DENEY-5 İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLERİN LİNEER OLMAYAN UYGULAMALARI

Transkript

1 DENEY-5 İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİLERİN LİNEER OLMAYAN UYGULAMALARI DENEYİN AMACI: Elektronik derelerde çokça kullanılan işlemsel kuetlendiricilerin lineer olmayan uygulamalarından gerilim karşılaştırıcı, Schmitt tetikleme deresi e doğrultucu dereleri incelenecek e bu derelerin daranışları deney sırasında gözlemlenecektir. ÖN HAZIRLIK Deneye gelmeden önce temiz bir kağıda aşağıdakilerin yazılması istenmektedir; Şekil 5.2 deki derenin çalışmasını inceleyiniz e giriş çıkış gerilim grafiklerini çiziniz. Şekil 5.5 teki dereyi inceleyiniz, ekte erilen zener diyot eri sayfasından yararlanarak ±5V la beslenen bir işlemsel kuetlendirici kullanılması durumunda zener diyotların yanmayacağı minimum R direncinin değerini belirleyiniz. Şekil 5.9 da gösterilen Schmitt tetikleme deresinin çalışmasını inceleyiniz, V e V 2 geçiş değerlerini bir kez de siz çıkarınız. Şekil 5.4 te erilen doğrultucu dereyi inceleyiniz, giriş çıkış bağıntılarını bir kez de siz çıkarınız. Deneyden önce ön hazırlık değerlendirmesi olarak yazılı kısa sına yapılacaktır. GÖZDEN GEÇİRİLMESİ FAYDALI KONULAR İşlemsel kuetlendiricinin giriş e çıkış bağıntıları nelerdir? İşlemsel kuetlendiricili dereler tanım bağıntılarından yararlanarak nasıl çözülebilir? Diyot e zener diyotun çalışması e akım gerilim ilişkileri nasıldır? Histerezis nedir? Nerelerde kullanılır? Doğrultucu dereler nasıl çalışır? DENEYİN ÖĞRENCİYE KATACAĞI ŞEYLER Bu deneyde, İşlemsel kuetlendiricinin karşılaştırıcı dere olarak kullanılması, İşlemsel kuetlendiricili derelerin giriş e çıkışlarının doymaya sürülmeden sınırlandırılması için yöntemler, İşlemsel kuetlendiriciye pozitif geri besleme uygulanarak elde edilen Schmitt Trigger deresinin daranışı, İşlemsel kuetlendiricili yüksek lineerlikli doğrultucu dereler öğrenilecektir. 5-

2 Malzeme listesi: adet osiloskop adet işaret üreteci (MHz e kadar yeterli olacaktır.) adet 5V güç kaynağı (Üzerinde işlemsel kuetlendiricileri besleyebilecek iki adet ayarlanabilir çıkışı olması gerekir.) 2 adet µa74 işlemsel kuetlendirici 2 adet 4k7 direnç adet 0k potansiyometre 3 adet 0k direnç 2 adet BZX83C 5.V luk zener diyot adet 2.2k direnç adet 220k direnç adet 22k direnç adet 5k direnç adet 27k direnç adet µf direnç 2 adet normal diyot (N4448). GERİLİM KARŞILAŞTIRICI DEVRENİN İNCELENMESİ Gerilim karşılaştırıcıları, bir giriş gerilimini sabit eya değişken bir referans gerilimiyle karşılaştırmak üzere kullanılırlar. Bir gerilim karşılaştırıcının iki girişi e bir çıkışı bulunur. Girişlerden birine genellikle sabit bir referans gerilimi, diğerine ise zamanla değişen bir işaret uygulanır. Dere, giriş işaretini referansla karşılaştırır, girişin referansa göre durumuna bağlı olarak, çıkış iki konumdan birini alır. Bunlar; 0 seiyesi kabul edilen bir omin gerilimi eya seiyesi kabul edilen bir omaks gerilimidir. Başka bir deyişle, gerilim karşılaştırıcı, bir bitlik bir analog - sayısal çeirici olarak göre yapar. En basit şekliyle bir gerilim karşılaştırıcı deresi şekil 5.'de görülmektedir. Burada işlemsel kuetlendiriciye geribesleme uygulanmamıştır. Yani, i = ref- fark gerilimi belirli e çok küçük bir değeri aşar aşmaz, o çıkış gerilimi; i < 0 ise negatif yöndeki maksimum değerini, i > 0 ise pozitif yöndeki maksimum değerini alır. Bu karşılaştırıcı deresinde üç nokta önemlidir: - Çıkışın aşırı derecede sürülmesi - Girişin aşırı derecede sürülmesi - Konum değiştirme süreleri ref i - o Şekil 5. Gerilim karşılaştırıcı 5-2

