Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisligi Elektronik Deney Föyleri

Transkript

1 Teknoloji Fakültesi Mekatronik Mühendisligi Elektronik Deney Föyleri

2 DİYOT KARAKTERİSTİĞİ 1 AMAÇ: 1. Bir ölçü aleti ile (volt-ohm metre) diyodu kontrol etmek.(anot veya katod terminallerinin saptanması) 2. Diyodun doğru ve ters polarma karakteristiğini incelemek. 3. Diyodun dc ve ac direncinin nasıl bulunacağını öğrenmek. MALZEME LİSTESİ: 1. 1N 4004 Silikon diyot ya da eşleniği V arasında ayarlanabilen DC güç kaynağı 3. Dirençler: KΩ, 1 1KΩ 4. 2 adet analog ölçü aleti TEORİK BİLGİ Diyot bir yönde akımı diğer yöne göre daha iyi ileten, yarı iletken bir malzemedir. Diyot terminalleri arasındaki potansiyel fark, diyodun iletime geçip geçmeyeceğini belirler. Eğer anot katoda göre daha pozitif ise, diyot akımı iletecektir ve bu durumda diyot doğru kutuplanmış demektir. Eğer katod anoda göre daha pozitif ise diyot çok küçük bir sızıntı akımının geçmesine izin verecektir ve bu durumda diyot ters kutuplanmış demektir. Doğru-kutuplamada, tipik bir Silikon diyot üzerinde düşen gerilim yaklaşık 0.7 V tur. (Germanyum için ise gerilim düşümü 0.3 V tur.) Bu eşik geriliminden daha düşük değerlerde, diyot sadece küçük bir akımın geçmesine izin verir. Bu eşik gerilimi diyot karakteristik eğrisi üzerinde büküm olarak adlandırılır. Çünkü bu bölgede diyot üzerinde düşen gerilimle diyottan geçen akım değişmektedir. Dolayısıyla diyodun direnci değişmektedir. Aşağıdaki formül diyodun dinamik veya ac direncini hesaplamak için kullanılır: Burada r D = V I V diyot üzerinde düşen gerilimdeki değişim, 1

3 I gerilim düşümündeki değişikliğe karşılık oluşan diyot akımındaki değişimdir. Diyot eğrisi üzerinde her hangi bir noktadaki direnç, statik veya dc direnç olarak adlandırılır ve Ohm kanunu kullanılarak hesaplanır: R D = V I ohm Burada V diyot üzerinde düşen gerilim, I ise diyottan geçen akımdır. Bu akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki şekilde gözükmektedir: Şekil-1 İŞLEM BASAMAKLARI: 1. Deneyde kullanılacak olan Ohmmetre nin ucundaki gerilimin polaritesini ve büyüklüğünü belirlemek için aşağıdaki devreyi kurunuz. 2

4 Şekil VOM1 diyodun direncini ölçmek için kullanılacaktır. VOM2 ise, VOM1 tarafından sağlanan gerilimin polaritesinin belirlenmesinde kullanılacaktır. Eğer VOM2 tarafından sağlanan ve VOM1 tarafından ölçülen gerilimin değeri 0.7 V daha az ise, VOM1 in direnç skalasını ayarlayarak istenen değere ulaşınız. İşlem basamağı 3 te, 0.7 V tan daha büyük bir gerilim verecek şekilde ayarlanmış VOM1 i kullanarak diyodun zarar görmesini engellemiş olacaksınız. Gerilimin polaritesinin belirlenmesi gerekliliği bazı ölçü aletlerinin direnç ölçümünde negatif gerilim kullanmalarından doğmuştur. 3. İşlem basamağı 2 deki gibi ayarlanmış VOM1 aletinin uçlarına diyodu bağlayınız. Ölçü aletleri aslında ölçülen direncin üzerinden akan akımın miktarını ölçtüğünden, burada büyük bir sapma büyük bir akım geçtiğine işaret eder ki bu da bize direncin küçük olduğunu gösterir. Direncin küçük olması da diyodun doğru kutuplanmış olduğunu gösterir. Eğer sapma az ise, sadece küçük bir akım geçişi söz konusudur.(yani büyük bir direnç vardır.) Böyle bir durum gerçekleştiğinde diyot ters kutuplanmşıtır. Bu teknik yardımıyla diyodun hangi ucunun anot, hangi ucunun katod olduğunu belirleyebiliriz. 4. Ölçü aletinin problarını ters çeviriniz. Böylece her iki türlü sapmayı da gözlemiş olursunuz. 3

5 kurunuz. 5. Diyodun doğru-polarma karakteristiğinin incelenmesi için Şekil 3 teki devreyi Şekil-3 6. E gerilim kaynağını, diyot uçlarındaki V D nin Tablo-1 deki değerleri için (0.0 V ile 0.7 V arasında 0.1 V artım aralığıyla) ayarlayınız ve gerekli bilgileri tabloya kaydediniz. Şekil-4 7. Diyodun ters-kutuplama karakteristiğinin incelenmesi için aşağıdaki devreyi kurunuz. 8. E gerilim kaynağını, diyot uçlarındaki V D nin Tablo-2 deki değerleri için (0 ile 25 V arasında 5 V artım aralığıyla) ayarlayınız ve gerekli bilgileri tabloya kaydediniz. SORULAR: 1. İşlem basamağı 3 te VOM kullanarak yaptığınız diyot terminallerinin belirlenmesi işleminde, aşağıdaki durumları gözlemiş olsaydınız hangi sonuca varır dınız? a. Sadece yüksek direnç ölçümü b. Sadece düşük direnç ölçümü 2. Tablo-1 deki akım değerlerini hesaplayıp, kaydediniz. Tablo-2 de direnç uçlarındaki V R gerilimlerini ve direçten geçen akımları hesaplayıp, kaydediniz. 4

6 3. Tablo-1 de elde ettiğiniz I ve V D değerlerini kullanarak, diyodun doğru-kutuplama I-V karakteristik eğrisini çiziniz. Yatay eksene V D ve dikey eksene de I değerlerini yerleştiriniz. 4. Tablo-1 deki I ve V D değerlerini kullanarak 0.1V, 0.5V ve 0.6V için diyodun statik dirençlerini hesaplayınız Sorunun cevabı olarak oluşturduğunuz eğriden faydalanarak, 0.1V, 0.5V ve 0.6V için diyodun dinamik direncini grafiksel olarak hesaplayınız. 6. Tablo-2 den elde edilen I ve V D değerlerini kullanarak diyodun 10V taki statik direncini hesaplayınız. TABLO-1 V D (Volt) E (Volt) V R (Volt) I= V R R TABLO-2 V D (Volt) E (Volt) V R = E - V D I= V R R

7

8 BÜYÜK-İŞARET DİYOT DEVRELERİ (Doğrultucular, Filtreler ve Dalgalanma) 3 AMAÇ 1. Yarım ve tam dalga doğrultucunun çalışmasını öğrenmek ve devreyi kurarak doğrultucu oluşturmak. 2. Doğrultucu çıkışındaki dalgalanmayı (ripple) azaltmak için kullanılan kondansatörün etkisini incelemek. 3. Güç kaynaklarının yükleme etkisinin dalgalanmayı nasıl etkilediğini gözlemlemek. MALZEME LİSTESİ 1. 4 adet 1N4004 Silikon diyot ya da eşleniği 2. 1 adet transformatör V DC güç kaynağı 4. Analog İşaret Üreteci (1 KHz lik 5 Vt-t Sinüs veya kare ) 5. Dirençler: 1 10 KΩ, 1-1 KΩ, Ω 6. Potansiyometre: 1 10KΩ 7. Çift ışınlı osiloskop TEORİK BİLGİ Diyot karakteristik eğrisi üzerinde, doğru-kutuplama bölgesinden ters-kutuplama bölgesine kadar uzanan geniş bir alanı kapsayan akım ve gerilim değişimleri, büyük-işaret diyot devresi olarak adlandırılır. Bu yüzden diyodun çalışma bölgesi artık doğrusal (küçükişaretlerde olduğunun tersine) bölge üzerinde yer almaz. Bu da diyodun direncinin çok küçük değerlerden çok büyük değerlere kadar değiştiğini göstermektedir. Bu durumda diyot bir anahtar gibi davranacaktır. Büyük-işaret diyot devrelerinde diyotların kullanıldığı en önemli uygulamalardan bir tanesi doğrultma (alternatif akımın doğru akıma çevrilmesi) işlemidir. Burada yük akımı sadece tek yönde akacaktır. Ancak şu da unutulmamalıdır ki diyotlar, devreye uygulanan işaretin 0.7 V kadarını kendi üzerinde düşürecektir. Bu nedenle yük üzerinden bir akım 11

