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國立中山大學機械與機電工程學系 電子電路實驗上課講義 指導老師程啟正 教授 中華民國九十六年二月 目 錄 第一章 實驗一、歐姆定律Ohm＇s Law、分壓與分流電路．．．1 實驗二、戴維寧定理與重疊原理．．．．．．．．．．．5 第二章 實驗三、二極體特性與應用．．．．．．．．．．．．．10 實驗四、濾波器電容濾波、LC 型濾波、π型濾波器．．18 第三章 實驗五、電晶體之電氣特性．．．．．．．．．．．．．28 實驗六、電晶體放大器基本電路．．．．．．．．．．．35 實驗七、電晶體串級放大電路．．．．．．．．．．．．46 第四章 實驗八、電壓隨耦器、同相放大器與反相放大器．．．．52 實驗九、加法器、減法器、積分器與微分器．．．．．．57 第五章 實驗十、NE555 無穩態多諧振盪電路．．．．．．．．． 65 附錄一 電阻值的標示方法 ．．．．．．．．．．．．．．．． 72 附錄二 電容器的標示方法 ．．．．．．．．．．．．．．．． 77 第一章 基本電路原理 實驗一、歐姆定律Ohm’s Law、分壓與分流電路 一、 實驗目的 此節實驗目的在於熟悉電路板的配置與操作，了解分壓與分流的電路 配置。 二、 相關知識 歐姆定律在電路設計上是最常用的定律之一，其明確的指出電流、電 壓與電阻之間的關係為 V I。R，在設計電晶體放大電路或其它類比電路 乃至數位電路時，都有使用到歐姆定律的機會。在故障檢修的場合也可應 用，後面將提到分壓電路及分流電路即可以用歐姆定律推導出作用情形。 在本書最後附有電阻色碼讀法及各種電阻的特性，供讀者參考之。本節實 驗目的在以歐姆定律配合分壓及分流電路，驗證理論與實際物理系統是否 相同。歐姆定律己在電子學課本中有祥細的說明，在此不多贅述，以下僅 就分壓電路與分流電路原理做說明。 1 分壓電路 分壓電路為兩個以上的電阻串聯而成，如圖 1-1 所示為三個電阻的場 合，三個電阻以上串聯時分析的步驟也是相同的。 圖 1-1 分壓器 A. 因電阻串聯時總電阻值為所有各別電阻的和，故圖 1-1 中 12V 電源 所跨接的電阻為 R1R3 的和，即 1K1K1K3KΩ，根據歐姆定律 1 求出流經電阻之電流mA kR V I4 3 12 Ω 。 B. V1 的求法亦使用歐姆定律，因 V1 對電源端之間的電阻值為 1K1K2KΩ，故VkmARRIV824211Ω，同樣地可求 得 V2 I R1 4mA 1KΩ 4V 2 分流電路 分流電路為兩個以上的電阻並聯而成，多用於將電流分散的場合，如 常用之大電流量電表，若沒有分流電路的幫助，電流錶中的線圈是不 可能承受到刻度上所指示的電流而不燒毀的。圖 1-2 即二個電阻所組成 的分流電路，在多於兩個電阻以上時的分析方式一樣的。 分析分流電路可以配合歐姆定律，即先求出跨接在分流器兩端的電 壓，再各別用歐姆定律算出每個電阻所通過的電流。 圖 1-2 分流器 A. 以圖 1-2 為例，先求出並聯後的等效電阻Ω 5 .687 21 21 RR RR Rth， 再求出電阻兩端的電壓為 687.5100mA 68.75V B. 再 次 應 用 歐 姆 定 律 求 出 流 過 各 別 電 阻 流 過 的 電 流 ， mA K V IR68 1 75.68 1 Ω 75.；mA K V IR31 2 . 2 75.68 2 25. Ω ，兩者之合恰等 於總電流，表示計算過程無誤。 C. 除了利用歐姆算出分流量外，另外也可以用電阻之間的比值算出流 過個別電阻之電流量，在此是為了讓同學熟習歐定律的使用而選擇 了較繁雜的方式。 2 三、 工作項目 工作一、歐姆定律 1. 按照下圖接好零件，電源以 DC3V 供應之。 2. 將電阻與電源之間的接線拆開，串接己撥至電流檔的三用電錶，此 時所測得之電流值為_____mA。 3. 用另外一個色碼標示為 470 歐姆之電阻取代目前用的這一個，再次 以電流錶測得電流為_____mA。 4. 步驟 2 與 3 所測得之電流值是否相同_____ 工作二、分壓電路 1. 