T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 OPAMP DEVRELERİ-2

Transkript

1 T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 OPAMP DEVRELERİ-2 DENEY SORUMLUSU Arş. Gör. Memduh SUVEREN MART 2015 KAYSERİ

2 OPAMP DEVRELERİ 1. DENEYİN AMACI Bu deneyde, elektronik uygulamalarında kullanılan lineer tümdevre elemanlarından opampın türev-integral uygulama devreleri incelenecektir. Deneyde türev ve integral alıcı devreleri kurularak sisteme ait denklemler yazılacak daha sonra kurulan devre üzerinde voltaj ve akım ölçümleri gerçekleştirilerek yapılan analizlerin doğruluğu fiziksel olarak gösterilmiş olacaktır. 2. ÖN BİLGİ 2.1. Opamplı Türev Alıcı Devre Bir türev alıcı devre giriş işaretinin değişim hızıyla orantılı çıkış üreten bir devredir. Giriş işaretinin genliği zamanla değişmiyorsa devrede çıkışta üretilmeyecektir. Şekil 5.1 de türev alıcı temel bir opamp devresi görülmektedir. Burada eviren bir kuvvetlendiricide kullanılan R i giriş direnci yerine C kapasitörü kullanılmaktadır. Kapasitörler, bir devre üzerinde çalışırken üzerlerine düşen DC akımı bloke ederler. Buna karşın üzerlerine bir AC akımı uygulandığında ise uygulanan işaretin frekans değerine bağlı olarak kapasitif bir reaktans gösterirler. Diğer bir deyişle üzerlerine uygulanan AC akımı geçirirler. Şekil 5.1. Opamplı türev alıcı devre Şekil 5.1 de görülen devrenin çıkışındaki voltaj yazılacak olursa denklem (1) elde edilmiş olacaktır. V 0 = R F. i = R F. C. dv i (1) 1

3 Burada dv i herhangi bir anda giriş işaretinin eğimi veya değişim hızını temsil etmektedir. Matematiksel olarak bu ifade türev fonksiyonu olarak bilinir. Bu bağlamda zaman göre değişen bütün fonksiyonlar denklem (1) e uygulanabilmektedir. Ancak konunun kolay anlaşılabilmesi için deneyde zamana bağlı değişimin lineer olarak değiştiği üçgen dalga kullanılacaktır. Analog işaretlerin türevlerinin alınmasında kullanılan bu devrenin yüksek frekanslarda çalıştırılabilmesi için devrenin kapalı çevrim kazancının belirlenmesinde kullanılan giriş empedans değerinin belirlenmesi gerekmektedir. Şekil 5.1 deki devrenin uygulamasında yüksek frekanslarda giriş empedansını tanımlayan C elemanının kapasitif reaktansı düşeceği için Şekil 5.2 de ki R A sınırlama direnci kullanılmıştır. Şekil 5.2. Yüksek frekanslar için türev alıcı devre Şekil 5.1 deki türev alıcı devrenin girişine tepeden tepeye genliği V pp =1V olan 2KHz lik üçgen dalga şeklinde ki bir işaret uygulanmıştır. Devrede kullanılan elemanların gerçek değerleri C=0.01μF R f =50Kohm olduğunda V 0 çıkışı aşağıdaki gibi bulunur. Pozitif eğim=t 1 = dv İ = V İ t = 1V s = 4000 V s Denklem (11) kullanılarak V 0 (t 1 ) = R F. C. dv i = = 2V Negatif eğim=t 2 = dv İ = V İ t = 1V s = 4000 V s t 2 süresince çıkış voltajı; V 0 (t 2 ) = R F. C. dv i = ( 4000) = 2V 2

4 2.2. Opamplı İntegral Alıcı Devre Şekil 5.3 Türev alıcı devreye ait giriş çıkış dalga şekilleri İntegral alma bir anlamda türevin tersidir.yani integral, alan hesaplama işlemidir. İntegral alıcının çıkışı, zamana göre giriş eğrisinin altında kalan alanın bir fonksiyonudur. Bu alan ise, işaretin genliği ile zamanın çarpımıdır. Giriş işaret eğrisinin altında kalan alan zamanla artarsa; çıkış artar, zamanla azalırsa çıkış da azalır. Temel integral alıcı devre Şekil 5.4 de görülmektedir. Bu devrenin çıkış voltajı, Şekil 5.4. Temel integral alıcı devre Denklem (2) ye göre eğer devrenin giriş gerilimi V i =V DC ise V 0 =-(V.t)/RC şeklinde bir rampa olacaktır. İntegral alıcı devrede eğer, giriş işaretinin frekansı değişirse kullanılan C kapasitörünün kapasitif reaktansı da değişir. Buna bağlı olarak çok düşük frekanslarda kapasitör yüksek empedans göstereceğinden devrenin DC kazancını sınırlandırmak için Şekil 5.5 te görüldüğü gibi C kapasitörüne paralel bir direnç ilave edilir. 3

