DENEY 13 İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ (Op Amp)

Transkript

1 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) A. DNYİN AMACI : Opampın kuvvetlendirici özelliğinin daha iyi bir şekilde anlaşılması amacıyla uygulamalı devre çalışmaları yapmak. B. KULLANILACAK AAÇ V MALZML : 1. Multimetre 2. DC Güç Kaynağı entegresi, değişik değerlerde dirençler ve bağlantı kabloları 4. Protoboard C. DNY İL İLGİLİ ÖN BİLGİ: İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Operational Amplifier OpAmp): İşlemsel Kuvvetlendiriciler, uygun direnç değerleri seçilerek karmaşık işlemlerin (terslendirme, kuvvetlendirme, toplama, çıkarma, türev alma, integral alma vs.) birkaç basit adım ile- gerçekleştirilebilmesini sağlayan elektronik elemanlardır. Opampın şematik olarak en basit gösterimi aşağıdaki gibidir. Piyasada değişik amaçlar için üretilmiş çok sayıda opamp entegresi bulunmaktadır. Bu entegreler içinde en çok kullanılanı ise 741 entegresidir. 741 entegresi yandaki şekilde de görüldüğü gibi- 8 bacaklı olup, bunlardan 8.si boştadır. Yukarıdaki şematik gösterimde yalnızca üç uç olmasına rağmen, pratikte fazladan dört uca daha ihtiyaç vardır: V + ve V _ simetrik dc besleme uçları ile ofsett sıfırlayıcı uçları. V 1 : viren Giriş V 2 : virmeyen Giriş : Çıkış 1

2 İŞLMSL DNY 13 KUVVTLNDİİCİİ (Op Amp) 741 entegresinin şematik opamp eşdeğeri şu şekildedir: Ofsett sıfırlayıcı uçları hassass devre tasarımı için göz önüne alınması gereken uçlar olup, bunun haricinde fazla kullanılmazlar (Bakınız: 1. ödev sorusu). V + ve V _ simetrik dc besleme uçları opampın çalışması için oldukça önemli uçlar olup, bu uçlara aşağıda ve yandaki şekilde görüldüğü gibi dc simetrik kaynak bağlanmalıdır. DC simetrik kaynak, -1. Föyde anlatıldığı gibi- Güç Kaynağının ayarlı kaynak seçim tuşları SIS konumuna getirildikten sonra, 'master' olan sağdaki kaynaktan voltajın ayarlanması ile elde edilir. İDAL OPAMP: İdeal Opampın beşş önemli özelliği vardır: 1. i = Ω 2. o =0Ω 3. A= 4. I 1 =I 2 =0A ( i = Ω dan) 5. V 1 =V 2 (A= dan) 2 İn. Ü., lektrik lektronik Müh. Bölümü

3 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) TML OPAMP UYGULAMALAI: a) viren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier): Çıkış Voltajı: V o f = i Kapalı çevrim kazancı: Vo f = i f Kapalı çevrim kazanç sınırlaması: i Vb b) virmeyen Kuvvetlendirici (Noninverting Amplifier): Çıkış Voltajı: V f = ( 1+ o ) i Kapalı çevrim kazancı: Vo =1 + f i Kapalı çevrim kazanç sınırlaması: 1 + f i Vb c) Voltaj Takip dici (Voltage Follower): Çıkış Voltajı: = Kapalı çevrim kazancı: = 1 Kapalı çevrim kazanç sınırlaması: 1 Voltaj takip edici devresi, evirmeyen kuvvetlendiricinin özel bir şeklidir ( i = Ω, f =0Ω). Kazancı 1 olduğu için, birim kazançlı kuvvetlendirici olarak da adlandırılır. Voltaj takip edici, çok yüksek giriş empedansına sahip olduğundan, genellikle izolasyon devresi olarak kullanılır. İzolasyon devresi, birbiri ardına bağlanan iki devre arasındaki yükleme etkisini (loading effect) ortadan kaldıran devredir. V b 3

4 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) d) Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier): Çıkış Voltajı: f Vo = n f = i i= 0 i f f n n ğer, devredeki tüm dirençlerin değeri aynı ise, n V = olur. o i i= 0 e) Fark Alıcı Kuvvetlendirici (Differential Amplifier): 2 Çıkış Voltajı: = ( 2 1) ğer, devredeki tüm dirençlerin değeri aynı ise, = 2 1 olur. 1 OPAMP DVSİ TASAIMINDA DİKKAT DİLMSİ GKN BAZI HUSUSLA: Opamp devreleri için eleman seçiminde, pratik sınırlamalardan kaynaklanan çeşitli sorunlar nedeniyle dikkat edilmesi gereken bazı önemli hususlar vardır: 1. Standart Direnç Değerleri Problemi: Bilindiği gibi dirençler belirli standart değerlerde üretilirler. Bu durum tasarımda probleme neden olabilir. Örneğin, bir eviren kuvvetlendiricide kapalı çevrim kazancının 25 olması amaçlansın. Tasarımcı, önce standart direnç değerleri ile bu değeri elde edip edemeyeceğine bakmalıdır. ğer elde edemiyorsa, uygun direnç kombinasyonları ile bunu sağlamaya çalışır. Örneğin i =4kΩ ve f =100kΩ seçiminde 4kΩ luk standart direnç değeri olmadığından iki tane 2kΩ luk direnç seri bağlanarak bu sorun aşılabilir. 4kΩ elde etmek için bir başka çözüm ise 5kΩ luk bir potansiyometre kullanmaktır. 4