按下圖接好各零件，電源以 DC12V 供應。 2. 將三用電表測量 R1 的電壓 V1______V、R2 的電壓 V2______V、 R3 的電壓 V3________V。 3. 將各電阻以同樣色碼另一批電阻代換，再量測一次 V1______V、 V2______V、V3________V。 4. 以三用電錶測得 R4 兩端之電壓是否等於 12V-V1-V2-V3______。 5. 步驟 2 與 3 所測得之電壓值是否相同_____。 3 工作三、分流電路 1. 按下圖接好各零件，電源以 DC12V 供應。 2. 以三用電錶測量流過 R1 之電流 I1_____mA、流過 R2 的電流 I2_____mA、R3 之 I3_____mA 及 R4 之 I4_____mA。 三、電路設計原則 在電路中使用電阻時，主要的考慮有兩項目，即電阻在這個電路中所 承受的瓦數及電路要求精密度為何。當電阻能承受的瓦特數小於電路中所 施加，電阻即會燒毀，而瓦特數之計算為RI R V IVP 2 2 ，在選用時要 挑選瓦數足夠的電阻，以本節電路為例，其承受之瓦數為 9/470 0.02W， 故使用市面常見之 1/4W 電阻即可勝任。 另外一個主要考慮項目為精密度，由於電阻器在生產過程中會有誤差 值，若電路的動作極度依賴電阻值之大小，在使用時就必須選用精密電阻， 這類的電路多為 OP 放大電路。 除了上述二項之外，不同目的的電路也可以選用特別的電阻，如音響 電路中即有人主觀的認為使用金屬皮膜電阻，若使用一般碳膜電阻會對音 色有很大的影響，另外，在講究空間要小場合如電腦主機板上，由於所需 要的瓦數不高，就可以用表面黏著型（SMD）電阻，不僅成本下降也可以 達到減少體積的效果。 四、問題討論 1. 請說明為何在本節實驗中，即使更換的是相同色碼的電阻也會對分 壓器之電壓產生影響 2. 試計算出工作三中 R1（或 R2 或 R3）兩端之電壓為多少 3. 試計算工作二中 R2 電阻所承受之瓦數為多少 4 第一章 基本電路原理 實驗二、戴維寧定理與重疊原理 一. 實驗目的 借由實驗的操作了解戴維寧等效電路之原理並且得到戴維寧等效電路 之電壓與電流值，並與理論值相互比較。了解重疊原理之應用，利用示波 器觀察利用重疊原理後的結果是否符合預期。 二. 相關知識 戴維寧定理 戴維寧定理（Thevenin’s Theorem）可將任電路轉換成為一單一迴路， 在其中只含有一等效電壓源及一等效電阻串聯，如圖 2-1 所示 圖 2-1 戴維寧等效電路 圖中之等效壓源即戴維寧等效電壓（VTH） ，係指負載電阻斷路時，在 其兩端之電壓值。而等效電阻即戴維等效阻抗，係指由負載兩端向內看之 總阻抗，此時要將電壓源短路、電流源斷路才可算出等效電阻。我們利用 圖 2-2 來說明解題步驟 1. 將負載電阻 RL拿掉，而繪出電路圖，如圖 2-2C。 2. 用分壓公式求出 A、B 兩點間之電壓，其值為 2V。 3. 將 12V 電源改為短路，如d圖，再重畫電路圖，如圖e，而求得 A、B 兩點總電阻為 2.5KΩ2KΩ4.5KΩ。 4. 將所求得之等效電壓及等效電阻繪在等效電路圖上，如圖b所示，此即 所求之戴維寧交流等效電路。 5 圖 2-2 重疊原理 在許多電子電路中，交流和直流電壓會同時存在，因此在本節中我們 簡單介紹直流和交流重疊的觀念，下面我們以圖 2-3 電路來說明。 圖 2-3 重疊原理 6 圖 2-3 中包含了直流壓源與交流電壓源二者，由於電容的阻抗 fC XC π2 1 ， 直流電可視為 f 為零，所以電容對直流電壓可視為斷路。因此，直流電壓並 不會有任何電流流入交流電源中，所有的直流電壓皆由 R1R3 三個電阻而 分壓，即圖 2-3 中 ABC 三點電壓波形之直線部分，由分壓原理知道 B 點之 直流電壓為 20V、C 點則為 10V；對交流電壓而言，電容是短路的，所以 交流成分可以進入 B 點，並以 R2 及 R3 分壓，在圖 2-3 的 B 及 C 部分波形 所帶有的交流成分即是如此而來。 