3 Bu basit yapıyı aşağıdaki düzen yardımıyla inceleyelim. V 4k7 R 0k P 4k7 R -V CC EE ref V + -V CC EE +5V -5V o Şekil 5.2 Gerilim karşılaştırıcı test deresi Deney 5.: Şekil 5.2'deki gerilim karşılaştırıcı deresini kurunuz. Girişe frekansı 00Hz e tepeden tepeye değeri yaklaşık 20V olan üçgen biçimli bir işaret uygulayınız. Referans geriliminin farklı değerleri için giriş e çıkış işaretlerinin zamana göre değişimlerini osiloskopla inceleyiniz e Ek-A da ölçekli olarak çiziniz. Şekil 5.'deki derede çok küçük giriş gerilimlerinde bile çıkışın aşırı derecede sürülmesi durumuyla karşılaşılmaktadır. Açık çerim kazancının yüksek olması halinde, çok küçük i gerilimlerinden itibaren işlemsel kuetlendiricinin katları doymada çalışır. Ancak bu durumda derenin konum değiştirme süreleri de uzar. Bu sakınca, şekil 5.3'teki gibi zener diyotu üzerinden negatif bir geribeslemenin uygulanmasıyla giderilebilir. Şekil 5.3'teki derede i < 0 ise o negatif olur, o çıkış gerilimi zener diyodunun ileri yönde geçirme gerilimiyle -0,6V değerinde sınırlanır. i > 0 olması halinde ise o pozitif olur e bu kez diyodun zener gerilimiyle sınırlanır. Zener geriliminin besleme geriliminden yeterince küçük olması halinde işlemsel kuetlendiricinin çıkış tarafından doymaya girmeyeceği açıktır. Şekil 5.3 Geribeslemeli gerilim karşılaştırıcı Seri, ancak ters yönde sırt sırta bağlanmış iki zener diyodu kullanılarak, yukarıda anlatılan derenin getireceği asimetri ortadan kaldırılabilir. Böyle bir dere şekil 5.4'te görülmektedir. 5-3

4 Bu derede, > 0 için o = -(V Z +V D ) (5.) < 0 için o = V Z +V D (5.2) olacağı, önceki deredekine benzer bir inceleme ile kolayca görülebilir. Bu önlemlerle işlemsel kuetlendiricinin doymaya sürülmesi önlenmiş olmakla beraber zener diyotları üzerinden negatif geribesleme uygulandığından, faz kompanzasyonu yapılması zorunluluğu ortaya çıkar. Şekil 5.4 İki taraftan sınırlama Geribesleme uygulanmadan çıkış gerilimini sınırlamak e besleme gerilimi değerlerinden bağımsız kılmak amacıyla sırt sırta bağlı iki zener diyotu e bir R direncinden oluşan bir dere şekil 5.'deki karşılaştırıcının çıkışına bağlanabilir. Böyle bir düzen şekil 5.5'te görülmektedir. R direncinin değeri, diyotların çalışması için öngörülen zener akımını akıtabilecek şekilde seçilmelidir. Şekil 5.5 Çıkışın zener diyodu ile sınırlanması Deney 5.2: Şekil 5.6'daki çıkıştan sınırlamalı gerilim karşılaştırıcı deresini kurunuz. Girişe frekansı 00Hz e tepeden tepeye değeri 20V olan üçgen biçimli bir işaret uygulayınız. Giriş ( ) e çıkış ( o e o ') işaretlerinin zamana göre değişimlerini osiloskopla inceleyiniz e Ek-B de ölçekli olarak çiziniz. Elde ettiğiniz sonuçları bir önceki düzene ilişkin sonuçlarla karşılaştırınız. 5-4

