EEME210 ELEKTRONİK LABORATUARI

Transkript

1 Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü EEME0 ELEKRONİK LABORAUARI DENEY 3: DİYOUN DOĞRULUCU OLARAK KULLANILMASI BAHAR Grup Kodu: Deney arihi: Raporu Hazırlayan Deneyi Yapanlar No: Ad Soyad: İmza:

2 DENEY 3: DİYOUN DOĞRULUCU OLARAK KULLANIMI Bu çalışmada, diyotların doğrultucu olarak kullanımı incelenecektir. Doğrultucular, alternatif gerilim (Alternating Current - AC) kaynağından, doğru gerilim (Direct Current DC) elde etmeye yarayan devrelerdir. Pil ve akümülatör, tam bir doğru gerilim üretirler. Fakat AC gerilim kullanarak DC gerilim elde etmeye çalışıldığında, bir doğrultucu ihtiyacı ortaya çıkar. Üretimi, kullanıcılara iletimi ve istenen genlik değerine dönüşüm işlemlerindeki avantajlardan dolayı, elektrik enerjisi AC olarak üretilir. Daha sonra transformatörlerle genliği değiştirilir ve alıcılara iletilir. Alıcılara ait cihazlar bu elektrik şebekesine bağlanarak çalışır. Birçok elektronik cihaz, AC gerilim sağlayan, cihazın içerisindeki DC gerilim gerektiren devrelerin girişinde (Güç katı), şebeke geriliminin ihtiyaç duyulan genliğe dönüştürüldüğü bir transformatör ve transformatör sonrası doğrultucu içerir. Doğrultucu sonrası da gerilimin filtre ve regülatör devreleri bulunur. Filtre devresi, dalgalanmanın azaltılarak tam DC gerilime yaklaştırma işlemi yapar. Sonrasında da regülatörler, dalgalı DC gerilimden, tam doğru DC gerilime yakın bir çıkış elde etmeye yararlar. Ayrıca, olası değişikliklerde de bu çıkışı korumaya çalışır. Regülatör girişi, istenen çıkış geriliminden biraz fazladır. Bu çalışmada, sadece doğrultma ve filtreleme üzerinde durulacak olup, regülasyon için, kullanıma hazır birçok regülatör entegreleri mevcuttur. Yukarıda, günlük hayatımızda çok yaygın olması nedeniyle, doğrultucunun kullanım alanı olarak elektronik cihazların beslenmesi örneği verilmişse de, doğru akım ile beslenen elektrik motorları gibi elektrik makineleri uygulamaları da bulunmaktadır. Alternatif Gerilim: Pozitif ve negatif değer alarak değişirler. Sinusoidal bir alternatif gerilim (t) = m sin ω t ile ifade edilir. Bu ifadedeki; t: zaman, (t): zamana bağlı değişen anlık gerilim ve m: tepe gerilimidir. nin m ile +m arasındaki mutlak büyüklüğüne tepeden-tepeye gerilim p-p denir. p-p = maks. min. = m ( m ) = m Bu değerler Şekil de verilmiştir. Sayfa /

3 Şekil : Sinusoidal dalga Belli bir dalga deseninin sürekli tekrarlanmasından oluşan sinyallerde, sadece bir dalga deseninin tamamlanması için geçen süreye periyod denir. Birim zamanda tekrarlanan dalga deseni sayısına ise frekans (sıklık) denir. Periyod ile, frekans ise f gösterilir ve aralarında = /f ilişkisi vardır. Şekil de tam bir sinüs dalga formu görülmektedir. Genelde frekans için kullanılan birim radyan/sn dir. Yukarıdaki ifadede yer alan ω (açısal hız) dır. Dolayısıyla, Hz = π [rad/sn] Ortalama değer: Bir periyod süresince, gerilimin aldığı değerlerin ortalamasıdır. Periyodu, olan periyodik bir (t) geriliminin, ortalama (veya DC) değeri dc 0 ( t) dt integrali ile hesaplanır. Eğer bir dalga, sinüzoidal dalgada olduğu gibi zıt işaretli ve simetrik ise, doğal olarak ortalaması sıfırdır. Etkin değer: Bir alternatif gerilimin etkin veya rms (root mean square) değeri, bir dirençte ısıya dönüşerek kaybolan alternatif akım ile aynı etkiyi meydana getiren DC gerilimine eşittir. Bu tanımdan yararlanılarak periyodu olan bir (t) geriliminin etkin değeri için türetilmiş rms 0 ( t) dt ifadesi ile hesaplanır. ( t) m sin( t) ve ise rms sin( t) m 0 d( t) m olarak yazılır ve bu integralin sonucunda, bir sinüzoidal dalgada rms dir. Sayfa /

