ENEY 3 Kırpıcı ve Kenetleyici evreler 1. Amaç Bu deneyin amacı, diyot elemanının elektronik devrelerde diğer bir uygulaması olan ve dalgaların şekillendirilmesinde kullanılan kırpıcı ve kenetleyici devrelerinin çalışma prensiplerinin incelenmesidir. 2. Temel Bilgiler iyotlar, işaretin belirli bir kısmını sınırlandırmak ya da belirli bir seviyeye kenetlemek gibi dalgaların şekillendirilmesinde ve bunun yanında işaretin gerilim seviyesini kaydırmak amacıyla kullanılabilirler. Bu devrelere sırasıyla kırpıcı ve kenetleyici devreler adı verilir. Kırpıcı evreler Sınırlayıcı devreler de denilen kırpıcı devreler, işaretin belirli bir gerilim seviyesinden üstünü veya altını ya da her iki tarafını yok etmek amacıyla kullanılır. Örneğin yarım dalga doğrultucu devresi işaretin negatif alternansını yok ettiği için kırpıcı devrelere bir örnek olarak gösterilebilir. Şekil 1 tek diyotlu bir kırpıcı devredir. 1 diyotu v I < V B V γ süresince kapalı konumda kalacaktır. 1 diyotu kapalı olduğu sürece de devreden akan akım yaklaşık olarak sıfır olacak ve R direnci üzerinde gerilim düşümü olmayacaktır. Bu durumda çıkış gerilimi giriş gerilimini takip edecektir. Ancak v I > V B V γ olduğu anda diyot açılacak ve çıkış gerilimi kırpılacaktır. Böylece çıkış gerilimi V B V γ değerinde sabit kalacaktır (Şekil1(b)).Bu devrede çıkış gerilimi V B V γ değerinin üstünden kırpılmıştır denir. Şekil 1 (a)tek diyotlu kırpıcı devresi, (b)devrenin çıkış cevabı Şekil 2 de görüldüğü üzere pozitif ve negatif kırpma işlemleri çift sınırlayıcı diğer bir adıyla paralel kırpıcı devreler kullanılarak gerçekleştirilebilir. Paralel kırpıcı devrelerde işaretin pozitif ve negatif alternansının hangi seviyelerden itibaren kırpılacağını belirlemek için birbirine zıt yönlerde iki diyot ve iki gerilim kaynağı kullanılmıştır.
Şekil 2 Paralel kırpıcı devre ve çıkış cevabı Tek diyotlu kırpıcı devrede olduğu gibi burada da işaretin pozitif alternansında V B1 V γ seviyesine kadar 1 ve 2 diyotları kapalı konumdadır ve çıkış işareti girişi takip eder. Giriş işareti pozitif alternasta V B1 V γ değerini geçtiği anda 1 diyotu iletime geçer ve çıkışta sabit V B1 V γ değeri görünür. iğer yandan giriş işaretinin negatif alternansında giriş işareti V B2 V γ değerine ulaşana kadar 1 ve 2 diyotları iletimde değildir. Giriş işaretinin negatif alternansı V B2 V γ değerini geçtiği anda 2 diyotu iletime geçecek ve çıkışta sabit (V B2 V γ ) değeri görünür. Buraya kadarki kırpıcı devrelerde çıkış geriliminin sınırını belirlemek için bataryalar kullanılmıştır. Pozitif ve negatif sınır değerlerini belirlemek için batarya kullanımı yerine daha pratik bir çözüm olan zener diyotlar da kullanılabilir. Ters kırılma bölgesinde çalıştırılan zener diyot tıpkı güç kaynağı gibi sabit bir gerilim düşümüne neden olacaktır. Şekil 3 Zener diyot kullanılarak gerçekleştirilen kırpıcı devre ve çıkış cevabı Farklı kombinasyonlarda tasarlanmış olan kırpıcı devreler ve bu devrelerin girişine uygulanan sinusoidal işarete karşı devre çıkış cevabı Şekil 4 te gösterilmiştir. R V B
