................................................................................... 15
1.5 Operasjonsforsterkeren .................................................................................................... 17
1.6 Integrert effektforsterker.................................................................................................. 20
1.7 Integrert spenningsregulator ........................................................................................... 21
1.8 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 22
2 Operasjonsforsterkeren ................................................................................................ 23
2.1 Innledning........................................................................................................................... 24
2.2 Operasjonsforsterkerens egenskaper.............................................................................. 24
2.3 Inverterende og ikke-inverterende inngang................................................................... 26
2.4 Differanseforsterkeren....................................................................................................... 27
Usymmetrisk inngang og symmetrisk utgang............................................................... 30
Undertrykking av fellessignal (eng. common mode) ................................................. 33
Differanseforsterkerens egenskaper ............................................................................... 36
Usymmetrisk inngang og usymmetrisk utgang............................................................. 36
2.5 Koplingsskjema for en operasjonsforsterker................................................................. 38
2.6 Offsetspenning, offsetstrøm.............................................................................................. 39
2.7 Justering av offsetspenningen......................................................................................... 40
2.8 Inverterende kopling ......................................................................................................... 40
2.9 Ikke-inverterende kopling................................................................................................ 42
2.10 Spenningsfølgeren.............................................................................................................. 45
2.11 Addisjon av spenninger.................................................................................................... 46
2.12 Subtraksjon av spenninger................................................................................................ 46
2.13 Operasjonsforsterkeren som differanseforsterker........................................................ 47
Undertrykkingsforholdet (rejiseringsforholdet) .......................................................... 49
2.14 Operasjonsforsterkeren som komparator....................................................................... 51
2.15 Stigehastigheten.................................................................................................................. 53
2.16 Operasjonsforsterkerens lineære område ..................................................................... 54
2.17 Operasjonsforsterkerens frekvensgang .......................................................................... 55
2.18 Praktiske eksempler på bruk av operasjonsforsterkeren............................................ 55
2.19 Datablad for en operasjonsforsterker ............................................................................ 59
2.20 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 62
3 Integrerte effektforsterkere ......................................................................................... 63
3.1 Innledning........................................................................................................................... 64
3.2 Ulike typer integrerte kretser........................................................................................... 64
Innkapsling av integrerte kretser..................................................................................... 65
4
3.3 Merking av integrerte kretser ......................................................................................... 68
3.4 Eksempler på integrerte effektforsterkere..................................................................... 68
3.5 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 74
4 Integrerte spenningsregulatorer ................................................................................ 75
4.1 Innledning........................................................................................................................... 76
4.2 Ulike typer integrerte spenningsregulatorer ................................................................. 76
4.3 Prinsippoppbygning av integrert spenningsregulator ................................................. 81
4.4 Spenningsregulator med fast utspenning....................................................................... 82
4.5 Spenningsregulator med variabel utspenning.............................................................. 85
4.6 Sekundærsvitsjete spenningsregulatorer (switched-mode regulators) (SMPS) ... 96
4.7 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 107
5 Transistorforsterkeren .................................................................................................. 109
5.1 Innledning........................................................................................................................... 110
5.2 Symboler............................................................................................................................. 110
5.3 Transistoren i FE-kopling ................................................................................................ 110
5.4 Det brukbare området av/K/UKE-karakteristikken ..................................................... 112
5.5 Opplysninger om transistorer i datahåndbøker............................................................ 115
5.6 Stabilisering mot dataspredning og temperaturendringer.......................................... 117
5.7 Klassifisering av transistorforsterkere............................................................................ 120
Spenningsforsterkere......................................................................................................... 120
Arbeidspunkt for transistorer .......................................................................................... 122
Typebetegnelser for halvlederkomponenter ................................................................. 124
Kapseltyper for dioder og tansistorer ............................................................................ 125
5.8 Forsterkning ...................................................................................................................... 126
5.9 Spennings- og strømgenerator......................................................................................... 126
5.10 Effekttilpasning.................................................................................................................. 128
5.11 Transistorens ekvivalentskjema....................................................................................... 131
5.12 Transistoren som småsignalforsterker i felles emitterkopling................................... 133
Ekvivalentskjema for felles emitterkopling................................................................... 133
Beregning av forsterkningen............................................................................................ 134
Forsterkning og fasedreining ved lave frekvenser........................................................ 139
Forsterkning og fasedreining ved høye frekvenser...................................................... 139
Båndbredde og forsterkning ............................................................................................ 142
5.13 Likestrømslastlinje og vekselstrømslastlinje................................................................. 144