4 Yarım Dalga Doğrultucu Şekil de yarım dalga doğrultucunun devre şeması görülmektedir. Sinusoidal kaynak geriliminin pozitif alternansında diyot doğru kutuplanır ve iletime geçerek çıkış gerilimi oluşturur. Negatif alternansta ise diyot ters kutuplandığından kesime girer ve akım akmaz, çıkış gerilimi sıfır olur. Yarım dalga doğrultucunun çıkış gerilimi Şekil 3.. de görülmektedir. Şekil : Yarım dalga doğrultucu Periyodu, olan periyodik bir (t) geriliminin, ortalama (veya DC) değeri: dc 0 ( t) dt integrali ile hesaplanır. ( t) m sin( t) ve yarım dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama değeri m sin( t) d( t) 0 dc = m ise, diyot geriliminin hesaba katılmadığı ideal olarak hesaplanır. Bu, voltmetrenin DC gerilim kademesinde okunacak değerdir. Şekil 3: Yarım dalga doğrultucu çıkışı ve ortalama değeri Yarım dalga doğrultucu çıkışının etkin değeri: Çıkış için integral, yarım periyod için Sayfa 3 /

5 rms EEME0 Elektronik Laboratuarı, Bahar Dönemi, Deney 3 0 sin( t) m d( t) m olarak yazılır ve bu integralin sonucunda, rms dir. Filtrelenmiş Yarım Dalga Doğrultucu: Doğrultucu çıkışındaki gerilimin dalgalanmasını azaltmak için filtre kullanılır. Şekil 4: Yarım dalga doğrultucunun filtrelenmesi Şekil 4 de girişi kondansatörlü filtre görülmektedir. Burada m tepe değerinde gerilim üreten bir alternatif kaynaktan gelen sinüzoidal gerilim mevcuttur. Kaynak voltajının ilk çeyreklik bölümünde diyot doğru kutuplanmıştır. İdeal durumda Şekil 5a daki gibi diyot iletime girer. Kondansatör kaynağa doğrudan bağlandığı için p değerine kadar dolar. Pozitif uç değer geçildiği anda kondansatörün dolması durur. Güç kaynağının gerilimi p voltajının altına inmeye başladığı bu anda diyot ters kutuplanır ve kesime gider (Şekil 5b ). Şekil 5: Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucunun çalışması. Açık olduğu halde ters polarize durumdaki diyottan geçemeyen kondansatördeki yük, R direnci üzerinden akar ve kondansatör boşalmaya başlar. R ile C nin çarpımı ile hesaplanan kondansatör boşalma zamanı sabiti, giriş sinyalinin periyodundan büyük olmalıdır. Sayfa 4 /

6 Kaynak gerilimi tekrar uç değere doğru artışa geçtiğinde diyot akım geçirmeye başlarken bir yandan da kondansatör kaybettiği yükleri kazanır ve üzerindeki gerilim p değerini alana kadar dolmaya devem eder. Böylece giriş geriliminin her periyodunda aynı işlem devam eder. Kondansatöre gelince, giriş sinüsünün ilk çeyreğinde kondansatörün ilk doluşundan sonra, üzerindeki gerilim yaklaşık olarak kaynak gerilimi ile aynıdır. Şekil 6 da yük üzerindeki gerilim görülmektedir. Şekil 6: Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucu çıkışı Köprü Diyotlu am Dalga Doğrultucu Burada diyot köprüsü kullanılan filtreyi göreceğiz. Bu, hem bir yarım dalga filtrenin tepe gerilim değerini, hem de tam dalga filtrenin maksimum ortalama gerilimini sağlayabilen doğrultucudur. Şekil 7 de bir köprü doğrultucu görülmektedir. Şekil 7: Köprü diyotla tam dalga doğrultucu devresi Gerilimin pozitif yarısında A > B olur ve D, D4 diyotları doğru, D, D3 diyotları ise ters kutuplanır(şekil 8a). Gerilim sinüsünün negatif yarısında A < B olur ve D, D3 diyotları doğru; ve D, D4 diyotları ise ters kutuplanır(şekil 8b). Böylece yük üzerinden her zaman aynı yönde akım akar ve Şekil 9 daki çıkış elde edili. Sayfa 5 /

