BJT li Yükselteç Devrelerinin Analizi için.net Tabanlı Arayüz Tasarımı

Transkript

1 6 th Internatonal Advanced Technologes Symposum (IATS ), 6-8 May 20, Elazığ, Turkey BJT l Yükselteç Devrelernn Analz çn.net Tabanlı Arayüz Tasarımı A.Sevn, Z.EkĢ, A.Akgül ve S.Kaçar Sakarya Ünverstes, Türkye, {asevn, zyae, aakgul, skacar Abstract BJT Amplfer Crcuts are frequently used n the desgn of electronc crcuts. In ths work, t s purposed to ease AC analyss, DC analyss, and requency analyss of BJT amplfer crcuts usng.net based nterface. Keywords BJT Amplfer Crcuts, Anaylss of BJT Amplfer Crcuts,.NET Interface, MATLAB Bulder NE, Educatonal Interface. E I. GIRIġ lektronk alanında temel konulardan brs olan BJT l yükselteçler elektronk devre tasarımında oldukça yaygın bçmde kullanılmaktır. BJT l yükselteçlern tasarımı ve analz sırasında yapılan hesaplamalar zaman zaman karmaģık ve külfetl hale geleblmektedr. Bu Ģlemlern uzun sürmes yanında yapılan hesaplardak yanlıģlıklar sonuca ve dolayısıyla tasarıma olumsuz Ģeklde etk etmektedr. Bu durum BJT l yükselteç devreler le lgl hesapların otomatkleģtrlerek br arayüze aktarılması htyacını ortaya çıkarmaktadır. Bu çalıģma le bu htyacın gderlmes amaçlanmıģtır. Bu güne kadar elektronk alanına yönelk brçok arayüz çalıģması gerçekleģtrlmģtr. Örneğn; BOZ ve arkadaģları tarafından 200 yılında gerçekleģtrlen çalıģmada elektronk devrelern web ortamında benzetmne yönelk br arayüz tasarlanmıģtır [] yılında yapılan dğer br çalıģmada se AK ve arkadaģları fazlı tetkleme devrelernn benzetm çn MATLAB GUI kullanarak eğtm amaçlı br kullanıcı arayüzü tasarlamıģlardır [2]. Yne MATLAB GUI kullanılarak step motorların farklı modlarda sürülmelern sağlamak amacıyla kontrol ve programlama çalıģması yapılmıģtır. [3]. Elektronğn temel konularından brs olan RLC devreler le lgl k farklı benzetm uygulaması gerçekleģtrlmģtr. ÇANKAYA ve arkadaģları bu devrelerle lgl kullanıcı arayüzü uygulaması hazırlamıģlardır [4]. 200 yılında ÖZTÜRK RLC devrelernn analzn web tabanlı gerçekleģtrmek çn ASP.NET kullanarak br arayüz tasarlamıģtır [5]. Yne 200 yılında haberleģme sstemler derslernn temeln oluģturan djtal modülasyon teknklernn daha kolay öğretlmesn ve anlaģılmasını sağlamak amacıyla BAYILMIġ tarafından MATLAB Web gure ve MATLAB Bulder NE kullanılarak ASP.NET tabanlı br web arayüz hazırlanmıģtır. [6]. Bunların yanında transstör çerkl br çalıģma olarak; ĠSTANBULLU ve arkadaģları tarafından flash tabanlı eğtmsel br yazılım gerçekleģtrlmģtr [7]. GerçekleĢtrlen bu makale çalıģmasında BJT l yükselteç devrelernn AC analz, DC analz, frekans analz.net tabanlı br arayüz le gerçekleģtrlmes sağlanmıģtır. MATLAB Bulder NE le matlab fonksyonları çağırılarak grafksel sonuçlar elde edlmģtr. Makalenn knc bölümünde BJT yükselteç devreler, üçüncü bölümde yapılablecek analz çeģtler ve analz yaparken kullanılan bazı formüller verlerek analz yapmanın ne kadar karmaģık br Ģlem olduğu anlatılmıģtır. Son bölümde se analz yapmanın karmaģıklığına çözüm olablecek arayüz uygulamasından ve avantajlarından bahsedlmģtr. II. BJT YÜKSELTEÇ DEVRELERI BJTl (Bpolar Juncton Transstor) yükselteç devreler; küçük snyal yükselteçler, çok katlı yükselteçler ve güç yükselteçler olmak üzere üç sınıf altında toplanablr. A. Küçük Snyal Yükselteçler Küçük snyal yükselteçler kullanılan BJT