ELEKTRONİK DEVRELER LABORATUVARI

Transkript

1 İstanbul Ticaret Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü ELEKTRONİK DEVRELER LABORATUVARI AD SOYAD NO

2 UYARILAR Laboratuvara gelmeden önce yapacağınız deney ile ilgili teorik bilgiye çalışınız. Laboratuvara yiyecek-içecek getirilmemelidir. Bireysel olarak aldığınız notlarınızı, ölçüm ve hesaplamalarınızı lab kitapçığınıza temiz bir şekilde işleyiniz. Her deney sonunda sorumlu öğretim elemanından imza almadan laboratuvardan çıkmayınız. Dönem içerisinde yapılan tüm deneylerin minimum %80 nine gelmek zorunludur. İnternetteki ve bölüm panosundaki duyuruları takip ediniz, güncel deney takvimine uyunuz. Dönem sonunda kitapçığınızı teslim ediniz. 2

3 İçindekiler Bahar Yarıyılı Elektronik Devreler Laboratuvarı Çalışma Tablosu... 4 Deney 1. Yarım Dalga Doğrultucu Ve Filtre Devresi... 5 Deney 2. Opamp lı 4 Ve 5 Bitlik Dac Devresi... 9 Deney 3: Bjt Transistör Karakteristikleri Deney 4. Köprü Diyotlu Doğrultucu Ve Filtre Devresi Deney 5. Üç Terminalli Voltaj Regulatorü Deney 6. Opamp lı İntegral Alma Devresi Deney 7. Opamp lı Comparator Ve Pwm Uygulaması Deney 8. Opamp lı Pencere Tipi Karşılaştırma Deney 9. Schmıtt Trıgger Ve Kare Dalga Osilatörü

4 Bahar Yarıyılı Elektronik Devreler Laboratuvarı Çalışma Tablosu Ad Soyad: Deney Adı Tarih İmza (Deney Sorumlusu öğretim elemanı) 4

5 DENEY 1. Yarım Dalga Doğrultucu ve Filtre Devresi Hazırlık ve çalışma soruları 1) AC bir işaretin etkin değeri (rms değeri), max değeri nedir, nasıl hesaplanır? Aralarındaki ilişki nedir? 2) Yarım dalga doğrultucu V dc çıkış değeri ve RC filtre elemanlı çıkışın V ripple gerilim değeri nasıl hesaplanır? Deneyin Yapılışı 1) Aşağıdaki devreyi electronics workbench simülasyon programında çiziniz. Kullanmanız istenen R, C değerlerini kaydediniz. V= Volt; f=. Hz ; R=.. ; C=. Devrede R ve C elemanı yokken V max = V eff *.., V ort = V max /, 2) AC kaynağın V max değerini hesaplayınız. V max = 3) Tek diyotlu yarım dalga doğrultucu çıkışının DC eşdeğerini hesaplayınız. V DC =.. 4) Voltmetrede okuduğunuz V DC çıkış değerini yazınız. V DC (ölçülen)=. 5

6 5) Giriş işaretini ve YDD çıkış işaretini osiloskop üzerinde çizdiriniz. Görüntüyü ölçekli olarak buraya da çiziniz. 6) Osiloskop ekranı üzerinde T, Vmax değerlerini okuyup kaydediniz. Frekansı hesaplayınız. T = f= Vmax= Hesaplanan Ölçülen V max V DC-ort 8-) Simülasyon üzerinde S anahtarlarını kapatarak filtre çıkışını gözlemleyiniz. Ve filtre çıkışının grafiğini çiziniz. 6

7 2) V ort V max *. (1),. (2),. (3),. (4) Hesaplanan Ölçülen RC zaman sabiti R=5KΩ, C=10uF (1) Vort R=10KΩ, C=10uF RC zaman sabiti (2) Vort R=1KΩ, C=200uF RC zaman sabiti (3) Vort R=10KΩ, C=50uF RC zaman sabiti (4) Vort 7

8 Ripple oranları= %... (1), %... (2), %...(3), %... (4) Ödev sorusu: 4 diyotlu köprü-tam dalga doğrultucu devresini çiziniz ve deneyi tekrar ediniz. Yarım dalga doğrultucu ile karşılaştırınız. 8