7 Şekil 8a: Pozitif alternansta köprü doğrultucunun çalışması Şekil 8b: Negatif alternansta köprü doğrultucunun çalışması Dikkat edilirse, burada kaynak voltajının tamamı yük üzerinde görülmektedir. Doğrultulmuş gerilimin ortalama değeri, yarım dalgadakinin iki katıdır. Şekil 9: Köprü diyotlu tam dalga doğrultucunun çıkışı am dalga doğrultucu çıkışının ortalama değeri: Yarım dalga doğrultucu da olduğu gibi tam dalga doğrultucunun ortalama çıkışını hesaplarsak m sin( t) d( t) 0 dc = m = 0,636 m elde edilir. am dalga doğrultucu çıkışının etkin değeri: Yine yarım dalga doğrultucuda olduğu gibi tam dalga doğrultucu çıkışının etkin değeri rms sin( t) m 0 d( t) m olarak yazılır ve bu integralin sonucunda, bir sinüzoidal dalgada rms dir. Çıkış tam dalga sinyali olduğundan çıkışın frekansı giriş frekansının iki katıdır. Dört diyotun birbirine bağlanıp tek bir eleman olarak paketlendiği entegre köprü doğrultucular, piyasada yaygın olarak kullanılmaktadır. Sayfa 6 /

8 Yarım dalga doğrultucu: UYGULAMA Şekil 0: Yarım dalga doğrultucu ve bağlantı şeması (R=0K, C=0F) Deneyin Yapılışı: - Şekil 0 da görülen devre düzenini kurun. (Not: Osiloskobun her iki probunun + polariteli uçlarının CH girişe, CH çıkışa bağlantısı gösterilmiştir. Probların GND uçları (probdaki siyah kıskaç) ortaktır. Bu nedenle sadece CH in GND ucunun.8 e bağlantısı yeterlidir) Osiloskobun ayarlanması: - Osiloskobunuzun genlik ve zaman ayarlarını yapın. 3- Giriş gerilimi Kanal de, çıkış gerilimi Kanal de görüntülenecektir. Her iki kanal için aşağıdaki konumları seçin: Zaman kademesini ms/bölme; CH, CH gerilim kademesini /bölme yapın. Problar üzerindeki X/X0/REF anahtarı X konumunda olmalıdır. AC/GND/DC seçici anahtarı DC konuma ayarlayın. CHOP/AL konumu CHOP olarak seçilmelidir. Bu ayar, iki kanal arasında zaman kayması olmasını önler. Giriş geriliminin hazırlanması 4- Osiloskopta Kanal i seçin ve fonksiyon jeneratörünü, osiloskop yardımıyla ayarlayarak m = 6 ve f = 00 Hz olan sinusoidal s(t) giriş gerilimini hazırlayıp devreye uygulayınız. Düşey Eksen(Genlik): m = 6, 6/(/div) = 3 div. Osiloskopta m değeri 3 birim yükseklikte olmalı. Sayfa 7 /

9 Yatay eksen(zaman): = /f = 0ms, 0ms/(ms/div) = 5 div (Osiloskopta bir periyod 5 birim genişlikte olmalı) Osiloskop görünümü aşağıdaki gibi olmalı. Osiloskop seçimlerinizi kaydediniz: CH, CH: /div, ime: ms/div Şekil 0: Giriş sinyalinin görüntüsü 5- Multimetrenin frekans ölçüm kademesiyle, hazırladığınız gerilimin frekansını ölçünüz: f =.. Hz. Osiloskopta okunan frekans ile multimetreden okunan frekansını karşılaştırın. Frekans çok farklı ise osiloskobun zaman ayarı hatalı olmuş olabilir, tekrar ayarlayınız. 6- Multimetrede efektif (RMS) değer AC kademede; ortalama değer, DC kademede ölçülür. Multimetreyi AC gerilim kademesine getirerek, s(t) giriş geriliminin efektif (RMS) gerilimini ölçün: rms =.. (ölçülen). Bu değer ne kadar olmalıdır? Hesaplayınız: rms = (hesaplanan). 7- p-p (tepeden tepeye gerilim) değeri, sinyaldeki maksimum tepe ve minimum tepe gerilim arasındaki farktır. Ayarladığınız gerilimin p-p değeri ne kadardır? Giriş ve çıkış geriliminin görüntülenmesi: 8- Osiloskopu DUAL konuma, CH, CH girişlerini DC, CH, CH: /div, ime: ms/div konumuna getirerek iki kanalı birden görüntüleyin.. noktasındaki s(t) giriş gerilimini ve.6 noktasındaki yük gerilimini osiloskop ekranında görüntüleyin. Osiloskop görünümü aşağıdaki gibi olmalı. Osiloskop ekranını fotoğraflayıp Resim olarak kaydediniz. Osiloskop seçimlerinizi kaydedin. Sayfa 8 /

