DENEY 3 TRANZİSTORLU KUVVETLENDİRİCİ DEVRELER

Transkript

1 DENEY 3 TRANZİSTORLU KUVVETLENDİRİCİ DEVRELER DENEYİN AMACI: Bu deneyde BJT ve MOS kuvvelendiriciler incelenecek ve elde edilecek veriler yardımıyla her iki kuvvelendiricinin çalışma özellikleri gözlemlenecekir. ÖN HAZIRLIK Lüfen aşağıdaki soruları yanılayınız. Kuvvelendirici ne demekir? Kuuplama ne demekir? Bağlama kapasiesi ne demekir? Nerede ve ne amaçla kullanılır? Köprüleme kapasiesi ne demekir? Nerede ve ne amaçla kullanılır? Kazanç ne demekir? Faz farkı ne demekir? Kırpılma nedir ve neden olmakadır? Deney öncesinde aşağıdaki hesaplamaları yapınız. Şekil 3.3 eki devrenin çalışma nokası büyüklüklerini (VC, VB, VE, IC ) belirleyin. Şekil 3.3. eki devre için Vo / Vb ve Vo / Vg gerilim kazancını C3 devrede varken ve yokken (iki durum için ayrı ayrı) hesaplayın. Şekil 3.5 eki devrenin çalışma nokası büyüklüklerini (VD, VG, VS, ID) belirleyin. Şekil 3.5 eki devre için Vo / Vg gerilim kazancını hesaplayın. Deney öncesinde, ön hazırlıka yapılması isenilenler (Cevaplanması isenilen sorular ve hesaplamalar) ile ilgili kısa sınav yapılacakır! Hesaplamalar ön çalışma değerlendirmesi için oplanacakır GÖZDEN GEÇİRİLMESİ FAYDALI KONULAR BJTli kuvvelendiricilerde orak emeör ve orak bazlı devreleri (benzerlikler ve farklılıklar açısından) karşılaşırın. MOS ranziorlu kuvvelendiricilerde orak kaynak ve orak geçili devreleri (benzerlikler ve farklılıklar açısından) karşılaşırın. DENEYİN ÖĞRENCİYE KATACAKLARI Bu deney sonunda emel kuvvelendirici yapısı ve bir gerilim kuvvelendiricisinin paramereleri hakkında bilgi edinilecekir. Kuvvelendirici nedir? BJT ve MOS kuvvelendiricilerin çalışma bölgeleri nelerdir? Bağlama ve köprüleme kapasielerinin kullanım amaçları nelerdir? Faz farkı nedir ve nasıl gözlemlenir? Deney 3-1