由於 R2 及 R3 之電阻值相等，所以兩者 分壓亦為相等，即 R2 與 R3 兩端之交流成分都為 5Vp-p，故 C 點波形中所 帶有之交流成分為 5Vp-p 。 總體所呈現的波形即直流成分再加上交流成分而 成。 重疊原理在電路設計上十分重要，其便利性在於分析電路時可以分別 看待直流與交流成分，例如，電晶體等放大電路中因為需要直流偏壓的存 在，所以設計電路時即需要用到分壓電路，又在線路中同時會有交流訊號 的傳遞，在分析上如果能好好利用重疊原理，則電路設計過程將會簡單許 多。 三. 工作項目 工作一、戴維寧定理 1. 按下圖接好各元件，電源以 DV12V 供應。 2. 以三用電錶測量 R5 兩端接腳之電壓為_____V、以電流錶測得流經 R5 之電流為______mA。 3. 取下 R5，用三用電錶測試原 R5 接腳處之電壓為______V。 4. 取下電源接線，將原線路圖上電源部分直接用電線短路，取下 R5，用 電阻錶量測原 R5 接腳位置之電阻值為_______Ω。 7 5. 試計算電路中 R5 的戴維寧等效電壓為_____V，等效電阻為_____Ω。 6. 計算出之等效電阻值與步驟 4 所測得之值是否相等______。 7. 計算出之等效電壓值與步驟 3 所測得之值是否相等______。 工作二、重疊原理 1. 按下圖接好各零件，電源以直流 12V 供應。 B A 2. V2 交流電源以訊號產生器代替，調整至輸出訊號為 1KHz 之弦波，Vp-p 3V。 3. 先關閉訊號產生器，測量 A 點電壓為_____V；B 點電壓為____V。 4. 接上訊號產生器，以示波器觀察 A 點及 B 點之波形，並將其繪於下面 的方格圖中。 5. 步驟 4 中所測得之波形是否與重疊原理分析所述相同______ 8 三、電路設計原則 戴維寧定理常使用於分析電路過程，在設計電路時一般而言用於分析 負載效應，而重疊原理則多用在電晶體放大器等需要直流工作點的場合。 在此類電路中，設計時所需要考慮的是交連電容（即工作二中之 C1）是否 適當，過大的電容會有電路成本增加等問題；電容過小則會造成低頻訊號 無法通過或失真的問題，即 RC 電路常數是否適當，這在電子學課本中有較 詳細的討論。 四、問題討論 1. 試舉一例說明戴維寧定理的解題過程。 2. 工作二中若 R4 斷路，則在 R3 與 R4 之間所測得之波形與 B 點所測有 何不同試簡單說明其原因。 9 第二章 整流與穩壓電路 實驗三、二極體特性與應用 一、 實驗目的 學習利用三用電錶測量二極體之良否，並且在了解二極體之原理特性 後，加以應用在半波以及全波整流並以示波器觀察其解果。 二、 相關知識 順向偏壓特性 二極體主要結構為一 P 型與 N 型半導體接合而組成，利用 P-N 接面順 向偏壓及逆向偏壓時所呈現之不同特性來動作。除了特殊形式的二極體（如 Zener Diode）工作於逆向偏壓外，其餘皆工作於順向偏壓狀態。 理想二極體在 P-N 接面兩端有一微小順向偏壓存在時，就會驅使其進 入導通狀態；逆向偏壓時，不論 P-N 接面所承受的逆向偏壓多大，二極體 皆不會有電流產生，如圖 1-1 所示即為此種理想二極體特性曲線圖。但在實 際物理世界中並不存在這種理想二極體，圖 1-2 為真實二極體順向導通時， 以施加於兩端的電壓與流通過兩端電流的關係而繪出之曲線，此圖來源為半 導體廠商提供之元件資料文件。由圖可以看出真實二極體在順向偏壓時，兩 端即使有順向偏壓也必順高過 0.7 伏特左右的位差才會有電流產生，此一電 位差稱為 ”障壁電壓” ，其大小值因組成二極體之半導體材料而有所不同， 在室溫（約 25℃）下，鍺半導體的障壁電壓約為 0.3 伏特；矽二極體則約為 0.7 伏特；目前所看到的半導體元件多為矽半導體，在後面實驗的電路設計 階段，我們都以 0.7 伏特做為設計時所考慮到的障壁電壓。由圖 1-2 也可以 看出不同溫度下，障壁電壓也會有些微變化。 圖 1-1 理想二極體之特性曲線 圖 1-2 真實二極體之順向偏壓曲線 I V 10 另外，除了障壁電壓會影響二極體順向偏壓時的特性曲線，半導體本 身的電阻也會讓曲線產生偏斜，其斜率即為二極體內部電阻值大小。