9 geçmesini sağlamak için devreye uygulanan gerilim 0.7 V tan daha büyük olmalıdır. Yarımdalga doğrultucuda devreye uygulanan gerilim ve çıkışta yük üzerinden akan akım aşağıda Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil-1 DC güç kaynaklarında esas eleman ac girişi dc çıkışa çeviren doğrultuculardır. Yarım dalga bir doğrultucuda sinüs dalgası şeklindeki giriş sinyalinin sadece bir alternansında yük üzerinden akım geçer; diğer alternansta geçmez. Tam dalga bir doğrultucuda ise her iki alternansta da akım geçer. Tasarım yük üzerinden hep aynı yönde akım akacak şekilde yapılmıştır. Şekil 2 de tam ve yarım dalga doğrultulmuş işaretin dalga şekilleri bulunmaktadır. Şekil 4 de tek diyottan oluşan yarım dalga doğrultucu devreye yer verilmiştir. Şekil 6 da ise 4 diyot kullanarak (köprü diyot) tam dalga bir doğrultucunun nasıl oluşturulduğu gösterilmiştir. 12

10 Şekil-2 Şekil-3 Güç kaynaklarında en önemli nokta, doğrultulmuş çıkışın gerilim dalgalanmasnı minımuma indirmektir. Dalgalanmanın azalması amacıyla filtrelenme işlemi yapılır. En basit haliyle bir filtre devresi doğrultucuya paralel olarak bağlanmış bir kondansatörden oluşur. (Şekil 6, 7) Filtreler doğrudan dalgalanmayı azaltmazlar. Bunun yerine kondansatörün yük direnci üzerinden dolup-boşalma sürecinden yararlanarak bunu azaltırlar. Şekil 3a da filtre çıkışındaki dc gerilim üzerine binmiş bir dalgalanma gözükmektedir. R L C zaman sabiti ne kadar küçükse, dalgalanma o kadar büyük olur. Şekil 3b de dalgalanma, testere dişi yaklaşımı 13

11 ile ele alınmıştır. Testere dişi yaklaşımda tepeden tepeye değer, dalgalanmanın rms değerinin hesaplanmasında kullanılır: V(rms) = V t t 2 3 Bir filtrenin ne kadar verimli olduğunun bir ölçüsü, çıkış dalga şeklinin sahip olduğu dalgalanma yüzdesidir. Dalgalanma % = dalgalanmanın rms değeri dalga şeklinin dc değeri %100 Dalgalanma yüzdesi % 6,5 tan daha aşağıda ise bu filtreye az yüklenmiş denilir. Az yüklenmiş kondansatörlü bir filtrede dalgalanma yüzdesini hesaplamak için aşağıdaki yaklaşım kullanılabilir: Dalgalanma % = f R R L C %100 Burada, R L yük direnci ve C filtre kondansatörünü temsil etmektedir. f R yarım dalga doğrultucu için 50 Hz, tam dalga doğrultucu için ise 100 Hz olarak alınır. İŞLEM BASAMAKLARI 1. Diyodun yarım-dalga doğrultucu olarak kullanılışını göstermek için, aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-4 2. Çift ışınlı bir osiloskobu dc konumuna alarak, e(t) giriş geriliminin tepe değerini ve V R (t) çıkış gerilimini ölçünüz. Her iki dalga şeklini de çiziniz. 3. Şekil 4 deki sabit değerli R yük direncini, Şekil 5 te görüldüğü gibi seri bağlı 470 Ω luk direnç ve 10 KΩ luk potansiyometre ile yer değiştiriniz. Potansiyometreyi minumum 14

12 değerinden maksimum değerine kadar çevirerek, çıkış dalga şeklindeki değişiklikleri gözlemleyiniz. Şekil-5 4. Şekil 4 deki diyodun terminallerini ters çevirip, işlem basamağı 2 ve 3 ü tekrarlayınız. 5. Şekil 4 deki e(t) giriş işaretini 5 V kare dalga ile yer değiştiriniz. İşlem basamağı 2 yi tekrarlayınız. 6. Bir güç kaynağında dalgalanma (ripple) üzerinde filtreleme etkisini göstermek amacıyla Şekil 6 daki devreyi kurunuz. (Öncelikle 220 µf lık kondansatörü devreye bağlamayınız.) AC gücün tehlikeli olabileceğini unutmayınız. Devreye ait tüm bağlantıları, ac gücü devreye uygulamadan önce yapınız. AC gerilim uygulandıktan sonra, hiç bir değişiklik yapmayınız ve uygulanan ac gerilimin uçlarına dokunmayınız. Şekil-6 7. Osiloskobu dc konumuna alarak 10 KΩ luk direnç üzerindeki dalga şeklini gözlemleyip, çiziniz. AC gücü kestikten sonra, 220 µf lık kondansatörü devreye bağlayınız. Tekrar ac gücü devreye uygulayınız. 8. Osiloskobu ac konumuna alarak, çıkış gerilimi V L nin tepeden tepeye değerini ölçüp, kaydediniz. (Daha gerçekçi ve doğruya daha yakın bir ölçme yapmak için, osiloskobun dikey hassasiyetini iyi ayarlayınız. Böylelikle osiloskop ekranına sığacak en büyük şekli elde ediniz.) Bu değeri kaydediniz. Çıkışın dc ortalama değerini ölçmek için, osiloskobun hassasiyetinin tekrar ayarlanması gerekecektir. Osiloskobun dikey hassasiyetini öyle 15

13 ayarlayınız ki ac konumdan dc konuma geçildiğinde osiloskop ekranındaki ışın kaybolmasın. Gerekli ayarlamalar yapıldıktan sonra aynı noktadaki voltajı bir ac bir de dc konumda ölçünüz. İki dalga şekli arasındaki farklılık bize çıkıştaki dalganın sahip olduğu dc seviyeyi verecektir. 9. AC gücü devreden keserek, (Şekil 6) ikinci bir 220 µf lık kondansatörü diğerine paralel olarak devreye bağlayınız. Gücü devreye tekrar verip, işlem basamağı 7 yi tekrarlayınız. (Devredeki toplam kapasitenin 440 µf olduğuna dikkat ediniz.) 10. Güç kaynakları üzerinde küçük dirençlerin nasıl yük etkisi yarattığını göstermek için Şekil 7 deki devreyi kurunuz. İşlem basamağı 6 daki uyarıların hepsi burada da geçerlidir. Şekil Osiloskobu ac konumuna alınız ve potansiyometreyi değiştirerek dalgalanma genliğinin bundan nasıl etkilendiğini gözlemleyiniz. 12. İşlem basamağı 6 daki uyarıları dikkate alarak, potansiyometreyi devreden çıkarınız. (RL= 4.7 KΩ) İşlem basamağı 8 de tarif edildiği gibi V L geriliminin tepeden tepeye dalgalanma miktarını ve dc değerini ölçünüz. 13. Kondansatörü devreden çıkarıp, R L üzerindeki dalga şeklini çiziniz. İşlem basamağı 6 daki uyarılara dikkat ediniz. SORULAR 1. İşlem basamağı 2 deki sonuçları kullanarak, i(t) akımının tepe değerini hesaplayınız ve dalga şeklini çiziniz. İşlem basamağı 3 te yük direnci değişiminin i(t) akımı üzerindeki etkilerinin açıklayınız. 2. İşlem basamağı 4 teki sonuçlar için soru 1 i tekrarlayınız. 3. İşlem basamağı 5 te gözüken devrede i(t) akımının tepe değerini hesaplayıp, dalga şeklini çiziniz. 16

14 4. İşlem basamağı 6 ve 7 deki dalgalanma gerilimi ve dc gerilim ölçümlerini kullanarak, her bir filtre çıkışı için dalgalanma yüzdesini hesaplayınız. Bu filtreler az mı, çok mu yüklenmiştir? Açıklayınız. 5. İşlem basamağı 7 ve 8 de oluşturulan her bir filtre için, az yüklenmiş kondansatör filtrede dalgalanma yüzdesinin formülünü kullanarak, dalgalanma yüzdesini teorik yaklaşımla hesaplayınız. 6. İşlem basamağı 6 ve 12 deki izlenimlerinizden faydalanarak yük direncinin dalgalanmayı nasıl etkilediğini anlatınız. 17

