Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü DENEY-5-

Transkript

1 KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü Elektrik Makinaları ve Güç Sistemleri Laboratuarı DENEY-5- HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1. Opamp uygulama devreleri nelerdir, araştırma yapınız. 2. Opamp ların kullanım alanları hakkında araştırma yapınız. 3. Opampların yapısı hakkında araştırma yapınız. 4. Triyaklı güç kontrol devre uygulamaları hakkında araştırma yapınız. 5. Transistör multivibratör devre tipleri nelerdir araştırma yapınız. 6. Kaç çeşit multivibratör devresi vardır, araştırma yapınız. Not: Deneye gelmeden önce hazırlık çalışmaları kısmı bir rapor şeklinde hazırlanacak ve bu hazırlık raporuyla birlikte deneye gelinecek. Deneyden önce mutlaka deney föyü okunacak, deneye başlamadan hemen önce hazırlık çalışması ve deney föyünü kapsayan bir yazılı sınav (quiz niteliğinde) yapılacaktır. DENEY 5-A AŞIRI GERİLİM VE DÜŞÜK GERİLİM KESİCİLER DENEYİN AMACI 1. İşlemsel kuvvetlendiricilerin (opamp: operational amplifier) çalışma ilkelerini öğrenmek. 2. Opamplı aşırı gerilim ve düşük gerilim kesici yapmak. GİRİŞ İşlemsel Kuvvetlendiriciler İşlemsel kuvvetlendirici (opamp), diferansiyel girişleri ile bir tek çıkışı olan bir yüksek kazançlı dc kuvvetlendiricidir. Kuvvetlendirici, iki giriş terminali arasında bir potansiyel farkı oluştuğunda çıkış verir, potansiyelleri eşit olduğunda çıkış vermez.

2 2 Opamp, tek bir yarı iletken eleman ile birkaç direnç ve birkaç kapasitörden oluşan yekpare bir tümdevredir. Opampa eklenen birkaç harici elemanla, gerilim kazancı, giriş direnci, çıkış direnci, ve bant genişliği gibi karakteristikler değiştirilebilir. Küçük boyut, güvenilirlik, ve düşük maliyet avantajları ile opamplar, elektronik ürünler, radyo iletişimi, ölçüm sistemleri, tıp elektroniği, ve üretim kontrollerinde çok geniş kullanım alanına sahiptir. 1. OPAMP Karakteristikleri Opampların en az beş terminali vardır: iki terminal besleme gerilimi için, iki terminal giriş işaretleri için ve bir terminal çıkış için, bkz. Şekil 18-1(a). +V ve V ile gösterilen terminaller pozitif kaynak gerilimi ile negatif kaynak gerilim girişleridir. ( ) ve (+) ile gösterilen iki giriş terminali, diferansiyel giriş terminali olarak adlandırılır, çünkü V out çıkış gerilimi bu terminaller arasındaki gerilim farkına, V id, ve kuvvetlendirici çıkışına bağlıdır. ( ) girişi eviren giriş, (+) girişi evirmeyen giriş olarak tasarlanmıştır. Çıkış terminali, yük direncinin, R L, bir ucuna bağlanır. R L nin diğer ucu toprağa bağlanmıştır. Şekil 18-1(b), 15V güç kaynağına ve bir yüke bağlı bir opampı gösteriyor. Anlatılan temel beş terminalin yanında opampların çoğunda, frekans kompanzasyonu yada offset ayarlama elemanlarına bağlanmak üzere ilave terminallere sahiptir. Şekil 18-1 Temel bir OPAMP

