ELM202 ELEKTRONİK-II DERSİ LABORATUAR FÖYÜ

Transkript

1 TC SAKAYA ÜNİSİTSİ TKNOOJİ FAKÜTSİ KTİK-KTONİK MÜHNDİSİĞİ M KTONİK- DSİ ABOATUA FÖYÜ DNYİ YATAN: DNYİN AD: DNY NO: DNYİ YAANN AD ve SOYAD: SNF: OKU NO: DNY GU NO: DNY TAİHİ AO TSİM TAİHİ KONTO DĞNDİM Ön Çalışma (%) Deney Sonuçları (%) Sözlü (%) Deney erformansı (%) Deney aporu (%) TOAM Deney No: rogram Çıktıları 13 1,, 3, 4, 5

2 DNY 13 : BJT İ B SNF ÇAŞAN GÜÇ YÜKSTÇİ AMAÇ: Birleşim yüzeyli transistörlerle yapılan ve B sınıfı çalışan güç yükselteçlerini tanımak, çalışma prensibini öğrenmek ve çıkış gücünü bulmak. TOİ: Yükselteçleri; kullanım amaçlarına veya işlevlerine göre küçük sinyal(gerilim) yükselteçleri ve büyük sinyal (güç) yükselteçleri olarak sınıflandırılırlar. Küçük sinyal yükselteçleri girişlerindeki AC sinyali genlik olarak yükselten devrelere verilen isimdir. Diğer taraftan büyük sinyal veya güç yükselteçlerinde ise amaç, girişlerindeki sinyalin gücünü arttırmaktır. Bu yüzden güç yükselteçleri genellikle ardışıl(kaskat) bağlı devrelerde çıkışa en yakın kat olarak görev yapar ve yüke güç transfer ederler. Bir yükselteç tasarımında ana faktörler, doğrusallık(doğrusallığın azalması bozulma yani gürültüyü arttırır), verim, çıkış gücü ve kazanç tır. Genellikle bu faktörler arasında bir ilişki vardır. Örneğin bir yükseltecin doğrusallığının artması, verimini azaltacaktır. Küçük-sinyal (gerilim) yükselteçlerinde dikkate alınması gereken temel faktör genellikle doğrusallık ve kazançtır. Giriş dönüştürücüsünden(transdüserinden) gelen sinyalin gerilim ve akımı genellikle küçük olduğundan, güç kapasitesi ve güç verimliliği pek önemli değildir. Bir büyük-sinyal yükseltecinin, verimli çalışması ve tipik olarak birkaç Watt tan yüzlerce Watt a kadar gücü kaldırabilme kapasitesine sahip olması gerekir. Dengeleme, çalışmaya hazır hâle getirme anlamına gelen polarma işlemi, yükseltecin girişine AC özellikli sinyal uygulanmadan önce DC besleme kullanılarak transistörün istenilen noktada çalıştırılması amacıyla yapılır. Girişe AC özellikli sinyaller uygulanmadan önce yükselteç devresinin çektiği akımlara boşta çalışma veya sükûnet akımları adı verilir. Transistörlerin beyzine uygulanan polarma akımının değerine göre kollektörden emitere geçirdikleri akımın değeri değişmektedir. olarma akımından dolayı ortaya çıkan çalışma şekilleri ve çıkıştan alınan sinyallerin durumu dikkate alınarak güç yükselteçleri A, B, AB, C sınıfı çalışma biçiminde gruplandırılmıştır. Bu sınıfların haricinde büyük güçlü kuvvetlendiriciler için, yapılan çalışmalar sonucu yükün yapısını ve kullanım şeklini değiştirerek D,, F ve S sınıfı çalışan kuvvetlendiriciler geliştirilirken, bunun dışında DC kaynağın/kaynakların ihtiyaç anında anahtarlanma veya tetiklenme yöntemiyle kontrollü bir şekilde devreye alınması prensibine dayanan G ve H sınıfı kuvvetlendiriciler de geliştirilmiştir. A sınıfı yükseltecin genel çalışma prensibi, transistörün giriş sinyalinin tamamında yani 36 'lik kısmında iletimde olması yani giriş sinyalinin tamamının çıkışta yükseltilmesi prensibine dayanır. Transistörün, giriş sinyalinin tamamında iletimde kalabilmesi için(doyuma ve kesime gitmeden) transistörün çalışma noktasının (Q), yük doğrusunun tam ortasında seçilmesine özen gösterilir. A sınıfı yükselteç çalışmasında, kuvvetlendiricinin girişine herhangi bir AC işaret uygulanmasa bile kutuplamadan dolayı kuvvetlendiricinin sürekli DC güç tüketiyor olmasına ve buna bağlı olarak veriminin düşük olacağına dikkat edilmelidir. Düşük verimine rağmen A sınıfı yükselteç, diğer sınıflara göre daha yüksek doğrusallığa(gürültü oranı düşük) ve daha az verimliliğe sahiptir. Bu yüzden A sınıfı çalışan yükselteçler verimin çok önemli olmadığı fakat gürültü(bozulma) istenmeyen yerlerde tercih edilirler. Diğer taraftan güç yükselteçlerinde verimin büyük olmasının istendiği yerlerde vardır, örneğin çıkış katlarının maksimum derecede gücü yüke aktarması ve kendi üzerinde harcamaması tercih edilir. Zira büyük güç çeken yüklerin ihtiyaç duyduğu bu gücü verecek yükselteç eğer kendi üzerinde büyük bir güç harcar ise bu durumda aşırı derecede ısınır ve hasar görür. İşte bu duruma çözüm olarak transistörün çalışma noktasının kesimde seçilmesi öngörülmüş ve böylece girişlerinde bir AC sinyal yok iken transistörün(kesimde olduğundan) güç harcaması önlenmiştir. Böylece verimde artmıştır. Bu durumda yani transistörün boşta çalışma noktasının kesimde seçilmesi durumunda çalışmaya ise B sınıfı çalışma denmektedir. Bu durumda transistörün girişinde herhangi bir AC sinyal yok ise yani transistör boşta çalışıyorsa, çalışma noktası kesimde olduğundan dolayı transistör akımları sıfır olacaktır yani transistör güç harcamayacaktır. Bunun sonucu olarak B sınıfı çalışmada verimin A sınıfına göre daha büyük olmasını bekleyebiliriz. Diğer taraftan verimin yüksek olması yanında B