15 KIRPICI VE KENETLEYİCİ DEVRELER, MANTIKSAL İŞLEMLER DEVRESİ 4 AMAÇ 1. Pasif kırpıcı devrelerin nasıl çalıştığını görmek. 2. Pasif kenetleyici devrelerin nasıl çalıştığını görmek. 3. Basit mantıksal devrelerde diyotların fonksiyonlarını araştırmak. MALZEME LİSTESİ 1. 2 adet 1N4004 Silikon diyot veya eşleniği V arası ayarlanabilen DC güç kaynağı 3. Analog İşaret Üreteci(1 KHz, 5 10 V tepeden tepeye Sinüs dalga) 4. Dirençler: KΩ, 1-10KΩ, 1-1KΩ, Ω 5. Potansiyometre: 1-10 KΩ 6. Kondansatörler: 1-1µF (25 V) 7. Çift ışınlı osiloskop TEORİK BİLGİ Bu deneyde kırpıcı ve kenetleyici devreler ele alınmıştır. Şekil 1 de, kırpıcı devrenin giriş ve çıkış dalga şekilleri gösterilimştir. Şekil 3 ve 4 te ise pasif kırpıcı devreler yer almaktadır. Çıkış gerilimi, diyot doğru kutuplanmış olduğu sürece değişmeyecektir. Diğer bir deyişle, çıkış gerilimi sabit pozitif ya da negatif bir değerle sınırlandırılmış olacaktır. Deney 3 te ele alınmış olan yarım dalga doğrultucu pasif kırpıcı devreye bir örnektir. Kenetleyici devreler bir dalga şeklini negatif bölgeden çıkaran veya kaydıran devrelerdir. Bazen bu devreler seviye değiştirici olarak ta adlandırılırlar. Çünkü dalga şekline belli bir dc seviye eklerler. Şekil 2, tipik bir kenetleyici devrenin giriş ve çıkışını göstermektedir. Şekil 5 deki devre, pasif bir kenetleyici devre örneğidir. Giriş gerilimi negatif iken, kondansatör diyot üzerinden giriş geriliminin tepe değerine şarj olur. Buna karşılık giriş 18

16 gerilimi pozitif iken yük gerilimi, giriş gerilimi ile kondansatör üzerindeki dc gerilimin toplamına eşit olmaktadır. Kondansatör ve yük direncinden ötürü oluşan RC zaman sabiti, giriş geriliminin peryodundan çok daha büyük seçilirse; kondansatör yük direnci üzerinden boşalma fırsatı bulamayacaktır. Dolayısıyla yük gerilimi, giriş geriliminin dc olarak pozitif yöne doğru ötelenmiş hali olacaktır. Şekil-1 Şekil-2 Büyük-işaret diyot devrelerinin kullanıldığı önemli uygulamalardan bir tanesi de sayısal lojik fonksiyonlarının gerçekleştirilmesidir. Sayısal lojik kapılar, VE veya VEYA gibi mantıksal işlemlerin gerçekleştirildiği devrelerdir. VE işleminde, eğer iki girişten her ikiside doğru (yüksek gerilim) olduğunda ancak çıkış doğrudur. VEYA işleminde iki girişten her hangi birinin doğru olması çıkışın doğru olması için yeterlidir. VE kapısında ancak 1. ve 2. girişler 5V olduğunda, kapı çıkışında 5 V oluşacaktır. VEYA kapısında ise 1. veya 2. girişten bir tanesi 5V olduğunda, kapı çıkışında 5 V oluşacaktır. İŞLEM BASAMAKLARI 1. Pasif bir kırpıcı devreyi görmek amacıyla aşağıdaki devreyi kurunuz. 19

17 Şekil-3 2. DC konuma alınmış çift ışınlı bir osiloskopla V S ve V L yi gözlemleyip, çiziniz. Kırpılmanın gerçekleştiği andaki dc seviyeyi kaydediniz. 3. Aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-4 4. Şekil 4 için işlem basamağı 2 yi tekrarlayınız. 5. Pasif kenetleyici devreyi görmek amacıyla aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-5 kurunuz. 6. Basit mantık kapılarında diyotların davranışını görmek amacıyla aşağıdaki devreyi 20

18 Şekil-6 7. Tablo 1 deki tüm V 1 ve V 2 kombinasyonları için V O değerini ölçüp, kaydediniz. 8. Başka bir mantık kapısını incelemek amacıyla aşağıdaki devreyi kurunuz ve işlem basamağı 7 yi Tablo 2 deki değerler için tekrarlayınız. Şekil-7 SORULAR 1. Girişine yüksek bir gerilim geldiğinde kuvvetlendiriciler zarar görebilmektedirler. Eğer bir kuvvetlendiricinin girişine 3V tan daha yüksek bir işaret geldiğinde korumaya geçmesini istiyorsak, bu deneyden edindiğiniz bilgiler ışığında nasıl bir devre tasarlarsınız? Açıklayınız. Devre şeklini çizip, elemanların değerlerini yazınız. 2. Bir analog-sayısal çeviricinin çıkışında 0 dan 255 e kadar olmak şartıyla 256 basamak bulunmaktadır ve çıkışın genliği 0V tan 10V a kadar değişmektedir. 20 KHz lik bir giriş işaretinin tamamı pozitif tarafta olacak şekilde kaydıran devreyi (kenetleyici) tasarlayınız. 3. Tablo 1 ve 2 deki V1, V2 değerlerinin her biri için, diyotların konumlarını yazınız. (ileri veya ters yönde kutuplanmış şeklinde belirtiniz) Diyodun doğru yönde kutuplandığında üzerinde düşen gerilimin 0,7 V olduğunu kabul ederek, VO gerilimini hesaplayınız. Deneyde yaptığınız ölçümlerle bunları karşılaştırınız. 21

19 4. Şekil 6 ve 7 size hangi mantık kapılarını çağrıştırıyor? Yazınız. TABLO 1 V 1 (Volt) V 2 (Volt) V O (Volt) Ölçülen V O (Volt) Hesaplanan TABLO 2 V 1 (Volt) V 2 (Volt) V O (Volt) Ölçülen V O (Volt) Hesaplanan 22

20 ZENER DİYOT 5 AMAÇ 1. Zener diyodun I-V karakteristiğini oluşturmak. 2. Zener diyodun voltaj regülatörü olarak kullanılışını görmek. 3. Zener diyodun regülasyon çizgisini ve zener diyot regülatörün çıkış direncini ölçmek. MALZEME LİSTESİ 1. 1N V (1 W) zener diyot V arasında ayarlı DC güç kaynağı 3. Dirençler:1 10 KΩ, KΩ, KΩ, KΩ, kω, 1 1KΩ, Ω, Ω 4. Ölçü aleti TEORİK BİLGİ Eğer yarı iletken bir diyot üzerine uygulanan ters gerilim, diyot kırılma noktası adı verilen değere ulaşırsa, bundan böyle diyodun bu yönde akım geçirmesi oldukça zorlaşır. Fakat bu durum diyot için belirlenmiş güç kaybı değerine ulaşana dek, diyoda zarar vermez. Diyodun kırılma gerilimin değeri, üretim aşamasında diyodun oluşturulacağı yarı iletken maddenin (Silisyum, Germenyum) katkı oranı ile ilgilidir. Sıradan diyotlardan farklı olarak zener diyotlar, daha fazla katkı oranına sahiptirler. Çünkü zener diyotlar -özellikle ters kırılma bölgesinde- üzerinde düşen gerilim, diyottan geçen akımın değişmesine rağmen sabit kalacak şekilde tasarlanmışlardır. Bu özelliğinden dolayı zener diyotlar, sabit gerilimin gerekli olduğu voltaj regülatörü uygulamalarında kullanılmaktadır. Şekil 1 de tipik bir I-V karakteristik eğrisi ve eğri üzerindeki V Z ile işaretlenmiş kırılma gerilimi gözükmektedir. Sıradan diyotlar ile zener diyodun ileri yönde kutuplanmış bölgelerinin farklı olmadığına dikkat ediniz. Şekil 1 deki gibi bir karakteristiğe sahip bir zener diyot, ideal olarak adlandırılır. Çünkü şekilden de anlaşıldığı gibi geri veya ters yönde kutuplanmış bölgedeki karakteristiği tamamen dik bir çizgidir. Bu durumda, kırılma bölgesinde diyot üzerinden geçen akım değişse dahi V Z kesinlikle sabit kalacaktır. Diğer bir deyişle V Z / I Z = 0 olacaktır. Kırılma bölgesinde zener diyodun direnci aşağıdaki formül kullanılarak bulunabilir: 23