2 DENEYDE KULLANILACAK MALZEME VE CİHAZLAR: Devre Elemanları: Şekil 2 için: Şekil 3 için: BC238B BS108 Rg = 10kΩ R3 = 820kΩ R1 = 220kΩ R4 = 330kΩ R2 = 33kΩ RD = 1kΩ RC = 8.2kΩ RS = 220Ω RE = 1.2kΩ Ry = 10kΩ Ry = 12kΩ C4 = C5 = C6 = 1µF C1 = C2 = 4.7µF C3 = 220µF Cihazlar: Mulimere (kuuplama gerilimlerinin ve akımlarının ölçülmesinde kullanılacak) Osiloskop (giriş ve çıkış işarelerinin gözlenmesinde kullanılacak) Besleme kaynağı (12V, 15V) İşare Üreeci (sinüs işarei üreebilen) Delikli Deney Sei (Bread Board) Genel Bilgi Bir işare kaynağı arafından girişine uygulanan işarein gücünü/gerilimini/akımını, çıkış uçlarına bağlı bir yüke kuvvelendirerek veren devrelere kuvvelendirici denir. Kuvvelendiriciler, bir DC kaynakan sağlanan akımı girişine uygulanan işarele deneleyebilen elemanlardan (örneğin ranzisorlar) yararlanılarak gerçekleşirilir. Günümüzde, kuvvelendiricilerde bipolar jonksiyonlu ranzisorlar (BJT) veya alan ekili ranzisorlar (MOSFET, JFET, MESFET, vs.) yer almakadır. Tranzisorun bulunuşundan önce kullanılan elekron üpleri arık yalnızca çok yüksek güç uygulamalarında (örneğin radyo vericisi çıkış kaları) kullanılmakadır. Bilindiği gibi, ileri akif modda (BE jonksiyonu ileimde, BC jonksiyonu ıkamada) olan bir BJT nin çıkış akımı (I C ), giriş gerilimi (V BE ) ile denelenebilmekedir; oysa çıkış geriliminden (V CE ) neredeyse bağımsızdır. Doymada çalışan bir FET in I D, V GS ve V DS büyüklükleri arasında da buna benzer bir ilişki vardır. Tranzisorun bu özelliği (çıkış akımının giriş gerilimine bağımlılığı) ona ismini vermekedir. ransfer resisor ransisor (geçiş direnci) Bu özelliğin bir ranzisorun kuvvelendirme yapmasını nasıl sağladığını kolayca göserebiliriz. Çıkış akımı giriş gerilimine BJT de (ileri akif modda) üsel, FET e ise (doymada) Deney 3-2

3 yaklaşık karesel biçimde bağlıdır. BJT nin ileri akif modda (FET in doymada) kuuplandığını varsayalım. Giriş gerilimindeki bir değişim ( V BE veya V GS ) çıkış akımındaki bir değişime ( I C veya I D ) neden olacakır. Eğer bu değişimler yeerince küçükse, I V C BE I V C BE I V D GS I V D GS yazılabilir. Buradaki ürevler, ranzisorların geçiş özeğrilerinin (I C V BE ve I D - V GS özeğrileri) çalışma nokasındaki eğimleridir ve geçiş ilekenliği adını alıp g m simgesi ile göserilir. Şimdi, çıkış akımının bir R direnci üzerine akarıldığını düşünelim. BJT ileri akif modda (FET doymada) kaldıkça, çıkış akımındaki bir değişim ( I C veya I D ) bu direnç üzerinde mulak olarak I C R kadar (FET için I D R kadar) bir gerilim değişimine neden olacakır. Çıkışa bağlı bu direnç üzerindeki bu gerilim değişimi (yani çıkış gerilimindeki değişim) o zaman, küçük değişimler için V O ICR gmr V BE V O I D R gmrv biçiminde yazılabilir. Buna göre, giriş gerilimindeki değişim çıkış geriliminde g m R ka bir değişime neden olmuşur. gmr > 1 olduğu sürece ranzisor kuvvelendirme yapmakadır. Burada önemli olan 2 noka vardır: 1- Tranzisorun kuvvelendirme yapabilmesi için uygun çalışma bölgesinde kuuplanması gerekir. 2- Tranzisorun yük direncine akardığı güç, ranzisor girişindeki güçen büyük olmakadır. Tranzisor bu gücü üreemeyeceğin göre bu güç bir kaynakan gelmekedir. Bu iki noka bizi şu sonuca göürür: Tranzisor, uygun çalışma nokasında kuuplanmak için bir besleme kaynağına gereksinim duyar. Uygun kuuplama koşulları alında kuvvelendirme yapan ranzisor, aslında bu besleme kaynağından yüke akarılacak akımı (gücü), girişine uygulanan işare aracılığı ile deneleyen bir akım konrol elemanı işlevi görmekedir. Tranzisorların buraya kadar basileşirilerek anlaılan kuvvelendirme işlevi, aslında kuvvelendiricide ranzisor uç bağlanılarının nasıl yapıldığı, giriş ve çıkış uçlarının hangi uçlar olduğu, yükün ve işare kaynağı iç direncinin merebesi, kuuplama akım ve gerilimlerinin değeri, uygulanan işarein frekansı, yükün devreye doğrudan mı yoksa bir kondansaör üzerinden mi bağlı olduğu gibi sayısız ekene bağlıdır. Yine de, ranzisorların anım bağınıları ve bunlardan elde edilecek ürevler (yani özeğrilerin eğimleri) herhangi bir ranzisorlu kuvvelendiricide yeerince düşük frekanslar ve küçük işareler için kazancın nasıl ifade edilebileceğini bulmamızda kolaylık sağlar. Bilindiği gibi BJT için ileri akif modda ve MOSFET için doyma bölgesinde akım bağınıları şu biçimde verilebilmekedir: GS Deney 3-3

