ELEKTRONİK DENEYLERİ I

Transkript

1 ELEKTRONİK DENEYLERİ I Prof. Dr. Avni Morgül İstanbul, 2015

2

3 Yazar: Prof. Dr. Avni MORGÜL Mühendislik Mimarlık Fakültesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü ELEKTRONİK DENEYLERİ 1. Baskı, İstanbul 2016 FSM Vakıf Üniversitesi Yayınları, No. Baskı: ISBN No: Sertifika No: Anahtar kelimeler: Elektronik Elemanlar, Kuvvetlendiriciler, Elektronik Ölçme Kitabın bazı bölümleri veya tamamı FSM Vakıf Üniversitesi ve yazarın yazılı izni olmaksızın hiçbir şekilde çoğaltılamaz. Copyright 2016

4 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER... iii Önsöz... iv Laboratuvar Kuralları... v 1. Deney: DİYOT ÖZEĞRİLERİ Deney: DİYOT DOĞRULTUCU DEVRELERİ Deney: BESLEME DEVRELERİ Deney: MOSFET ÖZEĞRİLERİ Deney: MOS TRANSİSTÖRLÜ KUVVETLENDİRİCİ Deney: TRANSİSTÖRLÜ ANAHTAR DEVRELERİ Deney: LOJİK KAPI DEVRELERİ Deney: SAYISAL/ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜLER (D/A) Ekler iii

5 ÖNSÖZ Bu deney kitabı elektronik elemanlar dersinin laboratuvar deneyleri için hazırlanmıştır. Bu deneylerde standart ölçme aletleri yanında National Instrument (NI) firmasının LabView yazılımına bağlı olarak çalışan ELVIS donanımı ve sanal aletler (VI) de kullanılmaktadır. Her deneyin başında deneyle ilgili temel teorik ve pratik bilgiler verilmiştir. Öğrencinin konu ile ilgili daha detaylı bilgileri kitaplardan ve ders notlarından öğrenmesi ve Deneyden Önce Yapılacak Hesaplar kısmında istenen hesapları yaparak laboratuvara gelmesi beklenmektedir. Hazırlıksız gelen öğrencilerin laboratuvar notları kırılacaktır. Her öğrenci deney esnasında gördüğü şekilleri, ölçtüğü değerleri Deney Ön Raporu na yazarak bir kopyasını laboratuvar görevlisine bırakacak, bir kopyasını kendisi alacaktır. Daha sonra bunlara dayanarak deney raporlarını hazırlayacaktır. Deney raporlarında şekillerin düzgün ve ölçekli olarak çizilmesi, ölçülen değerlerin teorik değerlerle karşılaştırılması ve en önemlisi bulunan sonuçların yorumlanmasına göre rapor notu verilecektir. Şekiller elle veya bilgisayardaki herhangi bir çizim programı ile çizilebilir. Ekrandan çekilen resimleri yorumsuz olarak vermenin hiç bir anlamı yoktur! Bunlara puan verilmez. Bu şekillerdeki detaylar sadece yorumları desteklemek için kullanılabilir. Deneylerden bir şeyler öğrenebilmek için mutlaka konu ile ilgili ön çalışma yapmak gerektiği akıldan çıkarılmamalıdır. Her öğrenci programda görülen bütün deneyleri yapmak zorundadır. Geçerli mazeretinden dolayı bazı deneyleri kaçıran öğrenciler son deney haftasında yapamadıkları deneyleri telafi ederler. İki deneyden fazla deneyi yapmayan öğrenci devamsızlıktan sınıfta kalır. Bütün öğrencilerime faydalı ve yardımcı olması dileklerimle, Avni Morgül Ocak 2014 iv

6 LABORATUVAR KURALLARI 1. Her öğrenci dönem başında ilan edilen bütün deneyleri yapmak zorundadır. 2. Geçerli bir mazereti yüzünden en çok iki deneyi kaçıran öğrenciler dönem sonunda bu deneyleri yaparak telafi ederler. 3. İkiden fazla deneyi kaçıran öğrenci devamsızlık nedeniyle sınıfta kalır. 4. Bir guruptaki bütün öğrenciler gelmeden deneye başlanmaz. 5. Deney başlama saatinden sonra 15 dakika geçtiği halde laboratuvara gelmeyen öğrenci yok sayılır ve diğer gurup üyeleri deneye başlar. 6. Her deneyin raporu bir öğrenci tarafından hazırlanır. Gurup üyeleri deney raporlarını sırayla yaparlar. Hangi öğrencinin hangi deneyin raporunu yapacağı dönem başında ilan edilir. 7. Öğrenciler laboratuvara gelmeden önce yapacakları deneyle ilgili bölümü okumak ve konuyla ilgili diğer kaynakları ve ders notlarını incelemekle yükümlüdür. Her deneyden önce öğrencilerin deneye hazırlanıp hazırlanmadığı kısa sınavlar veya sözlü olarak kontrol edilecek ve not verilecektir. 8. Öğrenciler laboratuvara gelmeden önce Deneyden önce yapılacak hesaplar ı yapmakla yükümlüdür. 9. Her gurup deneye gelmeden önce ilgili Deney Ön Raporu sayfasının 2 nüsha fotokopisini çekerek deney sırasında bu sayfaları dolduracaktır. Sayfalardan biri öğretim görevlisine teslim edilecek, diğer nüsha deney raporunu hazırlayacak olan öğrencide kalacaktır. 10. Deney raporları izleyen hafta deney başlamadan önce teslim edilecektir. Zamanında teslim edilmeyen raporlardan her gün için 5 puan kırılır. Bir haftadan daha fazla geciken raporlar kabul edilmez. v

7 vi

8 1. DENEY: DİYOT ÖZEĞRİLERİ 1.1 DENEYİN GAYESİ Çeşitli diyotların akım-gerilim davranışlarının incelenmesi ve özeğrilerinin çıkarılması. 1.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Multimetre (2 tane) Doğrultucu diyot (1N4001 veya 1N4002) Küçük işaret diyodu (1N4148) Zener Diyot (5,6V) Dirençler (330/2W) 1.3 TEMEL BİLGİLER Diyotlar elektrik akımını tek yönde ileten devre elemanlarıdır. Diyot sembolündeki ok akım yönünü gösterir. Şekil 1-1 Yarı iletken diyotun yapısı ve sembolü Yarı iletken diyot, bir p-tipi yarıiletkenle n-tipi yarıiletkenin birbirine değmesi ile oluşan bir eklemdir (jonksiyon). Bir diyotun özellikleri p ve n tipi bölgelerin katkı yoğunlukları ve eklem yüzeyinin alanına bağlı olarak değişir. Büyük akım taşıması gereken doğrultucu diyotlarda eklem alanı büyük, hızlı ve küçük işaret diyotlarında ise bu alan küçük yapılır. Bir yarıiletken diyodun akım-gerilim bağıntısı aşağıda verilmiştir: V D V I D I 0 (e T 1) (1-1) Burada V D diyotun iki ucu arasındaki gerilimi, I D diyottan geçen akımı göstermekte olup 290 K oda sıcaklığında V T =kt/q 26mV dur. I 0 Diyotun ters doyma akımı olup diyotun yapısına ve sıcaklığına göre A ile A arasında değişir. 7

9 Tipik bir silisyum diyot için bu eğri çizildiğinde yaklaşık V D 0,6V civarında akımın ma mertebelerine yükseldiği görülür. Pratikte bu gerilimin altında diyot akımı sıfır kabul edilir (açık devre). Şekil 1.2 de diyotun gerçek öz eğrisi ile ve 3. dereceden idealleştirilmiş diyot öz eğrileri ve bunların devre eşdeğerleri verilmiştir. Elle yapılan diyot devresi hesaplarında bu eşdeğer devrelerden biri kullanılır. Gerçek özeğri doğrusal olmadığından basit doğrusal devre analizi yöntemlerinde kullanılamaz. Ancak SPICE gibi bilgisayar destekli doğrusal olmayan analiz programları ile kullanılabilir. Şekil 1-2 Silisyum diyotun gerçek, doğrusallaştrılmış ve ideal akım-gerilim eğrileri ve eşdeğer devreleri Yarıiletken diyotlar ters yönde kutuplandığında ihmal edilebilecek kadar küçük bir negatif akım (-I 0 ) akıtır. Fakat ters gerilim arttırıldığında, belverme gerilimi, V B, değerine ulaşınca ters diyot akımı çığ ve/veya zener olayları nedeniyle birden bire artmaya başlar. Belverme gerilimi diyotların yapısına bağlıdır. Normal diyotlarda 100 voltlar mertebesindedir ve diyot bu gerilimin altında çalıştığı sürece diyottan ters akım akmaz. Şekil 1-3 Zener diyot sembolü, akım-gerilim eğrisi ve zenerin sabit gerilim kaynağı olarak kullanılması Zener diyot adı verilen özel diyotlarda belverme gerimi 2-3 voltlara kadar düşer. Akımgerilim eğrisi Şekil 1-3 de verilen bu diyotlar sabit gerilim kaynağı olarak kullanılır. 8

10 1.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. Formül (1.1) i kullanarak ve I 0 =2, alarak çeşitli gerilim değerlerine karşı düşen diyot akımlarını hesaplayıp Ön Rapor daki Tablo 1-1 e yazınız. Akım-gerilim eğrisini çiziniz. 2. Şekil 1-5 deki devrede V Z =5,6V luk zener diyot kullanıldığında, V=12V ve R=330 için devreden geçecek akımı hesaplayınız. I = SORULAR 1. Diyot modellerinden hangisinin hangi şartlarda kullanılabileceğini sebepleri ile açıklayınız. 2. Normal diyotlar neden zener diyot olarak kullanılmaz? Açıklayınız. 3. Zener diyotu hangi fiziksel olaya dayanır? Alçak ve yüksek gerilimli zener diyotları için çalışma mekanizmasını açıklayınız. 1.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 1-4 deki devreyi kurunuz. Tablo 1-1 deki diyot gerilimi değerlerini elde edecek şekilde V k giriş gerilimini ayarlayınız. Her gerilim için devreden geçen akımı okuyup tabloyu doldurunuz ve diyotun deneysel akım-gerilim eğrisini teorik eğrinin bulunduğu grafiğe çiziniz. Şekil 1-4 Diyot özeğrisinin çıkarılması 9

