《電子應用技術項目教程（第4版）》課件 項目4電冰箱冷藏室溫控器的安裝與調試

電冰箱冷藏室溫控器的安裝與調試目錄學習目標工作任務知識鏈接知識小結學習目標1.能正確判斷反饋類型及電路連接。2.能利用集成運算放大器正確連接各種線性應用電路。3.能正確檢測元器件和調試電路。知識目標能力目標了解半導體的基本知識,熟悉二極管、三極管的結構及特性;掌握橋式整流電路的組成,了解集成運放的基本構成和工作特點;了解反饋放大器的基本構成及負反饋放大器對電路性能的影響;理解虛短、虛斷和虛地的概念;理解反饋及深度負反饋的概念。熟悉集成運放的線性應用與非線性應用;熟悉負反饋的極性判斷、類型,以及4種組態(tài)類型。返回素質目標1.樹立專業(yè)意識、嚴謹治學等職業(yè)素養(yǎng)。2.培養(yǎng)安全意識、規(guī)范意識等職業(yè)素養(yǎng)。工作任務圖4.1電冰箱冷藏室溫控器電路原理圖

（1）了解電冰箱冷藏室溫控器電路的基本結構。

（2）體會集成運放非線性應用——的電壓比較器控制電冰箱冷藏室上限溫度和下限溫度的方法。

（3）掌握繼電器與三極管放大器的結合使用，掌握反饋在電冰箱系統(tǒng)中的應用。1.實訓目標

（1）各小組制訂工作計劃,小組成員按分配任務開展工作。（2）識別原理圖,明確元器件連接和電路連線。（3）畫出裝配圖。（4）完成電路所需元器件的購買與檢測。（5）根據(jù)裝配圖,選擇合適的敷銅板焊接、制作電路。（6）自主完成電路功能檢測和故障排除。（7）各小組討論完成電路的詳細分析并撰寫任務工單。2.任務要求（1）作為冷藏室溫度傳感器的熱敏電阻RT，其阻值隨溫度升高而減小，隨溫度降低而增大。（2）電路組成：由電阻R1、R2和R3組成電冰箱溫度下限控制電路，由電阻R4、R5組成電冰箱溫度上限控制電路，由集成運放A1、A2和與非門G1、G2組成電壓比較及轉換輸出電路，由繼電器KA和三極管VT組成電冰箱壓縮機運轉控制電路。（3）電路工作原理：因某種原因，冷藏室溫度升高，傳感器電阻隨之減小，運放A1反相輸入端和運放A2同相輸入端電壓隨之增大。3.實訓電路與說明4.實訓設備與元器件

（1）實訓設備：模擬數(shù)字電路實驗裝置1臺（2）元器件需求明細表。5.安裝與調試

安裝。電路可以連接在自制的PCB上,也可以焊接在萬能板上,或者通過面包板插接。調試。①如果沒有負溫度系數(shù)熱敏電阻MF53-502-3950(最小電阻為5kΩ),則實訓時可用4.7kΩ的電阻表示電冰箱上限溫度時傳感器對應的電阻,可用100kΩ的電阻表示電冰箱下限溫度時傳感器對應的電阻。在溫度傳感器處可放置一個雙擲開關,開關打到一邊接4.7kΩ的電阻,打到另一邊接100kΩ的電阻。分別觀察電路的工作情況。②驗證時可用電燈泡代替壓縮機觀察工作情況。6.評價反饋

評分表(與項目1任務工單的評分表一樣)。4.1.1反饋的概念與判斷1.集成運放的基本知識集成運放由輸入級、中間級、輸出級及偏置電路4部分組成,如圖4.5所示。集成運放的電路圖形符號如圖4.6所示。4.1負反饋放大器知識鏈接圖4.5

集成運放的組成圖4.6

集成運放的電路圖形符號2.反饋的概念將放大器輸出回路信號(電壓或電流)的部分或全部,通過一定形式的電路(稱為反饋網(wǎng)絡)返送到輸入回路,從而影響(增強或削弱)凈輸入信號,這種信號的返送過程稱為反饋。圖4.7