R V B R V B R V B Şekil 4 Farklı kombinasyonlarda tasarlanmış kırpıcı devreler ve çıkış cevapları Kenetleyici evreler Kenetleme işlemi giriş işaretinin tamamını belirli bir seviyede kaydırmaktır. Kenetleme devresi çıkışında çıkış işareti formu giriş işaretinin aynısıdır fakat aralarında bir gerilim farkı ile kayma vardır. Kenetleyici devreye bir örnek Şekil 5(a) da ve devrenin sinusoidal giriş işareti Şekil 5(b) de gösterilmiştir. Başlangıç anında kondansatörün boş olduğu kabul edilir. Giriş işaretinin ilk 90 derecelik kısmında kondansatörün uçları arasındaki gerilim giriş işaretini takip eder ve v c = v I olur. (r f = 0, V γ = 0 kabul edilmiştir). v I ve v c değerleri tepe değerlerine ulaştığında v I azalmaya başlar ve diyot ters yönlü kutuplanmış olur. İdeal durumda kondansatör boşalamaz ve üzerindeki gerilim v c = V M olarak kalmaya devam eder. Kirchoff un gerilim kanunundan;
= v c v I = (V M V γ ) V M sinωt = V M (sinωt 1) elde edilir. Şekil 5 (a)kenetleyici devre (b)sinusoidal giriş işareti (c)kondansatör gerilimi (d)devrenin çıkış gerilimi Şekil 5(c) ve (d) de kapasitör ve çıkış gerilimleri görülmektedir. Şekilden de anlaşılacağı gibi çıkış gerilimi sıfır volta kenetlenmiştir ( 0). Sonuç olarak giriş ve çıkış gerilimlerinin dalga şekilleri aynıdır fakat giriş ve çıkış arasında belili bir gerilim kayma vardır. Şekil 6(a) da bağımsız bir V B gerilim kaynağı içeren kenetleyici devre görülmektedir. Kolaylık amacıyla r f = 0, V γ = 0 kabul edilmiştir. Şekil 6(b) eşzamanlı olarak devreye uygulanan sinusoidal giriş işaretini ve çıkış cevabını göstermektedir. Bağımsız gerilim kaynağı olan V B nin şekilde gösterildiği gibi bağlanması durumunda çıkış gerilimi negatif gerilim yönünde V B kadar kayacaktır. Benzer şekilde girişe uygulanan bir kare dalga için devrenin çıkış cevabı Şekil 6(c) de gösterilmiştir. Şekil 6 (a) İdeal diyot kabul edilerek gerilim kaynağı eklenmiş kenetleyici devre (b)sinusoidal giriş ve çıkış işaretleri (c)kare dalga giriş ve çıkış işaretleri.
Farklı kombinasyonlarda tasarlanmış olan kenetleyici devreler ve bu devrelerin girişine uygulanan sinusoidal işarete karşı devre çıkış cevabı Şekil 7 te gösterilmiştir. Şekil 7 Farklı kombinasyonlarda tasarlanmış kenetleyici devreler ve çıkış cevapları
Kenetleyici devrelerinde bir kondansatör, bir diyot ve bir direnç elemanı bulunmak zorundadır. evrede kullanılan R ve elemanlarının değeri oldukça önemlidir. Bu elemanların zaman sabitesi (τ=r) yeterince büyük seçilmelidir. Ancak ek bir kayma elde etmek için bağımsız bir dc kaynak kullanılabilir. Şekil 8 a da görülen devrenin girişine uygulanan işaretin negatif alternansının ilk yarım saykılında; diyot doğru yönde polarmalanır ve iletkendir. iyot kısa devre etkisi göstereceğinden RL direncinin etkisini ortadan kaldırır. Kondansatör, anında şarj olarak dolar. Kondansatör üzerindeki gerilim; V V 0.7 V T değerine eşit olur. Giriş işaretinin negatif alternansında; kenetleyici çıkışında (RL yük direnci üzerinde) 0.7V luk diyot öngerilimi elde edilir. Bu durum şekil 8 b de görülmektedir. Giriş işaretinin pozitif yarım saykılında ise diyot açık devredir. evreden herhangi bir akım akmaz. RL yük direnci üzerinde ise; giriş işareti ve kondansatör üzerindeki gerilimlerin toplamı görülür. evreye K.G.K uygulanırsa çıkış gerilimi; V RL V V T V RL V T 0.7 V 2. V 0.7 V T T evre girişine uygulanan ve VT ve VT değerlerinde salınan giriş işareti, kenetleyici devre çıkışında 0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir. Çıkış işareti artık yaklaşık olarak 0.7V ile 2VT0.7 V değerleri arasında salınmaktadır. Giriş işaretinin negatif tepe değeri, 0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir. (a) (b) Şekil 8 Kenetleyici devre ve dalga çıkış formları Şekil 9 da polarmalı kenetleyici devresi verilmiştir. Burada diyoda seri bağlanan voltaj kaynağı ile çıkış dalgasının taban voltaj değeri değiştirilir.