11 2. Bulduğunuz değerlere göre kullandığınız diyotun ters doyma akımı I 0 ne olmalıdır? Hesaplayınız. 3. 1N4002 doğrultucu diyot yerine 1N4148 küçük işaret diyotu koyarak 1. Deneyi tekrarlayınız. Sonuçları Tablo 1-2 ye yazınız. Bu diyotun akım-gerilim eğrisini aynı grafik üzerine çiziniz. 4. 5,6V luk bir zener diyot kullanarak Şekil 1-5 daki devreyi kurunuz. Tablo 1-3 deki diyot akımı değerlerini elde edecek şekilde giriş gerilimini ayarlayınız ve diyot gerilimini okuyarak tabloya kaydediniz. Negatif akım-gerilim bölgesine geldiğinizde gerilim kaynağının uçlarını ters çeviriniz. Elde ettiğiniz değerlere göre deneysel akımgerilim eğrisini çiziniz. Belverme gerilimi civarında daha fazla nokta alarak bu bölgeyi detaylı olarak çiziniz. Zener akımı ve geriliminin diyot akımı ve geriliminin ters yönünde olduğunu unutmayınız. Şekil 1-5 Zener diyot özeğrisinin çıkarılması 5. Bilgisayarda NI ELVIS Instrument Launcher programını çalıştırınız. Sanal aletlerden 2- Wire olarak gösterilen akım-gerilim eğrisi görüntüleme aletini kullanarak diyotların akım-gerilim eğrisini çizdiriniz. Diyotun anod tarafını ELVIS plaketinin sol alt köşesinde DUT+, katot tarafını DUT- deliklerine bağladıktan sonra sanal aletin ayarlarını Normal diyot için START=0V, INCREMENT=0,05V, STOP=0,9V değerlerine ayarlayınız. Zener için START=-5,7V yapınız. 10

12 Deney Ön Raporu Deney No 1 Diyot Özeğrileri Raporu yazan :... Gurup: Deney Tarihi : Tablo 1-1 V D (V) I D (ma) teori I D (ma) deney 2. I 0 = Tablo 1-2 V D (V) I D (ma) 4. Tablo 1-3 V D (V) 0 I D (ma) ,

13 12

14 2. DENEY: DİYOT DOĞRULTUCU DEVRELERİ 2.1 DENEYİN GAYESİ Diyotlarla yapılan doğrultucu devrelerin incelenmesi 2.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Multimetre (2 tane) Osiloskop 220V/2x12V Transformatör Doğrultucu diyot (4x1N4001 veya 1N4002) Elektrolitik Kondansatörler (10 F, 100 F) Dirençler (330/2W,1k5, 10k) 2.3 TEMEL BİLGİLER Diyotların en önemli uygulama alanı doğrultucu devrelerdir. Doğrultucular alternatif akımı doğru akıma çevirmeye yarar YARIM DALGA (TEK YOLLU) DOĞRULTUCU En basit doğrultucu tek bir diyot kullanılarak şekil 2.1 deki devre ile gerçekleştirilebilir. Şekil 2-1 (a) Yarım dalga doğrultucu (b) Yarım dalga süzgeçli doğrultucu ve dalga şekilleri 13

15 Şekil 2-1a daki devrede diyot sinüs biçimli v 1 alternatif geriliminin sadece sıfırdan büyük değerleri için iletimde olacağından çıkıştaki v 2 gerilimi şekildeki kalın çizgili dalga şeklinde olur. Yani çıkış gerilimi her zaman artı değerlidir. Bu gerilimin doğru akım (DA) bileşeni dalga şeklinin ortalamasına eşittir. V DA (YD) V 0 1 T T / v(t)dt 2 0 V p sin( )d V p (2-1) Fakat bu gerilim girişin eksi değerde olduğu yarı periyot boyunca sıfırda kaldığından bir doğru gerilim olarak kullanılamaz. Bu yüzden devreye Şekil 2-1b de görüldüğü gibi bir kondansatör eklemek gerekir. Giriş gerilimi yükselirken v D = v 2 -v 1 diyot gerilimi artı değerde olduğundan diyot iletimdedir ve kondansatör dolar, çıkış gerilimi yaklaşık olarak giriş gerilimine eşit olur (gerçekte çıkış gerilimi girişten yaklaşık bir diyot iletim gerilimi, yani 0,6...0,8V kadar düşüktür). Giriş gerilimi tepe değerine ulaşıp düşmeye başlayınca, kondansatörün uçlarındaki gerilim aniden değişemeyeceği için çıkış gerilimi girişten daha yüksek kalır ve diyot tıkanır. Bu durumda kondansatör R direnci üzerinden üstel olarak =RC zaman sabiti ile boşalır. v 2 (t) V p e t RC (2-2) Burada V p giriş geriliminin tepe değeridir. v 2 (t)<v 1 (t) olduğunda diyot tekrar iletime geçer ve kondansatör yeniden dolmaya başlar. Böylece çıkışta değeri V kadar dalgalanan bir doğru gerilim elde edilmiş olur. RC yeterince büyük seçilerek dalgalanma gerilimi istendiği kadar azaltılabilir. Girişteki sinüs biçimli gerilim genelde 50Hz lik şehir şebeke geriliminden elde edildiği için sinüsün periyodu T=1/50=20ms olduğuna göre RC nin büyük değerleri için t T=20ms ve üstel fonksiyon da düz bir doğru parçası kabul edilirse; V V p T RC V p 1 f RC I f C (2-3) eşitliği elde edilir. Burada f giriş geriliminin frekansını, I ise yük direnci R den geçen akımı göstermektedir. Tek yollu doğrultucuda f=50hz alınır. Kondansatör kullanıldığında çıkıştaki doğru gerilimi olur. V DA V p V 2 V 1 p 1 2 f RC (2-4) 14

16 2.3.2 TAM DALGA (ÇİFT YOLLU) DOĞRULTUCU Hem dalgalanmayı azaltmak hem de doğrultucunun çıkış gücünü arttırmak için iki yollu doğrultucu kullanılır. İki yollu doğrultucuda giriş geriliminin eksi değerleri de kullanılır. Bunu yapmak için ya orta uçlu bir transformatör ve iki diyot veya 4 diyotlu köprü doğrultucu kullanılır. Her iki devrenin çıkış gerilimi de Şekil 2-2b deki gibidir. Bu gerilimin DA bileşeni: V DA (TD) 2 T T / v(t)dt 0 V p sin( )d 2V p (2-5) Süzgeç kondansatörü, C, eklendiğinde çıkış dalga Şekil 2-2d deki gibi olur. Çift yollu doğrultucu kullanıldığında çıkış frekansı iki kat arttığı için çıkıştaki dalgalanma yarıya düşer. Bu durumda (2-3) ve 2-4) eşitliğinde f yerine 2f konulmalıdır. Kondansatör konduğunda çıkışta elde edilen doğru gerilimin ortalama değeri; V DA V p V 2 V 1 p 1 4 f RC (2-6) Şekil 2-2 Çift yollu doğrultucu devreler ve dalga şekilleri (a) Orta uçlu transformatörlü devre. (b) Köprü diyotlu devre. (c) Kondansatörsüz devrenin çıkış gerilimi. (d) Kondansatörlü devrenin çıkış dalga şekli 15

17 2.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR V 1 =15V(RMS) alarak giriş gerilimin tepe değerini hesaplayınız. R=1,5k ve R=10k, C=10 F ve C=100 F değerlerine karşı düşen dalgalanma gerilimlerini ve ortalama çıkış gerilimlerini hesaplayınız. V p =... Tablo 2-1 Hesaplanan gerilim değerleri Tek yollu Çift yollu R 330 /2W 1,5 k 330 /2W 1,5 k C 10 F 100 F 10 F 100 F 10 F 100 F 10 F 100 F V (V) V 2 (V) 2.5 SORULAR 1. Bir tam dalga (çift yollu) doğrultucu yapmak için Şekil 2-2a ve b deki devrelerden hangisi daha ekonomiktir? Internet ten fiyat araştırması yaparak karşılaştırınız. 2. Çıkış özellikleri aşağıdaki değerleri sağlayacak şekilde tek yollu bir doğrultucu devresi tasarlayınız. Kullanılacak elemanların (Transformatör, Diyot, Kondansatör) özelliklerini belirleyiniz. V y = V DA = 6V V y <0,1V (I y =0,1A için) 3. Bir doğrultucu devrede çıkış gerilimi giriş geriliminin tepe değerinden daha yüksek yapılabilir mi? Böyle bir devre nasıl yapılabilir? Araştırınız. 16

18 2.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 2-3 deki devreyi R=10k, C=0 (yok) için kurunuz. Multimetreyi AC-volt konumuna getirerek A-B uçlarına bağlayın ve alternatif geriliminin etkin değerini ölçüp tepe değerini hesaplayınız. Osiloskobu aynı noktalara bağlayarak gerilimin tepe değerini ölçünüz. Giriş ve çıkış dalga şekillerini üst üste çiziniz. Şekil 2-3 Tek yollu doğrultucu 2. Ölçtüğünüz V 1 geriliminin tepe değerini kullanarak Tablo 2-1 deki değerleri yeniden hesaplayıp Tablo 2-2 ye yazınız. 3. R=330 /2W yapınız. Multimetreyi DC-volt konumuna alıp osiloskopla birlikte C-D uçlarına bağlayarak çıkış geriliminin ortalama değerini (voltmetre ile) tepe değerini ve dalgalanma geriliminin tepeden tepeye değerini (osiloskopla) ölçünüz. Dalga şekillerini çiziniz. 4. R direncinin uçlarına paralel olarak 10 F kondansatör bağlayarak 3. adımı tekrar yapınız. 5. R direncinin uçlarına paralel olarak 100 F kondansatör bağlayarak 3. adımı tekrar yapınız. 6. R=1,5k yaparak 3-4 ve 5. Maddeleri tekrar yapınız. Bulduğunuz değerleri Tablo 2-2 ye yazınız, dalga şekillerini çiziniz. 7. Madde 1 6 deki deneyleri Şekil 2-2a daki çift yollu doğrultucu için tekrarlayınız. Şekil 2-4 Çift yollu doğrultucu 17

