DENEY NO: 7 İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ VE UYGULAMALARI. Malzeme ve Cihaz Listesi:

Transkript

1 1 DENEY NO: 7 İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ VE UYGULAMALARI Malzeme ve Cihaz Listesi: direnç 1 adet. 1 k direnç adet. 10 k direnç adet k direnç 1 adet 5. k direnç 1 adet. 47 k direnç adet 7. 8 k direnç 1 adet Deneyin Amacı: 8. nf kapasitör 1 adet uf kapasitör 1 adet 10.Breadboard 11.Dijital Multimetre 1.Deney Seti (ACT-1 veya CADET I-II ) 1.Pens, keski, montaj kablosu, krokodil İşlemsel kuvvetlendiricilerin temel karakteristiklerini anlamak ve bu elemanı kullanarak çeşitli uygulamalar yapmaktır. Genel Bilgiler: İşlemsel kuvvetlendiriciler, çarpma, bölme, toplama, çıkarma, türev ve integral alma gibi matematiksel işlemleri yerine getirmek için tasarlamış aktif devre elemanlarıdır. Direnç, kapasitör gibi hariçi devre elemanları uçlarına bağlandığında bu matematiksel işlemleri yerine getirirler. İşlemsel kuvvetlendiriciler, çeşitli ölçü ve kontrol sistemlerindeki regülatör, osilatör, logaritmik kuvvetlendirici, tepe dedektörü ve gerilim karşılaştırıcısı gibi devrelerde de kullanılmaktadır. İşlemsel kuvvetlendiricinin gerilim kazancı çok yüksek olup farklı değerde olabilir. Tiplerine bağlı olarak on binden, bir milyon arasıdır, fakat daha çok kazançlı olanları da bulunabilir. Giriş dirençleri oldukça büyüktür: 10 ile Ohm arasındadır. Çıkış dirençleri ise çok küçük olup 1 ile 1000 Ohm arasındadır. Frekans sınırları DC den başlayıp, GHZ mertebelerine kadar çıkmaktadır. İşlemsel yükseltecin içinde yaklaşık 0 adet transistor, 10 adet direnç ve birkaç adet diyot bulunur. Yapısı yarı iletken entegre şeklinde olup hacimleri küçük ve maliyetleri oldukça düşüktür. Güç sarfiyatları az olup, kararlı oldukları için oldukça karmaşık sistemlerde çok sayıda kullanılabilirler. İdeal işlemsel kuvvetlendirici: Inverting Input V n Noninverting Input V p - V o Output R ef Şekil 1 İşlemsel kuvvetlendiricinin devre sembolü

2 İdeal işlemsel kuvvetlendiricileri analiz etmek için kullanılan iki temel kural; İşlemsel kuvvetlendiricilerin giriş uçlarında akım akmamaktadır. İşlemsel kuvvetlendiricilerin giriş uçları arasındaki gerilim düşümü sıfırdır. İşlemsel yükseltecin iki giriş ve bir çıkış ucu vardır. Besleme kaynağı genellikle simetrik olup, buralara V ve V gerilimleri uygulanır. Offset Null 1 (top view) 8 NC (= no connection) Inverting Input - 7 Positive Supply Voltage Noninverting Input Output Negative Supply Voltage 4 5 Offset Null İşlemsel Kuvvetlendirici Uygulamaları: Şekil 1 Opamp 741 bacak bağlantıları Gerilim Takipçisi (Voltage follower, Buffer): İşlemsel kuvvetlendiricinin sonsuza yaklaşan giriş direnci ve sıfıra yaklaşan çıkış direnci sayesinde Şekil deki devre yardımıyla gerilim takipçisi devresi gerçekleştirilir. Şekil Gerilim takipçisi Gerilim takipçisinde: Gerilim takipçisinin giriş direnci çok büyük olduğu için kendisinden önceki devreyi yüklemez. Çıkış direnci çok küçük olduğundan, kendisinden sonraki devre için ideal gerilim kaynağı gibi davranır. Kazancı da birdir. Bu özelliklerinden dolayı buna izolasyon amplifikatörü veya buffer adı da verilir. İşaret Değiştiren (Eviren) Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier): Bu devre Şekil deki gibidir. Burada R i giriş direnci, R f geri besleme direnci olup, devrenin girişine v i (t) gerilim kaynağı bağlandığında, çıkıştaki v o (t) gerilimi aşağıdaki şekilde bulunur.