4 BJT: IC FIB IS exp( VBE / VT)(1 V CE / VA) VT kt / q:ısılgerilim 2 MOSFET: IG 0, ID GS T 1 VDS 1 2 V V [V T : eşik gerilimi ] Bu bağınılardan, çalışma nokası civarındaki küçük değişimler için aşağıdaki ilişkiler elde edilir. (Değişken işareler küçük harf / küçük indis, çalışma nokası büyüklükleri büyük harf / büyük indis ile göserilmekedir.) BJT: i c = g m v be v ce r o, i b = g mv be β F g m = 1/r e = I C /V T, r o = V A I C MOSFET: i d = g m v gs v ds r o, i g = 0 g m = β(v gs V T ) = 2βI D, r o = 1 λi D Daha önce, ileri akif moddaki BJT nin (doymadaki MOSFET in) çıkış akımının çıkış geriliminden bağımsız olduğunu varsaymışık. Oysa BJT de Early Olayı, MOSFET e ise Kanal Boyu Modülasyonu adı verilen ekiler nedeni ile Ic akımı V CE den, I D akımı V DS den belirli oranda ekilenmekedir. Bu ekiler sırasıyla V A ve λ paramereleri ile modellenmeke ve küçük işareler için sonlu bir çıkış direnci ro sonucunu oluşurmakadır. Çıkış direnci, çıkış düğümündeki eşdeğer yük direnci ifadesine doğrudan girerek bu direncin değerini, dolayısıyla kazancı sınırladığı için olabildiğince büyük olması isenir. Bazı uygulamalarda (örneğin pasif dirençlerin çok yer kapladığı ümdevrelerde) yük olarak direnç değil de ranzisorun bu büyük çıkış direncinden yararlanılır ( akif yüklü kuvvelendiriciler ). Burada dikka edilecek bir noka, küçük işare paramerelerinin (g m ve r o ) çalışma nokası akımına bağımlı olduğudur. Yani ranzisorlu bir devrenin küçük işare davranışı (örneğin gerilim kazancı) ranzisorun kuuplama akımıyla değişir. Yukarıda küçük işareler için verilen bağınılar yardımıyla, BJT ve FET için sırasıyla Şekil 3.1 ve Şekil 3.2 deki küçük işare eşdeğer devreleri elde edilebilir. Bu devreler, doğrusal elemanlardan oluşuklarından, ranzisorlu kuvvelendiricilerin değişken işare davranışını incelemede büyük kolaylık sağlarlar. Deney 3-4