19 18

20 Deney No 2 Diyotlu doğrultucu devreler Deney Ön Raporu Raporu yazan :... Gurup: Deney Tarihi :... v(t) (V) V 1 (RMS) =... V 1p (hesap) =... V 1p (ölçüm) =... Tek yollu (Yarım Dalga)doğrultucu v(t) (V) 10 Çift yollu (Tam Dalga) doğrultucu t(ms) 2. Kondansatörsüz doğrultucu a. Tek yollu doğrultucu V 2 (DA) teorik =... V 2 (DA) ölçme =... b. Çift yollu doğrultucu V 2 (DA) teorik =... V 2 (DA) ölçme = Kondansatörlü doğrultucu Tablo 2-2 Tek yollu Çift yollu R 330 /2W 1,5 k 330 /2W 1,5 k C 10 F 100 F 10 F 100 F 10 F 100 F 10 F 100 F V (V) deney V 2DA (V) teorik V 2DA (V) deney t(ms) 19

21 20

22 3. DENEY: BESLEME DEVRELERİ 3.1 DENEYİN GAYESİ Elektronik devrelerin beslenmesinde kullanılan doğru gerilim kaynaklarının incelenmesi 3.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Multimetre Osiloskop Diyot (1N4001 veya 1N4002) Zener Diyot (5,6V) Dirençler (330/2W, 330, 560, 1k, 1k5) Kondansatörler (100n, 10 ) Bobin (10mH) Transistör (2N7000) Tümdevre (LM317) 3.3 TEMEL BİLGİLER Doğrultucu devrelerden elde edilen doğru gerilim üzerindeki dalgalanma ve çıkış geriliminin yüke bağlı olarak değişmesi yüzünden elektronik devrelerin beslenmesinde kullanılmaya uygun değildir. Bu yüzden doğrultucunun arkasına bir gerilim regülatörü devresi eklenmelidir. Bu durumda genel amaçlı bir besleme devresi Şekil 3-1 deki gibi gerçekleştirilebilir. Şekil 3-1 Elektronik doğru gerilim besleme devresi 21

23 Bir gerilim kaynağının kalitesi hat regülasyonu ve yük regülasyonu ile çıkış direnci tarafından belirlenir. Hat regülasyonu, 220V luk giriş gerilimindeki değişimlerin, yük regülasyonu ise yük akımındaki değişimin çıkış gerilimine etkisini gösterir. Hat Regülasyonu (%) = ( V ç /V ç ) ( V g /V g ) 100 (3-1) Yük Regülasyonu (%) = V ç(yüksüz) V ç (yüklü) V ç (yüksüz) r ç = V ç(yüksüz) V ç (max. yüklü) I ç,max ZENER DİYOTLU REGÜLATÖR Çıkış direnci, r ç, ne kadar küçükse yük regülasyonu o kadar iyi olur. Yani kaynak, iç direnci sıfır olan ideal gerilim kaynağına o kadar yaklaşır. En basit gerilim regülatörü bir zener diyot kullanılarak yapılabilir. Bu devre sadece küçük akımlı devrelerde kullanılabilir. Çıkış akımı zener diyottan geçebilecek en yüksek akımdan küçük olmak zorundadır. Çıkış gerilimi zener gerilimine eşittir ve akıma bağlı olarak çok az değişir. Bu değişim I z,min = ma değerinden sonra I z,max değerine kadar sabit kabul edilebilir. Gerçekte değişim V= I r d kadardır. Burada r d zener diyotun dinamik eşdeğer direnci olup değeri standart zener diyotlar için civarındadır. Devrenin çalışabilmesi için zenerden en az I z,min kadar, en çok I z,max kadar akım geçmelidir. Bunun sağlanması için seri direnç aşağıdaki sınırlar içinde seçilmelidir. 100 (3-2) (3-3) V g,max V Z I Z,max R V g,min V Z I Z,min (3-4) Yük tarafından çekilebilecek en yüksek akım: I y,max V g,min V Z R olur. Bunu sağlamak için: I Z,min (3-5) R y V Z R V Z (3-6) I y,max V g,min V Z RI Z,min olmalıdır. Devrenin çıkışına bir transistörlü emetör çıkışlı devre eklenerek çıkıştan alınabilecek akım F kadar arttırılabilir (Şekil 3-2b). Bu durumda: I y,max ( V g,min V Z R I Z,min ) F (3-7) V y V Z V BE V Z 0,7 (3-8) 22

24 Şekil 3-2(a) Zener diyotlu ve (b) Transistörlü regülatör devresi TÜM DEVRE REGÜLATÖRLER Zener diyotlu ve tek transistörlü regülatörlerin çıkış gerilimleri az da olsa yük akımına ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. İdeal gerilim kaynağına yakın bir kaynak yapabilmek için çıkış gerilimini sabit tutan geri beslemeli daha karmaşık devreler yapmak gerekir. Bugün tüm devre olarak bu tür devreler kolayca bulunabilmektedir. Tüm devre regülatörler sabit ve ayarlı olarak yapılabilirler. 5V, 9V, 12V değerlerinde sabit çıkışlı ve 0-30V ayarlanabilen gerilim regülatörleri en çok kullanılanlardır. Şekil 3-3 Tüm devreli gerilim regülatörü LM317 ayarlı gerilim regülatörünün çıkış gerilimi dirençler ayarlanarak 1,25V ile (V g 3V) arası ayarlanabilir. V y 1,25 (1 R 2 R 1 ) (3-9) ANAHTAR MODLU BESLEME DEVRELERİ (SWİTCH MODE POWER SUPPLY,SMPS) Doğrusal regülatör devreleri çok düzgün doğru gerilim vermelerine rağmen verimleri düşüktür. Çünkü giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasınadaki gerilim farkı ile çıkış akımının çarpımı kadar güç çıkış transistöründe harcanarak ısıya dönüşür. P D (V 2 V ç ) I ç (3-10) 23

25 Devrede harcanan gücü azaltıp verimi arttırmak için çıkış transistörünün anahtar olarak (ya kesimde ya da doymada olacak şekilde) kullanılması gerekir. Bu durumda transistör kesimde iken I D =0, doymada iken V DS =0 olduğundan transistörde harcanan güç P D =V DS I D her zaman sıfır olur. Transistörün anahtar olarak kullanıldığı devrelere anahtar modlu devreler denir. Anahtar modlu devrelerle doğru gerilimi yükseltmek veya düşürmek mümkündür. Şekil 3-4 Anahtar modlu gerilim düşürücü besleme devresi (Buck converter) Anahtar modlu devrelere bir örnek Şekil 3-4 de görülmektedir. Burada CMOS transistör anahtar olarak kullanılmaktadır. M 1 transistörünün şekildeki kare dalga ile sürüldüğünü yani transistörün periyodik olarak açılıp kapandığını, RC zaman sabitinin yeterince büyük olduğunu ve çıkış geriliminin bir açma-kapama periyodu boyunca değişmediğini kabul edelim. Transistör kapatıldığında diyot tıkamada olduğundan kaynaktan gelen bütün akım bobinden akar t k zaman aralığında akımın değeri: i L,k 1 L t (V 1 V 2 ) dt I 0 L (0) (V 1 V 2 ) t I L L (0) (3-11) olarak doğrusal olarak artar. Bu zaman aralığı sonunda bobin akımı, I L,max V 1 V 2 L t k I L,min (3-12) değerine ulaşır. Bu esnada anahtar açılır, bobinden geçen akım diyot üzerinden azalarak akmaya devam eder. i L,a I L,max 1 L t V ç dt I L,max V ç a t 0 L a (3-13) Periyot tamamlandığında; I L,min i L (0) I L,max V 2 L t a (V g V ç ) t L k i L (0) V g L t a (3-14) akımı elde edilir. Buradan, (V g V ç ) L t k V ç L t a 0 24

26 (V g V ç ) V ç t a t k (3-15) Anahtar açma kapama periyodu T = t k +t a olduğuna göre anahtarın kapalı olduğu sürenin periyoda oranına D denilirse, D t k T V ç t k t k t a (3-16) t k t k t a V g D V g (3-17) olur. Bu durumda çıkış geriliminin anahtarı açıp kapayan darbe şeklindeki kontrol işaretinin darbe/boşluk oranı ayarlanarak kolayca değiştirilebileceği görülür. Çıkıştan alınmak istenen güce bağlı olarak bobin değeri ve anahtarlama frekansı ayarlanır. Bobinde depolanan enerji E = ½ L I 2 olduğuna göre çıkıştan alınabilecek en yüksek güç P y,max E max T E max f 1 2 L I 2 L,max f (3-18) olur. Giriş gerilimi değiştiğinde çıkış geriliminin sabit kalabilmesi için darbe/boşluk oranını otomatik olarak ayarlayan ek elektronik kontrol devrelerine gerek vardır. 3.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. V Z =5,6V,V g,min =9V, V g,max =15V, I z,max =100mA, I z,min =2mA alarak zener diyotlu regülatördeki R direncinin sınır değerlerini hesaplayınız....< R < R=330 seçilirse, regülasyonun bozulmaması için I y yük akımının en büyük değeri ve R y yük direncinin en küçük değeri ne olabilir? I y,max =... R y,min = V 1 =12V, V 2 =5V, L=10mH ve f=10khz için gerekli (D=darbe/periyot) oranını, bobinden geçen akım değerlerini ve çıkıştan alınabilecek en yüksek akımı hesaplayınız. 25