9 Deney 2. OPAMP lı 4 ve 5 bitlik DAC Devresi Hazırlık Soruları 1) DAC nedir, ne işe yarar, hangi devre elemanları ile oluşturulabilir? Deneyin Yapılışı 1) OPAMP lı 4-bitlik DAC devresini electronics workbench simülasyon programında çiziniz. 2) Devreyi çalıştırarak çıkış işaretini osiloskop ekranında gözlemleyiniz ve ölçekli olarak çiziniz. 4-bitlik DAC devresi 9

10 3) Gerilim kazancını hesaplayınız. Vo/Vi 4) OPAMP çıkışında bulduğunuz Vo(max) değerini, Vi(max) değerine bölerek, 3.cü adımdaki hesabınız ile karşılaştırınız. Devre 5 bit lik DAC devresi 5) 5 bitlik DAC devresini çiziniz. 10

11 6) Devrenin girişinde olabilecek max. (11111) 2 değere karşılık çıkışta +12,4 V elde edilmesi için gerekli direnç değerleri hesaplayınız. 7) Öğrenci No: X Y 1X,Y0 Volt Giriş (11111) 2 iken yukarıdaki gerilim değerini üretmek için gerekli direnç değerleri hesaplanması 11

12 8) Diğer giriş değerleri için oluşacak çıkış değerlerine örnekler (Vmax=Vout(11111) 2 =1X.Y0V veren devre için) Giriş Vout-Hesaplanan Vout-Ölçülen (10101) 2 (00001) 2 (01110) 2 (10111 ) 2 (11110 ) 2 (11001) 2 12

13 13

14 DENEY 3: BJT TRANSİSTÖR KARAKTERİSTİKLERİ Sorular. S1. BC548B transistörünün kataloğunu (datasheet) internette bularak inceleyiniz. Katalog hangi firmaya aittir? Transistörün tipi (PNP ya da NPN) nedir? Maksimum kollektör akımı ne kadardır, bu akım aşılırsa ne olur, neden? V CEQ, V CBQ değerleri ne kadardır, bu değerler neyi gösteriyor? DC akım kazancı DC =h FE ne kadardır? Bu değer hangi koşul(lar) için verilmiştir? Küçük akım kazancı (h fe ) değeri hangi aralıktadır? Neden sabit bir değer verilmemiştir? Transistör için hfe ile hfe aynı şeyleri mi ifade eder, farkları nedir? Transistör için β neyi ifade eder? Transistörün bacak bağlantılarını gösteren şemayı çizerek deneye getiriniz. Ön Bilgi Ortak Emiterli (Ortak Yayıcılı, Common Emitter-CE) Yükseltici Ortak Kollektörlü Yükseltici (Ortak Toplayıcılı, Common Collector-CC) Ortak Bazlı Yükseltici (Common Base, CB) Doyum (Saturation): Baz akımı (IB) artıyor, buna karşın kollektör akımı artmıyorsa, bir başka ifade ile I C =.I B denklemi gerçeklenmiyorsa, tranzistörün doyuma girdiği anlaşılır. Bu anda Kollektör-Emiter bağlantısı kısa devre imiş gibi çalışır. Kesim Durumu (Cut-off): Tranzistorun giriş akımı sıfır ve buna mukabil çıkış akımının da sıfır olduğu durumdur. Kollektör-emiter bağlantısı açık devre imiş gibi çalışır. Aktif Bölge (Aktif Çalışma Bölgesi): Tranzistorun ne kesim durumunda ne de doyum durumunda olmadığı durumdur. DC Analiz (DC Bias): Tranzistorun DC Gerilim veya Akımın analizidir h FE : Akım kazanç katsayısı (büyük işaret, DC Akım) h fe : Akım kazanç katsayısı (küçük işaret, AC Akım) Kollektör-Emiter gerilimi (V CE ) Baz-Emiter Gerilimi (V BE ) Baz Akımı (I B ) Kollektör Akımı (I C ) Emiter Akımı (I E ) 14