transstörün devredek bağlantısına göre smlendrlr. Temel olarak uygulamalarda ortak emterl, ortak beyzl ve ortak kolektörlü bağlantı Ģekller kullanılmaktadır. Kullanılan yükselteç devrelernden her brnn farklı özellkler ve Ģlevler vardır. Dolayısıyla farklı amaçlar çn farklı yerlerde kullanılablrler. Transstörlü yükselteçlerde kullanılan bağlantı tplernden en çok kullanılanı ortak emterl yükselteç devresdr. Ortak emterl yükselteçlern gerlm ve akım kazançları oldukça yüksektr. Ortak emterl yükselteçlerler sabt polarmalı ve gerlm bölücü polarmalı olarak k baģlık altında nceleneblr. Bunlardan ġekl de [8] görülen gerlm bölücülü yükselteç devres DC polarmaya sahptr ve pratkte sık kullanılırlar. ġekl : Ortak Emterl Gerlm Bölücülü Yükselteç Devres

2 A.Sevn, Z.Ekş, A. Akgül ve S. Kaçar ġekl 2 de görülen ortak kolektörlü yükselteçler kullanılan dğer br bağlantı tpdr. Bu bağlantı tp emter zleyc olarakda adlandırılmaktadır. Yüksek grģ drencne ve alçak çıkıģ drencne sahptr. Bu nedenle tampon (buffer) olarak kullanılmaktadır. ġekl 4: RC Kuplajlı Transstörlü Yükselteç Devres ġekl 2: Ortak Kollektörlü Yükselteç Devres Ġlk bakıģta kollektör termnal grģ ve çıkıģ Ģaret çn ortak uç olarak gözükmektedr. akat AC çalıģmada, DC kaynaklar kısa devre kabul edldğnden, kolektör termnal doğrudan Ģase termnalne bağlı kabul edlmektedr. Bu yüzden ortak uç kollektör ucu olmaktadır. ġekl 5 de görülen darlngton bağlantılı yükselteç arka arkaya bağlanmıģ, yapı ve karakterstk bakımından tamamen brbrnn aynısı olan k transstörden oluģmaktadır. Ġk transstör br gövde çersne konarak gövdeden normal br transstör gb üç elektrot çıkarılır. Bu yükselteçlern akım kazançları çok yüksektr. Br transstörün akım kazancı β se, Darlngton transstörün akım kazancı β 2 'dr. GrĢ drenc çok yüksek ve ısınma rskler yok denecek kadar azdır [9]. ġekl 3 de [8] verlen ortak beyzl yükselteçler, yüksek gerlm ve akım kazancına, alçak grģ drencne ve yüksek çıkıģ drencne sahp devrelerdr. ġekl 5: Transstörlern Darlngton Bağlanması C. Transstörlü Güç Yükselteçler Güç Yükselteçler genel olarak A ve B sınıfı olarak 2 ye ayrılırlar. A sınıfı yükseltecn genel çalıģma prensb, snyaln tümünün yükseltlmes esasına dayanır. Bunun çn transstörün çalıģma noktasının, yük doğrusunun tam ortasında seçlmesne özen gösterlmeldr. ġekl 3: Ortak Beyzl Yükselteç Devres Bu yükselteç devresnde grģ snyal transstörün emter-beyz uçları arasından uygulanmıģtır. ÇıkıĢ Ģaret se kollektör-beyz termnaller arasından alınmıģtır. Görüldüğü gb beyz ucu, hem grģ hem de çıkıģ Ģaret çn ortak termnaldr. Bu nedenle bu devre ortak beyzl yükselteç olarak adlandırılır. B. Çok Katlı Yükselteçler Çok katlı yükselteçler; RC kuplajlı kaskat yükselteç ve Darlghton bağlantılı yükselteç olmak üzere 2 baģlık altında nceleneblr. RC kuplajlı kaskat yükselteç devresndek transstörlere, snyal sırasıyla C ve C3 kondansatörler le kapastf olarak kuple edlmģtr. C5 se yükseltlmģ olarak alınan snyal çıkıģa bağlanacak olan yüke kuple etmek çn kullanılır [8]. ġekl 6: A Sınıfı Yükselteç [0] B sınıfı çalıģmada se transstor, grģ snyalnn lk yarı bölümünde letmde olacak Ģeklde bayaslanmaktadır. Böylelkle kollektör akımı (Ic), grģ snyalnn %50 s boyunca akmaktadır. Bu durumu sağlamak çn transstörün br alternans süre le kesmde tutulması gerekr. V BEQ statk grģ snyal 0 V olacak Ģeklde bayaslanmak suretyle transstörün br alternans süre le letmde tutulması sağlanır. Böylelkle grģ snyalnn 80 o lk bölümünde letm, 80 o lk bölümünde de kesm durumu oluģacaktır []. 2

