Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği BMM309 Elektronik-2 Laboratuarı Deney Föyü Deney#3 Güç Kuvvetlendiricileri Doç. Dr. Mutlu AVCI Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU ADANA, 2015
DENEY 3 Güç Kuvvetlendiricileri A. Amaç Transistörlerin sükunetteki çalışma noktaları dikkate alınarak, güç kuvvetlendiricilerinin sınıflandırılmasında A,B ve AB sınıflarının çalışma prensiplerinin tanıtılması, bunlara ait devrelerin özelliklerinin incelenmesi ve verimlerinin hesaplanmasıdır. B. Temel Bilgiler Arka arkaya bağlanmış kuvvetlendirici devreler zincirinin ilk ve ara katlarında gerilim veya akım kazancı sağlayan kuvvetlendiriciler kullanılır. Bu katlar için henüz güç kazancı önemli değildir. Bu katlar giriş ve ara kuvvetlendirici katları olup bunların görevleri küçük genlikli işaretleri kuvvetlendirip çıkış katına iletmektir. Ayrıca bu katlardaki transistörler aktif bölgede çalıştıklarından çıkış işaretinde distorsiyon (distortion:bozulma) olmaz. Şekil 1 de de görüldüğü gibi güç kuvvetlendiricileri, kuvvetlendirici devreler zincirinin en son katında bulunurlar.bu katın amacı güç kazancı sağlamaktır. Çünkü bu kuvvetlendiricilerden çıkış katlarındaki hoparlör, motor gibi dönüştürücüleri sürmeleri beklenmektedir. Çıkış katında fazla güç çekildiğinden devre elemanları üzerinde ısı kaybı meydana gelir. Şekil 1 Küçük işaret kuvvetlendiricisi ve güç kuvvetlendiricisinin arka arkaya bağlanması Kuvvetlendirilen işareti yüke aktaracak olan çıkış katı bloğunun aşağıda belirtilmiş olan temel özellikleri yerine getirmeleri istenir: 1. Çıkış akımının büyük olması 2. Çıkış geriliminin geniş bir sınır içinde dalgalanması 3. Çıkış empedansının düşük olması 4. Sükunette harcadığı gücün az olması 5. Frekans karakteristiğinin geniş bandlı olması Burada temel çıkış katı yapıları ele alınacak ve bunların önemli özellikleri incelenecektir. Bir devrenin çıkışından en yüksek gücü ve verimi elde edebilmek için doğrusal olmayan devrelerden de yararlanılabilir.
Kuvvetlendiriciler kutuplanma durumuna ve buna bağlı olarak da girişine uygulanan işaretin ne kadarını çıkışına aktardığını belirten iletim açısına göre A,B,AB,C,D gibi gruplara ayrılırlar. Şekil 1 temel güç kuvvetlendirici devrelerinin girişlerine uygulanan bir sinüs dalgasına karşılık herbir sınıfın çıkışlarından elde edilen işaretleri, iletim açılarını ve verimlilik yüzdelerini göstermektedir. Güç kuvvetlendiricilerinde Q çalışma noktası maksimum akım değerinin yarısı civarında seçilirse A sınıfı çalışma elde edilir. A sınıfı kuvvetlendiricilerde transistörün kollektör akımı sürekli olarak akar. İletim açısı 360 olduğundan, şekilde gösterildiği gibi giriş işareti bozulmaya uğramadan tamamı çıkışa aktarılabilir. Şekil 2 Güç kuvvetlendirici sınıflarının çıkış dalga şekilleri, iletim açıları ve verimliliklerinin karşılaştırılması B sınıfı çalışmada ise kollektör akımı işaretin yalnızca yarım periyodunda akar yani iletim açısı 180 dir. Şekilde görüldüğü üzere giriş işaretinin yarım alternansı çıkışa aktarılabilmiştir. C sınıfında ise akım 180 den daha küçük bir aralıkta akmaktadır ve böylece işaretin bir alternansından