27 3.5 SORULAR 1. İyi bir besleme devresinin temel özellikleri nelerdir? Sıralayınız. 2. Şekil 3-2b deki bipolar transistörlü gerilim regülatörü devresi MOSFET kullanılarak yapılabilir mi? Neden? Açıklayınız. 3. MOSFET kullanılarak yapılmış bir gerilim regülatörü devresinin şemasını çiziniz. Çalışmasını açıklayınız. 3.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 3-2a daki devreyi, V g =10V, R=330 /2W için kurunuz. 2. Multimetreyi DC-volt konumuna getiriniz. Çıkış uçları açık devre iken (R y = ), çıkışa R y =1,5k, 560 ve R y =330 yük dirençleri bağlı iken çıkış gerilimlerini ölçerek Tablo 3-1 e yazınız. 3. Bu değerlerden yararlanarak devrenin çıkış regülasyonu ve çıkış direncini hesaplayınız. 4. Çıkış geriliminin çıkış akımıyla değişimini çiziniz. Akımın değerini Iy=Vy/Ry formülüyle hesaplayabilirsiniz. 5. Şekil 3-3 deki tüm devreli regülatörü kurarak yüksüz (R y = ), R y =1,5k ve R y =330 dirençle yüklü durumda çıkış gerilimlerini ölçerek Tablo 3-1 e yazınız. 6. V 1 =12V, L=10mH, C 2 =10µF, ve R y =1,5k için Şekil 3-4 deki anahtar modlu gerilim dönüştürücü devresini kurunuz. İşaret üretecini (v s ) 10kHz frekanslı, 0-10V arası değişen darbe (Pulse) üretecek şekilde ayarlayınız. Pulse Parameter Menu den Duty düğmesine basarak Darbe/Boşluk Oranı nı %40 olarak seçiniz. Çıkış gerilimini voltmetre ile ölçünüz ve transistörün S ucundaki dalga şeklini osiloskopla izleyerek çiziniz. Darbe/boşluk oranını %20 ve yük direncini R y =330 yaparak çıkış gerilimlerini tekrar ölçünüz. R y =330 için dalga şeklini inceleyerek çiziniz. 26

28 Deney Ön Raporu Deney No 3 Besleme Devreleri Raporu yazan :... Gurup: Deney Tarihi :... Tablo 3-1 Zener Diyotlu Tüm Devreli Anahtar Modlu R y 1,5k ,5k 330 V ç (V) 1,5 k (%40) 1,5k (%20) 330 (%40) Yük regülasyonu Çıkış direnci %... (560 için) %... (330 için) Geriliminin çıkış akımıyla değişimi (Zener) (Transistör/Tümdevre) Anahtar Modlu Regülatör (R y =1,5kΩ) (R y =330Ω) 27

29 28

30 4. DENEY: MOSFET ÖZEĞRİLERİ 4.1 DENEYİN GAYESİ MOS Transistörün giriş/çıkış özeğrilerinin incelenmesi 4.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Multimetre 2xDoğru Gerilim Kaynağı (5V, 15V ayarlı) MOS transistör (2N7000 veya BS170) Dirençler (1k) 4.3 TEMEL BİLGİLER MOSFET GİRİŞ-ÇIKIŞ ÖZEĞRİLERİ MOS transistörün savak akımının giriş gerilimi ile değişimi çıkış gerilimine bağlı olarak iki ayrı formülle hesaplanır. I D K[(V GS V t )V DS 1 2 V 2 DS ] V DS V GS V t Direnç Bölgesi (4-1) V DS nin küçük olduğu direnç bölgesinde MOSFET V GS gerilimi ile değeri ayarlanan bir direnç gibi davranır. Buna karşılık kısılma bölgesinde savak akımı, I D, V DS ile çok az değişir, sadece V GS geçit geriliminin fonksiyonudur. I D 1 2 K (V GS V t ) 2 (1 V DS ) V DS (V GS V t ) Kısılma Bölgesi (4-2) 29

31 MOS transistörün savak akımının giriş gerilimi ve çıkış gerilimine bağlı olarak nasıl değişeceği eğrilerle de gösterilebilir. Bu eğrilere transistörün giriş-çıkış özeğrileri veya karakteristikleri denir. Şekil 4-1 MOSFET giriş ve çıkış özeğrileri Bu eğrilerden yararlanarak MOSFET in büyük ve küçük işaretler için davranışları incelenebilir. Küçük işaretler için analitik çözümler bulunmakla beraber transistörlerin büyük işaretlerdeki davranışları ancak grafik yolla veya bilgisayar yardımı ile doğrusal olmayan denklemleri çözerek bulunabilir. Büyük V DS gerilimleri (kısılma bölgesi) için giriş eğrisi karesel bir eğridir. Yani savak akımı geçit geriliminin karesi ile orantılı olarak artar. Küçük V DS gerilimleri için ise (direnç bölgesi) çıkış eğrileri doğrusal kabul edilebilir. Bu eğrilerin eğimi V GS ile değişir. Yani MOSFET in D-S uçları ayarlı bir direnç gibi kullanılabilir. Yüksek V GS gerilimleri için D-S uçları arasında çok küçük bir direnç göründüğünden transistör kısa devre gibi, V GS <V t için ise bu direnç çok büyük olduğundan açık devre gibi davranır. Şekil 4-2 Çalışma noktasının giriş ve çıkış eğrileri üzerindeki yeri MOS transistörlerin yaygın kullanım alanlarında biri de doğrusal küçük işaret kuvvetlendirici devreleridir. Küçük değerli bir gerilim transistörün geçidine doğrudan bağlanırsa transistör kesimde kalacağından hiç akım akıtmaz ve çıkışında bir gerilim değişikliği olmaz. Küçük işaretin kuvvetlendirilebilmesi için transistörden sürekli bir doğru akım akması, bunun için de geçitle kaynak arasına bir öngerilim, V GSQ, uygulanması gerekir. V GSQ ve V DSQ gerilimleri uygulandığında transistörden sürekli bir I DQ doğru akımı 30

32 akar ve transistörün çalışma noktası (Q) belirlenmiş olur. Bu noktada devrenin küçük işaret kazancı, g m (geçiş iletkenliği), giriş eğrisinin Q noktasındaki eğimi olup g m I D V GS I D V GS VDS V DSQ =K(V GSQ -V t )(1+ V DS ) K(V GSQ -V t )= 2KI DQ (4-3) formülü ile hesaplanabilir. 4.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR Şekil 4-3 deki devre için Tablo 4-1 deki savak akım değerlerini verecek V GS geçit gerilimlerini hesaplayınız. (Hesaplar için V t =2,1V, K n = 1,7A/V 2, =0,03 kabul ediniz). Tablo 4-1 V DS =1V V DS =12V I D (ma) 0, , V GS (V) 4.5 SORULAR 1. MOSFET in karasel giriş akım-gerilim karakteristiği hangi şartlarda yaklaşık olarak doğrusal kabul edilebilir? Doğrusal bir kuvvetlendirici yapmak için nasıl bir şalışma noktası seçilmelidir? 2. Geçiş iletkenliğinin yüksek olması için hangi parametreler nasıl seçilmelidir? Bu parametrelerin seçiminde bir sınırlama var mıdır? 3. Tek bir gerilim kaynağı kullanılarak V DSQ, V GSQ gerilimleri ve Q çalışma noktası istenildiği gibi seçilebilirmi? Nasıl? Önek bir devre çeması çiziniz. 31

33 4.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 4-3 deki devreyi kurunuz. VDD besleme kaynağının akım sınırını 100mA değerine ayarlayınız. Bu değeri deney boyunca değiştirmeyiniz. Aksi halde transistör yanabilir! 2. V DS geriliminin 5V ve 12V değerleri için tablodaki I D akımlarını üreten V GS gerilimlerini bularak Tablo 4-2 yi doldurunuz. 3. V DS =12V için ölçülen V GS1, V GS2, V GS3, V GS4 giriş gerilimlerinin her bir değeri için, V DS geriliminin verilen değerlerinde elde edilen savak akımlarını ölçerek Tablo 4-2 yi doldurunuz. 4. Tablodaki değerlerden yararlanarak transistörün giriş ve çıkış eğrilerini çiziniz. 5. Çıkış eğrilerinden yararlanarak katsayısını hesaplayınız. Şekil

34 Deney No 4 MOSFET Karakteristikleri Deney Ön Raporu Raporu yazan :... Deney Tarihi :... Gurup: Tablo 4-2 V DS =5V V DS =12V I D (ma) 0, , V GS (V) V GS1 =. V GS2 =. V GS3 =. V GS4 =. V GS1 = V V GS2 = V V DS (V) I D (ma) V GS3 =.V V GS4 =..V V DS (V) I D (ma) 3. Giriş özeğrisi Çıkış özeğrisi =... 33

35 34

36 5. DENEY: MOS TRANSİSTÖRLÜ KUVVETLENDİRİCİ 5.1 DENEYİN GAYESİ MOS Transistörlü kuvvetlendirici devrelerin incelenmesi 5.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Multimetre Osiloskop MOS transistör (2N7000 veya BS170) Kondansatörler (100nF, 10 F, 470 F) Dirençler (820, 2x1k5, 10k, 470k, 1M) 5.3 TEMEL BİLGİLER MOS KUTUPLAMA DEVRESİ MOS transistörde çalışma noktasını yani giriş işareti sıfırken transistörden akması istenen akımı ve V DS gerilimini belirlemek için transistöre bir öngerilim uygulamak gerekir. Bu işleme transistörün kutuplanması denilir. Kutuplama için öncelikle I DQ akımına bağlı olarak V GS geriliminin hesaplanması gerekir. MOS kısılma bölgesinde çalışacağından savak akımı: I DQ 1 2 K n(v GS V t ) 2 (5-1) 35

37 formülüyle hesaplanır. Buradan V GS çözülürse: V GS 2I DQ K n V T (5-2) Şekil 5-1 MOS Kuvvetlendirici devresi V GS, V DQ, I DQ ve V SQ bilindiğine göre direnç değerleri kolayca hesaplanır. V SQ gerilimi normal transistörlerde olduğu gibi V DD kaynak geriliminin onda biri civarında seçilir. R D V DD V DQ I DQ (5-3) R S V SQ I DQ MOS un DA giriş direnci sonsuz kabul edilebileceğinden R 1 ve R 2 den geçen akım, I, çok küçük alınabilir ( A mertebesinde). I akımı R 1, R 2 dirençleri 100k ile 1M arası olacak şekilde seçilir. (5-4) R 1 V DD V GS V S I R 2 V GS V S I Şekil 5-1 deki MOS Kuvvetlendiricinin gerilim kazancı: (5-5) (5-6) K V v 2 g v m (R D //Ry) (5-7) 1 g m K n (V GS - V T ) Devrenin giriş ve çıkış dirençleri; R g R 1 //R 2 (5-8) R ç R D //r ds (5-9) 36