再加 上其它半導體的物理特性，當電流量較大時曲線也會再產生一些偏移，由 於影響不大，且這些區域通常不會在我們設計的系統工作點範圍，若非極 精密電路場合則將這些影響忽略不計。 逆向偏壓特性 二極體的另一個工作型態為逆向偏壓。同順向偏壓一般，真實二極體 在承受逆向偏壓時的表現上仍會與理想二極體不甚相同，最明顯的一個差 異為真實二極體所能承受的逆向偏壓有一最大容許值，稱為崩潰電壓，超 過此電壓則二極體將生永久性損壞（短路或斷路） 。由於溫度的影響，在逆 向偏壓時，二極體內部仍會有少數載體流通 P-N 接面而引起極小量電流。 圖 1-3 表示的正是此逆向電流隨外界溫度上升而增加的現像。 圖 1-3 隨溫度增加的逆向電流 圖 1-4 崩潰電壓 I 崩潰電壓 V 二極體的近似模型 綜合上述二極體在順向及逆向偏壓下之特性，我們可以一近似的圖形 曲線來簡化真實二極體的動作特性，此一曲線圖稱為”二極體的近似模型” 除非是在高精確性電路的場合，才必須要考慮到真實二極體的物理特性， 一般的應用場合以近似模型來設計電路即可。 圖 1-5 二極體特性 11 圖 1-6 二極體近似特性曲線 二、工作列表 工作一、二極體良否判斷 要判斷一個二極體是否良好，以三用電錶就可以完成工作，唯一需要 注意的是使用的三用電表為何種型式，數位式與指針式三用電表的探棒在 量測電阻時輸出電流的方向是剛好相反的。指針式三用電錶的黑色探棒雖 然在探測電壓時是接待測電壓的負端，但在測試電阻檔時卻是輸出電錶內 部的電池正電壓，所以用指針式電錶測二極體時，黑色探棒是要接在二極 體的陽極的，如圖 1-7 所示；近來數位電錶的品質與價格都達到較容易為使 者接受範圍內，使用數位電錶的人數也因此超越傳統指針電錶的使用者。 數位電錶在內部構造上不同於指針電錶將電池輸出電壓反接的方式，以一 般人直覺紅色為正電壓，黑色為接地電壓的方式輸出電阻檔的電壓源，在 量測就行了。如圖 1-8。 圖 1-7 以指針式 量測二極體時就不需要刻意將探棒交換，直接 三用電錶測 試二極體 圖 1-8 以數位電表 測試二極 體 12 圖 1- 二極體包 裝標示 9 工作二、二極體應用－半波整流 二極體除了可以用來整流外，也有應用在檢波電路上的例子，但多數 1-10 的電路圖將相關零件裝配在麵包 板上 1-10 半波整流 請將輸入的交流信號與電阻兩端電壓波型繪製在下表，正確波型將於 驗後一週公佈於網頁上，請同學上網查看。 實用場合仍以整流為主用途。請照圖 ，再將結果記錄在下列適當的空格中。 零件列表 二極體 1N4001 1 （w） 1 電 阻 1kΩ p-p 圖 實 13 工作三、全波整流（配合變壓器） 顧名思義，變壓器的主要用途在改變輸出端電壓與輸入端電壓的比 數比 整流電路後所得 到的實際電壓是高於此一標示值的，在下一節濾波器電路實驗中各位可以 清楚 變壓器中間抽頭式全波整流 值，輸出電壓與輸入電壓間的關係可以表示如下 V2 / V1 N2 / N1 其中 N2 / N1 為線圈之匝 需注意的是市售變壓器的標示電壓值為 RMS，在經過 察覺到這現像。全波整流可以用兩種常見電路方式達成，兩者之間的 差別在於零件數目及所用零件特性要求不同。 圖 1-11 中間抽頭式全波整流 電阻兩端電壓波型繪製在下表，正確波 零件列表 體 1N4001 2 （w） 1 中間抽頭 二極 電 阻 1kΩ 變壓器 110V12V 1 rms 請將變壓器輸出的交流電壓與 型將於實驗後一週公佈於網頁上，請同學上網查看。 14 橋式整流 交流電壓與電阻兩端電壓波型繪製在下表，正確波 型將於實驗後一週公佈於網頁上，請同學上網查看。 三、 電路設計原則 在二極體應用電路上，設計時沒有什麼特別的原則，重點在於 規格 表所示之最大逆電壓，否則二極體將損壞。 ，由功率的定義可以知道消耗在元件上的 功率大小為流過元件電流與元件兩端電壓的乘積，即 PIV，此一功率 零件列表 二極體 1N4001 4 （w） 1 電 阻 1kΩ 變壓器 110V6V 1 rms 圖 1-12 橋式全波整流 請將變壓器輸出的 1. 