5 Şekil 5.6 Zener diyot ile çıkışın sınırlanması test deresi İşlemsel kuetlendiricinin doymaya girmesini girişten önlemek de mümkündür. Bunun için şekil 5.7'deki düzenden yararlanılabilir. Bu derede girişe, zıt yönde paralel bağlı iki diyot yerleştirilmiş e bununla giriş geriliminin değeri yeteri kadar küçük tutulmuştur. Böylece işlemsel kuetlendirici, açık çerim kazancında çalıştırılmasına rağmen, girişteki sınırlama nedeniyle doymaya giremez. Dolayısıyla doymanın getireceği olumsuz etkiler giderilmiş olur. ref geriliminin sıfır yapılması halinde, giriş işaretinin her bir sıfır geçişinde çıkış bir konumdan diğerine geçer. Bu dereye sıfır geçiş dedektörü adı erilir. Sıfır geçiş dedektörünün sinüs işaretinden kare dalga üretilmesi, fazmetre gerçekleştirilmesi gibi çok sayıda uygulaması bulunmaktadır. Şekil 5.7 Girişten sınırlamalı gerilim karşılaştırıcı 2. SCHMİTT TETİKLEME DEVRESİNİN İNCELENMESİ Schmitt tetikleme deresi, pozitif geribeslemeli bir gerilim karşılaştırıcıdır. Schmitt tetikleme deresiyle gerilim karşılaştırıcı arasındaki fark; Schmitt tetikleme deresinde giriş geriliminin bir değerinde, çıkış geriliminin o değerinden 02 değerine sıçraması, geriye doğru gidildiğinde bundan daha farklı bir 2 giriş geriliminde o2 değerinden o değerine geri dönmesidir. Schmitt tetikleme deresinde bir histerezis daranışı sözkonusudur. Schmitt tetikleme deresinin giriş-çıkış karakteristiği şekil 5.8'de erilmiştir. Bu çalışma şekli, işlemsel kuetlendiriciye uygulanan pozitif geribesleme ile sağlanmaktadır. Schmitt tetikleme deresinin sağladığı en önemli yarar, çok yaaş değişen bir giriş dalga şeklini, keskin değişim gösteren bir çıkış dalga şekline çeirmesidir. Şekil 5.9'da bir Schmitt tetikleme deresi görülmektedir. İşlemsel kuetlendiriciye, çıkışıyla faz döndürmeyen girişi arasına bir R p direnci bağlanarak pozitif geribesleme uygulanmıştır. Yine bu girişe bağlı olan R direncinin diğer ucu ise 5-5

6 referansa bağlanmıştır. İşlemsel kuetlendiricinin faz döndürmeyen girişinde, çıkıştaki sıçramanın oluşturduğu gerilimler, V V R = (5.3) Vomaks R + R p R = (5.4) 2 Vomin R + R p şeklinde ifade edilirler. Bu bağıntılarda, omaks çıkış geriliminin alacağı maksimum değer, omin ise minimum değerdir. Konum değiştirme işlemi, =V eya =V 2 olması halinde gerçekleşir. > V olması halinde o gerilimi omin değerine, < V 2 olması durumunda ise omaks değerine sıçrar. Derenin histerezisi R V (5.5) R R V V = ( omax omin) + p bağıntısı ile belirlenir. Derenin üçgen biçimli bir giriş işareti için ereceği çıkış gerilimi şekil 5.0'da görülmektedir. Şekil 5.8 Schmitt tetikleme deresinin giriş-çıkış karakteristiği 5-6

7 Şekil 5.9 Schmitt tetikleme deresi t omaks omin o t Şekil 5.0 Schmitt tetikleme deresinde giriş e çıkış gerilimlerinin değişimi Deney 5.3: Schmitt tetikleme deresini daha yakından incelemek amacıyla şekil 5.'deki Schmitt tetikleme deresini kurunuz. Giriş gerilimini uygun bir aralıkta uygun adımlarla değiştirerek derenin histerezis eğrisini, karakteristik değerlerini belirleyerek çıkarınız, Ek-C de ölçekli olarak çiziniz. Sonuçları teorik hesaplarla karşılaştırıp gereken yorumları yapınız. Şekil 5. Schmitt tetikleme test deresi Deney 5.4: Dirençli gerilim bölücüyü dereden çıkararak, Şekil 5.2 deki derede frekansı 00Hz e tepeden tepeye değeri 0V olan üçgen biçimli bir işareti V girişinden uygulayınız. Giriş e çıkış işaretlerinin zamana göre değişimlerini osiloskopla inceleyiniz e Ek-D de ölçekli olarak çiziniz. 5-7

8 Şekil 5.2 Schmitt tetikleme test deresi 3. YÜKSEK DOĞRULUKTA DOĞRULTUCU DEVRELERİ Ölçü düzenlerinde genellikle lineerliğin iyi olması istenir. Başka bir deyişle, doğrultulan bir işaret ile elde edilen doğru gerilim arasındaki ilişki lineer olmalı, bu lineerlik birkaç mv'luk düşük değerli gerilimlere kadar iyi bir şekilde sağlanmalıdır. Diyotlu doğrultucu derelerin, diyodun özeğrisinin lineer olmaması nedeniyle, bu şartı sağlayamayacakları açıktır. İyi lineerlik şartının gerekli olduğu durumlarda, işlemsel kuetlendiricilerle diyotların birlikte kullanıldıkları düzenlerden yararlanılır. Böyle bir tek yollu doğrultucu deresi şekil 5.3'de görülmektedir. Şekil 5.3 İşlemsel kuetlendiricili tek yollu doğrultucu Derenin çalışması şu şekilde açıklanabilir: giriş gerilimi pozitife giderse D diyodu iletimde, D2 diyodu ise kesimde olur (İletim yönünde kutuplanan bir diyodun iç direnci çok küçüktür e deredeki dirençlerin yanında ihmal edilebilir). Böylece, dere faz çeiren kuetlendirici olarak çalışır e çıkış gerilimi R o = (5.6) R olur. geriliminin negatif olması durumunda ise, D tıkalı e D 2 iletimde olur, D 2 üzerinden kuetlendiriciye geribesleme uygulanır. D2'nin iletimde olması, işlemsel kuetlendiricinin doymaya sürülmesini önler. Görünürde kısadere nedeniyle faz döndüren giriş referans potansiyelinde bulunur. Öte yandan, D diyodu tıkalı olduğundan, R' üzerinden akım akmaz. R' üzerinde gerilim düşümü olmaması 5-8