5.14 Felles kollektorkopling .................................................................................................... 147
5.15 Felles basiskopling ........................................................................................................... 151
5.16 Integrerte forsterkere......................................................................................................... 152
5.18 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 153
6 Felteffekttransistoren .................................................................................................... 155
6.1 Innledning........................................................................................................................... 156
6.2 Historikk ............................................................................................................................. 156
6.3 Sjiktfelteffekttransistoren (J-FET) ................................................................................ 157
5
6.4 Praktiske felteffekttransistorkoplinger .......................................................................... 162
6.5 Oppbygning av metalloksidfelteffekttransistoren........................................................ 164
6.6 Effekt MOSFET ................................................................................................................ 169
6.8 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 175
7 Ulineær forvrengning ..................................................................................................... 177
7.1 Innledning............................................................................................................................ 178
7.2 Historikk .............................................................................................................................. 178
7.3 Klirr og intermodulasjon................................................................................................... 178
Klirr (harmonisk forvrengning)....................................................................................... 179
Intermodulasjonsforvrengning ....................................................................................... 183
7.4 Spenningspulser som er forskjellige fra sinuskurven .................................................. 187
7.5 Kontrolloppgaver................................................................................................................. 189
8 Tilbakekopling................................................................................................................... 191
8.1 Innledning ............................................................................................................................ 192
8.2 Motkopling ......................................................................................................................... 192
8.3 Medkopling......................................................................................................................... 193
8.4 Motkoplingsmetoder.......................................................................................................... 193
Spenningsmotkopling og strømmotkopling ................................................................. 194
Parallellmotkopling og seriemotkopling........................................................................ 194
8.5 Hvordan motkoplingen viker inn på spenningsforsterkningen.................................. 194
8.6 Hvordan motkoplingen virker inn på frekvensgangen og båndbredden.................. 197
8.7 Hvordan motkoplingen virker inn på ulineære forvrengninger.................................. 198
8.8 Hvordan motkoplingen virker inn på forsterkerens inngangsresistans.................... 199
Seriemotkopling ................................................................................................................ 199
Parallellmotkopling............................................................................................................ 200
8.9 Hvordan motkoplingen virker inn på forsterkerens utgangsresistans....................... 200
Spenningsmotkopling ....................................................................................................... 200
Strømmotkopling................................................................................................................ 201
8.10 Tilbakekopling over flere trinn ....................................................................................... 201
8.11 Praktiske eksempler på motkopling ............................................................................... 203
Seriespenningsmotkopling .............................................................................................. 203
Parallell spenningsmotkopling ....................................................................................... 206
Seriestrømmotkopling....................................................................................................... 208
Parallell strømmotkopling................................................................................................ 212
8.12 Frekvensavhengig motkopling ........................................................................................ 213
8.13 RC-oscillatorer ................................................................................................................... 215
8.15 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 219
9 Lavfrekvensfiltre, volumkontroll................................................................................. 221
9.1 Innledning............................................................................................................................ 222
9.2 Filtertyper ........................................................................................................................... 222
9.3 Lavpassfilter ....................................................................................................................... 223
9.4 Høypassfilter....................................................................................................................... 226
9.5 Båndsperrefilter................................................................................................................... 229
9.6 Båndpassfilter ..................................................................................................................... 232
9.7 Bass- og diskantfilter.......................................................................................................... 233
6
9.8 Tonekontroller.................................................................................................................... 234
Kombinert bass- og diskantkontroll .............................................................................. 237
9.9 Volumkontroll .................................................................................................................... 240
Tonekompensert volumkontroll....................................................................................... 241
Volumkontroll i integrerte kretser................................................................................... 243
9.11 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 246
10 Inngangsforsterkere ....................................................................................................... 249
10.1 Innledning........................................................................................................................... 250
10.2 RIAA-forsterkeren ........................................................................................................... 250
10.3 Mikrofonforsterkeren ...................................................................................................... 251
10.4 Inngangstrinn for kassettspiller og CD-spillere .......................................................... 254
10.6 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 256
11 Utgangstrinn med en enkel transistor i klasse A ................................................... 257
11.1 Virkningsgrad til et enkelt utgangstrinn i klasse A..................................................... 258