daha azı çıkışa aktarılır. D sınıfı çalışmada transistör doyum ile kesim noktası arasında çalıştırılır. Bu durumda çıkış işareti kare dalga biçimined olur. AB sınıfı çalışmada ise transistör 180 den büyük bir iletim açısı ile çalışır ve buna bağlı olarak giriş işaretinin yarım alternansından biraz fazlası çıkışa aktarılmış olur. A Sınıfı : θ = 2π AB Sınıfı : π < θ < 2π B Sınıfı : θ = π C Sınıfı : θ < π Bu durumda yalnızca A sınıfı kuvvetlendiriciler doğrusal kuvvetlendiricidir. Diğerleri ise doğrusal olmayan bölgede çalışırlar. Böylece devrelrin çıkış işaretleri giriş işaretinden farklı olacaktır. Yani işaret bozulmuş olur. Tüm bunların yanında Şekil 1 de görüldüğü gibi kuvvetlendirici sınıflarının iletim açılarından farklı olarak verimlilikleri de önem arz etmektedir. Yüke aktarılan gücün kaynaktan çekilen güce oranı
olarak tanımlanan verimlilik (ɳ) en düşük A sınıfında iken en yüksek olarak D ve T sınıflarında görülmektedir. Verim: Bir kuvvetlendiricinin çıkışına bağlı olan yüke güç aktarabilmesi için DC beslene kaynağından çıkışa verdiğinden daha fazla güç çekmesi gerekir. Kaynaktan çekilen güç (P DA ), yüke aktarılan güç (P Y ) ile ısı enerjisine dönüşen gücün toplamına eşittir. P DA = P y + P D Burada; Şekil 3 Temel kuvvetlendirici şeması P DA = V CC I CC P Y = V Y 2 2R Y = 1 2 I Y 2 R Y olarak ifade edilebilir. Devrenin verimi ise güce verilen gücün kaynaktan çekilen güce oranıdır: A Sınıfı Kuvvetlendirici: ɳ = P Y = 1 I 2 Y R Y = 1 P DA 2 V CC I CC 2 R Y V CC I CC A sınıfı bir kuvvetlendiricide çalışma noktası BJT için kollektör veya MOSFET için drain akımını, işaretin periyodu boyunca sıfıra düşürmeyecek şekilde seçilir. Çıkış geriliminin bozulmaya uğramaması için Q çalışma noktası maksimum simetrik salınımın olduğu nokta seçilebilir. Bir kuvvetlendiricinin DC yük hattı üzerinde çalışma noktası, en iyi durum için yani; V Y 2 V CQ = V CC 2 (maksimum simetrik salınım) seçilirse, çıkıştan bozulmaya uğramadan alınabilecek gerilimin tepe değeri;
V y(max) = V CC 2 olur. Şekil 4 Bir kuvvetlendiricinin DC yük hattı Ohm kanunu hatırlanırsa; V = IR P = VI Buradan; P = I 2 R P = V2 R elde edilir. Böylece; elde edilir. Kaynaktan çekilen güç; P y(max) = 1 2 2 (V y(max) R y P DA = V CC I CC = V CC 2 ) = 1 2 8 (V CC ) R y ile ifade edilir. Kuvvetlendiricinin verimi, yüke aktarılan gücün kaynaktan çekilen güce oranı olduğu hatırlanırsa; 2R y yazılabilir. ɳ max = P y(max) P DA = V CC 2 /8R y V 2 = 1 CC /2R y 4 = %25
Görüldüğü gibi A sınıfı kuvvetlendiricide elde edilebilecek en fazla verim %25 olur. Diğer taraftan kaynaktan çekilen gücün en az %75 i transistörde harcanacaktır. Bu nedenle A sınıfı kuvvetlendiriciler güç kuvvetlendiricisi olarak kullanmaya uygun değildir. B Sınıfı Kuvvetlendirici: A sınıfı kuvvetlendiricide Q çalışma noktası DC yük hattının orta kısımlarında seçilmesinden dolayı giriş işaretinin tamamını kuvvetlendirirken, B sınıfı kuvvetlendiricide bir transistör için giriş işaretinin yalnızca tek alternansı kuvvetlendirilir. Bu durumda işaret kaybı olmaması için, yani işaretin her iki alternansının da kuvvetlendirilebilmesi için birbirinin eşleniği iki transistör (pnp-npn ya da p-mos-nmos) kullanılır. Şekil 5 a) B sınıfı push-pull (it-çek) kuvvetlendirici devresi b) Kuvvetlendirici girişine uygulanan işarete karşılık çıkış işareti ve geçiş bozulması (crossover distortion) Şekil 5 te verilen devreye giriş işareti uygulandığında, işaretin pozitif alternansında NPN transistör (T1) iletimde, PNP transistör (T2) kesime girecektir. T1 transistöründen geçen akımın tamamı (i 1 ), T2 kesimde olduğundan yük direnci R y üzerinden geçecektir. Giriş işaretinin negatif alternansında ise önceki durumun tersine T1 kesimde T2 iletimde olacaktır. Böylece T2 den geçen (i 2 ) akımının tamamı R y yük direnci üzerinden geçecektir. Sonuç olarak birbirlerine göre ters yönde akan (i 1 ) ve (i 2 ) akımları R y yükü üzerinde giriş işaretine benzeyen bir gerilim oluşturacaktır. Böyle eşlenik iki transistör kullanılarak elde edilen devreye pushpull (it-çek) devre adı verilir. Şekildeki devreye daha dikkatli bakıldığında aslında devrenin çalışmasının tam olarak B sınıfı olmadığı düşünülebilir. Çünkü transistörün base-emiter arası gerilim düşümü etkisi kuvvetlendiricinin iletim açısını 180 den küçük hale getirir gözükmektedir. Bu durumda diyot işarete doğrusal olmayan bir etki ile harmonik bozulma katmıştır ve işaret geçiş bozulmasına uğramıştır. Bu nedenle çıkış dalga şeklinde sıfır civarında doğrusal olmayan geçiş bozulması (crossover distortion) meydana gelir. B Sınıfı Çalışan Kuvvetlendiricide Verim: B sınıfı çalışmada transistörlerden aynı zamanda yükten akabilecek olan maksimum akım;
I 1(max) = I 2(max) = V CC R y olduğundan, yüke aktarılabilecek maksimum güç; = I y(max) P y(max) = 1 2 I y(max) 2 R y = 1 2 V CC 2 R y olacaktır. Kaynaklardan çekilen ortalama akım yarım periyotluk sinüs dalgasının ortalamasına eşittir. elde edilir. Kaynaklardan birinin verdiği güç ise; I DA = 1 π 2π I y(max)sinθ. dθ = I y(max) π 0 P DA = V CC I 0 = V CC I y(max) π = I y(max) 2 R y π olarak ifade edilir. Devrede iki adet DC kaynak bulunduğuna göre kaynaklardan çekilen toplam güç 2P DA olur. Böylece elde edilebilecek olan en yüksek verim; olacaktır. ɳ max = P y(max) 2P DA AB Sınıfı Push-Pull Kuvvetlendirici: = I y(max) 2 R y /2 2I 2 y(max) R y /π = π 4 = %78 B sınıfı çalışmadaki geçiş distorsiyonunu önlemek için AB sınıfı kuvvetlendiriciler kullanılır. AB sınıfı kuvvetlendiricilerde transistörlere V BE(on) açılma geriliminden biraz fazla kutuplama gerilimi uygulanarak giriş karakteristiğindeki lineersizlik biraz azalır. AB sınıfı çalışmada kutuplama gerilimi B sınıfından biraz büyük olduğundan distorsiyon biraz daha azalır. Buna karşılık verim B sınıfına göre biraz daha düşük olacaktır. Ses frekans güç kuvvetlendiricileri AB sınıfı çalıştırılır. Şekil 6 a) AB sınıfı kuvvetlendiri devresi b) çıkış karakteristik eğrisi