反饋放大器3.反饋極性的判斷在判斷反饋的類型之前,應看放大器的輸出端與輸入端之間有無電路連接,以便由此確定有無反饋。不同類型反饋電路的性質是不同的。因此,在分析實際反饋電路時,必須首先判別其屬于哪種反饋類型。若反饋信號使凈輸入信號加強,則稱為正反饋;反之,若反饋信號使凈輸入信號減弱,則稱為負反饋。當輸入信號與反饋信號在不同節(jié)點時,如果兩者極性相同,則為負反饋;極性相反,則為正反饋。當輸入信號與反饋信號在相同節(jié)點時,如果兩者極性相同,則為正反饋;極性相反,則為負反饋。圖4.8

用瞬時極性法判斷反饋極性4.直流反饋與交流反饋如果反饋信號中只有直流成分,即反饋元件只能反映直流量的變化,則稱為直流反饋;如果反饋信號中只有交流部分,即反饋元件只能反映交流量的變化,則稱為交流反饋。在有些情況下,反饋信號中既有直流成分,又有交流成分,稱為交直流反饋。5.電壓反饋與電流反饋如果反饋信號取自輸出電壓,則稱為電壓反饋[見圖4.8(a)],其反饋信號正比于輸出電壓;如果反饋信號取自輸出電流,則稱為電流反饋[見圖4.8(b)],其反饋信號正比于輸出電流。6.串聯(lián)反饋與并聯(lián)反饋如果反饋信號在放大器輸入端以電壓的形式出現(xiàn),在輸入端必定與輸入電路串聯(lián),這就是串聯(lián)反饋;如果反饋信號在放大器輸入端以電流的形式出現(xiàn),在輸入端必定與輸入電路并聯(lián),這就是并聯(lián)反饋。可以通過反饋信號與輸入信號在基本放大器輸入端的連接方式來判斷串、并聯(lián)反饋。如果反饋信號與輸入信號串接在基本放大器輸入端的不同節(jié)點,則為串聯(lián)反饋;如果反饋信號與輸入信號并接在基本放大器輸入端的同一節(jié)點,則為并聯(lián)反饋。由此可知圖4.5(a)、(b)、(c)、(d)分別為并聯(lián)反饋、串聯(lián)反饋、并聯(lián)反饋、串聯(lián)反饋。1.電壓串聯(lián)負反饋圖4.9所示為一個電壓串聯(lián)負反饋電路。圖中反饋信號(反饋回反相輸入端)與輸入信號(從同相輸入端輸入)串接在基本放大器輸入端的不同節(jié)點,為串聯(lián)反饋。當uo=0時,uf隨之消失,故為電壓反饋。按照瞬時極性法,設同相輸入信號瞬時極性為⊕,則運放輸出信號為⊕,經反饋元件Rf回傳至同相輸入端也為⊕,結果使運放的凈輸入信號減小,因此這種反饋的極性為負反饋(當輸入信號與反饋信號在不同節(jié)點時,如果兩者極性相同,則為負反饋)。4.1.2負反饋的四種組態(tài)3.電流串聯(lián)負反饋圖4.11

電流串聯(lián)負反饋放大器4.電流并聯(lián)負反饋圖4.12

電流并聯(lián)負反饋放大器為了實現(xiàn)反饋,必須有一個既連接輸出回路又連接輸入回路的中間環(huán)節(jié),稱為反饋網(wǎng)絡。反饋網(wǎng)絡一般由電阻、電容組成。反饋放大器可用方框圖加以說明,如圖4.13所示。4.1.3反饋放大器的一般表達式圖4.13

反饋放大器的方框圖反饋放大器的一般表達式,又稱基本關系式放大器引入負反饋后,會減小放大倍數(shù),但其他性能卻可以得到改善,如提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性、展寬通頻帶、減小非線性失真、產生對輸入電阻和輸出電阻的影響等。1.減小放大倍數(shù)2.提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性4.1.4負反饋對放大器性能的影響3.展寬通頻帶由于電路電抗元件及三極管本身結電容的存在,放大器放大倍數(shù)隨頻率而變化。即中頻段放大倍數(shù)擴大,而高頻段和低頻段放大倍數(shù)隨頻率的升高或降低而減小。這樣,放大器的通頻帶就比較窄,如圖4.14fBW所示。4.減小非線性失真非線性失真是由放大器元件的非線性引起的。一個無反饋的放大器雖然設置了合適的靜態(tài)工作點,但當輸入信號較大時,也可使輸出信號產生非線性失真。圖4.15