15 2. Deneyin Yapılışı Şekil 1. Devre Şeması 1. Şekil-1 de gösterilen devreyi EWB ortamında çiziniz. 2. Öncelikle I B, I C, V BE ve V CE değerlerini ampermetre ve voltmetre ile ölçüp kaydediniz. I B = I C = V BE = V CE =. 3. İlgili devrede C1 ve C2 kondansatörlerinin gerekliliğini tartışınız ve ne işe yaradığını kısaca açıklayınız. 4. R 1 Direncinin değerini ayarlayarak I B değerinin 0A e eşit olmasını sağlayınız. I B =0A olduğu durumda I C akımının değerini ölçünüz ve kaydediniz. I C =.. 5. R 1 Direncinin değerini ayarlayarak I C nin en büyük akım değerine ulaşmasını sağlayınız. Bu akım değeri I C nin doyma (saturation-sat) akım değeridir. Bu değeri kaydediniz. I C =.. Bu değerdeki IC değerini I B değerine bölerek h FE kazancını hesaplayınız. h FE =.. 15

16 6. I C doyum değerine ulaştıktan sonra I B değerini arttırmak için R 1 Direncinin değerini değiştiriniz. Yaptığınız değişim sonrası elde ettiğiniz I B ve I C değerlerini ölçüp yazınız. Bu işlemi daha sonra iki kez daha (farklı iki değer için daha) tekrarlayınız. I B (1)=.. (1)=.. I B (2)=.. (2)=.. I B (3)=.. (3)=.. I C I C I C 7. R 1 Direncinin değerini ayarlayarak V CE nin ½ V CC olmasını sağlayınız (V CC =12V). Bu noktada V BE değerini kaydediniz. V BE = 8. AC Gerilim Kaynağının (Vac) maksimum gerilim değerini hesaplayınız. Not: Şekil-1 de verilen değer etkin değerdir (RMS) 9. Osiloskopta gözlemlediğiniz çıkış işaretinin maksimum değeri ile giriş işaretinin (V ac ) maksimum değerini oranlayarak ilgili gerilim kazancını (A v ) hesaplayınız. Av=. 10. Osiloskopta çıkış işaretini gözlemleyip çiziniz. (Not: Volts/Div ve Time/Div değerlerini de belirtiniz.) 16

17 11. Giriş işaretinin (Vac) değerini arttırarak osiloskopta (çıkış işareti için) bozunumsuz en büyük genlikli sinyali gözlemleyiniz. İlgili çıkış sinyalini aşağıya çiziniz. (Not: Volts/Div ve Time/Div değerlerini de belirtiniz.) 12. (Ödev Sorusu) Şekil-1 de verilen devrenin DC ve AC Analizlerini yapınız. V BE =0.75V; = h fe = h FE = 25 ve V T =25 mv olarak alınız. DC Analiz sonucu; I B, I C, V BE ve V CE değerlerini hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçları Electronics Workbench ortamında elde ettiğiniz değerler ile karşılaştırınız. AC Analiz yaparak giriş ve çıkıştan gözlemlenen direnci (r in ve r out ) hesaplayınız. AC Analiz sonucu gerilim kazancını hesaplayınız. Elde ettiğiniz sonuçları Electronics Workbench ortamında elde ettiğiniz değerler ile karşılaştırınız. 17

18 Deney 4. KÖPRÜ DİYOTLU DOĞRULTUCU VE FİLTRE DEVRESİ Sorular Amaç a) Yarım dalga ve tam dalga doğrultu devrelerini araştırınız. Hangi türleri vardır? b) Doğrultucu çıkışında elde edilen işaretin DC eşdeğeri nasıl elde edilir? Araştırınız. Bir örnek problem veriniz. Köprü diyotlu doğrultucu ve filtre devresinin çalışma prensibini anlamak, giriş işareti, çıkış işaretine çevrilirken dalga formundaki değişimi gözlemlemek Malzemeler KL modülü, multimetre, osiloskop. Devre Şeması Deneyin Yapılışı ve Ölçümler 1) Devreye gerilim vermeden devredeki R ve C elemanlarının büyüklüklerini multimetre ile ölçünüz. R7= C6 = R8= C7 = C5= 18

19 2) Devrede R ve C yokken köprü çıkışındaki tepe ve ortalama değerleri hesaplayınız ve multimetre ile ölçünüz. Dalga şeklini çiziniz. Hesaplanan Ölçülen V tepe V ort V tepe = 2 V rms V ort =2V tepe / 3) Min RC zaman sabiti ile çıkış gerilimi ölçünüz. Dalga şeklini çiziniz. 19