38 r ds 1 I D (5-10) Eğer C E emetör köprüleme kondansatörü kullanılmazsa gerilim kazancı düşer. Bu durumda; K V v 2 v 1 g m (R D //Ry) 1 g m R S (5-11) Kuvvetlendiricinin doğrusal bölgede kalabilmesi için çıkıştaki işaretin tepeden tepeye geriliminin V DD -V DQ ve V DSQ değerlerinden küçük olması lazımdır. Aksi halde çıkış işareti alt veya üst kısmından kırpılır. En yüksek kırpılmasız çıkış geriliminin alınabilmesi için V DQ geriliminin V DD ile V SQ gerilimlerinin tam ortasında seçilmesi gerekir. MOS kuvvetlendiricinin alçak frekanslardaki giriş direnci R 1, R 2 dirençlerinin paralel eşdeğerinden ibarettir. Çıkış direnci ise r ds direnci ile R D direncinin paralel eşdeğerine eşittir. Fakat r ds >>R D olduğundan çıkış direnci yaklaşık olarak R D ye eşit kabul edilebilir. R g R 1 R 2 R 1 R 2 (5-12) R ç R D (5-13) 5.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. Şekil 5-2 devresi için MOS transistörün çalışma noktasını hesaplayınız (Vt=2V, =0,04V -1 Kn=100x10-3A/V 2, alınız). V GSQ =... V SQ =... I SQ I DQ =... V DQ =... V DSQ = Devrenin gerilim kazancı ile giriş ve çıkış dirençlerini C S varken hesaplayınız. K V =... R g =... R ç = Devrenin gerilim kazancını C S yokken hesaplayınız. K V = Çıkıştan alınabilecek gerilimin tepe değerini hesaplayınız. V 2 (max)=... 37

39 5.5 SORULAR 1. Şekil 5-1 deki devrede kaynak direnci neden konmuştur? Bu direnç olmazsa ne olur? Çeşitli açılardan (Çalışma noktasının kararlılığı, Kazanç, Çıkıştan alınabilecek en yüksek gerilim, v.b.) inceleyiniz. 2. MOSFET Kuvvetlendiricide gerilim kazancıyla savak akımı (I DQ ) arasında nasıl bir ilişki vardır? Kazancı en yüksek yapmak için ne yapmak gerekir? 3. Şekil 5-1 deki devrenin akım kazancı ne kadardır? Hesaplayınız. (a) (b) Şekil 5-2 MOS kuvvetlendirici (a) Kutuplama, (b) Kuvvetlendirici deneyi devreleri 38

40 5.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 5-2a daki devreyi kurunuz. Kaynak gerilimini uygulayarak devreyi çalıştırınız. 2. MOS Transistörün çalışma noktasını (V GSQ, V DSQ, V SQ, I DQ ) ölçünüz. 3. Şekil 5-2b deki devreyi kurunuz. Devrenin girişine 1kHz frekanslı sinüs biçimli bir işaret uygulayınız. v 2 geriliminin tepelerinin kırpılmaya başladığı noktaya kadar giriş gerilimini arttırınız. Bu noktada giriş ve çıkış geriliminin tepe değerini kaydediniz. 4. Giriş gerilimini yarıya düşürünüz. 5. Giriş ve çıkış geriliminin tepe değerini kaydediniz. Gerilim kazancını hesaplayınız. 6. C S kondansatörünü çıkarınız. Madde 3,4 ve 5 i tekrarlayınız. Şekil 5-3 Çıkış direncinin ölçülmesi 7. Çıkış direncini ölçmek için Şekil 5-3 de görüldüğü gibi sinyal üretecini devrenin girişinden ayırıp seri direnç üzerinden çıkış terminallerine bağlayınız. Giriş terminallerini kısa devre ediniz. v k ve v 2 gerilimlerini osiloskopla ölçerek, çıkış akımını ve devrenin çıkış direncini hesaplayınız. i 2 v k v 2 R k =... R ç v 2 i 2 = Giriş ve çıkış geriliminin dalga şekillerini kırpılmış ve kırpılmamış durumda alt alta çiziniz. 39

41 40

42 Deney Ön Raporu Deney No 5 MOS Transistörlü Kuvvetlendirici Raporu yazan :... Deney Tarihi :... Gurup: 2. VGSQ VDSQ V SQ I D Hesap Deney 3. V 2 (max) =... V 1 (max) = Kondansatör var Kondansatör yok V 1 V 2 K V V 1 V 2 K V 7. V k p =... V 2p =... I 2p =... R ç =

43 42

44 6. DENEY: TRANSİSTÖRLÜ ANAHTAR DEVRELERİ 6.1 DENEYİN GAYESİ Anahtar devrelerinin tasarımı ve davranışlarının incelenmesi 6.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER İşaret Üreteci Osiloskop Transistör (2N7000 veya BS170) Bobin (10mH) Diyot (2N4002) Dirençler (100, 100k) 6.3 TEMEL BİLGİLER Elektriksel anlamda bir anahtar, elektrik akımını kesen veya ileten bir elemandır. İdeal anahtar kapalı iken (ing. ON) kısa devre olup direnci sıfırdır. Yani akımı hiç zayıflatmadan iletir. Açık iken (ing. OFF) ise açık devre olup elektrik akımını hiç iletmez. Böyle bir anahtarı fiziksel olarak gerçekleştirmek çok zor hatta imkansızdır. Ama ideal anahtara yakın anahtarlar yapılabilir. Şekil 6-1 MOS anahtar devresi ve dalga şekilleri Sayısal devrelerdeki anahtarlama işlemleri veya kapı devreleri en yaygın olarak CMOS transistörler kullanılarak gerçeklenir. Bir MOS transistörün girişine yeterince büyük bir 43

45 gerilim uygulandığında D-S uçları kısa devre edilmiş gibi davranır ve bu kısa devrenin direnci transistörün kanal kesidine bağlı olarak 0,01Ω ile 10Ω değerleri arasında olabilir. Giriş gerilimi eşik geriliminden küçük ise transistör kesimdedir ve şıkıştan görülen direnç 10 kω kω mertebelerine çıkar. Daha ideal bir anahtar gerekiyorsa ve hız önemli değilse MOS anahtar bir röleye bağlanarak rölenin kontakları kullanılabilir. Anahtarın iki konumu vardır: 1. Anahtar açık Transistör kesimde I D =0 2. Anahtar kapalı Transistör doymada (aşırı iletimde) V DS 0 Gerçek devrelerde bu ideal durum tam olarak sağlanmaz. Yani transistör kesimde iken de çok az bir akım (I D =I D0 ) akabilir ve transistör doymada iken D-S arasında V DS = V DS(on) 0,1...1V gibi çok küçük bir gerilim kalabilir. Ancak her zaman için I D0 <<I Dmax ve V DS(on) <<V DD şartları sağlandığından bu küçük akım ve gerilim ihmal edilebilir. İletim halinde transistör r ds V DS(on ) I D (6-1) değerinde çok küçük bir direnç olarak davranır. Şekil 6-1 de herhangi bir yük devresine (bir ampul olabilir) doğru gerilim uygulamak için kullanılabilecek bir NMOS anahtar devresi görülmektedir. Yükün direnci R y ise I V DD R y (6-2) kadar bir akım akar. Bu akımı akıtmak için gerekli geçit gerilimi V GS 2I K V t (6-3) olduğuna göre transistörün garantili bir şekilde doymaya girmasi için V 1 2I K V t 2V DD KR y V t (6-4) olmalıdır. Veya V 1 giriş gerilimi uygulandığında transistörden akması beklenen akım: I D 1 2 K n (V GS V t )2 I (6-5) şartını sağlamalıdır. Anahtar devrelerinde yükler her zaman rezistif değildir. Eğer röle gibi endüktif bir yük kullanılıyorsa anahtar açıldığında bobin akımı aniden sıfıra düşmek isteyeceği için V L L di dt (6-6) 44

46 bağıntısı gereği bobin uçlarında negatif bir gerilim oluşur ve transistörün savak gerilimi çok yüksek bir değere çıkar. Bu gerilimin transistöre zarar vermemesi için bobin uçlarına D diyotu konulur. (v 2 ) Gerilimi V DD kaynak geriliminin üzerine çıkınca diyot iletime geçer ve bobinden gelen akım diyot üzerinden kaynağa geri döner. Böylece savak gerilimi kaynak geriliminin üzerine çıkamaz. Transistör iletime geçtiği bobin uşlarına V DD gerilimi uygulanmış olur. Bu durumda savak akımı doğrusal olarak artar. i L (t) 1 L t 0 v L (t)dt V DD L t 0 dt V DD L t I L (0) (6-7) Şekil 6-2 MOS anahtar devresi ve dalga şekilleri Eğer devrede direnç yoksa darbe süresi sonunda bu akım I L,max V DD L t d I L (0) (11-8) Eğer darbe süresi çok uzunsa veya girişe bir doğru gerilim uygulanmişsa akım teorik olarak sonsuza gider. Fakat pratikte bu akım genellikle bobinin tel direnci (r L ) tarafından veya dışardan bağlanan ek bir direnç (R D ) tarafından sınırlanır. I D,max r L V DD R D (6-9) 45

47 6.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. R D =100Ω, R 1 =1kΩ, V DD =5V olduğuna göre Şekil 6-1 deki devrede aşağıdaki büyüklükleri hesaplayınız (V t =2,1V, K n =0,15A/V 2 alınız). 2. I D (on) = V DD /R D = I D (V GS =5V) = 6.5 SORULAR 1. Bazı anahtarlama devrelerinde neden röle kullanmak gereklidir? Rölenin transistörlü bir anahtara göre avantajı var mıdır? 2. MOSFET Anahtar açık ve kapalı konumda iken transistörde güç harcanır mı? Bu güç ne kadardır? Her iki durum için formülünü çıkarınız. 3. Yüksek güçlü anahtar devrelerinde kullanılan MOSFET leri korumak için Şekil 6-2 deki devrede görülen diyot dışında başka ne türlü tedbirler alınır. Araştırınız. 46