5 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) 2. Kullanılan Dirençlerin Hassaslık Problemi: Özellikle hassas tasarımlarda, dirençlerin ölçü aleti ile elde edilen gerçek değerini göz önüne almak gerekir. Buna göre direncin üstünde yazan değeri ile gerçek değeri arasındaki farkın daha az olduğu düşük toleranslı (tercihan %1 lik) dirençlerin kullanımı tercih edilmelidir. 3. Yüksek Yük Akımı Problemi: Çıkış akımının çok büyük olması opampın zarar görmesine neden olur. Örneğin, bir eviren kuvvetlendiricinin çıkışındaki akımı göz önüne alalım. Bu devrede =0.4V, i =4kΩ ve f =100kΩ değerleri için çıkış voltajı -10lur. Bu durumda çıkış akımı ise I o = / f =0.1mA olarak -makul bir değerde- elde edilir. ğer aynı devrede i =0.4Ω ve f =10Ω seçilse, aynı çıkış voltajına karşın I o = / f =1A gibi oldukça yüksek değerde- bir çıkış akımı elde edilir. Bu değer muhtemelen opampın zarar görmesine neden olacaktır. Bu nedenle opamp devresi tasarımında seçilecek olan direnç değerleri minimum 100Ω olarak seçilmelidir. Bununla birlikte direnç değerlerinin genellikle 1kΩ un üstünde seçilmesi tavsiye edilir. 4. Parazit Sorunu: Opampa bağlanan çok yüksek değerli dirençler, istenmeyen işaretlerin meydana gelmesine neden olabilir. Bu nedenle opampa bağlanacak olan direnç değerlerinin 1MΩ un üstünde seçilmemesi tavsiye edilir. (Kaynak: izzoni, Principles and Applications of lectrical ngineering) D. DNY BASAMAKLAI: 1. Aşağıda verilen devreyi göz önüne alınız. 741 için dc besleme voltajı: V + =20V, V _ =-20V Bu devre için altı farklı durum göz önüne alınacaktır. a) =5V, i =2kΩ, f =2kΩ b) =5V, i =1kΩ, f =2kΩ c) =5V, i =2kΩ, f =1kΩ d) =-5V, i =2kΩ, f =2kΩ e) =-5V, i =1kΩ, f =2kΩ f) =-5V, i =2kΩ, f =1kΩ 5

6 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) - Hesaplama Adımı: Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi hesaplayarak Tablo 1 e kaydediniz. Tabloya akımların yönlerini de yazınız (Voltajın polaritesine gerek yok, çünkü devrede nun polaritesi zaten belirlenmiş). Tablo 1 a b c d e f I i I f 6

7 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) - Ölçme Adımı: a) Devreyi protoboard üzerine kurunuz. Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 2 ye kaydediniz. Tablo 2 a b c d e f I i I f b) Giriş voltajını artırarak opampın hangi değerinde doyuma gittiğini bulunuz. = V - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPIC ortamında kurunuz. Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 3 e kaydediniz. Tablo 3 a b c d e f I i I f 7

8 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) 2. Aşağıda verilen devreyi göz önüne alınız. 741 için dc besleme voltajı: V + =20V, V _ =-20V Bu devre için altı farklı durum göz önüne alınacaktır. a) =5V, i =2kΩ, f =2kΩ b) =5V, i =1kΩ, f =2kΩ c) =5V, i =2kΩ, f =1kΩ d) =-5V, i =2kΩ, f =2kΩ e) =-5V, i =1kΩ, f =2kΩ f) =-5V, i =2kΩ, f =1kΩ - Hesaplama Adımı: Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi hesaplayarak Tablo 4 e kaydediniz. Tabloya akımların yönlerini de yazınız (Voltajın polaritesine gerek yok, çünkü devrede nun polaritesi zaten belirlenmiş). 8

9 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) Tablo 4 a b c d e f I i I f - Ölçme Adımı: Devreyi protoboard üzerine kurunuz. Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 5 e kaydediniz. Tablo 5 a b c d e f I i I f - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPIC ortamında kurunuz. Yukarıda verilen altı durum için, I i ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 6 ya kaydediniz. Tablo 6 a b c d e f I i I f 9