3 3 (1) Temel karakteristikler Tasarımcılar, opampları doğru kullanmak için öncelikle opampların yeteneklerini ve sınırlarını bilmelidirler. Bir opampın güç çıkışı, maksimum akım ve gerilim çıkışı ile sınırlandırılmıştır. Eğer genel-amaçlı bir opamp 15V maksimum çıkış gerilimi ve 20mA çıkış akımı değerlerine sahipse, maksimum çıkış gücü: P out = (V out )(I out ) = (15V)(20mA) = 300mW Opamp, frekansı 0Hz den 1MHz e kadar frekans cevabı olan bir dc kuvvetlendiricidir. Bazı özel tasarımlarda, üst kesim frekansı yüzlerce MHz lik frekanslara ulaşabilir. (2) Açık-çevrim gerilim kazancı Açık-çevrim gerilim kazancı, herhangi bir geri besleme bileşeni içermeyen opamp devresinin gerilim kazancıdır. Şekil 18-1(b) de, açık-çevrim gerilim kazancı, A VOL, V out ile V id arasındaki orandır ve şöyle ifade edilir: A VOL = (V out ) / (V id ) A VOL değeri oldukça yüksektir, genellikle ile arasındadır. V id değeri yeterince küçük değilse V out değeri negatif yada pozitif doyma gerilimine ulaşacaktır. V id değerinin çok küçük olması gerektiğinden, opamp devrelerinin tasarımında genellikle 0V olarak kabul edilir. Bu durum sanal sıfır olgusunun açıklamasıdır. Şekil 18-1(b) de, eğer (+) giriş terminalindeki gerilim ( ) giriş terminali gerilimine göre pozitif ise, çıkış gerilimi, V out, devrenin toprağına göre pozitif olacaktır. Buna ters olarak, (+) girişindeki gerilim ( ) girişindeki gerilime göre negatif ise, V out gerilimi de negatif olacaktır. (3) Giriş Direnci R i giriş direnci, Şekil 18-2 de gösterildiği gibi ( ) giriş ile (+) giriş arasındaki dirençtir. İdeal bir opampın giriş direnci sonsuzdur, dolayısıyla diferansiyel giriş akımı I id sıfır olarak kabul edilebilir.

4 4 Şekil 18-2 Giriş Direnci (4) Çıkış Direnci Genel amaçlı opampların çıkış dirençleri 50 ile 200 arasındadır. İdeal olan 0 dur. (5) Ortak-mod giriş Opamp sadece iki giriş terminali arasındaki gerilim farkına cevap verir, ortak potansiyellerine değil. Şekil 18-3 te gösterildiği gibi, çıkış gerilimi ortak girişten,3vdc, etkilenmez. Şekil 18-3 Ortak mod giriş işareti 3Vdc gerilim evirmeyen girişe bağlandığından, eviren girişte gerilim görünecektir ve bu gerilim +3Vdc + 0.2mVp-p ac olacaktır. İdeal bir opamp için, kuvvetlendirilmiş çıkış gerilimi yalnızca 0.2mVp-p bileşeni olabilir ve 3Vdc ortak mod işareti ihmal edilir. Gerçekte, ideal bir opamp olmadığından ortak mod işareti çıkış geriliminde görülecektir. Ortak mod işareti için gerilim kazancı şöyle ifade edilebilir: A VCM = (Ortak mod çıkış gerilimi) / (Ortak mod giriş gerilimi) Tabii ki, daha küçük A VCM, daha iyi bir işlemsel kuvvetlendirme sağlar.

5 5 (6) CMRR Opamp datasheet lerinde bulunan CMRR (Common Mode Rejection Ratio), açık çevrim diferansiyel mod kazancı ile açık çevrim ortak-mod kazancı arasındaki oranı verir ve şöyle ifade edilebilir: CMRR = A VOL / A VCM Örneğin, eğer A VOL = ve A VCM = ise, CMRR = / = 50x10 6 Diğer bir deyişle, CMRR değeri ne kadar büyükse işlemsel kuvvetlendirme de o kadar daha iyi olur. (7) Offset Eğer opamp giriş gerilimi 0V ise, çıkış gerilimi 0V ye eşit olmalıdır. Şekil 18-4(a) da gösterildiği gibi, V id =0V olduğundan, çıkış gerilimi 0V olmalıdır. Bununla birlikte, çıkış geriliminde küçük bir hata gerilim bileşeni olacaktır. Böyle bir durumda bu değer 1.6V dir, ve V ile +V arasında herhangi bir değer olabilir. Şekil 18-4 Offset Etkisi