10 Şekil : Yarım dalga doğrultucu giriş ve çıkış sinyalinin görüntüsü (Resim ). 9- AC giriş çıkışta doğrultuldu mu?. 0- Çıkış geriliminin tepe değeri ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) - Giriş gerilimi ile çıkış geriliminin tepe değerleri arasındaki bir diyot gerilimi kadar fark görmelisiniz. Fark ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) - Yük üzerindeki ortalama gerilim ne kadardır?.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz) Sonuçları hocanıza gösteriniz. Deney düzeneğini, sinyal kaynağı/osiloskop ayarlarınızı bozmadan sonraki adımlara geçiniz. Doğrultucu çıkışının filtrelenmesi: 3- Şekil 0 da görülen devreye ilave olarak (.5 ile.7) arasına bir kablo bağlantısı yapın. Böylece doğrultucu çıkışına kapasite bağlanmış oldu. 4- Osiloskop görünümü aşağıdaki gibi olmalı. Osiloskop ekranını fotoğraflayıp Resim olarak kaydediniz. Osiloskop seçimlerinizi kaydediniz: CH, CH: /div, ime: ms/div Şekil : Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucu giriş ve çıkış sinyalinin görüntüsü (Resim ) 5- Yük üzerindeki ortalama gerilim ne kadardır?.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz) Sayfa 9 /

11 6- Kondansatör bağlanmadan önce ve bağlandıktan sonra yük üzerindeki gerilimde ne gibi bir değişim gördünüz? Frekansın etkisinin gözlenmesi: 7- Deney düzeneğini bozmadan frekansı değiştirerek f = 00Hz için ortalama çıkış gerilimi.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz), Frekans artınca dalgalanma... (artar/azalır) (osiloskoptan gözleyin) f = 50Hz için ortalama çıkış gerilimi.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz), Frekans azalınca dalgalanma... (artar/azalır) (osiloskoptan gözleyin) Sonuçları hocanıza gösteriniz. Deney düzeneğini, sinyal kaynağı/osiloskop ayarlarınızı bozmayın. Bir sonraki adım için frekansı tekrar 00Hz değerine ayarlayarak tam dalga doğrultucu adımlarına geçiniz. Sayfa 0 /

12 Köprü Diyotlu Doğrultucu Uygulaması Şekil 3: Köprü diyotlu tam dalga doğrultucu bağlantı şeması Deneyin Yapılışı: 8- Şekil 3 de görülen devre bağlantılarını hazırlayın. 9- Osiloskop ayarları daha önceki yukarıdaki ölçümler ile aynıdır. 0- Osiloskopun Kanal probu ile, önce giriş, sonra çıkış gerilimini ölçün. Çıkışı fotoğraflayarak Resim 3 olarak kaydedin. Çıkış gerilimi görüntüsü aşağıdaki gibi olmalıdır. Şekil 5: am dalga doğrultucu çıkışı görüntüsü (Resim 3) - AC giriş çıkışta doğrultuldu mu?. - Çıkış geriliminin tepe değeri ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) 3- Giriş gerilimi ile çıkış geriliminin tepe değerleri arasındaki iki diyot gerilimi kadar fark görmelisiniz. Fark ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) 4- Bulduğunuz çıkış geriliminin efektif (RMS) değeri ne kadardır? Multimetrenin AC gerilim kademesi ile (3.) ve (3.4) arasını ölçünüz rms =.. Sayfa /

13 5- Bulduğunuz çıkış geriliminin ortalama değeri ne kadardır? Multimetrenin DC gerilim kademesi ile (3.) ve (3.4) arasını ölçünüz ort =.. 6- Doğrultulmuş gerilimin frekansı ne kadardır? Ölçünüz:. Hz. Frekans neden değişti? SORULAR: ) am dalga doğrultucunun, yarım dalgaya göre avantajlarını belirtiniz. ) Doğrultucu filtresindeki kapasite büyürse, çıkış nasıl etkilenir? 3) Filtrelenmiş doğrultucuda yük direnci küçülürse, çıkış nasıl etkilenir? Ek Açıklama : am dalga doğrultucu deneyindeki ölçme düzeninde, giriş ve çıkış için ortak uç olmadığından, giriş ve çıkış gerilimlerinin iki kanalda aynı anda görüntülenmesi mümkün değildir. Eğer alışılageldiği üzere Kanal giriş, Kanal çıkış olmak üzere Şekil z deki bağlantıyı yaparsanız, osiloskopun iki probunun şasesi ortak olduğundan, farkında olmadan D7 diyodunu kısa devre etmiş olursunuz. Bu durumda, devre yarım dalga doğrultucu gibi çalışır Şekil 6: Hatalı ölçme düzeni Sayfa /