21 Z Z = V Z I Z Şekil-1 Pratikte zener diyotların direnci sıfır değildir. Ancak voltaj regülatörü olarak kullanımına izin verebilecek kadar da küçüktür. Şekil 4 te zener diyot kullanılarak oluşturulmuş bir voltaj regülatörü devresi gözükmektedir. Diyot ters-polarma bölgesinde çalışmaktadır ve yük üzerinde düşen gerilim de V Z gerilimine eşittir. Devrenin düzgün bir şekilde çalışması için, diyodu sürekli kırılma bölgesinde tutacak yeterinec büyük ve ters bir akım değerine gerek duyulmaktadır. Aşağıda sıralanan tüm özellikler zener diyot kullanılarak tasarlanacak bir voltaj regültörü devresininde mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır: 1. şart : Giriş gerilimi E, (burada E gerilimi, dalgalanmalara sahip düzensiz bir girişi temsil etmektedir) diyot ve yük direnci üzerinden akacak kırılma akımını sağlayabilecek yeterli büyüklüğe sahip olmalıdır. 2. şart : R L yük direncinin değeri üzerinden tüm akımı akatıbilecek kadar küçük bir değere sahip olmamalıdır. Çünkü böyle bir durumda R L kısa devre gibi olacak ve diyot üzerinden hiç bir akım akmayacaktır. Dolayısıyla diyot kırılma bölgesinden uzaklaşacaktır. 24

22 3. şart : Zenet diyodun güç kaybı, (P Z = V Z I Z ) üretici firmanın belirlediği değeri aşmamalıdır. (Eğer yük açık devre olursa yani değeri çok büyükse tüm akım diyottan geçeceğinden zener zarar görebilir.) 1. ve 2. şartlar, E ve R L değerinin büyük olması; fakat bunun yanında 3. şartta bu iki değerin küçük olması konusunda kısıtlamalar getirmektedir. Şekil 4 teki R S direnci tüm şartların oluşturulmasında kritik bir rol üstlenmiştir. Aşağıdaki eşitlik R S direnci için geçerli aralığın hesaplanmasında kullanılmaktadır: E (min) - V Z I Z (min) + V Z /R L (min) R E (max) - V Z S I Z (max) + V Z /R L (max) Burada; E (min) ve E (max) düzensiz dalgalanan gerilimin minumum ve maksimum değerlerini, I Z (min) diyodu kırılma noktasında sabit tutmak için gerekli ters akımın minumum değerini, (Şekil 1 e bakınız) I Z (max) diyodun üretim safhasında belirlenmiş olan güç harcamasını aşmayacak şekilde diyot üzerinden geçebilecek maksimum akım değerini, I Z (max) P Z / V Z R L (min) ve R L (max) yük direncinin maksimum ve minumum değerlerini temsil etmektedir. İŞLEM BASAMAKLARI kurunuz. 1. Zener diyodun doğru-kutuplama karakteristiğini çıkarmak için aşağıdaki devreyi Şekil-1 2. Uygulanan E gerilimini, zener diyot üzerinde düşen gerilim değeri V nin Tablo 1 deki her bir değeri için ayarlayınız. Her bir V değeri için, direnç üzerinde düşen gerilimi 25

23 ölçünüz. (Direnç üzerinde düşen gerilim zener diyot üzerinden geçen akımın hesaplanmasında kullanılacaktır.) 3. Zener diyodun ters-kutuplama karakteristiğini çıkarmak için dc güç kaynağının yönünü ters çeviriniz. Ayrıca Şekil 3 ten de gözüktüğü üzere 1KΩ luk direnci 100 Ω luk dirençle yer değiştiriniz. Şekil-2 4. E gerilimini, Tablo 2 de yer alan zener diyot üzerinden geçen akım değerlerini elde edecek şekilde ayarlayınız. I Z nin her bir değeri için zener diyot üzerinde düşen V gerilimini ölçünüz. 5. Zener diyodun voltaj regülatörü olarak nasıl kullanıldığını görmek amacıyla aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-4 6. Regülasyon çizgisini belirlemek için, R L =10 KΩ ve E=10 V yapınız. Tablo 3 teki her bir E değeri için 6. basamağı tekrarlayınız. 7. Regülatörün çıkış direncini belirlemek amacıyla, yine R L =10 KΩ ve E=10 V yapınız. Daha sonra V L yük gerilimini ölçünüz ve bu ölçme işlemini Tablo 4 te sıralanmış tüm R L değerleri için tekrarlayınız. SORULAR 1. Tablo 1 ve 2 deki ölçüm sonuçlarından faydalanarak, milimetrik kağıda zener diyodun doğru-kutuplama karakteristiğini çiziniz. 2. I Z =5 ma ve I Z =30 ma arasındaki ters kırılma bölgesindeki Z Z zener diyot empedansını hesaplayınız. 26

24 3. Tablo 3 teki ölçüm sonuçlarından faydalanarak, Şekil 4 teki voltaj regülatöründeki V L E regülasyon yüzdesini hesaplayınız. 4. Tablo 4 teki ölçüm sonuçlarından faydalanarak, voltaj regülatörünün V L I L çıkış direncini (tüm ölçüm aralığında) hesaplayınız. 5. Tablo 4 teki her bir yük direnci için zener diyot tarafından harcanan gücü bulunuz. Hesapladığınız değerlere bakarak, bu değerlerden diyodun harcama gücünü aşan olup olmadığını kontrol ediniz. 6. Şekil 4 te kullanılan R S direncinin, seçilen yük direnci ve giriş gerilimi için uygun bir değer olup olmadığını değerlendiriniz. I Z (min) değerini 1. sorunun cevabı olarak çizdiğiniz grafik üzerinden belirleyiniz. 27

25 TABLO 1 V(Volt) VR (Volt) I = V R R TABLO 2 I V (Volt) 50 µa 100 µa 1 ma 5 ma 10 ma 15 ma 20 ma 30 ma TABLO 3 V(Volt) V L (Volt) TABLO 4 RL VL(Volt) I L = V L R L I L = E - V L R S I Z = I S - I L P Z = V L I Z 10 KΩ 8.2 KΩ 6.8 KΩ 4.7 KΩ 2.2 KΩ 28

26 EMİTERİ ORTAK KUVVETLENDİRİCİLER 8 AMAÇ 1. Emiteri-ortak kuvvetlendiricinin açık-devre gerilim kazancını, yük varken gerilim kazancını, giriş ve çıkış dirençlerini ölçmek. 2. Küçük-işaret eşdeğer modelini kullanarak emiteri ortak kuvvetlendiriciyi değerlendirmek. 3. Emiter bypass kondansatörünün gerilim kazancı üzerindeki etkisini incelemek. MALZEME LİSTESİ 1. 2N 2222 Silikon transistör veya eşleniği V DC güç kaynağı 3. Analog İşaret Üreteci (Ayarlı Sinüs, 10 KHz) 4. Dirençler: 1-56 KΩ, 1-12 KΩ, 1-3.3KΩ, KΩ, 1-1 KΩ 5. Kondansatörler: 1-47 µf, 2-10 µf (25 V luk) 6. Potansiyometreler: 1-50 KΩ, 1-10KΩ 7. Çift ışınlı osiloskop TEORİK BİLGİ Emiteri ortak bağlantı, BJT küçük-işaret devrelerinin en önemli ve en sıklıkla kullanılan şeklidir. Gerilim ve akım kazancının yüksek olması, giriş ve çıkış dirençlerinin değerlerinin ne çok yüksek ne de çok düşük olması kolaylığından ötürü bu düzenleme çok kullanılmaktadır. Zaten bu deney kitabı boyunca sıklıkla kullanılacak olan emiteri ortak bağlantı şekline sahip kuvvetlendiricilerdir. Emiteri ortak kuvvetlendiricilerin çoğunda emiter direnci kendine paralel bir kondansatör bağlanarak by-pass yapılır. Yüksek frekanslarda, kondansatör emiter direncini toprağa kısa devre eder. Fakat dc de kondansatörün sahip olduğu büyük empedans, devrenin dc ön gerilimlendirmesinde hiç bir etkiye sahip değildir. Emiter bypass kondansatörü kullanılarak kuvvetlendiricinin kazancı artırılmış olur. Emiter direnci üzerinde çıkış gerilimiyle uyuşmayan fazda bir gerilim oluştuğu durumlarda, emiter bypass kondansatörü 42