AB sınıfı kuvvetlendiricinin vermliliği A sınıfı ile B sınıfı arasındadır. B sınıfındaki bozulmanın önüne geçebilmek için, yani giriş geriliminin sıfırın üstüne çıktığı andan itibaren T1 transistörünün, giriş geriliminin sıfırın altına düştüğü anda da T2 transistörünün iletime geçmesini sağlamak için transistörlerin V BE gerilimi, V BE(on) açılma gerilimi (~0.7V) civarında olması gerekmektedir. Bu gerilim basitçe base-emiter arasına iki adet pn diyot veya zener eklenerek elde edilebilir. Şekil 7 den de anlaşılacağı gibi diyot üzerinden bir DC akım geçtiğinde diyotun iki ucu arasında (V D(on) 0.7V) açılma gerilimi görülecektir. Bu gerilim transistörlerin iletime geçmesini sağlayacaktır. Sonuç olarak transistörlerin base-emiter gerilimi sürekli iletimin eşiğinde olmasından dolayı geçiş bozulması çok azalmış olacaktır. Şekil 7 a) AB sınıfı push-pull güç kuvvetlendiricisi ve b) çıkış karakteristik eğrisi Malzeme Listesi: Transistör : BC237BP, BZX84C3V3(2 adet), BD135, BD136 Direnç : 100Ω, 2.2kΩ, 10 kω (2 adet), 22 kω, 56 kω Diyot : 1N4001 (2 adet) Standard deney techizatı KAYNAKLAR: 1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010 2. Elektronik Devreler, Morgül A., 2012
Adı, Soyadı: Öğrenci No: C. Hazırlık Çalışması +V cc = 12V, V cc = 12V, V CE(sat) = 0.2V, R 1 = R 2 = 2kΩ, R L = 50Ω, V D = 0.7V, β dc = 50 1. Aşağıdaki devre hangi sınıf bir kuvvetlendirici devresidir? 2. Kuvvetlendiricinin verimini bulunuz.
Adı, Soyadı: Öğrenci No: D. Deney Çalışması +V CC = 5V, V CC = 5V 1. Aşağıdaki devreyi kurunuz. BC237BP transistöründeki DC gerilimleri ölçünüz. DC base ve kollektör akımlarını ölçünüz. Kaynağın ürettiği DC gücü, transistörde harcanan DC gücü hesaplayınız. V B = V c = I B = I C = P DC = P C = Giriş gerilimini çıkış işaretnde kırpılma olmayacak kadar artırınız. Bu durumda iken Vin ve Vo rms değerlerini ölçünüz. Bu değerlerden faydalanarak gerilim kazancını, yük tarafından çekilen AC gücü ve transistörün verimini ɳ max hesaplayınız. Vin gerilimi yarıya düştüğünde yük tarafından çekilen AC gücü ve transistörün verimini ɳ hesaplayınız. V s(rms) = V o(rms) = A V = P AC = ɳ max = ɳ =
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 2. Aşağıdaki devreyi kurunuz. V in (t) ve V 0 (t) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz. Devrenin nasıl çalıştığını ve çıkış işaretinde meydana gelen bozulmanın nedenini açıklayınız. V 0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayınız. V o(rms) = I o = P AC =
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 3. Aşağıdaki devreyi kurunuz. V in (t) ve V 0 (t) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz. Çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz. Diyotların devredeki görevini açıklayınız. V 0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayarak bir önceki deney ile karşılaştırınız. V o(rms) = I o = P AC =
Adı, Soyadı: Öğrenci No: 4. Aşağıdaki devreyi kurunuz. V in (t) ve V 0 (t) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz. Çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz. V 0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayarak bir önceki deney ile karşılaştırınız. V o(rms) = I o = P AC =
Adı, Soyadı: Öğrenci No: E. Tartışma 1. İkinci deneyde devrenin nasıl çalıştığını ve çıkış işaretinde meydana gelen bozulmanın nedenini açıklayınız. 2. Üçüncü deneyde çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz. Diyotların devredeki görevini açıklayınız (NOT: Birbirinin aynısı olan raporlar değerlendirilmeyecektir.)