3 sınıfı çalışmada istenmeyen bir durum söz konusudur. Bu durum giriş sinyalinin(ac) çıkışta bozulması veya gürültü dediğimiz durumdur. Şimdi bu durumu aşağıdaki şekil üzerinde inceleyelim. Şekildeki B gerilim değerini yaklaşık olarak şu şekilde bulabiliriz; B CC 1 1,6 1K,7 17K 1K Aynı şekilde direnci uçlarında düşen gerilimini ise; olarak buluruz. Buradan akımını; B B,7,7 ma 1K olarak buluruz. Görüldüğü gibi boşta yani girişinde bir AC sinyal olmadığında bu transistör kesimdedir yani akımları sıfırdır( B = ma, C = ma). Bu durumda boşta çalışmada transistör güç harcaması; D C C 1,6xmA W eşitliği gereği sıfır olmaktadır, yani transistör güç harcamamaktadır(verim yüksek). Şimdide aynı devre girişlerine aşağıda görülen AC sinüs sinyalini uyguladığımızı düşünelim; 3

4 Bu durumda giriş sinyalinin pozitif alternansında transistör beyz akımı akmaya başlar(nn transistörün beyzi pozitif oluyor). Beyz akımına karşılık kollektör ve emiter akımları da akmaya başlar ve bu durumda çıkış voltajı; O şitliği gereği pozitif bir değer alır ve yükseltme gerçekleşmiş olur. Diğer taraftan girişin negatif alternansında transistör beyzi negatif olacağından beyz akımı akmaz(sıfır olur), buna bağlı olarak ta kollektör ve emiter akımları da sıfırda kalır ve çıkış gerilimi de sıfır olur, yani çıkış olmaz. Bu süre boyunca transistör kesimde kalmıştır yani çalışmamaktadır(güç harcaması sıfır). Sonuç olarak bu devre AC girişlerin sadece pozitif alternanslarını yükseltmekte, negatif alternanslarını ise kırpmaktadır, çıkış voltajının şekli şu şekilde gözükmektedir. Transistör çıkış karakteristik eğrisi üzerinde ise çıkış gerilimi şu şekilde gözükmektedir. Buradan görüldüğü gibi bu çalışmada A sınıfı çalışmaya göre çıkış sinyalinin maksimum(tepe) değeri daha büyük olmaktadır. Çıkış sinyalinin tepe değeri B sınıfı çalışmada teorik olarak besleme kaynağına( CC ) eşittir. O zaman B sınıfı çalışan yükselteçlerde çıkış işaret gücü A sınıfına göre çok daha yüksektir diyebiliriz. Diğer taraftan yukarıdaki şekilden de görüldüğü gibi B sınıfı çalışmada, giriş sinyali yükseltecin çıkışından şekil olarak bozulmuş olarak elde edilmiş oldu(yarım dalga çıkış verdi). Birçok uygulama için(örneğin ses yükselteçleri) bu durum kabul edilemez bir durumdur ve bu bir gürültü kaynağıdır. O halde bu soruna bir çözüm bulmak gerekmektedir. Bu durumda önerilen yöntem şu şekildedir. Madem NN transistör ile yapılan bu yükselteç sadece girişin pozitif alternansını yükseltmekte, o halde aynı devreden birde N transistörü ile yaparız ve bu devrede girişin negatif alternanslarını yükseltir. Biz giriş sinyalini bu iki devreye yani NN ve N transistörlerle yapılan iki devreye aynı anda uygular ve çıkışlarını da toplarsak, o zaman giriş sinyalinin tüm alternansları yükseltilmiş olur ve bozulmayı da ortadan kaldırmış oluruz. Bu anlattığımız devrenin prensip şeması aşağıda görülmektedir. 4