5 V 0 = 1 C T. i. 0 T = 1. V İ. = 1 C 0. V R İ R.C i. 0 T (2) 2.3. Opamplı Skala Devresi Şekil 5.5. Düşük frekanslar için integral alıcı devre Opamp ın toplama, çıkartma, çarpma, bölme gibi aritmetik işlemlerle türev, integral, logaritma gibi işlemleri yapabildiğini daha önce söyledik. Bu işlemlerin birleştirildiği karmaşık matematik denklemlerinin devreler vasıtasıyla çözülmesi tabi ki mümkün olacaktır. Bu kısımda temel işlemlerin birlikte kullanıldığı skala devrelerinden bahsedeceğiz. Örneğin; Bir analog sensörden gelen -100mV ~ 300mV arasında değişen gerilimi bir ADC girişine uygulayabilecek şekilde 0V~10V aralığına lineer bir şekilde dönüştürmek istediğimizde yaptığımız işlem skala işlemidir. Kullanılacak devre ve hesabı şu şekilde olacaktır; İşlem lineer bir işlem olduğundan skala bloğu Ax+B işlemi yapmalıdır. 100mV 0.1A + B = 0 300mV 0.3A + B = 10 olacaktır Taraflar çıkarılırsa 0.4A = 10 A = 25, B = 2.5 bulunur. Yani -100mV~300mV arasında değişen giriş gerilimi x olursa çıkış gerilimi 25.x olmalıdır. Bu durumda çıkış gerilimi 0V~10V arasında olacaktır. Bu işlemi gerçekleştiren devre ise şekil 5.6 da gösterilmiştir. 4

6 Şekil 5.6. Skala devresi Sekil 5.6 daki devre incelendiğinde sensörden gelen girişin 1. Opampta -25 kat, 1V girişin ise -2.5 kat kuvvetlendirilip toplandığı (eviren toplayıcı) daha sonra önündeki eksi işareti kaldırmak için 2. Opampta -1 ile çarpıldığı (eviren kuvvetlendirici) neticede Vo çıkışının 0 ile 10V arasında değiştiği görülebilir. Bu devrede oranlar aynı kalacak şekilde çok farklı şekilde de yapılabilirdi. Mesela 1V yerine 5V giriş tercih edilip R3 direnci 50k yapılabilirdi. 3. DENEYİN YAPILIŞI 3.1. Opamplı Türev Alıcı Devrenin Kurulması Şekil 5.7. Türev alıcı uygulama devresi. 1. Şekil 5.7 de görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2. R2 direnci ne için kullanılıyor yorumlayınız. 3. Osiloskop kanalını AC konuma alınız. 4. Giriş işaretini tepeden tepeye değeri 4V frekansı 1KHz olan bir üçgen dalga şeklinde ayarlayınız. 5. Sistemi enerjilendirerek devrenin giriş ve çıkış işaretlerini osiloskop ekranında görerek yorumlayınız. 6. Çıkış voltajının tepe değerlerini ölçerek teorik olarak hesaplanan eğim değeri ile eşleştiğini doğrulayınız. 5

7 3.2. Opamplı Skala Devresinin Kurulması Şekil 5.8. Opamplı Skala uygulama devresi. 1. Vo çıkışını parametrik olarak hesaplayınız. 2. A noktasındaki giriş ile D noktasındaki çıkış gerilim değerlerinin hangi aralıkta değiştiğini hesaplayınız. 3. A-D bloklar arasındaki denklemi hesaplayınız. 4. A-B arasında kullanılan opamp ın kullanım amacını açıklayınız. 5. Şekil 5.8 de görülen devreyi deney bordu üzerine kurarak teorik olarak hesapladığınız değerlerle karşılaştırınız. 6