負反饋減小非線性失真示意圖5.產生對輸入電阻和輸出電阻的影響(1)對輸入電阻的影響。負反饋對輸入電阻的影響如圖4.16所示。(2)對輸出電阻的影響。圖4.16

負反饋對輸入電阻的影響綜合上述,可將負反饋對放大器輸入、輸出電阻的影響總結列于表4.1。集成運放早期主要應用于信號的運算方面,所以又把它稱為運算放大器,其內部實質是一種性能優(yōu)良的多級直接耦合放大器。它是一種通用性較強的多功能器件,通過把一些特定的半導體器件、電阻及連接導線集中制造在一塊半導體基片上,以實現(xiàn)某種功能。由于其體積小、成本低、工作可靠性高、易組裝調試,其應用已不再局限于信號的運算方面,幾乎在所有的電子技術領域都有應用。4.2集成運放知識鏈接1.集成運放的主要技術指標為了描述集成運放的性能,方便正確地選用和使用集成運放,必須明確它的主要技術指標的意義。(1)開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)Aod。它是指集成運放在開環(huán)(無反饋電路)情況下的差模電壓放大倍數(shù)。這個值越大越好,理想集成運放的開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)為無窮大。(2)差模輸入電阻Rid。它是指集成運放兩輸入端在輸入差模信號時所呈現(xiàn)的阻抗,其值越大,對上一級放大器或信號源的影響就越小,在理想情況下其值應為無窮大。(3)輸出電阻Rod。集成運放在開環(huán)工作時,從輸出端對地看進去的等效電阻即輸出電阻,其大小反映了集成運放的帶負載能力,越小帶負載能力越強。在理想情況下其值應為零。(4)共模抑制比KCMR。共模抑制比為開環(huán)差模電壓放大倍數(shù)與開環(huán)共模電壓放大倍數(shù)之比。通常其比值越大,集成運放抑制共模信號的能力越強。在理想情況下其值應為無窮大。在分析集成運放時,常常將它看作理想集成運放,這樣可以簡化分析過程,并且計算產生的誤差也很小。4.2.1集成運放的概述2.理想集成運放的傳輸特性(1)在深度負反饋作用下,集成運放工作在線性區(qū)。在理想情況下,因為,而uo是一個有限值,故u+=u-,稱為虛短,即兩個輸入端之間的電壓為零,但不是真正短路;又因為集成運放的輸入阻抗Rid→∞,故i+=i-=0,稱為虛斷,即輸入端相當于斷路,但不是真正斷路。圖4.17

集成運放的電壓傳輸特性(2)在開環(huán)或正反饋狀態(tài)下,集成運放工作在非線性區(qū)即飽和區(qū)。輸出電壓是一個恒定值,可正可負。若u+>u-,則輸出uo=+uomax;若u+<u-,則輸出uo=-uomax。在非線性區(qū),集成運放的差模輸入電壓u+-u-可能較大,即u+≠u-,此時虛短不復存在。在非線性區(qū),雖然集成運放兩個輸入端的電位不等,但因為理想集成運放的Rid→∞,故仍可認為理想集成運放的輸入電流等于零,即i+=i-=0。此時,虛斷仍然成立。集成運放和外接電阻、電容構成比例、加法和減法、微分和積分等基本運算電路,這些運算電路都存在負反饋電路,因此都工作在線性區(qū)。在分析這些電路時,可利用集成運放在線性區(qū)虛短和虛斷的特點進行分析,推導出相應的運算公式。4.2.2集成運放的線性應用1.反相比例運算電路反相比例運算電路又稱反相放大器,如圖4.18所示。輸入電壓ui經R1加到集成運放的反相輸入端,輸出電壓uo經Rf反饋至反相輸入端,形成深度的電壓并聯(lián)負反饋,集成運放工作在線性區(qū)。其同相輸入端經電阻R2接地。根據(jù)虛短和虛斷的特點,u+=u-且u+=0,故u-=0。這表明集成運放反相端與地端等電位,但不是真正接地,稱為虛地。圖4.18

反相比例運算電路例4.2

在圖4.18中,已知Rf=400Ω,R1=20Ω,求電壓放大倍數(shù)Auf及平衡電阻R2的值。2.同相比例運算電路圖4.19所示為同相比例運算電路。輸入電壓ui經R2加到集成運放的同相輸入端,其反相輸入端經R1接地。輸出電壓uo經Rf和R1分壓后,取R1上的分壓作為反饋信號加到集成運放的反相輸入端,形成負反饋,集成運放工作在線性區(qū)。圖4.19