5 Bu bağlantı şekli özel bir bağlantı şeklidir ve devrenin bir kısmı bir alternans süresince sinyali yukarıya ittiği, diğer kısmı ise diğer alternans boyunca sinyali aşağıya çektiği için bu tip devrelere push-pull(it-çek) bağlantılı yükselteç devreleri de denmektedir. Aşağıdaki şekilde bu anlatılanların uygulandığı B sınıfı çalışan transistörlü bir ush-ull yükselteç devresi görülmektedir. Devrede NN ve N transistörler kullanıldığından bu tip devrelere aynı zamanda Tümler-Simetrik Yükselteçler de denir. Bu devrede çıkış işaretindeki bozulmaları(geçiş bozulmaları) önlemek amacıyla D 1 ve D diyotları kullanılmıştır(bu diyotlar üzerinde düşen,7 eşik gerilimleri aynı zamanda transistörlerin beyzemiter arasına da uygulanarak onların çalışabilmeleri için ihtiyaç duydukları eşik gerilim değerlerini sağlamakta ve böylece transistörler giriş sinyalinin sıfırdan farklı her değeri için çalışarak çıkış vermekte ve çıkışta oluşabilecek bozulmaları önlemektedirler). B sınıfı push-pull bir yükselteçte iki transistör (Q 1 ve Q olmak üzere) bulunur. Giriş sinyalinin pozitif alternansında Q 1 (NN) transistörü iletimde iken Q (N) transistörü yalıtımdadır. Negatif alternansında ise Q (N) iletimde, Q 1 (NN) yalıtımdadır. Bu devrede kullanılan transistörlerin biri NN diğeri N olmasına rağmen, karakteristik özellikleri aynı olmak zorundadır yani eşlenik transistör olmak zorundadır. Buna göre her iki transistörün kollektör-emiter arası iç dirençleri eşit olduğuna göre, her bir transistörün kollektör emiter arası boşta çalışma gerilimleri, besleme kaynağının yarısına eşit olmak zorundadır. Yani; C(max) CC 5

6 bununda ortalama değeri;, 318 C( ort),318 C(max) olur. Her bir transistörden geçebilecek maksimum(tepe) kollektör akım değeri ise; C(max) bununda ortalama değeri; C ( 318 ort), C (max) olarak bulunur. Buna göre her bir transistörün ısı olarak üzerlerinde harcadıkları güç miktarı( D ); D C( ort) C( ort),318 C(max),318 C(max) (,318) C(max) C(max) veya; D,318 (,318 ) (,318,318 C(max),318 C(max),318 CC ) olarak bulunur. Yük üzerinden alınabilecek maksimum AC çıkış gücü ise; (max) O( rms) (,77 ) (,77 CC ) CC 8 olarak bulunur. Benzer şekilde DC kaynaktan çekilen toplam güç ise; DC (, 318 CC C ort) CC C(max) olarak bulunur. Buradan verim; % (max) DC x1 olarak bulunur. İŞM BASAMAKA Not: İşlem basamaklarında yapacağınız voltaj ölçümlerini osilaskop ile yapınız. Ölçüm sırasında olt/div ve Time/div düğmelerini ayarlayarak, ölçülecek sinyali/sinyalleri ekrana sığabilecek en büyük konuma getiriniz Temel lektronik ğitim Setini masa üzerine çıkartınız modülünü ana üniteye yerleştirin ve bloğunu bulun. Blok üzerinde aşağıdaki devre olmalıdır. 6