3 R f R i Çıkış gerilimi: Şekil Eviren Kuvvetlendirici Gerilim Kazancı: İşaret Değiştirmeyen (Evirmeyen) Kuvvetlendirici (Non-inverting Amplifier): R B Devreden hareketle; Gerilim Kazancı: Şekil 4 Evirmeyen Kuvvetlendirici Görüldüğü gibi evirmeyen kuvvetlendirici için gerilim kazancı her zaman 1 den büyüktür. Toplama Devresi: Şekil 5 deki devre ile iki ya da daha çok bağımsız giriş işaretinin toplamı (daha açıkçası lineer kombinezonu) elde edilir. Bu devre, aynı zamanda çok girişli eviren toplayıcı devresidir. R f R 1 V 1 (t) R V (t) Şekil 5 Toplama Devresi Çıkış işaretinin denklemi iki giriş işareti için aşağıdaki şekilde olacaktır.

4 4 [ ] İntegral Alıcı Devre (Integrater) Şekil deki eviren kuvvetlendirici devresinde R f yerine C elemanı konularak Şekil daki integratör devresi elde edilir. Çıkış gerilimi, giriş geriliminin integrali biçiminde olur. C Şekil İntegral Alıcı Devre Şekil deki devrede giriş off-set geriliminin işlemsel kuvvetlendiriciyi bir süre sonra doyuma götürmesini engellemek için, C kapasitesine paralel bir R S direnci bağlanır. (Off-set gerilimi: İşlemsel kuvvetlendiricilerde karşılaşılan sorunlardan birisi de giriş gerilimlerinin sıfır olmasına rağmen, çıkış geriliminin sıfır olmamasıdır. Değişken işaretler kuvvetlendirilirken önemli olmayan bu durum, özellikle doğru gerilim kuvvetlendiricilerinde ve büyük kazançlı işlemsel kuvvetlendirici ile kurulan devrelerde sorun olur. Off-set gerilimi olarak adlandırılan bu gerilim, özellikle giriş katını oluşturan elemanların tam olarak özdeş olamaması ve eleman toleranslarından kaynaklanır.) Ayrıca giriş kutuplama akımlarının eşit olamayışından doğacak off-set gerilimini ve bu gerilimin etkilerini gidermek için uç ile toprak arsına direnci bağlanır. C R S Şekil 7 İntegral Alıcı Devre Devrenin bir integral alıcı olarak görev yapabilmesi için girişine uygulanan işaretin frekansı aşağıdaki gibi olmalıdır; RS f i < f C olduğunda, devre eviren yükselteç olarak çalışır ve kazanç, olur. RA Nonlineer Op Amp Uygulaması (Karşılaştırıcı Devresi) Karşılaştırıcı, bir giriş gerilimi ile bir referans gerilimini karşılaştıran devredir. Karşılaştırıcının çıkışı giriş geriliminin referans geriliminden aşağıda yada yukarıda olduğunu ifade eder. Giriş sinyali referans geriliminden büyükse çıkış pozitif besleme gerilimine, küçükse negatif besleme gerilimine gider. Basit bir karşılaştırıcı devresi aşağıda verilmiştir.

5 5 V s V i V ref V o -V s Şekil 8 Karşılaştırıcı Devresi İpucu: LM741 entegresi breadboarda şekildeki gibi bağlanmaktadır. LM741 entegresinin çalışabilmesi için 4 ve 7 numaralı bacaklara doğru gerilim verilmektedir. Bu gerilimin değerine entegrenin datasheetinden bakılarak karar verilmektedir. LM741 entegresi için 4 numaralı bacak (-1V) ve 7 numaralı bacak (1V)'dir. Deney Öncesi Hazırlıklar: 1. LM741 tümdevresinin katolog bilgilerini inceleyiniz.. Deneyde kullanacağınız devreler için tabloda verilen direnç değerlerini kullanarak çıkış gerilimlerini ve kazançları teorik olarak hesaplayınız. (İşlemsel kuvvetlendiricileri ideal alınız.). Opamın fark yükselteci olarak nasıl kullanıldığını araştırınız. 4. Opamlı toplama devresinin yapısını araştırınız. 5. Eviren yükselteçler ile evirmeyen yükselteçler arsındaki farklar nelerdir, araştırınız. Deney Öncesi Hazırlık Raporunda İstenenler: 1. ORCAD 1. programını kullanarak deneyde gerçekleştireceğiniz bütün devrelerin simülasyonunu( devrede bağlantı dışında kaynak ya da eleman değeri değişikliği varsa da ayrı simülasyon sonucu olmalıdır.) deney sırasında yapılacaklar bölümünde anlatılan şekilde yapınız ve elde ettiğiniz simülasyon sonuçlarını grafiksel olarak raporunuza ekleyiniz. Tablolar varsa hesap sütunlarını doldurunuz. Bu ön çalışma, laboratuvarda yapacağınız ölçümleri kontrol etmeniz açısından birinci derece önem taşımaktadır.. Deneyde gerçekleştireceğiniz bütün devrelerin teorik (matematiksel) hesaplamalarını yaparak deney öncesi hazırlık raporunuza ekleyiniz. Teorik hesaplamalarınızı ilgili devrenin alt kısmına, her adımı göstererek yapınız. Deney Sonrası Raporunda İstenenler: 1. Deney sonucu elde etmiş olduğunuz ölçüm sonuçlarını da tablolara ekleyerek her tabloyu raporunuza ekleyiniz.. Sorular bölümündeki soruları ilgili alana cevaplayarak sorular sayfasını cevaplanmış bir şekilde raporunuza ekleyiniz.