48 6.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. R D =100Ω, R 1 =100kΩ, C=560nF, V DD =5V olacak şekilde Şekil 6-1 deki devreyi kurunuz. C kondansatörünü transistörün S ucu ile direncin kaynağa bağlı olan ucu arasına tel kullanmadan doğrudan bağlayınız. Bu kondansatör devrede kullanılan tellerin endüktansından dolayı darbelerin kenarlarında oluşacak dalgalanmaları keser. Devrenin girişine 0-5V arası değişen bir doğru gerilim kaynağı bağlayınız. Giriş gerilimini sıfır yaparak çıkış gerilimini ölçünüz (V OH ). 2. Giriş gerilimini arttırarak çıkış geriliminin sırasıyla ve yaklaşık olarak 0 yapan giriş gerilimi değerlerini ölçerek tabloya kaydediniz. 3. Giriş gerilimini 5V yaparak çıkış gerilimini [V DS (on)] tam olarak ölçünüz. 4. İletimdeki transistörün anahtarlama direncini (r ds ) hesaplayınız. 5. Devrenin girişine 100kHz/5V kare dalga uygulayarak çıkıştaki dalga şeklini osiloskopta inceleyerek çiziniz. Yükselme, düşme ve gecikme sürelerini ölçünüz. 6. R 1 =1kΩ, L=10mH, C=560nF değerlerini kullanarak Şekil 6-2 deki devreyi kurunuz. 7. Devrenin girişine 1kHz/0-5V kare dalga uygulayarak çıkıştaki dalga şeklini osiloskopta inceleyiniz ve çiziniz. Çıkış geriliminin en yüksek değerini (V max ) ölçünüz. 8. Diyodu kaldırarak devrenin çıkışındaki dalga şeklini yeniden çiziniz. Çıkış geriliminin en yüksek değerini (V max ) ölçünüz. 9. Kare dalga üretecinde Pulse düğmesine basınız. Kare dalganın düşme ve yükselme (Leading/Trailing) sürelerini 100 s değerine ayarlayınız. Diyotlu ve diyotsuz devreler için dalga şekillerini tekrar çiziniz. Çıkış geriliminin en yüksek değerini ölçünüz. Bu gerilimi V L L di gerilimi ile karşılaştırınız. Bu formülde di=i D,max alınacaktır. dt süresi dt Şekil 6-2 de gösterilmiştir. Bobinin direncini (r L ) ohmmetre ile ölçünüz. (6-9) formülü ile I D,max akımını hesaplayınız. 10. Şekil 6-2 deki devrede bobin yerine bir röle koyarak ve kare dalganın frekansını 10Hz yaparak rölenin çalışma sesini dinleyiniz. Dalga şekillerini inceleyiniz. 47

49 48

50 Deney Ön Raporu Deney No: 6 Anahtar devreleri Raporu Yazan : Gurup:..... Deney Tarihi : Yüksek çıkış gerilimi V OH =. 2. Tablo 6-1 V D (V) V G (V) 0 3. Anahtar kapanma gerilimi V DS (on) = I D (on)=v DD /R D =, V GS = 4. Anatar kapanma direnci r ds = 6. t r = t f = t d = 7-8. Diyotlu devre Diyotsuz devre V D (max) = V D (max) = v(t) (V) v 1 (t) v(t) (V) v 1 (t) 0 t(µs) 0 t(µs) 9. - Diyotlu devre Diyotsuz devre V D (max) = V D (max) = v(t) (V) v 1 (t) v(t) (V) v 1 (t) 0 r L =... di= t(µs) I D,max V DD r L =... dt =.. 0 t(µs) V L L di dt = V L(ölçülen) = 10. Yorum:. 49

51 50

52 7. DENEY: LOJİK KAPI DEVRELERİ 7.1 DENEYİN GAYESİ Lojik kapı devrelerinin temel özelliklerinin incelenmesi 7.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER Osiloskop İşaret Üreteci Lojik kapı devrleri: 74HC04, CD4069 (Hex inverter) 7.3 TEMEL BİLGİLER En karmaşik sayısal sistemler iki temel kapı devresi, VE (AND), VEYA (OR), ile evirici (inverter) devrelerinden oluşur. Bu devreler imalat teknolojilerine çalışma prensiplerine göre değişik aileler halinde sınıflanırlar. İlk lojik devreler olan DTL, RTL ve TTL devreler artık üretilmemekte ve kullanılmamaktadır. Bunların hızlı versiyonları olan S, LS ve ALS devreler halen bulunmakla beraber CMOS devrelerin artık GHz frekanslarda çalışacak şekilde gelişmesi sonunda bu devreler de terk edilmiş olup hızlı ve düşük gerilimde çalışan AC ve ACT serisi CMOS kapı devreleri bu gün standart olarak kullanılan kapı devreleri haline gelmiştir LOJİK SEVİYELER İkili lojikte lojik seviyeler 0 ve 1 olarak gösterilir. Bu seviyeler kapı devrelerinin giriş ve çıkış gerilimlerine karşı düşer. Gerilim değerleri her lojik aile için farklı gerilim bölgelerine 51

53 karşı düşer. Lojik 0 değerine karşı düşen gerilim (pozitif lojik için) alçak gerilim (V L ), 1 değerine karşı düşen gerilim ise yüksek gerilim (V H ) olarak adlandırılır. Bir kapı devresinin giriş ve çıkış gerilimi sıfır ile V DD kaynak gerilimi arasında herhangi bir değer alabilir. Bu durumda belli bir gerilim değerinin altındaki gerilimleri lojik 0, belli bir gerilim değerinin üstündeki değerleri ise lojik 1 olarak kabul etmek gerekir. Lojik devrenin doğru olarak çalışabilmesi için bu iki bölge arasında bir yasak bölge bulunması gerekir. Böylece herhangi bir istenmeyen gerilim değişikliği (gürültü ve diğer sebeplerden oluşan) yüzünden lojik seviye değişmemiş olur. Tablo 10-1 Lojik devre aileleri Lojik Aile Adı Yayılım Gecikm esi (ns) Saat Hızı (MHz) 1MHz de kapı başına haranan güç (mw) Besleme gerilimi (V) Üretim yılı Açıklama DTL Diode transistor Logik Signetics ve Fairchild tarafından imal edildi de standartlaştı. RTL Resistor transistor Logik Apollo uzay aracında kullanılan ilk kontrol bilgisayarında kullanıldı. TTL Transistor-Transistor Lojik ( ) 1964 Orijinal TTL LTTL Low Power TTL HTTL High Speed TTL ( ) 5 ( ) 1964 Düşük güçlü TTL 1964 Yüksek Hızlı TTL STTL Schottky TTL ( ) 1969 Schottky TTL LSTTL Low Power Schottky ( ) 1976 Düşük güçlü Schottky TTL ASTTL Advanced Schottky ( ) 1980 Gelişmiş Schottky TTL GTTL GHz TTL GHz hızlarda çalışan TTL ECL Emitter Coupled Logic ECL III ( ) 1968 Emiter bağlamalı Lojik ECL Advanced ECL ECL100K ( ) 1981 Gelişmiş ECL CMOS Comlementary MOS 4000B/74C V (3-18) 1970 İlk CMOS lojik devreler HC/HCT CMOS High Speed Compatible CMOS (2-6 veya ) 1982 Hızlı ve TTL uyumlu CMOS AC/ACT CMOS Advanced Compatible CMOS veya 5 (2-6) 1985 Gelişmiş TTL uyumlu CMOS 52

54 7.3.2 GÜRÜLTÜ MARJI Şekil 7-1 (a) Lojik gerilim seviyeleri. (b) Gürültü marjları İki kapı devresi ard arda bağlandığı zaman devrenin normal çalışması için birinci devrenin en düşük yüksek gerilim seviyesi ikinci devrenin yüksek giriş gerilim seviyesinden yüksek, birinci devrenin en yüksek alçak gerilim seviyesi ise ikinci devrenin alçak giriş gerilim seviyesinden daha alçak olmalıdır. Çıkış gerilimine V O, giriş gerilimine V i dersek; V OH > V ih ve V OL < V il Uygulamada kapı devrelerinin girişindeki gerilimin üzerinde istenmeyen gürültü gerilimleri eklenir. Bu gürültü eğer belli bir değerden büyük olursa giriş işareti yanlış olarak (0 yerine 1 veya 1 yerine 0 olarak) algılanabilir. Bu da devrenin yanlış çalışması sonucunu doğurur. Devrenin doğru çalışacağını garanti etmek için her kapının doğru çalışacağı en büyük gürültünün yani GÜRÜLTÜ MARJI nın belirlenmesi gerekir. Gürültü marjı her lojik aile için ve alçak ve yüksek gerilim seviyeleri için farklı değerler alır. Bu değerler imalatçı firma tarafından tümdevrenin kataloğunda (data sheet) verilir. Bu değerler kullanılarak alçak gerilim (lojik 0) ve yüksek gerilim (lojik 1) seviyeleri için gürültü marjları hesaplanabilir. NM H = V OH V ih NM L = V il V OL yüksek gerilim gürültü marjı alçak gerilim gürültü marjı Şekil 7-2 (a) Yüksek gerilim seviyesi, (b) Alçak gerilim seviyesi için gürültünün etkisi 53

55 Herhangi bir lojik devrenin doğru olarak çalışabilmesi için devrede oluşabilecek gürültünün en büyük değeri (V N,max ) alçak ve yüksek seviyelerdeki gürültü marjından daha az olmalıdır. Bu yüzden gürültü marjının mümkün olduğu kadar yüksek olması istenir. V N,max < NM H V N,max < NM L ÇALIŞMA HIZI VE GECİKME Bir kapı devresinin girişine uygulanan lojik işaret değer değiştirdiğinde çıkışın da aynı anda değerini değiştirmesi beklenir. Ancak fiziksel dünyada her değişim sonlu bir zaman alır. Yani kapı devresi çıkışının 0 konumundan 1 konumuna çıkması veya 1 konumundan 0 konumuna inmesi belli bir sürede olur. Bu sürelere sırasıyla yükselme süresi (t r ) veya alçaktan yükseğe geçiş süresi (t tlh ) ve düşme süresi (t f ) veya yüksekten alçağa geçiş süresi (t thl ) denir. Şekil 10-3 de giriş ve çıkış işaretleri arasındaki ilişki görülmektedir. Giriş ve çıkış işaretlerinin %50 leri arasındaki zaman farkına gecikme süresi (t d ) denir. t d t dhl t dlh 2 Şekil 7-3 Kapı devresinin çıkış dalga şekli Bu süreler kapı devrelerinin yapısına (lojik ailesine) ve kapı devresinin çıkışına bağlı olan diğer kapıların sayısına bağlıdır. Çünkü her kapının girişi ek bir kapasiteyi çıkışa bağlamış olur. Yükselme ve düşme zamanları ise toplam kapasiteye (C L ) bağlıdır. 54