應用時須考慮電路中，產生在二極體兩端的逆向偏壓不可高於元件 2. 而另一個要考慮的是順向電流的大小，流過二極體的可能最大電流必須 低於規格表。 3. 最後則是元件的承受功率大小 值不可大於元件所能承受值，若需要較高功率值（如大電流電路）則需 15 另行選用較高功率數的元件。 4. 問整流二極體系列為 1N40011N4007，限流 1A，耐壓範圍 50V1000V。 要注意二極體限流約１安培，計算出 R 與 C電容後要在計算總電流是 四、問題 形交流電之峰值電壓為 VP Vrms 否超過 1A。若採用電阻是１／４ｗ，輸入電壓為１０V，則電阻採用最 小值要４００歐姆。電容的極性要注意，此外要注意電容的耐壓。 討論 21. 一般正弦波，試問本節實驗中 全波及半波整流電路中，二極所受到的最大逆向偏壓為多少（不考慮 間抽頭式全波整流與橋式全波整流電路的不同處 障壁電壓時） 2. 試列舉出三項中 16 附錄1N40017 Max Rating Chart 17 第一章 整流與穩壓電路 第二章 整流與穩壓電路 實驗四、濾波器電容濾波、LC 型濾波、π型濾波器 一、 實驗目的 為了補強前一個實驗的濾波器功能，這個實驗中我們分別加入「電 容」 、 「電感」於濾波器中，並以示波器觀察輸出電壓的改變。 出電壓波形上仍 然有相當大的波動，無法連接到電路中使用，必需要再加以處理，這些處 。常用在電源中的濾波線路有電容濾波、LC 型濾波、π 型濾器 高於電容器兩極間的電壓 時，電容器會被充電，反之則電容器會向電源放電。利用電容器這樣 達到簡易的濾波器功能。在簡單的電路系統中，以電容 二、 相關知識 實驗一中的全波流器雖然可以輸出直流電，但在輸 理的過程稱為濾波 波三種，下面將簡單介紹其作用原理。 A、 電容濾波器 電容有儲存電荷的功用，在外接電源的電壓 的特性就可以 器濾波處理過的全波整流電壓輸出就可供電路使用了。圖 2-1 為電容 濾 波 器 作 用 情 形 。 起始狀態 電容器充 電容器放 電容器再次 充電 圖 2-1 電 18 B、 LC 型濾波器 電容濾波器可以扼止輸出負載兩端的電壓產生的波動，使輸出電壓的 漣波因素較小，但電容器對電源中的低頻雜訊無法 需 有效抑制，這時就 要將電容濾波電路加以修改，得到的電路就是 LC 濾波器。由於電 容器的頻率特性為高頻時低阻抗；電感則為低頻時低阻抗，運用兩者 的特性即是 LC 濾波器的基本原理，LC 濾波線路如圖 2-2 所示。 輸出端的漣波現象將因分壓而減小；同樣地，輸出端的直流電壓也會 由於電感元件的線電阻與輸出負載的分壓而減低。換句話說， 輸出電壓不因加入 LC 濾波器而有太大的變動，選用電感時需挑選直 流阻抗較小的型式。 C、 π型濾波器 通常 LC 濾波器即可以達到一般使用場合所要求的穩壓條件，但我們 可以在電容器之前再並聯另外一個電容，這相當於將 C 濾波器與 LC 濾波器串聯使用，所以在濾波效果上可以有更好的表現。圖 2-4 圖 2-2 LC 濾波器線路 由於 LC 濾波線路中元件為電容與電感，兩種皆存在交流效應，所以 為了使 為π 型濾波器的線路。 圖 2-3 LC 濾波器 之交流效 應 圖 2-4 π型濾波器 19 三、 工作列表 注意本次實習項目需將示波器設定為外部觸發模式，如此才能觀察 到電路的暫態行為 工作一、電容濾波器 將各元件依下圖組合成一完整電路，調整函數產生器輸出波形為正弦 波，並記錄下濾波器輸出與輸入兩端之波型。同學可以試著將電容器 容量變更，觀察輸出波形在不同濾波電容量下有何影響。 零件列表 二極體 1N4001 4 1 電 阻 1kΩ 1 Vpp10 60HZ 電容器 10uF/35V 工作二、LC濾波器 請將各元件依下圖連接，調整函數產生器之輸出波形為 60HZ、Vpp 為 10V，試將濾波器輸出及輸入端的波形記錄下來。在本項實驗中所 得之輸出波形將與工作一所得輸出相似，試於問題討論中說明原因。 同學亦可調整函數產生器之輸出頻率，看看輸出波形有何改變。 