6 Deney Sırasında Yapılacaklar: 1. R B 741 CH 1 CH V K1 =0.5sin(π1000t)V =10kΩ R B =10kΩ Şekil 9 a) Şekil 9 da verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla 1V ve 1 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.) b) Sinüzoidal kaynak gerilimini (tepeden tepeye) 1V a, frekansını 1 khz e ayarlayınız. c) Osiloskobun CH 1 ve CH kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH 1 i çıkışa () ve CH i girişe () bağlayarak ve gerilimlerinin zamanla değişimini çiziniz ve aralarındaki farkın nedenini (genlik ve faz) olarak açıklayınız. d) Girişte uyguladığınız V=0,5sin değerini değiştirmeden aşağıda verilen R B direnç değerlerini sırasıyla uygulayarak Tablo 1 i doldurunuz. e) Tablo 1. R B (k ) Tepeden Tepeye V O Kazanç 15k 47k 741 R B CH 1 CH V K1 =0.5sin(π1000t)V =10kΩ R B =10kΩ Şekil 10 a) Önceki deneydeki ilk dört adımı Şekil10 daki devre için sırasıyla tekrarlayınız. b) Tablo 1 R B (k ) Tepeden Tepeye V O Kazanç kω 8kΩ

7 7. C R S R B 741 CH 1 CH =1kΩ R B =1kΩ R S =10kΩ C=nF Şekil 11 a) Şekil 11 da verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla 1V ve 1 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.) b) İşaret üreteci ile girişe (tepeden tepeye) 1 V ve frekansı 5000 Hz olan bir kare dalga uygulayınız. Osiloskobun CH 1 ve CH kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH 1 i çıkışa () ve CH i girişe () bağlayarak çıkış ve giriş işaretlerini çiziniz. Çıkış işareti girişin integrali midir? c) Kaynak frekansı artırıldığında v o (t) çıkış geriliminin genliğinin küçüldüğünü görünüz ve bunun nedenini açıklayınız. d) Kaynak frekansını 100 Hz e getiriniz ve çıkışı gözlemleyiniz. 4. R S C 741 CH 1 CH =70Ω R S =10kΩ C=0.1uF Şekil 1 a) Şekil 1 de verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla 1V ve 1 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.) b) İşaret üreteci ile girişe (tepeden tepeye) 1 V ve frekansı 1 khz olan bir üçgen dalga uygulayınız. Osiloskobun CH 1 ve CH kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH 1 i çıkışa () ve CH i girişe () bağlayarak çıkış ve giriş işaretlerini çiziniz. c) Çıkış işareti girişin türevi midir?

8 8 5. V dc 741 CH 1 CH Şekil 1 a) Şekil 1 de verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla 5V ve 5 V doğru gerilim uygulayınız. b) İşaret üreteci ile girişe 5V 1kHz değerinde bir sinüs uygulayınız. c) Sırasıyla 1V, V ve V değerinde V dc gerilim değerlerini vererek çıkışı çiziniz ve ne gibi değişimler olduğunu gözlemleyerek farklılıkları yorumlayınız. Sorular: 1. İşaret değiştiren kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış gerilimleri arasında kaç derecelik faz farkı vardır?.. Bölümde yapılan deneyde kaynak frekansını 100 Hz e getirdiğimizde çıkış geriliminin üçgen dalga biçiminden daha çok kare dalgaya benzediğini gördük ve çıkış gerilimi de arttı. Neden?. Kaynak frekansını 100 Hz e getiriniz. Bu durumda, çıkış geriliminin üçgen dalga biçiminden daha çok kare dalgaya benzediğini görmelisiniz. Bu arada çıkış gerilimi de artar. Neden?