(a) (b) Şekil 9 Polarmalı kenetleyici devresi ve dalga çıkış formları Kenetleyici devrelerde giriş işaretinin tepeden tepeye değeri korunmakta olup, değişim sadece referans noktasında olmaktadır. KAYNAKLAR: 1. Microelectronics ircuit Analysis and esign, Neamen., 2010 2. Microelectronic ircuit esign, Jeager R., Blalock T., 2011 3. Malzeme Listesi irençler : 10kΩ iyot Kondansatör : 10uF Standart deney teçhizatı
eney No eney Adı Öğrenci No AdSoyad İmza 4. Hazırlık Çalışması V in = 8 sin(2π50t), V γ = 0.6, R = 10kΩ, = 10μF, V 1 = 2V, V 2 = 5V 1. Aşağıdaki devre için (V 0 t) ve (V 0 V s ) grafiğini çiziniz. Vs R 1 2 Vo V1 V2 2. Giriş işareti kare dalga (f=50hz) verilen devre için (V 0 t) grafiğini çiziniz. Vs Vo V1
eney No eney Adı Öğrenci No AdSoyad İmza 5. eney Çalışması 5.1. Paralel Kırpıcı evre 1. Şekil 10 daki devreyi kurunuz. 2. Sinyal jeneratöründen V s = 10 sin(2π50t) kaynak gerilimini alınız. 3. Osiloskop ile giriş ve çıkış işaretlerini eş zamanlı ölçerek (V 0 t) grafiğini çiziniz. Vs R 1 V1 2 V2 Vo R=10kΩ V1=2V V2=5V Şekil 10 5.2. Kenetleyici evre 1. Şekil 11 deki devreyi kurunuz. 2. Sinyal jeneratöründen V s = 10 sin(2π50t) kaynak gerilimini alınız. 3. Osiloskop ile giriş ve çıkış işaretlerini eş zamanlı ölçerek (V 0 t) grafiğini çiziniz. Vs V1 = 10μF V 1 = 2V Şekil 11
eney No eney Adı Öğrenci No AdSoyad İmza 6. eney 3 Sonuç Sayfası Paralel Kırpıcı evre eneyi Kenetleyici evre eneyi
eney No eney Adı Öğrenci No AdSoyad İmza 7. Sonuç ve Tartışma 1. Ön çalışma sorularında elde ettiğiniz sonuçlar ile deney sırasında elde ettiğiniz sonuçları karşılaştırınız, farklar varsa bu farkların olası sebeplerin yazınız. 2. Bu deney çalışmasında neler öğrendiniz kendi cümlelerinizle açıklayınız. 3. Kenetleyici devrelerinin amacı nedir? Kapasitör olmadan kenetleyici devresi tasarlanabilir mi? Kenetleyici devrelerinde tepeden tepeye genlik girişe göre nasıl değişir?