7 1 1 K S 1 C 1 1 F +1 Osilaskop C Q 1 8 nf BD139 CH1 CH GND D 1 1N41 S İ O C 4 8 nf D 1N K S 4 Q BD14 S 3 C 3 1 F Hp S 5-1 C 5 1 F 3- S 1 ve S 5 anahtarlarını kapatarak devreye enerji veriniz. 4- Devrenin girişine( İ ), 3 p-p genliginde ve 1 KHz frekansında bir sinüs sinyali uygulayınız. 5- S 4 anahtarını açıp, S anahtarını kapatarak Q 1 NN transistörünü devreye alınız. Osilaskopla çıkış dalga şeklini( O ) ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil üzerine yazınız). o 6-5. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir açıklayınız(nedenlerini tartışınız). 7- Şimdi de S anahtarını açıp, S 4 anahtarını kapatarak Q N transistörünü devreye alınız. Osilaskopla çıkış dalga şeklini ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil üzerine yazınız). 7

8 o 8-7. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir açıklayınız(nedenlerini tartışınız). 9- Bu adımda S ve S 4 anahtarlarının ikisini de kapatarak her iki Q 1 ve Q transistörünü devreye alınız. Osilaskopla çıkış dalga şeklini ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil üzerine yazınız). o 1-9. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir açıklayınız(nedenlerini tartışınız). 11- S ve S 4 anahtarları kapalı iken hem giriş sinyalini ve hemde çıkış sinyalini osilaskop ile ölçünüz ve aşağıya çiziniz. İki sinyal arasında bir fark görüyormusunuz(genlik, frekans veya faz açısından)? ğer fark görmüyorsanız nedenlerini ve normalde ne olması gerektiğini tartışınız. İ 8

9 o 1- Şimdi S ve S 4 kapalı iken giriş sinyalinin genliğini yavaş yavaş arttırınız ve çıkış sinyalinin genliğini osilaskop ile gözlemleyiniz. Çıkış sinyalinin şekil olarak bozulmaya(distorsiyon-gürültü) başladığı noktada giriş geriliminin genliğini sabit bırakınız Bu durumda çıkış dalga şeklinin genliğini ölçünüz( Op-p(max) ) ve bu değerle, yük direnci( ) değerini kullanarak bu yükseltecin verebileceği en büyük gücü( (max) ) hesaplayınız ve aşağıya kaydediniz. Op-p(max) =. olt (max) =.. mw (Denysel) 14-. adımda verilen devrede kullanılan eleman değerlerini(gerilim, direnç) kullanarak 13. adımda deneysel yolla bulduğunuz (max) değerini teorik olarak yeniden hesaplayınız ve aşağıya kaydediniz. (max) =.. mw (Teorik) 15- Deneysel yolla ve teorik hesaplama ile bulduğunuz bu iki (max) değerini kıyaslayınız, arada bir fark varmıdır? arsa nedenlerini tartışınız. 16- Şimdi giriş sinyalinin genliğini 1 p-p değerine indirin. Daha sonra S 3 anahtarını kapatarak hoparlörden çıkış sinyalinin oluşturduğu sesi dinleyin. 17- S 3 anahtarı kapalı iken giriş sinyalinin genliğini 1 p-p değerinden yukarıya doğru yavaş yavaş arttırarak hoparlörden çıkış sinyalini dinleyiniz ve ne fark ettiğinizi not ediniz. Giriş sinyalinin seviyesini arttırmaya devam ederek hoparlördeki sesin bozulmasını(gürültü) tesbit ediniz. Sizce bu bozulma neden oldu tartışınız. Sonuçların Analizi: 1- Bu deney sonucu gördüğünüz deneysel ve teorik çalışma farklarını açıklayınız. - B sınıfı ush-pull çalışan yükselteçde çıkış gücü nasıl arttırılmaktadır? Açıklayınız. 3- B sınıf çalışmanın avantaj ve dezavantajlarını özetleyiniz. 4- Deneyde sonucu gördüğünüz distorsiyonları açıklayınız? Bunlar neden olmaktadır ve çözüm önerileriniz nedir? SOUA 1- ush-pull çalışan B sınıf yükselteç devresinde bulunan D1 ve D diyotların görevlerini açıklayınız. - Yaptığınız deneyde kullanılan devre simetrik kaynak ile beslenmektedir. Acaba aynı devre aynı çıkışlar için tek bir kaynaktan beslenebilir mi? Bunun için devrede ne gibi değişiklikler yapılmalıdır? 3- Devrede kullanılan C ve C4 kondansatörlerinin görevi nedir? 4- Tek bir transistörün B sınıfı çalıştırılması ile elde edilen güç yükselteci acaba pratikte kullanılabilir mi? ğer kullanılabilir diyorsanız örnek veriniz. 9