20 4) Max RC zaman için(3) adımını tekrarlayınız. 20

21 21

22 DENEY 5. ÜÇ TERMİNALLİ VOLTAJ REGULATORÜ Sorular Amaç a) Voltaj regülatörü nedir, ne işe yarar, hangi devre elemanları ile yapılabilir? b) Üç terminalli voltaj regülatörü hangi devrelerde bulunur? Örnekler veriniz. 3 terminalli voltaj regülatörü devresinin incelenmesi, giriş ve çıkış işaretlerinin grafiğinin çizilmesi. Malzemeler KL modülü, multimetre, osiloskop. Teori Şekilde örnek olarak gösterilen, TS317 ayarlanabilir bir 3-terminal pozitif voltaj regülatörü olup, çıkış üzerinden 1.5A'dan fazla besleme kapasitesine sahiptir V ila 37 V arasındaki yüksek voltaj aralığında çalışır. Deneyin Yapılışı 1) Köprü çıkışındaki TP1 ve TP2 gerilimlerini ölçünüz ve dalga şeklini grafik alanına ölçekli olarak çiziniz. 2) TP3 e bağlanan yük direnci üzerinde 10mA akım çekilmesi halinde gerekli yük direncini hesaplayınız. 3) TP1 ve TP3 üzerindeki gürültü sinyalini osiloskopu AC modunda kullanarak en hassas şekilde ölçüp grafiğini çiziniz. 22

23 Ölçüm ve Hesaplamalar 23

24 DENEY 6. OPAMP LI İNTEGRAL ALMA DEVRESİ Sorular Amaç a) Köşe frekansı nedir? Nasıl hesaplanır araştırınız. b) Pratik integral alma devresi ile ideal integral alma devresindeki fark nedir? OP-amp ile integral alıcı devre çalıştırılması, giriş ve çıkış işaretlerinin grafiklerinin çizdirilmesi Malzemeler KL modülü, multimetre, osiloskop. Teori 24

25 Şekil: Devre Şeması Deneyin Yapılışı 1) R 19 direncinin gerekliliğini yorumlayınız. 2) Devreye gerilim vermeden R 19 ve C 2 elemanlarının değerlerini multimetre ile ölçünüz. R 19 = C 2 = 3) Devrenin köşe frekansını (f b ) bulunuz ve bulduğunuz frekansın altındaki sinyaller için devre çıkışını osiloskopta gözlemleyiniz. f b = 4) Devrenin DC gerilim kazancını hesaplayınız ve ölçünüz. 5) Devrenin TP1 girişine bir kare dalga verilmesi halinde giriş ve çıkış dalga şekillerini alt alta çiziniz. 6) TP1 girişine üçgen dalga verilmesi halinde giriş ve çıkış dalga şekillerini alt alta çiziniz. 25

26 26

27 DENEY 7. OPAMP LI COMPARATOR VE PWM UYGULAMASI Sorular 1) Opamp lı karşılaştırıcı nedir, ne işe yarar, nasıl çalışır araştırınız. Teori Şekilde gösterildiği gibi sembol olarak komparatörler opamp lara benzer. Girişlerine uygulanan bilinen bir gerilimi (Vr: referans gerilim) ile diğer girişine uygulanan bilinmeyen bir gerilimi karşılaştırır. Aşağıdaki şekilde referans geriliminin nasıl oluşturulduğu gösterilmiştir. Üst şekilde evirmeyen komparatör ve buna ait transfer eğrisi gösterilmiştir. Altta ise eviren komparatör ve bunun transfer eğrisi gösterilmiştir. 27