6 6 Şekil 18-4(b) giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasındaki ilişkiyi gösterir. Kesik çizgi bir ideal opampa aittir. Sürekli çizgi ise gerçek bir opampa aittir. V id = 0V iken, gerçek eğrideki V out çıkış gerilimi 1.6V dir. Bu çıkış gerilimi, sıfır çıkış gerilimi elde etmek için giriş terminallerine uygulanması gereken gerilim olan giriş offset geriliminden kaynaklanır. OPAMP Uygulama Devreleri Gerilim Karşılaştırıcı Bir gerilim karşılaştırıcı, bir girişindeki işaret gerilimi ile diğer girişindeki referans gerilimi karşılaştırır. Bir opamp karşılaştırıcının çıkışı, girişlerden hangisinin diğerine göre pozitif olduğuna göre pozitif yada negatif bir doyma gerilimi olabilir. Şekil 18-5(a) da, bir toprak yada 0V referans (-) girişe uygulanır. Algılanacak gerilim, V in (+) girişe uygulanır. Karşılaştırıcı giriş devresi, V in ile 0V referansı karşılaştırır, karşılaştırıcı çıkışı 0V referansa göre girişin pozitif yada negatif olduğunu gösterir. Eğer V in >0V ise, çıkış gerilimi +15V civarında pozitif doyma gerilimi olacaktır. Eğer V in <0V ise, çıkış gerilimi 15V civarında negatif doyma gerilimi olacaktır. Şekil 18-5(b) deki devrede, V in >0V iken, çıkış gerilimi 15V olmalıdır. V in <0V ise çıkış gerilimi +15V olacaktır. Şekil 18-5 Gerilim Karşılaştırıcılar Şekil 18-5(c) de, -15V ile +15V arasında bir referans gerilim ( ) girişe uygulanır. V in referans gerilimden daha büyükse, çıkış +15V olacaktır. Eğer V in referans gerilimden daha küçükse, çıkış 15V olacaktır.

7 7 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 18-13, opampların kullanıldığı aşırı gerilim ve düşük gerilim algılayıcı devresini gösterir. Opamplar gerilim karşılaştırıcı olarak çalışırlar. Aşırı hat gerilimi yada düşük hat gerilimini canlandırmak üzere, ac giriş geriliminin büyüklüğünü ayarlamak için VR1 direnci kullanılmıştır. IC7812 gerilim regülatörü, devreye kararlı bir 12Vdc gerilim sağlar. SCR kesici olarak çalışmaktadır. Hat gerilimi normal seviyenin üstünde yada altında iken, SCR yükü (12V lamba) kesmek üzere iletime geçer. Şekil Deney Devresi Devrenin üst tarafındaki opamp (U2a) ve alt tarafındaki opamp (U2b) sırasıyla aşırı gerilim ve düşük gerilim algılayıcıları olarak çalışırlar. ZD1 zener diyotu opamplara 5.1V lik bir referans gerilim sağlar. Devrenin çalışması altta anlatılmıştır:

8 8 (1) Düşük Gerilim Algılama Düşük gerilimi algılamak için U2a kullanılmıştır. R2 ve VR3 ten oluşan gerilim bölücü U2a nın (+) girişine giriş gerilimi sağlar. Giriş gerilimi 5.1V den daha büyükse, U2a nın çıkış gerilimi pozitif doyma gerilimi (+12V) olacaktır. Bunun tersine, giriş gerilimi 5.1V den daha küçükse U2a nın çıkış gerilimi negatif doyma gerilimi (0V) olacaktır. U2a nın (+) giriş gerilimini 5.2V ye ayarlanır. Giriş gerilimi çok düşük ise, U2a nın (+) giriş gerilimi 5.1V nin altına düşer ve çıkış gerilimi düşük kalır. Düşük gerilim durumunu haber verecek olan LED1 söner. (2) Aşırı Gerilim Algılama Aşırı gerilimi algılamak için U2b kullanılmıştır. R1 ve VR2 den oluşan gerilim bölücü U2B nin (-) girişine giriş gerilimi sağlar. Giriş gerilimi 5.1V den daha büyük iken, U2b nin çıkış gerilimi negatif doyma gerilimi (0V) olacaktır. Bunun tersine, giriş gerilimi 5.1V den daha küçük iken, U2b nin çıkış gerilimi pozitif doyma gerilimi (+12V) olacaktır. U2b nin (-) giriş gerilimi 5V ye ayarlanır. Giriş gerilimi çok yüksek olduğunda, U2b nin (-) giriş gerilimi 5.1V un üzerine çıkarak çıkış gerilimini düşük seviye yapar. Böylece, aşırı gerilimi haber verecek olan LED2 söner. KULLANILACAK ELEMANLAR KL Güç Kaynağı Ünitesi KL Modülü Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil te gösterildiği gibi KL güç kaynağı ünitesinin AC18V ve AC12V gerilim çıkışlarını KL modülüne bağlayın. 2. VR1 ve VR2 yi saat yönünün tersi yönde, VR3 ü saat yönünde sonuna kadar çevirin. Bağlantı fişini 1 numaraya takın. 3. Köprü doğrultucunun giriş gerilimini multimetre ile ölçün. 14VAC gerilim değeri okunacak şekilde VR1 i ayarlayın. 4. Multimetreyi DCV 10V kademesine getirin. VR3 uçlarındaki gerilimi ölçün ve VR3 ü ayarlayarak 5.2VDC gerilim elde edin.