27 bunu yok ederek; kazancı artırır. Şekil 1 de Şekil 3 teki emiteri ortak kuvvetlendiriciye ait küçük-işaret ac eşdeğer devre gözükmektedir. Buradan faydalanarak kazanç, giriş ve çıkış dirençleri kolaylıkla hesaplanabilir. Eşdeğer devrede R E direncine yer verilmemiştir. Çünkü C E kondansatörü tarafından tamamen by pass yapıldığı varsayılmıştır. Şekil 1 deki akımkontrollü akım kaynağının yönü aşağıyı göstermektedir. Bunun anlamı giriş gerilimine göre çıkış geriliminin negatif olduğunu gösterir. Dolayısıyla aralarında 180 faz farkı oluşmaktadır. Bu yüzden emiteri ortak kuvvetlendiricilere eviren kuvvetlendiriciler adı da verilir. Şekil-1 Emiteri ortak kuvvetlendiricinin açık-devre gerilim kazancı A V aşağıda yer alan eşitliklerden uygun biri kullanılarak hesaplanabilir: C E devrede iken A V = V o V in = -βr C (β+1) r e - R C r e C E devrede yokken A V = V o V in = -βr C (β+1)(r e + R E ) - R C R E Emiteri ortak kuvvetlendiricinin giriş direnci r in (kat), aşağıdaki eşitlikler kullanılarak hesaplanabilir: C E devrede iken r in (kat) = (β + 1)r e // (R1 // R2) C E devrede yokken r in (kat) = [(β + 1)(r e + R E )] // (R1 // R2) Emiteri ortak kuvvetlendiricinin çıkış direnci ise r o (kat) aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanabilir: r o (kat) = R C Kuvvetlendiricinin çıkışına yük bağlandığında yükten kaynağa doğru gerilim kazancını hesaplamak için aşağıdaki eşitlik kullanılabilir: 43

28 V L V S = r in (kat) r s + r in (kat) A V R L R L + r o (kat) İŞLEM BASAMAKLARI 1. Ek A daki işlem basamaklarını tamamlayarak transistörün β sını hesaplayınız. 2. A V açık-devre gerilim kazancını ve kuvvetlendiricinin çıkış direncini ölçmek için aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-2 3. İşaret üretecinin frekansını 10 KHz e ayarlayınız. Daha sonra kuvvetlendiricinin çıkışında tepeden tepeye 3V görünceyene dek işaret üretecinin çıkış düğmesi (amplitude) ile ayar yapınız. Giriş ve çıkış gerilimlerini aynı anda osiloskop ekranında gözlemleyerek, hem tepeden tepeye genlikleri, hem de giriş-çıkış arasındaki faz ilişkisini kaydediniz. Böylelikle açık-devre gerilim kazancı V o V in hesaplanabilir. UYARI 1: Kuvvetlendiricinin çıkışında söz konusu değeri görebilmeniz için her işaret üretecinin üzerinde bulunan attenuation- zayıflatma yazan düğmeye basınız. Böylelikle çıkış işareti 20 db zayıflamış olacaktır. Zayıflatma düğmesine bastığınız ve işaret üretecinin çıkış düğmesini minumuma getirdiğiniz halde dahi çıkış 3 V t-t olmayabilir. Çıkış dalga şeklinde eğer her hangi bir bozulma yoksa deneyin bundan sonraki bölümünde 3 V t-t değerinin yerine ayarlayabildiğiniz yeni değeri kullanmanızda bir sakınca yoktur. 44

29 UYARI 2: Daha önceki tecrübelere dayanarak işaret üretecinin çıkışının bazı durumlarda yeterince küçük olamadığından osiloskop ekranındaki sinüs dalga şeklinin alt veya üstünden veya her iki ucundan aynı anda kırpılmalar görebileceğinizi söyleyebilirim. Bu durumu gidermek için zayıflatma düğmesine basmanız yeterli olmayacaktır. Bu yüzden kuvvetlendiricinin kazancını düşürecek (yeterince küçük işaret veren bir başka işaret üretecinin bulunamadığı durumlarda) deney sorumlusu Öğretim Elemanını ile birlikte başka çareler aramalısınız. 4. Kuvvetlendiricinin çıkış direncini ölçmek için, 10 KΩ luk potansiyometreyi çıkış kuplaj kondansatörü ile şase arasına bağlayınız. Çıkış gerilimi 1.5 Vtt oluncaya dek potansiyometreyi ayarlayınız. Daha sonra potansiyometrenin ayarını bozmadan devreden çıkarınız. Değerini ölçüp kaydediniz. Gerilim bölme kuralından yola çıkarsak, ölçtüğünüz direnç değeri kuvvetlendiricinin çıkış direncine eşit olacaktır. 5. Yükten kaynağa gerilim kazancı V L V S yi ve kuvvetlendiricinin giriş direnci r in (kat) ı ölçmek için Şekil 3 teki devreyi kurunuz. Şekil-3 6. İşaret üretecinin frekansını 10 KHz yaptıktan sonra, V L = 3V t-t oluncaya dek işaret üretecinin çıkış genlik düğmesini ayarlayınız. İşaret üretecini devreden çıkarıp, çıkış genliğinin değerini ölçünüz. Gerilim kazancı V L V S yi hesaplayınız. 7. Emiteri ortak kuvvetlendiricinin rin(kat) giriş direncini ölçmek için işaret üretecini tekrar devreye bağlayınız. Daha sonra giriş kuplaj kondansatörü ile işaret üretecinin arasına 45

30 50 KΩ luk potansiyometreyi bağlayınız. Çıkıştaki V L gerilimi 1.5 V t-t (veya daha önce ayarladığınız değerin yarısı) oluncaya dek potansiyometreyi ayarlayınız ve potansiyometrenin konumunu bozmadan devreden çıkarınız. Değerini ölçüp, kaydediniz. Ölçtüğünüz değer, kuvvetlendiricinin giriş direncidir. 8. Emiter bypass kondansatörünü devreden çıkarıp, işlem basamakları 3, 6 ve 7 yi tekrarlayınız. SORULAR 1. I E gerilimini ve r e direncini hesaplayınız. Teorik olarak hesaplayacağınız dc emiter akımını bulmak için aşağıdaki işlemleri takip ediniz: Öncelikle beyz-toprak arasındaki V B gerilimini, gerilim bölme kuralını uygulayarak belirleyiniz. V B = V CC R2 R1 + R2 Daha sonra emiter-toprak arasındaki V E gerilimini bulunuz. V E = V B V BE V B 0.7 Volt Son olarak, emiter gerilimini emiter akımına bölerek akımı hesaplayabilirsiniz. I E = V E R E 2. Soru 1 den elde ettiğiniz verileri kullanarak ve rc direncini sonsuz kabul ederek, Şekil 3 teki kuvvetlendiricinin küçük-işaret eşdeğer ac devresini çiziniz. 3. Eşdeğer devreden faydalanarak A V, V L V S, r in (kat) ve r o (kat) değerlerini teorik olarak hesaplayınız. Tablo 1 e kaydediniz. Deneyde aldığınız ölçüm sonuçları ile hesaplanan sonuçları karşılaştırınız. 4. İşlem basamağı 8 için (yani CE devrede yokken) A V, V L V S, r in (kat) ve r o (kat) değerlerini tekrar hesaplayınız. Tablo 1 e kaydediniz. Deneyde aldığınız ölçüm sonuçları ile hesaplanan sonuçları karşılaştırınız. 5. Emiter bypass kondansatörünün yararlarını ve zararlarını kazanç ve giriş direnci açısından yorumlayarak, belirtiniz. 46

31 TABLO 1 CE devrede iken Ölçülen Hesaplanan değer değer CE devrede yokken Ölçülen Hesaplanan değer değer A V V L V S r in (kat) r o (kat) 47