3 Preparaton of Papers for IATS 20 Symposum ġekl 7: B Sınıfı Yükselteç [] III. TRANSISTÖRLERDE ANALIZ ÇEġITLERI A. DC Analz, Yük Eğrs ve Çalışma Noktası Br transstörün çalıģma noktasının belrlenmes grģ snyalnn çıkıģa bozulmadan yükseltlerek aktarılmasıyla sağlanır. Herhang br noktayı çalıģma noktası olarak belrlemek snyaln bozulmasına yol açar. Bunu önlemek çn yan transstörün gerçek akım ve gerlm değerlern bulablmek çn transstörün DC analznn yapılması gerekmektedr. Transstördek I C ve V CE değerler transstörün çalıģma noktasının belrlenmes çn yeterldr. Transstörün çalıģma noktasına Q noktası denlmektedr. DC analzde yük eğrs çzm yapılarak çalıģma noktası bulunablr. Yük eğrs değģk beta akımlarında (I B ) akımlarına karģılık gelen kollektör akımlarını (I C ) veren br eğrdr. ġekl 8 de de görüldüğü gb bu eğrde yatay eksen Vce, dkey eksen Ic akımını temsl eder. DC analz sonucu elde edlen I BQ, I CQ ve V CEQ değerler yük doğrusu le kesģtrldğnde çalıģma noktası (Q noktası) bulunmuģ olur. ġekl 8: Yük Eğrs ve ÇalıĢma Noktası Sık olarak kullanılan yükselteç devrelernden ortak emterl yükselteç devresnn DC analznden bahsedecek olursak; ġekl de de verlen devreden çevre denklemler uygulayarak I B akımı bulunablr. Bulunan I B akımı yardımıyla aģağıdak denklemden faydalanarak Ic akımı bulunablr. DC analz çn gerekl olan V CE gerlm bulunan Ic akımı yardımıyla hesaplanarak yük eğrs çzlp çalıģma noktası belrleneblr. I C I () B B. AC Analz Snyal genlğn çok küçük olduğu uygulamalarda snyallern yükseltlmes gerekmektedr. Küçük genlkl snyaller yükseltmeye yarayan devrelere küçük snyal yükselteçler denr. Küçük snyal yükselteç devrelernde AC analz önemldr. AC analz sonucunda grģ empedansı (Z), çıkıģ empedansı (Zo), akım kazancı (A), gerlm kazancı (Av) gb öneml değerlere ulaģmak mümkündür. Bu değerler hesaplayablmek çn örnek olarak çok kullanılan ortak emterl yükselteçlerde; Z, Zo, Av, A değerlern bulablmek çn öncelkle re drenç değern htyaç duyulur. Bunun çn se DC analzde hesaplanan I B akımından faydalanılablr. AĢağıdak 2 numaralı formüllerden öncelkle I E akımı hesaplanarak re drenç değer verlen denklemlerden bulunablr. ġekl 9:Ortak Emterl Yükselteçlern AC EĢdeğer Devres I E ( ) I (2) 26mV re I Hesaplanan re drenç değer yardımı le AC analz çn gerekl olan grģ empedansı (Z), çıkıģ empedansı (Zo), akım kazancı (A) ve gerlm kazancı (Av) verlen formüller yardımıyla bulunablr. C. rekans Analz Z R // R // re 2 E Z R // ro o c c Vo Rc // ro A v V re (3) o ( R// R2) ro A ( ro R )[( R // R ) re] B 2 Yükselteçlern kazancı frekansa bağımlıdır ve frekans değģtkçe voltaj kazancıda değģmektedr. Yapılan analzlerde kazancın hang frekans aralığında geçerl olduğu blnmemektedr. rekans aralığı çersnde ve belrlenen frekans aralığının dıģında kazancın ne olduğu ancak frekans analz yapılarak öğrenleblr. Ortak emterl br yükselteç devresnde alçak frekans analz çn 4 numaralı formüllerden faydalanılablr [2]. 3