28 PWM (Sinyal Genişlik Modülasyonu) Tekniği Elektronik, sinyal işleme veya kare dalga dendiğinde genelde akıllara ilk olarak PWM (Pulse Width Modulation) tekniği gelmektedir. Modülasyon işlemi gerçekleştiren bu tekniğin asıl amacı cihazlara verilen elektriğin gücünü kontrol altında tutmaktır. Bu kontrolde tamamen anahtarlama ile sağlanır. Anahtarlama ne kadar hızlı yapılırsa, PWM ile aktarılan sinyalin gücü o kadar da artar. Örneğin bir lambaya gönderilen sinyalde PWM tekniğine ihtiyaç duyuluyorsa, bu teknik 120Hz frekans değerinde uygulandığında maksimum verim elde edilebilir. "Duty Cycle" bir işlemin peryodunu belirtir. Bu döngü düşük seviyede ise aktarılan güç düşük seviyede olur, (görev döngüsü) duty cycle yüksek ise yüksek güç aktarılır. PWM Uygulama Alanları Haberleşme Sistemleri: Telekomünikasyon sistemlerinde sinyallerin önemi çok büyük ve bu sinyallerin kontrol edilmesi ve modülasyon tekniğine uygun olması gibi kabiliyetler de çok önemlidir. "0" ve "1"lerden oluşan lojik haberleşme devrelerinde kare dalga ve PWM en sık kullanılan 2 unsur olarak görülür. Güç Aktarımı ve Elektrik Makineleri: Güç kontrolü ve aktarılan güç miktarının ayarlanması da elektrik-elektronik dünyasında önemli unsurların başında gelir. Yüksek frekanslı devrelerde PWM sinyal kontrolü sayesinde bu durum gerçekleşebiliyor. Çeşitli devre yapılarına göre MOSFET veya IGBT kullanılabilirken giriş gücünü ayarlamak için de Varyak kullanılabiliyor. Ancak bazı devrelerde ise bu elemanlar istenilen fonksiyonu yerine getiremediğinde PWM kontrolüne başvurulur. Özellikle motor devir kontrolü için PWM tekniği sık sık karşımıza çıkmaktadır. Deneyin Yapılışı 1) TP1 girişine fonksiyon jeneratöründen (2100) den alınan üçgen dalgayı uygulayınız. (f=100hz) 2) IN2 girişine VR3 üzerinden elle değiştirilebilen DC gerilim uygulayınız (Deney föyünün son sayfasındaki şekillere bakınız). 28

29 3) TP5 ve IN1 ucundan çıkışı alarak, Osiloskopa ile işareti gözlemleyiniz ve ölçekli bir şekilde grafiğinizi çiziniz. Girişe Üçgen işareti verildiğinde; Eşik gerilimi= Duty Cycle= V max (üçgen dalga)= 4) IN2 ucuna bağlı VR3 potansiyemetresine AC 9V (rms) uygulayarak, 3.cü adımı tekrarlayınız. V max (sinüs dalga)= V max (üçgen dalga)= 29

30 IN2-12

31 DENEY 8. OPAMP LI PENCERE TİPİ KARŞILAŞTIRMA Sorular OPAMP lı pencere tipi karşılaştırma devresi ne işe yarar? Diğer karşılaştırıcı devrelerden farkı var mıdır? Teori 31

32 32

33 Deneyin Yapılışı 1) Devreye gerilim vermeden önce ohmmetre ile aşağıdaki dirençleri ölçünüz. R22= R23= R24= 2) Devreyi Op-amplar üst üste duracak şekilde çiziniz. 33

34 3) Karşılaştırma eşik gerilimlerini hesaplayınız ve ölçünüz. Hesaplanan Ölçülen V eşik1 V eşik1 4) Tabloyu doldurunuz ve ölçümlerinizi kaydediniz. Giriş TP1 gerilimini minimumdan maksimuma kadar adım adım değiştirerek çıkış LED inin durumunu gösteren grafiği çiziniz. (Led yanıyor ise lojik1 kabul ediniz). V giriş Opamp1 -çıkış Opamp2 -Çıkış Led in durumu 0 ~ V eşik1 V eşik1 ~ V eşik2 V eşik2 ~ 12 Volt 5) Tablodan yararlanarak iki Opamp çıkışının oluşturacağı lojik işlemi bulunuz. 34