9 nedeniyle, bu direncin bir ucu faz döndüren girişe bağlı bulunduğundan, o çıkış gerilimi de bu yarı periyotta sıfır olur. Şekil 5.3'deki dereye bir ek yapılarak çift yollu doğrultucu gerçekleştirmek mümkündür. İşlemsel kuetlendiricili çift yollu doğrultucu deresi şekil 5.4'te görülmektedir. Şekil 5.4 İşlemsel kuetlendiricili çift yollu doğrultucu Dere, tek yollu bir doğrultucu ile bir toplama kuetlendiricisinin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. Çıkış gerilimi, R 2 =2.R alınması halinde o R3 2R R3 = R ' o (5.7) şeklinde ifade edilebilir. Tek yollu doğrultucunun çıkış geriliminin o '=0 olduğu yarı periyotta ( < 0) derenin çıkış gerilimi o R3 = 2R (5.8) olur. Diğer yarı periyotta ise ( > 0) A'in (. işlemsel kuetlendiricinin) çıkışı R = R = (5.9) o değerini alacağından, o çıkış gerilimi (2. işlemsel kuetlendiricinin çıkışı) R 2R R R (- )= R R o = (5.0) 5-9

10 olur. Yani bu yarı periyotta dere, pozitif kazançlı bir kuetlendirici olarak çalışır. Çıkarılan bağıntılardan anlaşılabileceği gibi giriş işaretinin negatif olduğu durumda, dere negatif kazanç çarpanı getirerek çıkış gerilimini pozitif yapar, giriş işaretinin pozitif olduğu durumda kazanç çarpımı da pozitif olduğundan, çıkış işareti yine pozitif gerilim değeri alır. Dolayısıyla dere bir çift yollu doğrultucu görei yapacaktır. Başka bir deyişle dere bir yarı periyotta faz döndüren, diğer yarı periyotta ise faz döndürmeyen kuetlendirici daranışı göstermekte, bu nedenle çıkıştan işaretin mutlak değeri (çift yollu doğrultulmuş işaret) alınmaktadır. (Dere yüksek doğruluklu ac-dc dönüştürücü olarak göre yapar.) Pratikte oldukça yaygın olarak kullanılan yukarıdaki yapıyı aşağıdaki ölçümler yardımıyla inceleyelim. Deney 5.5: Şekil 5.5'teki çift yollu doğrultucu deresini kurunuz. Girişe frekansı khz olan sinüs biçimli bir işaret uygulayınız. Çıkış işaretinin simetrik olmasını 0k değerindeki potansiyometrenin değerini değiştirerek sağlayınız. Giriş () e çıkış (o e o ') işaretlerinin zamana göre değişimlerini osiloskopla inceleyiniz e Ek-E de ölçekli olarak çiziniz. Şekil 5.5 İşlemsel kuetlendiricili çift yollu doğrultucu test deresi 5-0

11 Deneyi yaptıran Araş. Gör.: Oda No: ÖLÇME SONUÇLARINI İŞLEME KISMI Deneyi yapan öğrencinin Grup No: Adı Soyadı: No: EK-A (DENEY-5.) 5-

12 EK-B (DENEY-5.2) 5-2

13 EK-C (DENEY-5.3) 5-3

14 EK-D (DENEY-5.4) 5-4

15 EK-E (DENEY-5.5) 5-5

16 EK-BİLGİLER µa-74 OPAMP BZX83C Zener Diyot Maksimum Değerler Sembol Değer Birim Güç harcaması P tot 500 mw Jonksiyon ısısı T J 75 0 C Zener Karakteristikleri Zener Voltage Range Dynamic Resistance Reerse Leakage Current V znom I ZT for V ZT r ZJT r ZJK I ZK T=25 0 C T=25 0 C at V Ω Ω ma µa µa BZX83C 5. 5mA <60 <550 < <2 V 5-6