零件列表 二極體 1N4001 4 電容器 10uF/35V 1 電容器 100uF/35V 1 電 阻 1kΩ 1 電 感 4.7mH 1 20 工作三、π型濾波器 請將各元件依下圖連接，調整函數產生器之輸出波形為 60HZ、Vpp ，試將濾波器輸出及輸入端的波形記錄下來。請注意比較與前為 10V 同之處。若將 C2 改為 100uF，輸出波形將有何變化 ，請將您 的波形一並繪製在下方表格上。 提示注意暫態反應時間的 。 兩者不 觀察到 改變 零件列表 二極體 1N4001 4 電容器 100uF/35V 2 1k 1 電 感 4.7mH 1 電阻Ω 21 三、電路設計原則 濾波器的設計主要在於元件耐壓值的考量，如上述三種濾波器都使用 到電容元件，在設計時要注意挑選的電容之耐壓值要高於輸入訊號之 峰值電壓，以本次實驗所作電路為例，輸入訊號的峰對峰電壓為 伏特，換句話說，峰值電壓對地的電壓為 5 伏特 挑任何高於 5 伏耐壓值的電容來使用。一般來說，電容的售價除了隨 容量增加而提高外，耐壓值超過常用規格者，售價也會提高。 另外要提到是湧浪電流的現象，在電容器內部完全不存在任何電荷 時，電容器在接觸到電流源的瞬間會開始大量吸收電流，從電路觀點 來看，這相當於電容器兩端是短路的。從這觀點出發，我們來看看電 容器兩端短路時對濾波器線路有何影響參考圖 2-5，我們到這相當 於將整流用二極體的輸出直接接地一樣，如此一來，流過二極體的電 流將會相當大，這電流就稱之為湧浪電流（surge current） 。一般二極 可以容許在極短的時間內通過一定程度的大電流，如果這段時間持續 太長或電流超過界限，那麼二極體將會遭到永久的破壞。常用二極體 的最大瞬間電流值可以在上一節實驗的附錄中找到。 ＊電容濾波電容濾波 公式為 1 ，挑選電容器時可以 0 r 0.00240.0024 V P LL Vr R CR C ⇒。 濾波電容的選擇電容愈大代表鏈波因數 愈小，濾波效果愈好。鏈波因數代入r r p V r V 0.0024 L C R r ⇒ L R自選，但必須考慮其功率數，鏈波電壓有效值， r V P V其中負載電阻輸入 壓。 例 電 22.63 pp VV， 0.015r 0.16 L C R ⇒，時間常數為。 若選擇 RC160ms L R為１ｋ160CFμ⇒，代入 C C X * X L t L R X R ，其中 π C 1 X 2fC ，得 16.29 t X Ω， 0.5276 X16.29 pp t 8.6V iA，沒超過１A，故選擇電容可用大於 160 Fμ，如220 Fμ，耐壓超過22.63V的電容。採用碳膜電阻可以耐較高的湧浪 流。 電 22 ＊ LC 濾波濾波 濾波電容及電桿的選擇 π dc 2 V pp V pp V輸入電壓峰值、 dc V 輸入電壓 rin V0.308 pp V 輸入鏈波均值 rin V ⎛⎞ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ c routrin 22 CL X VV X X 輸出鏈波均值 其中 rout V π L X2fL﹔ π C 1 X 2fC rout dc V V r 先決定鏈波因數得到，再由 rout V ⎛⎞ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ c routrin 22 C X VV X X 求得 L 、CL的值。 例電感的直流電阻57.5Ω，鏈波因數設為 0.015， 22.63 pp VV w R，負載電阻 設為，1 L RKΩ π dcin 2 V14 pp V .4， ⎛⎞ ⎜⎟ ⎝⎠ dcdcin V*V13.62 L Lw R V RR V rin V0.3086.97 pp VV → rout routdc dc V V VV *13.62*0.0150.2043rV r ⎛⎞⎛⎞ ⎜⎟⎜⎟→ ⎜⎟⎜⎟ ⎝ n ⎠⎝⎠ rout cc routrin 2222 ri CLCL VXX VV0.0293 V X XX X 假設電容為， π c 1 X26.5258 2fC Ω代入 ⎛⎞ ⎜⎟ ⎜⎟ ⎝⎠ c 22 CL X 0.0293 X X μ100F Ω ⇒ L X904.932.39LmH 得到 求出，總電流為小於Ω930.77 t R→9.24mA1A將總電阻 t R，因此選擇的材料合 理。 