35 35

36 DENEY 9. SCHMITT TRIGGER VE KARE DALGA OSİLATÖRÜ Sorular a) Schmitt Trigger devresinde neden pozitif geri besleme yapılır? Avantajı ve dezavantajı nedir? b) OPAMP lı Schmitt Trigger devresinin Vo-V İ (Vçıkış-Vgiriş) grafiği ne şekillerde olabilir, araştırınız. Histerezis ne demektir? Schmitt Tetikleme Devreleri Schmitt tetikleme devresi iki konumlu bir devredir. Devrenin çıkışı alçak seviyede (AS) veya yüksek seviyede (YS) bulunur. Schmitt tetikleyicisinin en önemli uygulaması yavaş değişen bir işaretten hızla değişen bir dalga şeklinin elde edilmesidir. Schmitt tetikleme devresi (ST) ile sinüzoidal bir işaretten kare dalga elde edebiliriz. Ayrıca ST devresini seviye detektörü olarak kullanabiliriz. Transistörlü Schmitt Tetikleme Devresi Şekil 1 de transistörlü ST devresi verilmiştir. Bu devreye aynı zamanda emetör bağlamalı ikili (emitter-coupled binary) devre denir. Çünkü pozitif geri besleme emetördeki R3 direncinden dolayı oluşur. 36

37 Şekil 2 de devrenin geçiş özeğrisi verilmiştir. Tetikleme arasında (V2-V1) gibi bir histerisiz gerilimi oluşur. Böyle bir devrenin girişine sinüzoidal bir işaret uygulandığında çıkışında Şekil 3 de gösterildiği gibi bir kare dalga elde edilir. Şekil 3 de giriş ve çıkış işaretlerini inceleyelim. Vg < V2 olduğu sürece ST devresi AS de kalacaktır. Giriş işareti Vg, V2 den büyük olunca çıkış gerilimi YS ye ulaşacaktır. Bir seviyeden diğer seviyeye geçiş (anahtarlama olayı) çok hızlıdır ve pozitif geribeslemeye bağlıdır. Kısaca; Vg V2 iken VC = YS ve Vg V1 iken VC = AS olur. Bu iki tetikleme noktası genelde aynı değildir. Çıkış T2 nin kolektöründen alınır. Eğer T2 kesimde ise VC = VCC (YS) olur. T2 iletimde ise çıkış VC = VCE2 + VE (AS) olur. Çıkışın AS ve YS durumları 37

38 T2 nin iletimde olması be olmaması ile belirlenir. Şimdi Vg = 0 olduğunu kabul edelim. T1 in bazı toprak potansiyelindedir. Emetörü baza göre pozitif olduğundan T1 iletimde değildir. VCC, R1, R2 ve R4 den dolayı T2 iletimde, dolayısı ile VE de bir gerilim oluşur. Bu durumda devrenin eşdeğeri Şekil 4 de verilmiştir. T1 kesimde olduğu için emetöründen hiç akım akmayacak R3 yalnız T2 nin emetöründe gözükecektir. Thevenin eşdeğeri ile Şekil 4 deki devreyi daha da basitleştirebiliriz. Şekil- 5 te basitleştirilmiş devre verilmiştir. Doğru akım söz konusu olduğu için C kondansatörü iletimde değildir. 38

39 39

40 Deneyin Yapılışı 1) Şekildeki bağlantıları tamamlayarak devreyi kurunuz. (Deney föyünün sonundaki şekillere bakınız). 2) TP3 ve TP6 daki dalga şekillerini Osiloskopu dual mod da çalıştırarak gözleyiniz ve grafiği çiziniz. 3) Geri besleme yolundaki potansiyometrenin (VR2) sınır durumlarına ait osilatör frekanslarını ölçünüz ve kaydediniz. VR2 min Duty cycle = T min = f min = VR2 max Duty cycle = T max = f max = 4) Geri besleme yolundaki VR2 potansiyometresini söküp yerine VR3 potansiyometresini şekildeki gibi bağlayınız (deney föyünün sonundaki şekillere bakınız). 40

41 5) VR3 potansiyometresinin sınır durumlarına ait darbe oranlarını (duty cycle) ölçünüz ve kaydediniz. VR3 min Duty cycle = T min = f min = VR3 max Duty cycle = T min = f min = 6) Devrede gerilim yokken pozitif geri besleme yolundaki dirençlerin değerlerini ohmmetre ile ölçünüz ve farklı kombinasyonların dalga şekli üzerindeki etkisini inceleyiniz. R 10 = R 9 = R 8 = R 4 = R 3 = R 2 = 7) TP3 teki işaretin (kondanstör uçlarındaki gerilim) minimum genlikte olması için kullanılması gereken ikili-direnç seçeneğini bulunuz ve kaydediniz. 41

42 Ya da ile geri besleme direnci 42