KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ELEKTRONİK LAB 1 DERSİ İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ 1 DENEYİ. Amaç:

Transkript

1 KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ ELEKTRONİK LAB 1 DERSİ İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ 1 DENEYİ Amaç: Bu laboratuvarda, yüksek giriş direnci, düşük çıkış direnci ve yüksek kazanç özellikleriyle ideal kuvvetlendiricilere yakın karakteristiklere sahip olan işlemsel kuvvetlendiriciler (operational amplifier Op-amp) ile ilgili deneyler yapılacaktır. Yapılacak deneyler slew rate (değişim hızı) ve tamponlama (buffering) uygulamalarını içermektedir. Malzemeler: - Breadboard, - Bağlantı telleri, - 4 adet krokodil kablo, - 2 adet osiloskop probu, - 2 adet 1 kω direnç, - 2 adet 4,7 kω direnç, - 2 adet 10 kω direnç, - 3 adet LM741 Op-amp, - 2 adet 0,1 uf kondansatör, - Milimetrik kağıt Ön Hazırlık: a. Simetrik besleme nedir ve nasıl yapılır? b. Şekil 6 daki tampon devresi çıkışında ne görmeyi beklersiniz ve bu devre için kazanç değeri nedir? 1. Op-amp DC Besleme Bağlantıları Op-amplar genellikle doğru akım (DC) ile beslenmek zorundadır ve bu yüzden devreye diğer devre elemanları yerleştirilmeden önce besleme bağlantılarının yapılması devre kurulumundaki karmaşıklığı azaltacaktır. Op-ampta besleme simetrik olarak hem pozitif hem de negatif besleme voltajı ile yapılmaktadır. Şekil 1 de deneyde kullanılan LM741 entegresine ait bacak bağlantıları verilmiştir. Kullanılacak Op-ampın 8 bacağı olup nokta şeklinde işaret olan köşeye en yakın olan bacak 1. bacak olarak isimlendirilmektedir. Şekil 1 de 4 ve 7 nolu bacaklardan simetrik besleme yapılacağı görülmektedir. Simetrik besleme ile ilgili bağlantı şeması Şekil 2 de, breadboard üzerinde bu bağlantıların yapılmış şekli ise Şekil 3 te verilmiştir. Breadboardda Op-ampa ait besleme gerilimi ve toprak bağlantıları kolaylık olması açısından en üstte ve en alttaki kırmızı ve mavi çizgilerin olduğu

2 hatlar üzerinden yapılmaktadır. 4 ve 7 nolu bacakta bulunan kondansatörler ise güç kaynağındaki gürültüleri azaltmak için kullanılmaktadır. Şekil 1. LM741 entegre bacak bağlantıları Şekil 2. Op-ampın simetrik beslemesi Şekil 3. Breadboard üzerinde Op-amp bağlantıları Deney boyunca tüm devrelerdeki simetrik besleme gerilimi olarak 5 Volt kullanılacaktır ve deney şemalarında besleme bağlantıları gösterilmeyecektir. Devreniz herhangi bir nedenle çalışmadığında bu bağlantıları kontrol ediniz.

3 2. Birim Kazanç Kuvvetlendirici (Gerilim İzleyici) Teorisi Şekil 4 te birim kazanç kuvvetlendirici konfigürasyonuna ait bağlantılar verilmiştir. Bu bağlantı ile Op-amp girişteki gerilimi hiçbir kazanç olmadan çıkışa yansıtmaktadır. Bu nedenle gerilim izleyici ismini de almaktadır. İlk bakışta kullanışsız bir devre gibi gözükse de yüksek giriş direnci ve düşük çıkış direnci sayesinde avantaj sağlamaktadır. Şekil 4. Gerilim izleyici devre bağlantısı İdeal bir Op-ampta herhangi bir giriş sinyali için, çıkış giriş sinyalini yüksek doğrulukta izler fakat pratikteki kuvvetlendirici devreleri anlık olarak giriş sinyaline asla cevap veremez. Bu ideal olmayan davranış giriş sinyalinin hızla değişmesiyle gözlemlenebilmektedir. Girişe yüksek frekansta bir kare dalga işareti uygulandığında Op-amp çıkışında trapezoid bir şekilde olmaktadır. Bu durum değişim hızı (slew rate) terimi ile ölçülmektedir. Değişim hızı terimi Op-ampın iletebileceği çıkış geriliminin maksimum değişim hızını (eğimini) göstermektedir. Değişim hızı terimi genellikle V/μs birimiyle verilmektedir. 3. Tampon (Buffering) Devresinin Teorisi Şekil 5. Değişim hızı (Slew Rate) hesabı Op-ampın yüksek giriş direnci (sıfır giriş akımı), gerilim kaynağından çok az yüklenildiği anlamına gelmektedir. Bu durum, Thevenin eşdeğer devresi üzerinden yorumlandığında, kaynak devreden hiçbir akım geçmediği ve dolayısıyla iç direnç (Thevenin direnci) üzerinde hiç gerilim düşümü olmadığı anlamına gelmektedir. Bu yüzden ilgili konfigürasyonda Op-amp tampon (buffer) gibi davranarak sistemin diğer parçaları tarafından oluşabilecek yüklenme etkilerine karşı kaynağı korur. Yük devresi tarafından bakıldığından tampon, ideal olmayan gerilim kaynağını ideale yakın hale