11.2 Høyttalerimpedans ........................................................................................................... 259
11.3 En høyttalers driftseffekt.................................................................................................. 259
11.4 Enkelt utgangstrinn i klasse A uten tilpasningstransformator................................... 261
11.5 Utgangstrinn med felles kollektorkopling og darlingtonkopling ............................ 263
11.6 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 264
12 Effektforsterkere i brukopling..................................................................................... 265
12.1 Innledning.......................................................................................................................... 266
12.2 Halvbrukopling i klasse B................................................................................................ 266
12.3 Halvbrukopling i klasse AB ........................................................................................... 271
12.4 Halvbrukopling i klasse A................................................................................................ 274
12.5 Ulineær forvrengning i effektforsterkeren ................................................................... 277
12.6 Effektforsterkere i klasse B i helbrukopling ................................................................ 277
12.8 Kontrolloppgaver................................................................................................................ 279
13 Temperaturstabilisering av effektforsterkeren ..................................................... 281
13.1 Innledning........................................................................................................................... 282
13.2 Strømrusing........................................................................................................................ 282
13.3 Temperaturstabilisering ved hjelp av emittermotstander .......................................... 284
13.4 Temperaturstabilisering ved hjelp av NTC-motstand................................................ 284
13.5 Temperaturstabilisering ved hjelp av forspenningstransistor ................................... 285
13.6 Kjøling................................................................................................................................. 287
13.7 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 290
14 Mot komplett utgangsforsterker ................................................................................ 291
14.1 Innledning.......................................................................................................................... 292
14.2 Ulike typer utgangstrinn .................................................................................................. 292
14.3 Utgangsforsterkere med darlingtontkopling og effektforsterkerkere (predriver) .. 295
14.4 Utgangsforsterker med selvheverkopling (bootstrap-kopling) ................................. 296
14.5 Strømforsyning av utgangstrinnet.................................................................................. 298
14.6 Indikering av uteffekten fra en effektforsterker............................................................ 299
14.7 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 301
7
15 Beskyttelseskretser i effektforsterkere ..................................................................... 303
15.1 Innledning.......................................................................................................................... 304
15.2 Kretser som beskytter mot overbelastning ................................................................... 304
15.3 Høyttalerbeskyttelse ......................................................................................................... 306
15.4 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 308
16 Nettlikeretting .....................................................................................................................309
16.1 Innledning.......................................................................................................................... 310
16.2 Enveis likeretting............................................................................................................... 311
16.3 Toveis likeretting............................................................................................................... 316
16.4 Spenningsdoblere ............................................................................................................. 319
16.5 Utjevningsfilter .................................................................................................................. 320
16.6 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 323
17 Spenningsregulatorer .................................................................................................... 325
17.1 Innledning........................................................................................................................... 326
17.2 Data for spenningsregulatorer......................................................................................... 326
17.3 Zenerdioden i spenningsregulatorkoplinger ................................................................ 329
Merking av zenerdioden ................................................................................................... 333
17.4 Shuntregulator med zenerdiode og transistor .............................................................. 335
17.5 Serieregulator med transistor, operasjonsforsterker og zenerdiode.......................... 337
17.6 Temperatur og kjøling...................................................................................................... 340
17.7 Sekundærsvitsjet regulator ............................................................................................. 341
17.8 Strømbegrensning ................................................................................................................346
17.9 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 350
18 Skjema av lavfrekvensforsterkere og strømforsyning............... ......................... 353
18.1 Innledning.......................................................................................................................... 354
18.2 Beolab 2500 ........................................................................................................................ 354
18.3 Effektforsterkere med MOSFET.................................................................................... 362
18.4 Strømforsyningen i Tandbergs kassettspiller TCD3014 ............................................ 365
18.5 Strømforsyningen til ekkolodd EQ fra Simrad............................................................ 366
18.6 Delskjema for strømforsyningen i oscilloskopet CS1021 fra Kenwood................. 368
18.7 Strømforsyning type 8421 fra Mascot............................................................................ 370
18.8 Satellit 500 fra Grundig.................................................................................................... 373
18.9 Kontrolloppgaver............................................................................................................... 382
Fasit ............................................................................................................................................... 386
Stikkord........................................................................................................................................... 389
Veiledning til boka
Etter at du har arbeidet deg gjennom denne boka skal du kunne:
• gjengi hvordan en lavfrekvensforsterker og en strømforsyning er
bygd opp
• forklare virkemåten til de ulike trinnene
• forklare hensikten med de komponentene vi finner i de ulike trin­
nene
• konstruere og beregne enkle lavfrekvensforsterkere og strømfor­
syninger
• vurdere ulike data som du finner i databøker for transistorer og
integrerte kretser som brukes i lavfrekvensforsterkere og strøm­
forsyninger.