4 A.Sevn, Z.Ekş, A. Akgül ve S. Kaçar LG 2 RC R R // R // re LÇ 2 2 ( R R ) C o L o R R // ro o LB 2 RC e B RS // R// R2 Re RE //[ re] Yüksek frekans analznde se, devredek yüksek frekanstan dolayı kullanılan transstörün çyapısındak elektrotlar arası kapastf etk le kullanılan kablo ve bakır yollardak kapastf etkde dkkate alınmaktadır. Bunlar çn gerekl hesaplamalar aģağıdak formüller yardımıyla yapılablr [2]. C Cw Cbe CM C ( A ) C c M V bc o wo ce Mo (4) C C C C (5) C Mo ( ) C A Blnmeyen bazı değerlere lgl transstörün katalog blgsnden ulaģılarak denklemde yerlerne yazılablr. Yukarıdak denklemler hesaplanarak yüksek frekans analz çn gerekl olan değerler 6 numaralı formüllerde yerlerne konarak hesaplanablr. V bc Bu ürün le.dll uzantılı olarak oluģturulan.net bleģenlerne CLS-Complant dller (C#, C++, VB.NET) le ulaģmak mümkün olmaktadır. Böylece MATLAB le oluģturulan fonksyonlar farklı dller le yazılan programlarda kullanılablmektedr (Matlab Bulder NE User s Gude, 2008). Sonrasında üretlen fonksyonlar derlenerek Vsual Studo programında C# dl le brlkte kullanılmıģtır. Bu Ģlem esnasında lk olarak MATLAB programında yapılacak Ģlemlern tümü fonksyon olarak tanımlanır ve.m uzantılı dosyalar halnde kaydedlr. Sonrasında deploytool olarak adlandırılan gelģtrme aracı çalıģtırılır ve yen br proje oluģturulur. Kaydedlen.m uzantılı dosyalar projeye eklenerek derleme Ģlem yapılır. Sonuçta oluģan.dll uzantılı.net bleģen referans gösterlerek stenen programda kullanılablr[3]. MATLAB Bulder NE le oluģturulmuģ bleģenlern kullanıldığı programların çalıģablmes çn MATLAB ın yüklü olmasına gerek yoktur. Sadece MCR (MATLAB Compler Runtme) olarak smlendrlen ve arka planda çalıģan Matlab kodlarının Ģletlmesn sağlayan aracın yüklü olması yeterldr [4]. BJT l yükselteçlern analz çn gelģtrlen arayüz çalıģtırıldığında lk olarak karģımıza ġekl 0 da görülen pencere açılmaktadır. Açılan pencereden hang yükselteç devresnn analz yapılacaksa araç çubuğundan seçm yapılır. ġekl 0 da görüldüğü gb stenen yükselteç devres seçldkten sonra yükselteç devresnn dğer alt basamakları açılmaktadır. HG 2 R C Th 2 Th R R // R // re // R (6) HÇ 2 R C Th2 R 2 R // ro // R Th c L o s Görüldüğü üzere transstör yükselteç devrelernn analzn yapablmek çn çok fazla formül hesabı yapmak gerekmektedr. Bu çalıģmada yapılan arayüz sayesnde bu hesaplamalar kolayca yaptırılablmektedr. IV. ARAYÜZ UYGULAMASI Arayüz çalıģması MATLAB programı le kodlanmıģ ve MATLAB Bulder NE le.net ortamına aktarılmıģtır. MATLAB Bulder NE, MATLAB programında yazılan fonksyonları.net bleģenlerne dönüģtürmek çn gelģtrlen ve MATLAB Compler aracı le brlkte çalıģan br üründür. ġekl 0: Arayüz Ana Ekranı Herhang br yükselteç devres seçldkten sonra ġekl dek pencere açılmaktadır. Açılan pencerede seçlen yükselteç devres ve gerekl parametreler görülmektedr. Devredek parametre değerler üzerne gelnnce ġekl de de görüldüğü gb parametre le lgl blg notu çıkmaktadır. Sağ taraftak tabloda parametreler grldkten sonrak sonuçların 4

5 Preparaton of Papers for IATS 20 Symposum gösterldğ araç çubuğu bulunmaktadır. Bu araç çubuğu yardımı le parametreler grldkten sonra yükselteç devresnn DC analz, AC analz ve frekans analz sonuçları hesaplanıp görüntülenmektedr. Ayrıca grlen frekans değerlerne göre de sstemn frekans cevabı çzdrleblmektedr. Parametre değerler grldkten sonra gözlemlenen örnek değerler ġekl 2 de sağ taraftak sonuçlar kısmında görüldüğü gbdr. Parametre değerler değģtrldğnde aynı anda sonuçlarında değģmes çn sol üst köģedek Eleman