4 dönüştürmektedir. Şekil 6 da birim kazanç tampon devresine ait örnek bir devre verilmiştir. Burada Op-amp gerilim bölücü devresine bağlanmış ve çıkışına bir yük direnci eklenmiştir. 4. Deneyde Sırasında Alınacak Ölçümler Şekil 6. Tampon devresi Deney sırasında değişim hızı ölçülmesi ve tampon devresi ile analizlerin yapılabilmesi için farklı devre üzerinde ölçümlerin alınması gerekmektedir. Ölçümlerle ilgili açıklamalar aşağıda paylaşılmıştır Değişim Hızının Ölçülmesi Değişim hızının ölçümü için aşağıdaki adımları izleyiniz ve sonuçları raporun en sonunda bulunan bölüme not ediniz. 1) Op-ampın besleme bağlantılarını yapınız ve doğru olduğundan emin olunuz. 2) Şekil 4 teki gibi Op-ampın girişine 1 Volt genliğinde 1 khz frekansındaki kare dalga işaretini önce osiloskop üzerinde gözlemleyip sonra devreye uygulayınız. 3) Osiloskobun 2. Kanalını şekilde gösterildiği gibi devreye bağlayıp kare dalganın önce inen kenarına sonra çıkan kenarına time/div kullanarak Şekil 5 teki gibi bir yapı görene kadar yakınlaşınız. 4) Yükselme süresi (Tr), düşme süresi (Tf) ölçüp gerilim farkı (ΔV), yükselen kenar için değişim hızı (SR ) ve düşen kenar için değişim hızı (SR ) değerleri hesaplayıp tabloya değerleri not ediniz Tampon Devresi ile İlgili Ölçümler Bu uygulama için aşağıdaki adımları izleyiniz ve sonuçları raporun en sonunda bulunan bölüme not ediniz. 1) Bir önceki deneydeki besleme bağlantılarının doğru olduğundan emin olunuz. 2) Sinyal kaynağından bir önceki deneyde kare dalga olarak seçilen işaretini sinüs işareti olarak seçiniz ve Şekil 6 daki devreyi kurunuz.

5 3) Osiloskobun 1. kanalını şekilde gösterildiği devreye bağlayıp Vout düğümündeki gerilimin genliğini tabloya not ediniz. Osiloskobun aynı kanalı üzerinden GND bağlantısı sabit kalacak şekilde Vin düğümündeki gerilimin genliğini ölçünüz. Bu durumda kazancı hesaplayıp yazınız. 4) 10 kω değerindeki yük direncini (R3) 1 kω ile değiştirip Vin ve Vout düğümlerindeki gerilimlerin genliklerini tabloya not ediniz. Bu durumda kazancı hesaplayıp yazınız. 5) Başka bir 1 kω değerindeki direnci (R4) GND ve 3 nolu bacak arasına (R1 e paralel) olacak şekilde bağlayınız. Giriş ve çıkış genliğini ve kazancı tabloya not ediniz. 6) Raporda sorulan soruları cevaplayınız.

6 Elektronik Laboratuvarı İşlemsel Kuvvetlendirici - 1 Deneyi Raporu Numara: Adı Soyadı: Grup Numarası: 1. Değişim Hızı (Slew Rate) Ölçümleri T r (μs) T f (μs) ΔV = 0,8 x (V max - V min) SR 1 = ΔV T r SR 2 = ΔV T f 2. Tampon Devresi Ölçümleri Direnç Değeri V in (V) V out (V) Kazanç R3 = 10 kω R3 = 1 kω R1 \\ R4 olduğunda (R4 = 1 kω) a. Simetrik beslemenin nasıl yapıldığını kısaca anlatınız. b. R1 ve R3 direnci birbirine paralel olduğunda çıkıştaki gerilim değeri değişmekte midir? Nedenini açıklayınız. c. R3 direncinin değişmesi çıkışı etkiler mi? Nedenini açıklayınız.