56 7.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. 74HC04 Evirici devresinin katalog bilgilerini (data sheet) internetten indirerek yüksek ve alçak gerilim seviyeleri için gürültü marjlarını hesaplayınız. 2. Ayni tümdevre için gecikme ve geçiş sürelerini bulunuz. 7.5 SORULAR 1. Çeşitli lojik aileler için (en az üç tane) geçiş sürelerini ve gecikme sürelerini kataloglardan (data sheet) bularak bunları karşılaştırın. Her biri için kullanılabilecek en yüksek saat frekansı nedir? Hesaplayınız. 2. Bir kapı devresinin çıkışına bağlanabilecek kapı sayısına çıkış yelpazesi (Fanout) denir. 74HC... serisi tümdevrelerde kataloogda verilen sürelerin sağlanması için bir kapı çıkışına en fazla kaç kapı bağlanabilir? Bu sınır nasıl belirlenir? Araştırınız. 55

57 7.6 DENEYİN YAPILIŞI 1. 74HC04 tümdevresindeki birinci eviricinin girişine 0-5V arası ayarlanabilen bir doğru gerilim kaynağı, çıkışına da DC voltmetre bağlayınız. Voltmetreyi Manual Range konumuna alıp kademeyi virgülden sonra 3 hane gösterecek şekilde ayarlayınız. Tüm devreyi V DD =5V DC gerilimle besleyiniz. Giriş gerilimini sıfır yaparak çıkış gerilimini ölçünüz (V OH ). 2. Giriş gerilimini 5V yaparak çıkış gerilimini ölçünüz (V OL ). 3. Giriş gerilimini tekrar sıfır yapınız. Gerilimi yavaş yavaş arttırarak çıkış geriliminin düştüğü andaki giriş gerilimini ölçünüz (V il ). 4. Giriş gerilimini 5V yapınız. Gerilimi yavaş yavaş azaltarak çıkış geriliminin yükseldiği andaki giriş gerilimini ölçünüz (V ih ). 5. Bu değerleri kullanarak yüksek ve alçak gerilim seviyeleri için gürültü marjını hesaplayınız HC04 Evirici devresindeki iki eviriciyi ard arda bağlayınız. Birinci eviricinin girişine 100kHz frekanslı 0 ila 5V arası değişen bir kare dalga uygulayınız. Birinci eviricinin giriş/çıkış dalga şekillerini osilioskopta üst üste görüntüleyerek Şekil-3 deki bütün süreleri kürsor kullanarak ölçünüz ve kaydediniz. 7. Ölçtüğünüz değerleri kullanarak gecikme süresini ve geçiş sürelerini bulunuz HC08 yerine CD4069 tümdevresini koyarak 6. adımı tekrarlayınız. 9. CD4069 tümdevresinin birinci eviricisinin çıkışını diğer dört tane eviricinin girişine bağlayınız. İkinci eviricilerden birinin çıkışını kullanılmamış olan başka bir eviricinin girişine bağlayınız (Şekil 7-4). Bu eviricinin çıkışındaki v o (t) gerilimini osiloskola izleyiniz ve giriş/çıkış işaretlerini üst üste çiziniz. Giriş işaretinin frekansını arttınız. Çıkış işareti frekans arttıkça nasıl değişmektedir? Çıkış işaretindeki değişmenin 2V un altına indiği andaki giriş işaret frekansını (f max ) kaydediniz. Bu frekans için v 1 (t) ve v 2 (t) gerilimlerini çiziniz. Şekil

58 Deney Ön Raporu Deney No 7 Lojik Kapı Devreleri Raporu Yazan : Gurup:..... Deney Tarihi : HC04 1. V OH = V OL = V il = V ih = NM H =... NM L = t dhl =... t dlh = t d =... t tlh = t r =... t thl = t f = CD4069 t dhl =... t dlh =... t d =... t tlh = t r =... t thl = t f = f = 100kHz f =f max =... 57

59 58

60 8. SAYISAL/ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜLER (D/A) 8.1 DENEYİN GAYESİ Basit D/A Dönüştürücü devrelerin incelenmesi 8.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER DA Besleme Kaynağı ±15V, 5V Voltmetre Tümdevre İşlem Kuvvetlendiricisi (LM741) Dirençler (12x1k ) Anahtarlar (3x iki kutuplu) 8.3 TEMEL BİLGİLER Modern haberleşme ve ölçme sistemleri 21. yüzyılda artık tamamen sayısal devrelerle gerçekleştirilmektedir. Sayısal devrelerin önemli avantajları şöylece sıralanabilir: Daha güvenlidirler. Gürültü, sinyal karışması gibi dış etkilere dayanıklıdırlar. Daha ucuzdurlar. Ortam değişimlerinden daha az etkilenirler. Kullanılan elemanların parameter değişimlerinden etkilenmezler. Doğruluk ve işaret kaliteleri istenildiği gibi ayarlanabilirler. Seri imalatta her devre aynı şekilde çalışır. Sayısal olarak kopyalanan işaretlerde kopyalar original işaretle tamamen aynıdır. Çok Geniş Çaplı Tümdevrelerle (VLSI:Very Large Scale Integration) gerçekleştirilebilirler. 59

61 Bu ve daha pek çok avantajlarına rağman tabiattaki fiziksel büyüklükler ve insanın algılama sistemleri analog olduğundan bu işaretler doğrudan sayısal sistemlere uygulanamazlar. Giriş işaretlerinin analogdan sayısala ve çıkış işaretlerinin de sayısaldan analog büyüklüğe dönüştürülmesi gerekir. Bu işi yapmak için de Analog dan Sayısal a (A/D) ve Sayısal dan Analog a (D/A) dönüştürücü devrelere gerek vardır. 8.4 SAYISAL/ANALOG (D/A) DÖNÜŞTÜRÜCÜLER D/A dönüştürme için kullanılan pek çok devre vardır. Bu deneyde sadece en basit iki yöntem ele alınacaktır: Ağırlıklı Direnç Yöntemi R-2R Merdiven Devresi AĞIRLIKLI DİRENÇ YÖNTEMİ Ağırlıklı direnç devresinde en etkili bit ten başlayarak her direnç bir öncekinin tam iki katı seçilir. Örnek olarak Şekil 12-1 deki 4-bitlik devrede R 3 =R, R 2 =2R, R 1 =4R ve R 0 =8R olarak seçilmelidir. Eğer b 0 en az etkili bit (LSB) ve b 3 en etkili bit (MSB) olmak üzere, b 0 b 3 4-bit lik 2 tabanında yazılmış giriş sayısının bit leri ise, bu bitler lojik-1 ise anahtar sola, lojik-0 isa sağa bağlanacaktır. Bu durumda devrenin çıkışında elde edilen toplam akım (I T ) ve buna karşı gelen çıkış gerilimi (V o ) aşağıdaki gibi hesaplanabilir. I T = I 3 + I 2 + I 1 + I 0 (8-1) burada: I i V R 1 R b i olduğu göz önüne alınırsa Şekil 8-1 Ağırlıklı Direnç kullanan D/A çevirici devresi I T = V R ( 1 R 3 b 3 1 R 2 b 2 1 R 1 b 1 1 R 0 b 0 ) V R ( 1 R b 3 1 2R b 2 1 4R b 1 1 8R b 0 ) IT = V REF (1/8R) [ 2 3 b b b b 0 ] (8-2) elde edilir. Bu durumda çıkış gerilimi: 60

62 V o = - R I T = - R V REF (1/8R) [ 2 3 b b b b 0 ] (8-3) V o = - (V REF /8) [ 2 3 b b b b 0 ] V o = K[ 2 3 b b b b 0 ] (8-4) olur. Tabii ki bu eşitliğin doğru olması için direnç değerlerinin tam olarak doğru olması gerekir. Aksi halde direnç toleranslarından ötürü bir hata oluşur. Dirençlerin toleransı i =( R i )/R i ise akımdaki bağıl hata aşağıdaki formülle hesaplanabilir. I T 1 I max 2 n 1 (2n 1 n 1 b n b 1 0 b 0 ) (8-5) Bu değere referans gerilim kaynağındaki bağıl hata da eklenirse toplam hata bulunur. I T 1 I max 2 n 1 (2n 1 n 1 b n b 1 0 b 0 ) V REF V REF 4-bitlik bir dönüştürücüde bu hatanın değeri: (8-6) I T I max 1 15 (23 3 b b b b 0 ) V REF V REF (8-7) Formülden görüldüğü gibi en etkili bit (MSB) direncinin hatası en az etkili bit (LSB) direncinin n katı etkili olur. Eğer bit sayısı büyükse, MSB direncin hatası LSB nin etkisinden daha fazla olur ve bu biti kullanmak anlamsız olur. Örnek olarak n=6 bitlik bir çeviricide direnç toleransları %10 ise, en etkili bit direncinin toleransından ötürü toplam akım ±%5 değişir. Buna karşılık LSB bitinin değişmesi toplam akımda 1/64=0,016=%1,6 bir değişiklik, ondan sonraki bit ise 1/32=0,032=%3,2 bir değişiklik yapar. Dolayısı ile son iki bit i kullanmak anlamsız olur. Yani %10 toleranslı dirençlerle en çok 4 bit lik D/A çevirici yapılabilir. Toleransları aynı olan dirençlerden n-bitlik bir çevirici yapılacaksa dirençlerin toleransı 1/(2 n -1) den küçük olmalıdır. I T I 0 (2 n 1 2 n ) I 0 (2 n 1) I n R-2R MERDİVEN DEVRESİ Yukarda bahsedilen mahzurları ortadan kaldırmak farklı yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemlerden en kolay olanı R-2R Merdiven Devresi yöntemidir. Bu devrenin yapısı Şekil 8-2 de verilmiştir. Devrenin özelliği bütün direnç değerlerinin R veya 2R değerinde eşit olmasıdır. Bu yüzden dirençlerden kaynaklanan hatalar bütün bitler için aynı oranda etkili olur. Bu devre aslında gerilim bölme prensibine dayanır. Merdivenin her basamağındaki gerilim bir öncekinin yarısı kadar olur. Çünkü her basamaktan sağa doğru bakıldığında görülen direnç anahtarın konumundan bağımsız olarak R değerine eşittir (İşlem kuvvetlendiricisinin giriş noktasının geriliminin sıfır olduğu unutulmamalıdır). (8-8) 61