32 Elektronik 2 Deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. JFET ÖN GERİLİMLENDİRME 9 AMAÇ: 1. JFET lerde kendinden ön gerilimlendirilmiş (self biasinig) devreyi incelemek. 2. JFET lerde gerilim bölücülü ön gerilimlendirilmiş devreyi incelemek. 3. JFET DC çalışma noktası gerilim ve akımlarını, yukarıda sıralanan her iki devre için hesaplamak. MALZEME LİSTESİ 1. 2N5459 Silikon N-kanallı JFET veya eşleniği 2. DC güç kaynağı (15V) 3. Dirençler: 1-220KΩ, 1-10KΩ, 1-4.7KΩ, 1-1.5KΩ, 1-1KΩ 4. VOM TEORİK BİLGİ BJT transistörlerin tam tersine FET'ler unipolar (tek kutuplu) olarak adlandırılırlar. Çünkü FET'in çalışması sırasında sadece tek bir tip yük taşıyıcısı kullanılır. N kanallı JFET transistörlerde gate-source gerilimi (V GS ) negatif olduğunda drain'den source'a bir iletim gerçekleşir. V GS gerilimi 0V olduğunda G-D jonksiyonu ters polarize olur ve akım akmaz. JFET transistörlerle ilgili ilginç bir nokta da BJT'nin tam tersine çıkış akımı I D giriş gerilimi V GS tarafından kontrol edilir. BJT emiteri ortak devreye geri dönersek çıkış akımı I C giriş akımı I B tarafından kontrol edilir. Şekil 1'de (Şekil 4' te yer alan kendinden ön gerilimlendirilmiş devrenin) çıkış akımı I D ile giriş gerilimi V GS arasındaki ilişki gözükmektedir. Çalışma noktasındaki akım ve gerilimi hesaplayabilmek için öncelikle I D ve V GS 'nin max olabileceği değerlerin bilinmesi gerekmektedir. Eğer V GS = 0V ise, I D akımı max değerdedir ve I DSS olarak adlandırılır.(drain saturasyon akımı) Eğer V GS gerilimi artırılırsa (negatif arttırılacak) bir noktada I D akımı 0'a eşit olacaktır. I D = 0 olduğu andaki V GS gerilimi V P (pinch-off gerilimi) olarak adlandırılır. 48

33 Elektronik 2 Deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Şekil -1 Şekil - 2 Çalışma noktası anındaki akım ve gerilimi hesaplamak için, Şekil 1'deki denklemlerin aynı anda çözülmesi gerekmektedir. Sol taraftaki denklem transistörün transfer denklemidir. Sağ taraftaki ise kendinden ön gerilimlendirilmiş JFET devresi için yük doğrusu denklemidir. Şekil 2'de Şekil 5'te yer alan gerilim bölücülü ön gerilimlendirilmiş devrenin transfer ve yük doğrusu denklemleri gözükmektedir. Bu devrede V P ve I DSS değerlerindeki değişimler bir önceki devrede olduğunun tersine, I D akımının fazla değişimine sebep olmamaktadır. İŞLEM BASAMAKLARI: 49

34 Elektronik 2 Deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. 1. I DSS ve V P değerlerini bulabilmek için aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-3 2. V GS = 0 V (gate şaseye bağlanacak) iken V RD gerilimini ölçünüz. I DSS akımını aşağıdaki formülü kullanarak hesaplayınız. I DSS = V RD RD 3. V RD gerilimi 0V (R D direnci üzerinden geçen akım 0 olacak şekilde) olacak şekilde V GS gerilimini ayarlayınız. (Negatifliğini artırınız) I D akımı 0 iken ölçülen V GS gerilimi Vp ye eşittir. 4. JFET kendinden ön gerilimlendirilmiş devreyi incelemek için aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil-4 50

35 Elektronik 2 Deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. 5. V GS, V DS, V RD değerlerini ölçüp kaydediniz. V RD değeri I D akımının hesaplanması için kullanılacaktır. 6. JFET gerilim bölücülü ön gerilimlendirilmiş devreyi incelemek için aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil 5 7. V GS, V DS ve V RD değerlerini ölçüp, kaydediniz. SORULAR 1. İşlem basamağı 1'de yaptığınız ölçümlerden faydalanarak I DSS ve V P değerlerini hesaplayınız. 2. Şekil 4'deki devre için çalışma noktası anındaki V GS, V DS ve I D değerlerini hesaplayınız ve Tablo 1 e kaydediniz. V GS ve I D değerleri, Şekil 1'deki denklemlerin aynı anda çözümüyle bulunacaktır. Hesapladığınız değerlerle ölçüm sonuçlarını karşılaştırınız. 3. Şekil 5'teki devre için Soru 2' yi tekrar ediniz. TABLO 1 Şekil 4 teki devre Şekil5 teki devre ( Volt ) Ölçüm Hesaplamalara Ölçüm Sonuçlarına Hesaplamalara Sonuçlarına göre göre göre göre VGS VDS VRD 51

36 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. FARK KUVVETLENDİRİCİSİ 15 AMAÇ 1. Fark kuvvetlendiricisini, farksal ve ortak çalışma modunda incelemek. 2. Ortak Mod Reddetme Oranı (OMRO) nı hesaplamak. MALZEME LİSTESİ N2222 npn silikon transistör veya eşdeğeri 2. DC güç kaynakları ( + 15V) 3. Analog işaret üreteci (0-1 V tepe sinüs 1 KHz) 4. Dirençler :1-100KΩ, 1-15KΩ, 2-10 KΩ, 1-1 KΩ (%5 tolerans) 5. Potansiyometre : 200Ω veya daha küçük 6. Çift ışınlı osiloskop 7. Sayısal ölçü aleti TEORİK BİLGİ İşlemsel kuvvetlendiriciler, sayısal olmayan (lineer) uygulamalarda en çok kullanılan elektronik malzemelerdir. İşlemsel kuvvetlendiricilerin (bundan sonra kısaca OPAMP denilecektir.) giriş devresi bir fark kuvvetlendiricisidir. Fark kuvvetlendiricilerinin çoğu birleştirilmiş devreler olarak imal edilir. Fakat bu deneyi kolaylaştırmak için aynı devrenin farklı bir biçimini inceleyeceğiz. Farksal kuvvetlendiriciler iki farklı yöntem altında çalıştırılır. Giriş sinyalleri farklı olabilir veya giriş sinyalleri birbirinin aynısı olabilir. Eğer giriş sinyalleri farklı ise, kuvvetlendiricinin farksal modda çalıştığı söylenir. Bu şu anlama gelir : Çıkış gerilimi giriş sinyalleri arasındaki farkla orantılı olacaktır. Eğer giriş sinyalleri birbirinin aynısı ise, kuvvetlendiricinin ortak modda çalıştığı söylenir. Şekil 1 deki devre harici küçük emiter dirençlerini de kapsayan bir farksal kuvvetlendiriciden oluşmuştur. Bu tasarım iki transistörün r e değerlerindeki farklılıkları gidermek için yapılmıştır. 76

37 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Şekil-1 İdeal bir farksal kuvvetlendiricinin, tek ve çift çıkışlı fark mod kazançları sırasıyla aşağıda gösterilmiştir. Tek çıkışlı Av = Çift çıkışlı Av = V o1-v o2 V i1 -V i2 = Farksal giriş direnci : Vo1 Vi1-Vi2 = - RC re1 + Re1 + re2 + RE2-2R C r e1 + R e1 + r e2 + R E2 r id = β(r e1 + R E1 + r e2 + R E2 ) r id giriş uçları arasındaki toplam ac dirençtir. Aşağıdaki denklemler farksal kuvvetlendiricinin ortak mod çalışmasında kullanılır. (ortak mod çalışması için iki sinyalde büyüklük ve faz olarak aynı olmalıdır. Tek çıkışlı Av = V o1 V i1 = V o1 V i2 77