9 9 5. Multimetreyi DCV 10V kademesine ayarlayın. VR2 uçlarındaki gerilimi ölçün ve VR2 yi ayarlayarak 5.0VDC gerilim elde edin. 6. Multimetreyi kullanarak, U1 girişindeki (pin 1) ve çıkışındaki (pin 2), ZD1 uçlarındaki, üstteki U2 çıkışı (pin 7), ve alttaki U2 çıkışındaki (pin 1) gerilimleri ölçün ve kaydedin. V U1(1) = V; V U1(2) = V; V ZD1(1) = V; V U2(7) = V; V U2(1) = V; 7. Q1 bazındaki ve Q2 emetöründeki gerilimleri ölçün ve kaydedin. V B1 = V; V E2 = V; LED1, LED2, ve lambanın durumlarını ölçün ve kaydedin. AC güç giriş gerilimi normal seviyede mi? 8. RL OFF duruma geçene kadar VR1 i sağa doğru çevirin. AC giriş gerilimini, VR2 ve VR3 uçlarındaki gerilimleri ölçün ve kaydedin. V AC = V; V R2 = V; V VR3 = V; 9. LED lerden hangisi sönük durumda? U2 çıkış gerilimlerini (pin 1 ve pin 7), ve Q1 baz gerilimini ölçün ve kaydedin. V U2(7) = V; V U2(1) = V; V B1 = V; Algılayıcıların hangisi ON durumda? adımdaki sonuca göre, devre (aşırı yada düşük) gerilim durumunda çalışıyor. 11. RL ON duruma geçip tekrar OFF duruma geçene kadar VR1 i sola doğru çevirin. AC giriş gerilimini ölçün ve kaydedin. V AC = V 12. VR2 ve VR3 uçlarındaki gerilimleri ölçün ve kaydedin.

10 10 V R2 = V; V VR3 = V; LED lerden hangisi sönük durumda? U2 çıkış gerilimlerini (pin 1 ve pin 7), ve Q1 baz gerilimini ölçün ve kaydedin. V U2(7) = V; V U2(1) = V; V B1 = V; adımın sonucuna göre, devre (aşırı yada düşük) gerilim durumunda çalışıyor. 14. VR2 ve VR3 ü ayarlayarak VR2 ve VR3 uçlarındaki gerilimleri 5.1V a ayarlayın. 3. adımdan 13. adıma kadar bütün adımları tekrarlayın. Algılayıcı duyarlılıklarındaki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. SONUÇ Opamplı aşırı ve yüksek gerilim algılama devrelerinin çalışmasını ve ölçümlerini incelediniz. Normal çalışmada LED ler ON durumdadır. Aşırı gerilim gerçekleşirse, LED2 söner. Düşük gerilim gerçekleşirse LED1 söner.

11 11 DENEY 5-B AC Flaşör Kontrol Devresi DENEYİN AMACI 1. Triyaklı güç kontrol devre uygulamalarını öğrenmek. 2. Transistör multivibratör devre tiplerini öğrenmek. 3. Transistör multivibratör devrelerinin çalışmasını öğrenmek. 4. Bir AC flaşör devresi gerçekleştirmek. GİRİŞ Flaşör devrelerinin bir kısmı güç flip floplarıdır ve trafik ışıkları, uçak sinyal lambaları, ve neon aydınlatma sistemleri gibi çeşitli uygulamalarda geniş bir alanda kullanılmaktadır. Genelde kullanılan elektromekanik sistemlere göre daha yüksek dereceli bir güvenilirlikle geniş bir akım ve gerilim aralığında çalışabildiğinden, SCR ve triyak bu uygulama için ideale yakın uygunlukta elemanlardır. Yüksek dereceli bir frekans kararlılığı ve geniş bir frekans aralığı elde etmeye ekonomik bir çözüm sunan UJT, PUT, zamanlayıcı tümdevreler ve fotokuplör elemanları, bu tip uygulamalarda SCR ve triyakları ideal tetikleme elemanları haline getirmişlerdir. Karmaşık çalışma düzenlerine sahip flaşör devreler, kontrol işaretleri üretmek ve tetikleme elemanlarını kontrol etmek amacıyla dijital devreler kullanılarak gerçekleştirilebilir. Altta anlatıldığı gibi üç tip multivibratör devresi vardır: 1. Serbest çalışan (astable) multivibratörler; dışarıdan uygulanacak bir giriş işaretine gerek olmadan durum değiştiren iki durumlu bir kare yada dikdörtgen dalga şekli üretirler. 2. Tek kararlı (monostable) multivibratörler; bir giriş tetikleme işareti ile tek bir dikdörtgen dalga üretmek için kullanılırlar. 3. Çift kararlı multivibratörler; flip flop olarak da adlandırılır, yüksek ve düşük potansiyel seviyeleri olmak üzere iki kararlı durumları vardır.