23 ＊π型濾波型濾波 主要考量仍為針對二極體的耐電流值，電容的選擇上的電容值不可以超過 值，否則其濾波效果比 LC 濾波稍差。 量測值 C 濾波 1 C 2 C 的電容 ＊ R in V V 1 C Fμ 1 R K Ω V r V 鏈波因數 輸入電壓 １６ 10 1 8.3 39 １６ 47 1 2.5 13 １６ 100 1 1.225 6 １６ 470 1 0.275 1.7 １６ 1000 1 0.1 0.5 Time base0.02sec/div 10V/div R11K C1100Fμ 24 LC 濾波 輸入電壓 in V V 1 C Fμ 1 L mH 1 R K ΩV r V 鏈波因數 １６ 10 4.7 1 7.938 45.5 １６ 47 4.7 1 2.591 12.75 １６ 100 4.7 1 1.585 5.73 １６ 470 4.7 1 0.3125 2.17 １６ 1000 4.7 1 0.187 1.3 Time base0.02sec/div 10V/div Fμ L14.7mH C1100 25 π型濾波 輸入電壓 in V V 1 C Fμ 2 C Fμ 1 R K Ω 1 L mHV r V 鏈波因數 16 100 10 1 4.7 0.827 5.6 16 100 100 1 4.7 0.47 2.3 16 100 1000 1 4.7 0.24 0.47 C2 C1 C2 C1 Time base0.02sec/div 10V/div Fμ C210Fμ L14.7mH C1100 26 四、 問題討論 1. 若電容濾波器中的電容量增大，則輸出波形有何變化請解釋為什 麼會有這種影響 2. 試說明 LC 濾波器當中的電感值會如何影響輸出波形原因為 何；當輸入訊號的頻率改變時，輸出波形產生什麼變化試說明 原因。 3. 在工作三的π型濾波器中，若把 C2 改為較大容量之電容時，對輸 出波形有何影響 試說明這種現像發生之原因為 4. 請參考電子學課本中所提到的 RC 時間常數，說明為何電容量會影 響輸出波形的漣波因數又，L 濾波器與π型濾波器中電感的直流 電阻對輸出波形的漣波因數有何影響為什麼 5. 綜合第二章實習之相關知識，試設計一固定輸出電壓之直流電源供 應器，輸出電壓自行選擇，如 3、6、12 伏特等，需詳細列出計算各 電路元件所承受電壓及電流的過程。 27 第三章 電晶體電路 實驗五、電晶體之電氣特性 一、實驗目的 了解電晶體結構及其基本特性。 二、相關知識 在電子電路中，電晶體的應用可以分為兩大類，即放大電路與開關電 路，前者即常見之類比電路，後者則為一般的數位電路。電晶體的結構分 為 NPN 與 PNP 兩種，如圖 3-1 所示為電晶體的標準符號。 圖 3-1 電晶體符號 電晶體用於放大作用時，必需確保工作點落於動作區內，否則放大電 路輸出將會被限制。當然，會先出現飽和或截止現象則需視工作點的位置 而定。圖 3-2 為電晶體之 VCE-IC特性曲線，隨著基極電流大小的不同，可 以繪出不同的特性曲線。設計放大電路時，我們可以經由適當的電阻值來 決定 VCE及 IC之最大值為何，在特性曲線圖上將這兩點連接起來即為該電 路之直流負載線，如圖 3-3 所示。此負載線與放大器設計有莫大的關係，下 一實驗中將再進一步說明。 28 圖 3-2 電晶體之特性曲 線，可分為飽和、 動作及崩潰三大區 域。電晶體進入崩 潰區將造成永久性 的損壞。 圖 3-3 直流負載線 若將電晶體用於開關之用途，則不需要考慮直流負載線的存在，只 要確定電晶體之基極有足夠電流進入，將電晶體推入飽和區即可，此時電 晶體集極與射極間的電壓差極小，可視 C-E 為直接接通。由功率的定義 「P IV」可知，此時電晶體所消耗的功反而比電晶體未進入飽和區前來的 低（當電晶體工作於放大模式時，CE 兩端的電壓差較大） ；若要此電晶體 開關截止，只要讓基極的電流截止，C-E 極間的電流也會跟著截止，這時電 晶體 C-E 極間可視為斷路。 