38 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Çift çıkışlı Av = V o1 - V o2 V i1 = V o1- V o2 V i2 Ortak mod çalışmada farksal kuvvetlendiricinin en önemli yararı, her iki girişte de varolan gürültü faktörünü ortadan kaldırmasıdır. İdeal olarak girişlerdeki gürültü gerilimi kuvvetlendiricinin her iki ucunun faz terslemesi ile yokedilir. Ortak mod reddetme oranı (OMRO) işaret kazancının gürültü kazancına oranıdır. Yani, kuvvetlendiricinin istenilen bir işareti ne kadar iyi yükseltip; istenmeyen gürültüyü de ne kadar iyi ortadan kaldırdığının bir ifadesidir. Tek çıkışlı OMRO, tek çıkışlı fark mod gerilim kazancının tek çıkışlı ortak mod gerilim kazancına oranıdır. Çift çıkışlı OMRO, çift çıkışlı fark mod gerilim kazancının çift çıkışlı ortak mod gerilim kazancına oranıdır. Genel olarak OMRO çok yüksektir. (75-100dB normaldir) Burada, OMRO(dB) = 20 log A d A a A d fark mod gerilim kazancı ve A a ortak mod gerilim kazancıdır. İŞLEM BASAMAKLARI 1. İki transistöründe birbiriyle aynı olması için Ek A daki işlem basamaklarını tamamlayınız. Ek A daki işlem basamaklarını iki transistörün β ları birbirine çok yakın oluncaya kadar uygulayın. 2. Eşleştirilmiş olan Q 1 ve Q 2 transistörlerini kullanarak Şekil-2 deki farksal kuvvetlendirici devresini kurunuz. Farksal kuvvetlendiricinin kollektörlerine bağlanan 10kΩ luk dirençlerin %5 sapmayı aşmayacak şekilde birbiriyle aynı olduğundan emin olun. Aynı zamanda potansiyometrenin maksimum direncini ölçün. 78

39 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Şekil-2 3. V i1 ve V i2 yi 0V yapınız.(direk şaseye bağlayınız) V o1 ve V o2 çıkışları arasına dc gerilimleri okumak için sayısal bir voltmetre bağlayınız. Şimdi, voltmetrede 0V dc okuyuncaya kadar 200 Ω luk potansiyometreyi ayarlayınız. Bu işlem farksal kuvvetlendiriciyi dengelemek(balancing) amacıyla yapılır. 4. Devredeki ani akımları hesaplayabilmek için, her bir kollektör direnci uçları arasındaki V RC dc gerilimini ve Q 3 transistörünün emiter direnci uçlarındaki V RE gerilimini ölçüp, kaydediniz. 5. V i1 gerilimini 1kHz te 50mV tepe değerine ayarlayıp, V i2 yi de şaseye bağlayınız. Potansiyometrenin orta noktası ile şase arasındaki ac gerilimi ölçüp, kaydediniz. Teksonlu (Single-ended) çıkış gerilimleri V 01 ve V o2 yi ölçmek için çift ışınlı bir osiloskop kullanınız. Osiloskop üzerinde fark moduölçme konumu varsa, aynı 79

40 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. zamanda çıkış fark gerilimini de (V 01 - V o2 ) ölçünüz. Her iki işlemde de girişle faz ilişkisini not ediniz. 6. V i2 gerilimini 1KHz de 50mV tepe değerine ayarlayıp, V i1 i de şaseye bağlayınız. 5.basamaktaki ölçmeleri tekrarlayınız. 7. Tek işaret üreteci kullanarak V i1 ve V i2 gerilimlerini 1kHz te 1 V tepe değerine ayarlayıp, 5.basamaktaki ölçmeleri tekrarlayınız. Kuvvetlendirici çok küçük ortak mod kazancına sahip ise girişler 1V tepe nin üzerine çıkarılabilir. Aksi takdirde çıkış gerilimi ölçülemeyecek kadar küçük olabilir. SORULAR basamaktaki dc gerilim ölçmelerini kullanarak her üç transistörün de kollektör akımlarını hesaplayınız. Bu değerleri T 1 ve T 2 transistörlerinin r e1 ve r e2 iç emiter dirençlerini hesaplamak için kullanınız sorudaki sonuçları ve potansiyometrenin maksimum direncini (R E1 +R E2 ) ve aynı zamanda 1 KHz te 50 mv tepe değerine ayarlanmış olan V i1 gerilimi ile 0V a ayarlanmış olan V i2 gerilimini kullanarak fark modu tek-sonlu (single-ended) gerilim kazancını hesaplayınız. Aynı zamanda aynı girişleri kullanarak farksal gerilim kazancını (veya çift sonlu gerilim kazancını) hesaplayınız. Bu sonuçları 5.işlem basamağında ölçülen sonuçlarla karşılaştırınız sorudaki sonuçları ve Ek A daki hesaplanan β değerini kullanarak r id değerini hesaplayınız basamaktaki sonuçları kullanarak farksal ortak mod kazancını ve db olarak OMRO yu hesaplayınız. 5. Kollektör devresinde farksal kuvvetlendiriciye sahip emiteri şase katın amacı nedir? Açıklayınız. 80

41 Elektronik 2 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. TABLO 1 V i1 V i2 DC Değerler V o1 V o2 V o1 V o2 0 V (Toprağa bağlı) 0 V (Toprağa bağlı) VRC1 = VRC2 = VRE3 = 50 mv tepe 0 V - 0 V 50 mv tepe - 50 mv tepe 50 mv tepe - 81

42 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLER 16 AMAÇ 1. Eviren işlemsel kuvvetlendirici devresini öğrenmek. 2. Evirmeyen işlemsel kuvvetlendirici devresini öğrenmek. 3. İşlemsel kuvvetlendiricinin gerilim takipçisi olarak kullanışını öğrenmek. MALZEME LİSTESİ işlemsel kuvvetlendirici 2. 3 adet DC gerilim kaynağı (± 15 V ve ayarlı) 3. Analog işaret üreteci ( 100 mv tepe 1 KHz Sinüs dalga, 5V tepe 1 KHz Sinüs dalga, 2V tepe 500 Hz kare dalga) 4. Dirençler: 1 1 MΩ, KΩ, 1 10 KΩ, KΩ, KΩ, 2 KΩ, Ω 5. Çift ışınlı osiloskop TEORİK BİLGİ İşlemsel kuvvetlendiriciler, en fazla kullanılan lineer entegre devreleridir. İşlemsel kuvvetlendiricilerin uygulama alanları basit gerilim kuvvetlendiricilerinden tutun da, karmaşık devrelere kadar uzanmaktadır. Bu deneyde kullanılan kuvvetlendirici düzeneği, modern elektroniğin yapı taşlarından biridir. İşlemsel kuvvetlendiriciler, eviren ve evirmeyen kuvvetlendiriciler olmak üzere iki durumda kullanılırlar. OPAMP lar idealde sonsuz açık-çevrim kazancına ve sonsuz giriş direncine sahiptirler. Açık-çevrim den kasdedilen şey, çıkış ile giriş arasında geri besleme direncinin olmamasıdır. Kapalı-çevrimde haricen bir geri besleme direnci devreye eklenir. Eklenen bu direnç, negatif geri beslemeyi sağlar. Negatif geri beslemeden dolayı, çıkış geriliminin bir kısmı girişten çıkarılır. Eviren ve evirmeyen kuvvetlendiricilerin her ikisi de, kapalı-çevrim gerilim kazancını kontrol etmek için negatif geri besleme prensibini kullanır. Şekil 1 de tipik bir eviren kuvvetlendirici devresi gözükmektedir. İdeal olarak kabul edilen eviren bir kuvvetlendiricide gerilim kazancı, aşağıdaki formülle hesaplanır: 82

43 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Burada R 1 giriş direncini, R F geri besleme direncini ve - işareti de faz terslemesi olduğunu gösterir. A V = - R F R 1 Şekil 2 de evirmeyen kuvvetlendirici için oluşturulmuş devre düzeneği gösterilmiştir. Evirmeyen kuvvetlendiricide gerilim kazancı, aşağıdaki formülle hesaplanır: A V = 1 + R F R 1 Transistörlü emiter takipçisinden de hatırlayacağınız gibi OPAMP larla da oluşturulmuş gerilim takipçisi devresinde, giriş gerilimi çıkış gerilimine eşittir. Yani kazanç +1 dir. Ancak OPAMP ile yapılan gerilim takipçisi transistör ile yapılandan daha iyidir. Çünkü OPAMP lar transistördekine göre daha büyük giriş direncine ve daha küçük çıkış direncine sahiptir. Şekil 3 te yer alan gerilim takipçisi devresi, aslında bir bakıma evirmeyen kuvvetlendirici devresinin özel bir durumudur. Evirmeyen kuvvetlendirici için üstte verilmiş olan formülü ele alırsak; burada R F 0 a (kısa devre) ve R 1 de a (açık devre) yaklaşmaktadır. Dolayısıyla kazanç burada 1 dir. A V = = 1 İŞLEM BASAMAKLARI 1. İşlemsel kuvvetlendiricinin eviren kuvetlendirici olarak kullanılışını görmek için, Şekil 1 deki devreyi kurunuz. Diyagramdaki enregre devrenin üzerinde yer alan küçük rakamlar, entegrenin ayak numaralarına aittir. 83