63 Şekil 8-2 R-2R D/A çevirici devresi Bu durumda toplam akım; I T V R 2R b 3 V R 4R b 2 V R 8R b 1 V R 16R b 0 ve çıkış gerilimi; olur. = V R (1/16R) [ 2 3 b b b b 0 ] (8-9) V o = - (V R /16) [ 2 3 b b b b 0 ] = K [ 2 3 b b b b 0 ] (8-10) 8.5 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR 1. R=1k ve V REF =5V değerlerini ile 3-bitlik ağırlıklı direnç ve R-2R Merdiven devresi yöntemlerini kullanan D/A dönüştürücü devreleri tasarlayınız ve şemalarını aşağıdaki boşluğa çiziniz. 2. Sayısal giriş işaretinin mümkün olan her değeri için çıkış gerilimini hesaplayarak Tablo 12-1 deki Teorik Değer satırına yazınız. 8.6 SORULAR 1. Şekil 12-1 de verilen Ağırlıklı Direnç D/A Dönüştürücü devresinde (8-6) eşitliğinde belirtilmeyen başka hata kaynakları olabilir mi? Varsa nelerdir? Araştırınız. 2. Burada anlatılanların dışında başka ne tür D/A dönüştürücüler vardır? Adlarını yazarak her birinin çalışma ilkesini kısaca anlatınız. 62

64 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şemasını çizmii olduğunuz 3-bitlik Ağırlıklı Direnç tipi D/A dönüştürücü devresini kurunuz. Devreyi gerçekleştirirken 2k direnci iki tane 1k, 4k direnci ise 4 tane 1k direnci seri bağlayarak gerçekleştiriniz. işlem kuvvetlendiricisini ±15V ile besleyiniz. 2. Giriş sayısına karşı düşen anahtarların bütün kombinasyonları için çıkış gerilimini ölçerek Tablo8-1 deki Deneysel Değerler satırına yazınız. Her giriş sayısı için hatayı hesaplayarak Hata satırına yazınız. 3. Bu değerlerden yararlanarak devrenin Giriş-Çıkış transfer eğrisini çiziniz. 4. Şemasını çizmiş olduğunuz 3-bitlik R-2R Merdiven tipi D/A dönüştürücü devresini kurunuz. Devreyi gerçekleştirirken 2k direnci iki tane 1k direnci seri bağlayarak gerçekleştiriniz. İşlem kuvvetlendiricisini ±15V ile besleyiniz. 5. Her basamaktaki gerilimi (V 0, V 1 ve V 2 ) ölçerek kaydediniz. 6. Giriş sayısına karşı düşen anahtarların bütün kombinasyonları için çıkış gerilimini ölçerek Tablo 8-2 deki Deneysel Değerler satırına yazınız. Her giriş sayısı için hatayı hesaplayarak Hata satırına yazınız. 7. Bu değerlerden yararlanarak devrenin Giriş-Çıkış transfer eğrisini çiziniz. 8. Bulduğunuz en büyük hata en etkisiz bit in (LSB) sebep olduğu değişimden küçük müdür? Değil ise bu ne anlama gelir? Şekil 8-3 Tipik bir D/A dönüştürücüde Giriş-Çıkış transfer eğrisi 63

65 Deney Ön Raporu Deney No 8 D/A Dönüştürücüler Raporu Yazan :... Gurup:... Deney Tarihi : Tabl Tabanında Giriş Sayısı Ondalık Eşdeğer Sayı Teorik Çıkış Gerilimi Deneysel Çıkış Gerilimi Hata 5. V 0 =... V 1 =... V 2 = Tabl Tabanında Giriş Sayısı Ondalık Eşdeğer Sayı Teorik Çıkış Gerilimi Deneysel Çıkış Gerilimi Hata 8. max = V LSB = Yorum:. 64

66 65

67 Ekler 9. EKLER EK2: OSİLOSKOP Ekran 2. Flaş bellek çıkışı. Ekrandaki bilgileri belleğe aktarır. 3. Prob kalibrasyon çıkışı. Probları ayarlamakta kullanılır. 4. Y1-Y2 girişleri 5. Genlik ayarı (V/cm). Ekrandaki görüntünün büyüklüğünü ayarlar. 6. Dış eşzamanlama girişi. Görüntüyü durdurmak için dış sinyal girişi. 7. Zaman ekseni ayarı (s/cm) 8. Tetikleme seviye ayarı. Görüntüyü durdurmaya yarar. 9. Otomatik Ayarlama düğmesi. Giriş işaretleri uygulandıktan sonra bu düğmeye basılırsa bütün ayarlar otomatik olarak yapılır. 10. Yatay konum ayarı. Görüntüyü sağa sola kaydırır. 11. İmleç (cursor) açma kapama. Ekranda ölçme noktasını gösteren imlecin görünmesini sağlar. 12. Ölçme düğmesi. Ekrandaki işaretlerin çeşitli büyüklüklerini ölçerek rakamsal olarak gösterir. 13. Düşey konum ayarı. Görüntüyü aşağı yukarı hareket ettirir. 14. Oto kademe düğmesi. Görüntüyü en iyi görünecek şekilde ayarlar. 15. Matematik düğmesi. İki kanal işaretleri arasında matematiksel işlemler yapar. 16. Genel amaçlı ayar düğmesi 17. Bellek düğmesi. Ekrandaki görüntüyü belleğe aktarır. 18. Kanal seçme düğmesi. Y1 ve Y2 kanallarını seçerek bu kanalların ayarlarının yazılım düğmeleri ile ayarlanmasını sağlar. 19. Yazılım düğmeleri (Soft Buttons). O esnada ekranda görünen fonksiyonları yerine getirir. 20. Açma kapama düğmesi. Cihazın üst tarafında yer alır. Osiloskop gerilimin zamanla değişimini gösteren ölçme aletidir. Akım ve diğer elektriksel büyüklükleri doğrudan ölçmez. Ölçme yaparken dikkat edilecek noktalar: Özellikle yüksek frekanslarda ölçme yaparken mutlaka özel bağlantı kabloları (problar) kullanılmalıdır. Eğer ekranda uygun bir şekil göremiyorsanız, probları devreye bağladıktan sonra AUTOSET [9] düğmesine basınız. Şekil elde ettikten sonra ince ayar yapabilirsiniz. Ekrandaki şeklin çeşitli büyüklüklerini ölçmek için MEASURE [12] düğmesine bastıktan sonra ekran kenarındaki menüden istediğiniz büyüklüğü seçiniz. Şekil durmuyorsa TRIG MENU düğmesine basarak ekrandaki menuden tetikleme kanalını (1 veya 2) olarak seçiniz ve TRIGGER LEVEL [8] düğmesi ile ayar yapınız. 66

68 Ekler EK3: MÜLTİMETRE 1. Gerilim direnç ölçme girişi. Gerilim ve direnç ölçmek + prob bu uca bağlanır Uçlu Direç ölçümü için SENSE giriş uçları 3. Ölçülen değerin ayarlanan sınırlar içinde olup olmadığını gösteren COMP göstergesi 4. 6 Adet TEST konfigürasyonunu saklama ve çağırma tuşları 5. Kalibrasyon Düğmesi. Aleti kalibre eder. 6. Açma/Kapama (STANDBY) Düğmesi 7. Düğmelerin 2. Fonksiyonlarını seçme düğmesi. 8. Yazdırma düğmesi (2. Fonksiyonu RS232 Parametrelerini ayarlama). 9. Ölçme hız ayarı (2. Fonksiyonu Tetikleme kaynağını seçer). 10. Durdurma düğmesi. 11. Bağıl Değer Okuma; Önceden ayarlanan referans değerle okunan değerin farkını gösterir (2. Fonksiyon: Referans değeri ayarlar). 12. db Birimi ile bağıl ölçme yapar. (2. Fonksiyonu db için referans empedans değerini ayarlar). 13. Max ve Min ölçme değerlerini saklar. 14. Ölçülecek büyüklüğü seçer. 15. Ölçme kademesini (Otomatik veya elle) seçer A AC/DC akım giriş terminalleri mA AC/DC akım giriş terminalleri. TEKNİK ÖZELLİKLER: DC Gerilim (200mV-1000V) Belirsizlik:%0,015 (%Okuma+%Kademe) AC Gerilim (200mV-1000V) Belirsizlik: %0,5 (45Hz-20kHz), %0,3 (20kHz-50kHz), %0,8 (50Hz-100kHz), Direnç ( M) Belirsizlik: %0,03 (200), %0,02 (2k-200k), %0,04(2M), %0,25 (20M), %1,75 DC Akım (200uA-10A) Belirsizlik: %0,03 (200uA), %0,02 (2mA), %0,03 (200mA), %0,08 (2A), %0,2 (10A) AC Akım (20mA-10A) Belirsizlik: %0,25(20mA-2A; 45Hz-2kHz), %1 (0A) Mültimetre akım-gerilim-direnç ve diğer temel elektriksel büyüklükleri ölçen üniversal ölçü aletidir. Kullanırken dikkat edilmesi gereken noktalar: Aleti devreye bağlamadan önce ölçülecek büyülüğe göre ölçme kablolarının (prob) ölçeceğiniz büyüklüğe uygun girişe bağlı olduğundan emin olunuz. Fonksiyon Anahtarını [14]ölçeceğiniz büyüklüğe göre seçiniz. Eğer alet otomatik kademe seçmeli değilse ve ölçeceğiniz büyüklüğün ne kadar olduğunu tahmin edemiyorsanız mümkün olan en yüksek ölçme kademesini seçiniz. Alet akım ölçme konumunda iken kesinlikle gerilim kaynaklarına bağlamayınız! Bu durumda alet hasar görecektir. Yüksek gerilim ölçerken (220V AC gibi) kesinlikle probun metal kısımlarına değmeyiniz. Ciddi yaralanmalar ve ölüm tehlikesi olabilir. 67