Elektronikk er egentlig anvendt elektroteknikk. Når vi gjennomgår
lærestoffet, er det viktig å legge vekt på spenningsdeling og strøm-
deling i praktiske elektroniske kretser. Her er Ohms lov og Kirc-
hoffs lover sentrale. Når vi kan anvende disse lovene i praktiske
skjema, har vi nådd et viktig mål som vil gjøre det lettere for oss å
arbeide videre med elektronikken.
De første kapitlene i boka behandler blokkskjemaer og integrerte
lavfrekvensforsterkere og strømforsyninger. Senere ser vi mer de­
taljert på de enkelte elektroniske kretsene.
Hvert kapittel består av en teoridel og en oppgavedel. Oppgavene
passer godt til repetisjon og bør løses på egen hånd av den enkelte
elev, enten på skolen eller hjemme.
I boka er det tatt med noen matematiske utledninger av formler.
Disse utledningene kan en ta med i den grad det er tid til det.
Dette er også stoff som raske elever kan arbeide med på egen
hånd.
Det vil ikke være mulig å komme gjennom alt lærestoffet i boka
med de 4 uketimene som er avsatt til denne modulen. Faglæreren
må derfor sammen med elevene velge ut det stoffet som de mener
er mest sentralt og interessant.
I forbindelse med mønsterkortproduksjon brukes det farlige kjemi­
kalier, som vi må ta hånd om på en forsvarlig måte. Disse stoffene
må vi vise stor respekt for under arbeidet.
I forbindelse med framkalling av belyste mønsterkort brukes det
soda (NaOH) oppløst i vann. NaOH er en base som kan nøytralise­
res med syre.
9
Når vi skal etse bort kopper, bruker vi jernklorid (FeCl) oppløst i
vann. Det vil etter hvert bli en god del kopper som felles ut i væs­
ken. Kopper er en farlig miljøgift.
Væskene må vi ikke slå ut i vasken etter bruk, men samle dem opp
i en plastbeholder å bringe det til en oppsamlingsplass for farlige
kjemikalier.
I elektronikkfaget brukes det en god del batterier. Batteriene inne­
holder mange farlige miljøgifter som en må ta hånd om på forsvar­
lig måte. Gamle batterier har lett for å lekke syre og må derfor be­
handles varsomt. Når batteriene er utbrukt, må de behandles som
spesialavfall og bringes til en oppsamlingsplass for spesialavfall.
Blyakkumulatoren inneholder svovelsyre som en må tappe av bat­
teriet når det er gammelt. Syra kan vi nøytralisere med en base, for
eksempel soda (NaOH). Selve akkumulatoren må behandles som
spesialavfall.
Ved lodding får vi mange farlige avgasser, blant annet gass fra det
vanligste flussmidlet harpiks, som kan framkalle allergi. I klasse­
rom der mange elever lodder samtidig, bør vi ha ekstra godt avtrekk
og ekstra god rensing av avgassene.
Analogteknikk er en del av en serie på seks bøker, som er beregnet
til bruk på VK1 elektronikk. Forfatteren har i denne boka lagt vekt
på å dekke de faglige kunnskapsmålene. Mål i forhold til holdnin­
ger, verdier og ferdigheter blir mer fokusert i de bøkene der kunn­
skapen skal settes ut i livet. Eksempler er oppgaveheftet til denne
boka og boka Dokumentasjon og reparasjonsteknikker, der
holdninger og etikk blir tatt opp i forbindelse med elevenes arbeid
med faget. Når det gjelder prosjektarbeid, kvalitetssikring og miljø­
spørsmål i forbindelse med elektronikk, blir disse temaene behand­
let i boka Dataassistert konstruksjon og produksjon, som også
tar for seg holdninger og etiske problemstillinger.