44 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. Şekil 1 2. Çift ışınlı bir osiloskop kullanarak, giriş V S ve çıkış V O yu aynı anda gözlemleyiniz. İşaret üretecinin çıkışını 100 mv tepe ve 1 KHz e ayarlayınız. Tablo 1 deki bütün R F değerleri için çıkış gerilimini ölçüp, kaydediniz. Ayrıca giriş ile çıkış arasındaki faz farkına da dikkat ediniz. 3. Eviren kuvvetlendiriciyi DC gerilim kuvvertlendiricisi olarak da kullanmanın mümkün olduğunu görmek amacıyla, işaret üretecini devreden çıkarıp, onun yerine bir DC gerilim kaynağı bağlayınız. R F =10 KΩ iken V S =1 Vdc yapınız ve çıkış gerilimini ölçünüz. Ayrıca çıkış ile giriş arasındaki polariteye de dikkat ediniz. 4. R F =1 MΩ yapınız ve sonuçta çıkış ve giriş dalga şekillerini çiziniz. 5. İşlemsel kuvvetlendiricinin evirmeyen kuvvetlendirici olarak kullanılışını görmek için, Şekil 2 deki devreyi kurunuz. Şekil 2 84

45 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. 6. Giriş ve çıkış dalga şekillerini aynı anda gözlemlemleyip, kaydediniz. İşlem basamağı 2 yi Tablo 2 de yer alan tüm R F değerleri için tekrarlayınız. 7. Evirmeyen kuvvetlendiriciyi DC gerilim kuvvetlendiricisi olarak da kullanmanın mümkün olduğunu görmek amacıyla, işaret üretecini devreden çıkarıp, onun yerine bir DC gerilim kaynağı bağlayınız. R F =10 KΩ iken V S =1 Vdc yapınız ve çıkış gerilimini ölçünüz. Ayrıca çıkış ile giriş arasındaki polariteye de dikkat ediniz. 8. İşlemsel kuvvetlendiricilerin gerilim takipçisi olarak kullanılışını görmek amacıyla, Şekil 3 deki devreyi kurunuz. Şekil 3 9. V S =5 V tepe ve 1 KHz lik Sinüs dalga giriş işaretine karşılık, çıkıştaki gerilimi ölçüp; kaydediniz. Giriş V S ile çıkış V O arasındaki faz farkına da dikkat ediniz. Bu işlemi V S =10 V dc ve yine V S = 2 V tepe kare dalga için tekrarlayınız. SORULAR 1. Tablo 1 deki tüm R F değerleri için gerilim kazancını işlem basamağı 2 deki sonuçları kullanarak hesaplayınız. Ayrıca işlem basamağı 3 için de gerekli hesaplamaları yapınız. Ölçüm sonuçlarına dayanan gerilim kazançları ile teorik olarak hesaplanan gerilim kazançlarının değerlerini karşılaştırınız. Teori ile yaptığınız deneyin sonuçları birbirini doğruluyor mu? 2. İşlem basamağı 4 ün sonuçlarını açıklayınız. Eğer giriş gerilimi V S sadece 50 mv tepe değerinde olsaydı, çıkışta göreceğiniz gerilimin değeri ne olurdu? 3. Soru 1 i Tablo2 deki R F değerleri için (işlem basamağı 6 ile 7 den elde edilen sonuçlardan faydalanarak) tekrarlayınız. 85

46 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. 4. Gerilim takipçisinin gerilim kazancını işlem basamağı 9 dan elde edilen sonuçları kullanarak hesaplayınız. Gerilim takipçisini hangi amaçla kullanılabileceğinizi yazınız. TABLO 1 A V = V O V S R F V O (Volt) Ölçüm sonuçlarına göre hesaplanmış kazanç değeri A V = - R F R 1 formülüne göre hesaplanmış kazanç değeri 470 Ω 1 KΩ 2.2 KΩ 4.7 KΩ 10 KΩ 100 KΩ TABLO 2 A V = V O V S R F V O (Volt) Ölçüm sonuçlarına göre hesaplanmış kazanç değeri A V = 1 + R F R 1 formülüne göre hesaplanmış kazanç değeri 470 Ω 1 KΩ 2.2 KΩ 4.7 KΩ 10 KΩ 100 KΩ 86

47 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. TOPLAMA, İNTEGRAL VE TÜREV ALICI DEVRE 18 AMAÇ 1. İşlemsel kuvvetlendiricilerin (OP-AMP) toplama, integral ve türev alma gibi matematiksel işlemlerde kullanılışını göermek. MALZEME LİSTESİ OP-AMP ya da eşdeğeri 2. DC güç kaynağı (±15V, 5V) 3. Analog işaret üreteci(1v tepe -5V tepe sinüs, 1V tepe -5V tepe kare dalga ve hepsi ayarlanabilir frekanslı) 4. Dirençler: 1-470KΩ, 2-100KΩ, 1-47KΩ, 1-10KΩ, 1-4.7KΩ, 1-1KΩ 5. Kapasitörler: µF, µF (25V) 6. Çift ışınlı osiloskop TEORİK BİLGİ İşlemsel kuvvetlendiriciler(op-amp) ilk olarak oluşturulduklarında onların asıl görevleri, analog bilgisayarlarda matematiksel işlemleri yapmaktı. Bunlar, toplama, çıkarma, çarpma, bölme, integral ve türev alma fonksiyonlarını içeriyordu. Şekil 2, bir OP-AMP' ın toplama işlemini yapmak için nasıl bağlandığını göstermektedir. (Şekil 2 de bir AC ve bir DC gerilim toplanmaktadır). Genelde; Vo = - ( V in1 R F R in1 + V in2 R F R in2 +...) Şekil 1' den de görüldüğü gibi, elektronik bir integral alıcının çıkışı, giriş dalga şeklinin altındaki alan ile orantılıdır. İntegral almak için, kuvvetlendiricinin geri besleme hattına bir kondansatör bağlanır. Bununla beraber, bir integral alıcı girişinde görünen herhangi bir DC gerilim, çıkış geriliminin mümkün olan maximum değerine ulaşana kadar yükselmesine (ya da düşmesine ) sebep olur. Bu istenmeyen durumu önlemek için, bir R F direnci geri besleme 93

48 Elektronik 3 deney föyleri Arş. Gör. Hayriye Korkmaz tarafından hazırlanmıştır. kondansatörüne paralel bağlanır. Herhangi bir DC giriş gerilimi (yükselticinin giriş offset gerilimi gibi), DC kazanç (R F /R 1 ) tarafından yükseltilir. İntegral alıcı Türev alıcı Şekil-1 Aşağıdaki eşitlik, sinüs dalga girişli bir OP-AMP integral alıcının çıkış gerilimini bulmak için kullanılır: Vo = -1 R in C F V indt = -1 R in C Asin(ωt)dt = -1 F (ωr in C F ) A cosωt İntegral alma işlemi, sadece geri besleme direnci tarafından oluşan kesim frekansının üzerindeki frekans değerlerinde gerçekleşebilir. 1 f B = 2πR F C F Şekil 1 den de görüldüğü gibi, elektronik bir türev alıcının çıkışı, giriş dalga şeklinin herhangi bir andaki değişim oranı ile doğru orantılıdır. Türev almak için, girişe bir kondansatör seri olarak bağlanır. Aşağıdaki eşitlik, girişinde sinüs dalga olan bir türev alıcı OP-AMP' ın çıkış gerilimini bulmak için kullanılır: V O = - R F C in dv in dt = - R F C in da sin(ωt) dt = - (ωr F C in ) Acosωt Türev alıcının çıkış gerilimi, giriş frekansıyla orantılı olduğundan, yüksek frekanslı işaretler kuvvetlendiriciyi doyuma ya da kesime götürebilir. Bu sebepten dolayı, girişteki kondansatöre 94