12 12 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 19-11, bu deneyde kullanılan AC flaşör devresini göstermektedir. Bu devre iki ana kısımdan oluşur: transistörlü astable multivibratör devresi ve triyak anahtarlama devresi. Zener diyot, astable multivibratör devresine 12Vdc gerilim sağlar. Giriş bölümünde de bahsedildiği gibi, astable devrenin çıkışları birbirini tümleyen kare dalgadır. Kararlı multivibratör, triyakları tetikleyecek iki emetör izleyici transistörü kontrol eder. Triyaklar sırayla, alternatif olarak iletime ve kesime giderler. Şekil AC Flaşör Devresi KULLANILACAK ELEMANLAR KL Güç Kaynağı Ünitesi KL Modülü Dual-Trace Osiloskop

13 13 DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil de gösterildiği gibi, KL güç kaynağı ünitesinin 12VDC ve 110VAC çıkışlarını KL Modülüne bağlayın. Güç kaynağını açın. Şekil Deney Devresi 2. Flaşör görünebilir bir hızda çalışacak şekilde VR leri ayarlayın. Osiloskopu kullanarak, V B1, V B2, V C1, ve V C2 gerilim dalga şekillerini gözlemleyin ve alttaki tablolara çizin. V C1 ve V C2 çalışma oranlarını (duty cycle) eşitleyin.

14 14 3. Triyakın V AK1, V AK2, V G1, ve V G2 dalga şekillerini gözlemleyin ve alttaki tablolara çizin. 4. LP1 ve LP2 yük gerilimleri ile 110VAC gerilimi gözlemleyin ve dalga şekillerini alttaki tablolara çizin.

15 5. VR leri çevirerek, V C1 ve V AK1 deki değişimleri gözlemleyin ve kaydedin VR leri çevirerek, LP1 ve V AK1 deki değişimleri gözlemleyin ve kaydedin. 7. Osilasyon frekansı artacak şekilde VR leri ayarlayın. Triyak ve flaşördeki değişimleri gözlemleyin ve kaydedin. 8. Osilasyon frekansı azalacak şekilde VR leri ayarlayın. Triyak ve flaşördeki değişimleri gözlemleyin ve kaydedin. 9. Flaşör normal çalışacak şekilde VR leri ayarlayın. Osilasyon frekansını ölçün ve kaydedin. f = SONUÇ Astable multivibratör, flaşör devreleri için basit ve uygun bir devredir. Bu deneyde, AC kaynağın her bir yarım periyodunda, triyakın iletim açısını inceledik. Bunun sebebi, pozitif ve negatif yarım periyotlar boyunca tetiklemenin farklı modlarda gerçekleşmesidir. Triyak kapı tetikleme modlarını gözden geçirelim: I+ MT2 pozitif, V G pozitif I- MT2 pozitif, V G negatif III- III+ MT2 negatif, V G pozitif MT2 negatif, V G negatif I+ ve III- modlarında, triyak tetikleme duyarlılıkları aynıdır ve I- modunun duyarlılığından daha yüksektir. III+ modunun tetikleme duyarlılığı oldukça düşüktür. Bu dezavantajı azaltmak için, Şekil te gösterilen basit bir diferansiyel alıcı

16 16 devre triyak kapı tetiklemesinde kullanılabilir. Girişinde yüksek seviye bir darbe oluşturulduğunda diferansiyel alıcı devre pozitif ve negatif darbeler oluşturur. Bu tetikleme darbeleri triyakın I+ ve III- modlarında çalışmasını sağlar. Şekil Diferansiyel Alıcı Devre Bu devrenin diğer bir dezavantajı, osilatör çıkış işareti ile AC kaynak arasındaki senkronizasyon problemidir. Bu probleme getirilecek güzel bir çözüm, Şekil te gösterildiği gibi tek kararlı multivibratörü kontrol etmek için bir darbe üreteci kullanmaktır. Darbe üreteci, daha önce anlatıldığı gibi bir UJT yada PUT kullanılarak gerçekleştirilebilir. Şekil Senkronizasyon Blok Diyagramı