10 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) 3. Aşağıda verilen iki devreyi göz önüne alınız. Her iki devre için =5V, S =1kΩ, L =1kΩ olarak veriliyor (741 için dc besleme voltajı: V + =20V, V _ =-20V). (a) (b) - Hesaplama Adımı: Yukarıda verilen iki devre için V 1, I S, V 2 ve I L yi hesaplayınız. 741 in kazancı 1 olmasına rağmen (yani V 1 =V 2 ), sonuçların neden farklı olduğunu anlatınız. 10

11 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) - Ölçme Adımı: Her iki devreyi protoboard üzerine kurunuz. Yapacağınız ölçümlerle Tablo 7 yi doldurunuz. Tablo 7 1. devre 2. devre V 1 I S V 2 I L - Simülasyon Adımı: Her iki devreyi PSPIC ortamında kurunuz. Yapacağınız ölçümlerle Tablo 8 i doldurunuz. Tablo 8 1. devre 2. devre V 1 I S V 2 I L 4. Aşağıda verilen devreyi göz önüne alınız. Bu devrede 1 =5V, 2 =2.5V, V + =20V, V _ =-20V, 1 =2kΩ ve 2 =2kΩ olarak verilmektedir. Dikkat edilirse devre için dört tane voltaj kaynağına ihtiyacımız vardır. limizdeki üç kaynakla bu sorunun üstesinden gelmemiz gerekiyor. Bunun için bir çözüm, voltaj takip edici kullanarak 2 yi 1 den elde etmektir. O halde devrenin son hali aşağıdaki gibi olur ( dirençleri voltaj bölücü olarak kullanılmıştır. Bu dirençlerin değerini kendiniz belirleyiniz): 11

12 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) - Hesaplama Adımı: Yukarıda verilen devre için, I 1, I 2 ve I f yi hesaplayınız. Akımların yönlerini belirtmeyi unutmayınız. - Ölçme Adımı: Devreyi protoboard üzerine kurunuz. Her iki opampı aynı kaynak üzerinden paralel olarak besleyebilirsiniz., I 1, I 2 ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 9 a kaydediniz. Tablo 9 I 1 I 2 I f - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPIC ortamında kurunuz. Devreyi önce voltaj takip edici olmadan, sonra da voltaj takip edici varken durumları için ayrı ayrı simüle ediniz. Her iki durum için, I 1, I 2 ve I f yi ölçerek sonuçları akımların yönleri ile birlikte- Tablo 10 a kaydediniz. Her iki devre için sonuçlar aynı mıdır? Farklılık varsa neden? 12

13 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) Yorum: Tablo 10 I 1 I 2 I f Voltaj takip edici yok Voltaj takip edici var 5. Aşağıda verilen devreyi göz önüne alınız. Bu devrede 1 =5V, 2 =3V, V + =20V, V _ =-20V, 1 =2kΩ ve 2 =2kΩ olarak verilmektedir. - Hesaplama Adımı: Yukarıda verilen devre için voltajını hesaplayınız. 13

14 İŞLMSL KUVVTLNDİİCİ (Op Amp) - Ölçme Adımı: Devreyi protoboard üzerine kurunuz. Dördüncü kaynak için bir önceki deneydekine benzer bir çözüm bulunuz. Devrenin yeni şeklini aşağıya çiziniz. voltajını ölçerek sonucu aşağıya kaydediniz. Devrenin yeni şekli = V - Simülasyon Adımı: Devreyi PSPIC ortamında kurunuz. Devreyi önce voltaj takip edici olmadan, sonra da voltaj takip edici varken durumları için ayrı ayrı simüle ediniz. Her iki durum için voltajını ölçerek sonuçları aşağıya kaydediniz. Her iki devre için sonuçlar aynı mıdır? Farklılık varsa neden? = = V (voltaj takip edici yok) V (voltaj takip edici var). DNY SONASI ÖDV: in 1 ve 5 nolu offset sıfırlayıcı uçları hakkında ayrıntılı bir araştırma yapınız. Bu uçları ne zaman kullanmak gerekir? Offset uçları olmayan LMC6061 entegresi hakkında bilgi toplayarak, bu entegrede neden offset sıfırlayıcı uçları olmadığını cevaplayınız. 2. Piyasada üç çeşit opamp kuvvetlendiricisi kullanılmaktadır. Bunlardan en çok kullanılanı bu föyde anlatılan- voltaj kuvvetlendiricisidir. Diğer iki tip opamp kuvvetlendiricisi olan akım kuvvetlendiricisi (current amplifier) ve OTA (opamp transconductance amplifier) hakkında araştırma yaparak, genel özelliklerini veriniz. 3. Piyasada opampların en sık karşılaşılan uygulamalarından birisi de enstrümental kuvvetlendiricidir (instrumentation amplifier). Bu kuvvetlendiricinin devresini çizerek, çıkış voltajını veren formülü elde ediniz. 14