29 三、工作列表 工作一、電晶體VCE-ICE特性曲線繪製 1. 按下圖接線，電源 VCC使用 DC710V 皆可。 47K 1 100Ω 1 可變電阻 1K 1 10K 1 電 阻 零件列表 2. 調節 VR1使 IB 0μA。 3. 調節 VR2使 VCE依次為 0.1V→0.2V→0.3V→0.5V→1.0V→2.0V→ 3.0V→4.0V→5.0V→6.0V（電源 VCC為 7V 時，若 VCE無法到 6V 則只作到 VCE 5.0V 即可） ※注意調整 VR2時，IB可能會變動，此時應調整 VR1使 IB為指定之值。 4. 依次調整不同之 IB值，完成下列各表格。 IB 0μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 10μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 20μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 30μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 40μA 30 VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 50μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA IB 60μA VCEV0.1 0.2 0.30.51.02.03.04.0 5.0 6.0 ICmA 31 5. 利用下面的空表格，將各表格數值繪製成 VCE-ICE特性曲線圖。 32 工作二、觀測IE、IB、IC之關係 1. 視電晶體為 NPN 或 PNP 之不同，裝置下面電路。 2. VCC DC 6 9V 皆可。 3. 調整 10KΩ的可變電阻使集極電流為 2mA。 4. 記下此時之電流值。 IB_____μA、IC_____μA、IE______mA。 5. 用下式計算α值 C E I I α _______。 此即本電晶體在 Ic 2mA 時之α值。 6. 用下式計算β值 B I Ic β _______。 此即本電晶體在 Ic 2mA 時之β值。 零件列表 電 阻1k 1 可變電阻10k 1 電晶體NPN 或 PNP 33 四、問題討論 1、工作一中之電晶體若更換為 PNP 電晶體時，則線路應該作何修改 試繪出。 2、當你在測繪 VCE-ICE特性曲線時，即使在 IB 0mA 下，將 VCE調高 是否會對 ICE有所影響試說明為何會有這種現象出現。 3、在實驗過程中，用相同零件號碼電晶體取代原來之使用的那一個 時，實驗數據是否有所以變化若有，請說明這是什麼原因造成的。 4、試簡單描述工作二中之α、β的定義。 34 第三章 電晶體電路 實驗六、電晶體放大器基本電路 一、實驗目的 了解電晶體放大電路的工作原理與其特性。 二、相關知識 電晶體放大電路顧名思義即為用來將輸出訊號放大之電路，在一般的 電子學課本中都有介紹過各種基本組態 ， 表 3-1 列出各種組態下電晶體放大 器之用放大倍率及阻抗匹配關係。 表 3-1 共射極 CE 共集極 CC 共基極 CB 電壓增益 AV C e R r 高 1 低 C e R r 高 最大電流增益 Aimax β 高 β 高 1 低 功率增益 AP AiAv 很高 Ai 高 Av 高 輸入阻抗 RIN e rβ 低 e Rβ 高 e r 很低 輸出阻抗 ROUT RC 高 E S R R || ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ β 很低 RC 高 在實驗一中我們討論了直流負載線，接著介紹不同之直流負載線對放 大電路有何影響。我們用共射放大電路來說明，考慮一如圖 2-2 之電晶體線 路，由圖中可以看出如何在特性曲線上找出直流負載線，即經由計算 IC與 35 VCE之關