5 b v be v be r e c V ce e e Şekil 3.1. BJT küçük işare modeli g V gs V ds d s Şekil 3.2. MOS küçük işare modeli s Küçük işare eşdeğeri, ranzisorlu bir devrenin büyük genlikli işareler için nasıl davranacağını (büyük işare davranışı) doğru olarak belirleyemez, çünkü bu davranış doğrusal olmaz. Yine de, böyle büyük genlikler için, ranzisorlar doyma veya kesime (FET e doymasız bölge veya kesime) girmedikleri sürece, küçük işare eşdeğeri, ranzisorlu devrenin davranışıyla ilgili kabaca da olsa bir fikir verir. Giriş işarei değişirken, belirli bir ani giriş değeri için ranzisorun BE jonksiyonu ıkamaya ya da BC jonksiyonu ileime sokulabilir. Bu giriş değerinin daha öesine geçen giriş büyüklükleri için, ranzisorun çıkış akımı (I C ) değişmez (0A ya da ICsa değerinde kalır). Bu durumda çıkış işarei o bölge için yaklaşık sabi kalır. Böyle bir ekiye kırpılma denir. Analog uygulamalarda, çıkış işareindeki bu bozulma, ranzisorun doğrusal olmamasından ileri gelen bozulmadan çok daha ciddidir ve uygun çalışma nokası seçilerek ve giriş işarei genliği sınırlanarak önlenmesi gerekir. Deney 3-5

6 DENEY 1. Kısım: BJTli Kuvvelendirici Ölçüm 1 Şekil 3.3 eki BJTli kuvvelendiricinin kuuplama devresini (Şekil 3.3 e kesikli çizgi içerisine alınan kısım) kurun ve V CC = 15V ile besleyin. Tranzisorun kolekör, baz ve emeör DC gerilimlerini ve kolekör akımının DC değerini ölçün. Ölçüğünüz değerleri Tablo 3.1 e yazın. Ölçüm 2 Kuuplama devresine eksik elemanları ekleyerek Şekil 3.4 eki devreyi hazırlayın. Girişe 5 khz frekansında bir sinüs işarei uygulayın. Osiloskobun 1. kanalını işare üreiciye (Vg) 2. kanalını devrenin çıkışına (Vo) bağlayın. Çıkışa kırpılma olması durumunda giriş işareinin genlik değerini değişirerek çıkış işareinin kırpılmasını engelleyin. Devrenin kırpılmaya girdiği giriş gerilimi değerini belirleyin ve Tablo 3.2 ye yazın. Poziif ve negaif yöndeki kırpılma değerlerinin simerik olup olmadığına bakınız. Simerik değilse nedenlerini düşününüz. Osiloskop CH1 CH2 V CC =15V v i _ R G 10kΩ V m sin R 1 220kΩ C 1 4.7µF R 2 33kΩ R C 8.2kΩ R E 1.2kΩ C 2 4.7µF BC238B v o C E 220µF R Y 12kΩ _ Şekil 3.3. Osiloskop Başlanısı Ölçüm 3 Çıkış işareinizi osiloskop ile gözlemleyerek, kırpılmaya girmemiş düzgün bir sinüs işare elde edecek biçimde giriş işareinizin genliğini ayarlayın. Ve, Vo değerlerini Vg yi dikkae alarak ölçün ve faz farklarını dikkae alarak çizin (osiloskobun DC değerleri ölçmeyecek şekilde ayarlamayı unumayın). Vo/Vg değerini hesaplayarak kazancı belirleyin ve Tablo 3.3 e yazın. Ölçüm 4 C3 kondansaörünü devreden çıkarın ve Ölçüm 3.3 e yapılan ölçümleri ekrarlayın. Vo/Vg değerini hesaplayarak kazancı belirleyin ve Tablo 3.4 e yazın. Deney 3-6

7 Kuuplama Devresi R c C 2 R g C 1 R 1 R y V 0 15V DC V g R 2 R e C 3 Şekil 3.4. BJTli Kuvvelendirici Deneyi yapıran Araşırma Görevlisi: Öğrenci İsmi: Öğrenci Numarası: Öğrenci Grup Numarası: Öğrenci e-posası: ÖLÇÜMLER Tablo 3.1. DC Değerler (Ölçüm 1) Teorik Değer Ölçülen Değer VC VB VE IC Tablo 3.2. Kırpılma Gerilimi (Ölçüm 2) Vg (Kırpılma Başlangıcı için) mv Simerik kırpılma var mı? Deney 3-7