değerler değģtğnde sonuçlar değģsn konu tıklanmalıdır. Bu kon tıklandığında sağ taraftak sonuçlar kısmıda parametre değerlerne göre değģm gösterecektr. ġekl 2 de görülen frekans aralık değerler (Alt= Hz, Üst=00 Mhz) grldğnde çzdrlen frekans cevapları ve grģ çıkıģ snyaller ġekl 3 ve ġekl 4 de görüldüğü gbdr. ġekl 3 de yükselteç devresnn herhang br frekans spektrumundak kazancının grafğe dökülmüģ hal, hang frekansta ne kadar kazanç olduğu görülmektedr. ġekl 4 dek grģ çıkıģ Ģnyallernde se faz farkının yükselteç devresnde olması gerektğ gb 80 o olduğu görülmektedr. ġekl : Örnek Yükselteç Devres ve Arayüz Ekranı ġekl 2: Grlen Parametreler Değerlerne göre Alınan Sonuçlar 5

6 A.Sevn, Z.Ekş, A. Akgül ve S. Kaçar değģtrleblmekte ve bu değerlere göre hesaplamalar yapılıp analz gerçekleģtrlmektedr. Kullanıcı devre üzerndek herhang br elemanın değern kolaylıkla değģtrp bu değģmn devredek etklern gözlemleyeblmektedr. KAYNAKLAR ġekl 3: rekans Cevabı [] A..Boz, Ġ.Çankaya,, R. Yılmaz, ve S.ırat, Meslek ve Teknk Eğtme Yönelk Br Ġnternet Uygulaması, X.Ulusal Eğtm Blmler Kongres, pp , Bolu, 7-9 Hazran 200. [2] M. Ak, M. Tuna, A.E. Amaç, Br fazlı tetkleme devreler çn eğtm amaçlı kullanıcı arayüzü tasarımı, UMES 07, [3] A. AltıntaĢ, A Graphcal User Interface for Programmng Stepper Motors Used at Dfferent Knds of Applcatons, Mathematcal and Computatonal Applcatons, Vol. 4, No. 2, pp , 2009 [4] Ġ. Çankaya,. Vatansever, D. Akgün, Rlc ltre Devrelernn Eğtmne Yönelk Grafksel Arayüz Tasarımı, 5. Uluslararası Ġler Teknolojler Sempozyumu (IATS 09), Karabük, Türkye, 3-5 Mayıs [5] ġ. Öztürk, RLC ltre Devrelernn Eğtmne Yönelk Matlab Web gure Kullanılarak ASP.NET Tabanlı Web Arayüzü Tasarımı, Yüksek Lsans Tez, Sakarya Ünverstes en Blmler Ensttüsü, 200. [6] C. BayılmıĢ, Development of a Web-Based Educatonal Interface Usng MATLAB Bulder NE Wth Web gure for Dgtal Modulaton Technques, Computer Applcatons n Engneerng Educaton, Publshed onlne n Wley InterScence, DOI 0.002/cae [7] A. Ġstanbullu, N. YumuĢak,. TemurtaĢ, EEB Mühendslkler Ġçn Blgsayar Destekl Eğtm: Transstör Eğtm Yazılımı: TEY-.0 [8] Ġ. Kaplan, Mersn Ünverstes, Bölüm 6, Küçük Snyal Yükselteçler, Analog Elektronk I [9] ntl_yukseltec.htm [0] R. Boylestad, L. Nashelsky, Electronc Devces and Crcut Theory, Seventh Edton [] O. Özkaraca, Gaz Ünverstes, Bölüm 6 Tranzstörlü Yükselteçler Ders Notu [2] A..Boz, Elektronk Devreler Deney öyler, Sakarya Ünverstes [3] MATLAB BUILDER NE 3 USER s GUIDE, The Mathworks Inc., pp. -2, September [4] MATLAB HELP, Verson (R2008b), The Mathworks Inc., September ġekl 4: GrĢ ÇıkıĢ Snyaller V. SONUÇ VE DEĞERLENDIRMELER BJT l yükselteç devrelernde analz gerçekleģtrrken brçok parametre çn ayrı hesaplama yapılmaktadır. Yapılan hesaplamalarda elde edlen sonuçlara göre devrenn kararlılığı, çalıģma noktası, akım ve gerlm kazancı gb değerler hesaplanmaktadır. Bu değerler bulurken yapılacak br hesaplama hatası devre le lgl brçok değern değģmesne neden olmaktadır. Bu yüzden BJT l yükselteç devrelernde hesaplamaların otomatkleģtrlmes ve kullanıcıya esneklk sağlanması önemldr. GerçekleĢtrlen bu çalıģma le BJT l yükselteç devrelernn analz ve hesaplamalarına kolaylık sağlayacak br arayüz tasarlanmıģtır. Tasarlanan bu arayüz le yükselteç devrelernde gerekl olan değerler kullanıcı steğne bağlı olarak 6