同相比例運算電路在uo與ui的比例關系中,是一個定值,且總大于或等于1,輸出電壓和輸入電壓同相,電壓放大倍數(shù)Auf只取決于Rf和R1,而與集成運放內部各參數(shù)無關。如果在同相比例運算電路中,Rf=0或R1=∞(開路),uo=ui,就可得到如圖4.20所示的電路,輸出電壓等于輸入電壓,并且相位相同,這種電路稱為電壓跟隨器。圖4.20

電壓跟隨器3.加法運算電路加法運算電路如圖4.21所示,電路對多個輸入信號求和。它在反相比例運算電路的基礎上,在反相輸入端增加輸入信號。圖4.21

加法運算電路4.減法運算電路減法運算電路如圖4.22所示,電路所完成的功能是對反相輸入端和同相輸入端的輸入信號進行比例減法運算,分析電路可知,它相當于由一個同相比例放大器和一個反相比例放大器組合而成。圖4.22

減法運算電路例4.3

圖4.23所示為電壓放大倍數(shù)連續(xù)可調的運放電路。已知R1=R2=10kΩ,Rf=20kΩ,RP=20kΩ。求電壓放大倍數(shù)的調節(jié)范圍。解:當滑動變阻器的滑片調至最上端時,同相輸入端接地,電路成為單一的反相比例運算電路,這時電壓放大倍數(shù)為當滑動變阻器的滑片調至最下端時,這時電路成為減法運算電路,這時電壓放大倍數(shù)為因此,電壓放大倍數(shù)的調節(jié)范圍是-2~2。5.積分運算電路圖4.24所示為積分運算電路,它是在反相比例運算電路的基礎上把電阻Rf用電容Cf代替作為負反饋元件。由虛短u+=u-=0及虛斷i+=i-=0可得輸出電壓uo等于電容兩端的電壓,即R1Cf稱為積分時間常數(shù),用τ表示,其值的大小反映了積分的強弱。圖4.24

積分運算電路6.微分運算電路將積分運算電路的R1和Cf位置互換就構成了微分運算電路,如圖4.25所示。由虛短和虛斷概念可知圖4.25

微分運算電路當集成運放工作于開環(huán)狀態(tài)時,由于開環(huán)電壓放大倍數(shù)很高,即使輸入端有一個非常微小的差值信號,也會使集成運放達到飽和,所以集成運放工作在非線性區(qū)。電壓比較器是最常見的由工作在非線性區(qū)的集成運放組成的應用。電壓比較器是將輸入電壓與基準電壓進行比較,并將比較結果以高電平或低電平的形式輸出,其輸入是連續(xù)變化的模擬信號,而輸出是數(shù)字電壓波形。電壓比較器經常應用在波形變換、信號發(fā)生、模/數(shù)轉換等電路中。4.2.3集成運放的非線性應用——電壓比較器1.基本電壓比較器由理想集成運放的非線性區(qū)的特點可知。當輸入電壓ui>UREF時,uo=-Uomax;當輸入電壓ui<UREF時,uo=Uomax。由此可看出,輸出電壓具有兩個穩(wěn)定值,同時可繪制電壓比較器的輸入、輸出電壓關系曲線,也叫作電壓傳輸特性曲線,如圖4.26所示。圖4.26

基本電壓比較器的電路和電壓傳輸特性如果把R2左端接地,即UREF=0,這時電路成為過零電壓比較器。其電路和電壓傳輸特性如圖4.27所示。過零電壓比較器能將輸入的正弦波轉換成矩形波,如圖4.28所示。有時為了獲取特定輸出電壓或限制輸出電壓,在輸出端采用穩(wěn)壓管限幅,如圖4.29所示。圖4.27

過零電壓比較器的電路和電壓傳輸特性圖4.28

過零電壓比較器波形圖4.29

輸出端采用穩(wěn)壓管限幅當輸入電壓ui大于基準電壓UREF時,UZ正向導通,不考慮二極管正向管壓降時,輸出電壓uo=0。當輸入電壓ui小于基準電壓UREF時,UZ反向導通限幅,不考慮二極管正向管壓降時,輸出電壓uo=UZ。因此,輸出電壓被限制在0~UZ。為了保護集成運放,防止因輸入電壓過高而損壞集成運放,在集成運放的兩輸入端之間并聯(lián)兩只二極管進行限幅,使過大的電壓或干擾