8 C3 devredeyken gerilim değerleri (Ölçüm 3): V g V o V e Tablo 3.3. Kazanç Hesabı (Ölçüm ) Vo/Vg [db] Deney 3-8

9 C3 devrede yokken gerilim değerleri (Ölçüm 4) : V g V o V e Tablo 3.4. Kazanç Hesabı (Ölçüm 4) Vo/Vg [db] Deney 3-9

10 2. Kısım: MOS Tranzisorlu Kuvvelendirici Ölçüm 1 Şekil 3.4 eki kuvvelendiricinin kuuplama devresini (Şekil 3.5 e kesikli çizgi içerisine alınan kısım) kurun ve V CC = 12V ile besleyin. Tranzisorun geçi, savak ve kaynak DC gerilimlerini ve savak akımını ölçün. Ölçüğünüz değerleri Tablo 3.5 e yazın. Ölçüm 2 Kuuplama devresine eksik elemanları ekleyerek Şekil 3.5 eki devreyi hazırlayın. Girişe 50 khz frekansında bir sinüs işarei uygulayın. Osiloskobun 1. kanalını işare üreiciye (Vg) 2. kanalını devrenin çıkışına (Vo) bağlayın. Çıkışa kırpılma olması durumunda giriş işareinin genlik değerini değişirerek çıkış işareinin kırpılmasını engelleyin. Devrenin kırpılmaya girdiği giriş gerilimi değerini belirleyin ve Tablo 3.6 ya yazın. Poziif ve negaif yöndeki kırpılma değerlerinin simerik olup olmadığına bakınız. Simerik değilse nedenlerini düşününüz. Ölçüm 3 Çıkış işareinizi osiloskop ile gözlemleyerek, kırpılmaya girmemiş düzgün bir sinüs işare elde edecek biçimde giriş işareinizin genliğini ayarlayın. Vd, Vs değerlerini Vg yi dikkae alarak ölçün ve faz farklarını dikkae alarak çizin (osiloskobun DC değerleri ölçmeyecek şekilde ayarlamayı unumayın). Vo/Vg değerini hesaplayarak kazancı belirleyin ve Tablo 3.7 e yazın. Deney 3-10

11 Kuuplama devresi R 3 R d V g C 4 C 6 R 4 R s C 5 V 0 R y 12V DC Şekil 3.5. MOS Tranzisorlu Kuvvelendirici ÖLÇÜMLER Tablo 3.5. DC Değerler (Ölçüm 1) Teorik Değer Ölçülen Değer VG VD VS ID Tablo 3.6. Kırpılma Gerilimi (Ölçüm 2) Vg (Kırpılma Başlangıcı için) mv Simerik kırpılma var mı? Deney 3-11

12 V g V o Tablo 3.7. Kazanç Hesabı (Ölçüm 4) Vo/Vg [db] Deney 3-12

13 EK BİLGİLER BC238B Deney 3-13

14 BS108 Deney 3-14

15 RAPORDA İSTENENLER Deneydeki devreleri bir bilgisayar desekli bir asarım programı ile hazırlayın. Devrenin benzeimini yaparak deneyde yapılan ölçümlerin aynısını yapın. Ön hazırlık kısmında hesaplamış olduğunuz eorik değerleri, deney esnasında ölçülen değerleri ve benzeim sonuçlarını bir abloya yazarak karşılaşırın. (Ön hazırlık için yapılmış olan eorik hesaplamalar, açık bir şekilde ve yapılan işlemler adım adım göserilerek rapora da eklenmelidir.) Ölçüm değerleri, benzeim sonuçları ve hesapladığınız değerler arasındaki uyumu inceleyin. Haa mikarlarını % olarak belirleyin. Kuvvelendirici devrelerin kullanıldığı yerlere birkaç örnek vererek çalışma şeklini açıklayın. Başarılar Son düzenleme: , Araşırma Görevlisi Osman Ceylan Deney 3-15