DİYOUN DOĞRULUCU OLARAK KULLANIMI Bu çalışmada, diyotların doğrultucu olarak kullanımı incelenecektir. Doğrultucular, alternatif gerilim (Alternating Current - AC) kaynağından, doğru gerilim (Direct Current DC) elde etmeye yarayan devrelerdir. Batarya ve akümülatör, tam bir doğru gerilim üretirler. Fakat AC gerilim kullanarak DC gerilim elde etmeye çalışıldığında, bir doğrultucu ihtiyacı ortaya çıkar. Üretimi, kullanıcılara iletimi ve istenen genlik değerine dönüşüm işlemlerindeki avantajlardan dolayı, elektrik enerjisi AC olarak üretilir. Daha sonra transformatörlerle genliği değiştirilir ve alıcılara iletilir. Alıcılara ait cihazlar, bu elektrik şebekesine bağlanarak çalışır. Elektronik cihazlarda, DC gerilim gerektiren devreler yer almaktadır. Dolayısıyla, bu devrelerin öncesinde şebeke gerilimini DC gerilime dönüştüren devrelere ihtiyaç vardır. Doğrudan şebeke gerilime bağlanan cihazın girişinde, şebeke gerilimini ihtiyaç duyulan gerilime dönüştüren bir transformatör ve transformatör sonra bir doğrultucu devresi kullanılır (Güç katı). Doğrultucu sonrasında ise filtre ve regülatör devreleri bulunur. Filtre devresi; gerilimdeki dalgalanmayı azaltır. Sonrasında gelen regülatör devresi ise; dalgalı DC gerilimi, doğru DC gerilime dönüştürür (Şekil ). Ayrıca olası değişikliklerde de, elde edilen DC çıkışı korumaya çalışır. Regülatör girişi, istenen çıkış geriliminden biraz fazladır. Bu deneyde, sadece doğrultma ve filtreleme üzerine çalışılacaktır. Regülasyon için, kullanıma hazır birçok regülatör entegreleri (örneğin 78RXX serisi) mevcuttur. Şekil. Bir güç kaynağının blok diyagramı Yukarıda, günlük hayatımızda çok yaygın olması nedeniyle, doğrultucunun kullanım alanı olarak elektronik cihazların beslenmesi örneği verilmiştir. Oysa doğru akım ile beslenen elektrik motorları gibi elektrik makina uygulamaları da bulunmaktadır. Sayfa / 3
Alternatif Gerilim: Pozitif ve negatif değer alarak değişirler. Sinüzoidal bir alternatif gerilim (t) = m sin ω t ile ifade edilir. Bağıntıdaki t zamanı, (t) zamana bağlı değişen anlık gerilim değerini ve m ise tepe gerilimini ifade eder. Gerilimin, m ile +m arasındaki mutlak büyüklüğüne tepeden-tepeye gerilim (pp) denir. pp = maks. min. = m ( m ) = m olur. Bağıntı değişkenleri Şekil de verilmiştir. Şekil : Alternatif gerilim için örnek sinüzoidal dalga Belli bir dalga deseninin sürekli tekrarlanmasından oluşan işaretlerde, sadece bir dalga deseninin tamamlanması için geçen süreye periyot () denir. Birim zamanda tekrarlanan dalga deseni sayısına ise frekans (sıklık) (f) denir. Her iki parametre arasındaki ilişki ise = /f dir. Şekil de tam bir sinüs dalga formu görülmektedir. Genelde frekans için kullanılan birim, radyan/sn dir. Yukarıdaki ifadede yer alan ω parametresi, açısal hızı ( Hz = π [rad/sn] ) ifade eder. Ortalama Değer: Bir periyot süresince, gerilimin aldığı değerlerin ortalamasıdır. Periyodik bir (t) geriliminin, ortalama (veya DC) değeri dc 0 ( t) dt ile hesaplanır. Eğer bir dalga, sinüzoidal dalgada olduğu gibi zıt işaretli ve simetrik ise, doğal olarak ortalaması sıfırdır. Sayfa / 3
Etkin değer: Bir alternatif gerilimin etkin veya rms (root mean square) değeri, bir dirençte ısıya dönüşerek kaybolan alternatif akım ile aynı etkiyi meydana getiren DC gerilimine eşittir. Bu tanımdan yararlanılarak periyodu olan bir (t) geriliminin etkin değeri rms 0 ( t) dt ifadesi ile hesaplanır. ( t) m sin( t) ve ise rms sin( t) m 0 d( t) olarak yazılır ve bu integralin sonucunda, bir sinüzoidal dalgada rms m dir. Yarım Dalga Doğrultucu Şekil 3(a) da yarım dalga doğrultucunun devre şeması görülmektedir. Sinüzoidal kaynak geriliminin pozitif alternansında, diyot doğru kutuplanır ve iletime geçerek çıkış gerilimi oluşturur. Negatif alternansta ise diyot ters kutuplandığından, kesime girer ve akım akmaz. Dolayısıyla çıkış gerilimi sıfır olur. Yarım dalga doğrultucunun çıkış gerilimi Şekil 3(b) de görülmektedir. (a) (b) Şekil 3: (a) Yarım dalga doğrultucu (b)yarım dalga doğrultucu çıkışı ve ortalama değeri Sayfa 3 / 3
Periyodu olan bir (t) geriliminin, ortalama (veya DC) değeri: dc 0 ( t) dt integrali ile hesaplanır. ( t) m sin( t) ve yarım dalga doğrultucunun çıkış geriliminin ortalama değeri m sin( t) d( t) 0 dc = m ise, diyot geriliminin hesaba katılmadığı ideal olur. Bu değer, voltmetrenin DC gerilim kademesinde okunacak olan değerdir. Yarım dalga doğrultucu çıkışının etkin değeri hesaplandığında, yarım periyot dikkate alınır ve rms 0 sin( t) m d( t) m olarak yazılır. İntegralin sonucunda, rms elde edilir. Filtrelenmiş Yarım Dalga Doğrultucu Doğrultucu çıkışındaki gerilimin dalgalanmasını azaltmak için filtre kullanılır. Şekil 4: Yarım dalga doğrultucu devresinde filtreleme Kondansatörlü filtre örneği şekil 4'de görülmektedir. Burada m tepe değerinde gerilim üreten bir alternatif kaynaktan gelen sinüzoidal gerilim mevcuttur. Kaynak geriliminin ilk çeyreklik bölümünde diyot doğru kutuplanmıştır. İdeal durumda Şekil 5(a)'daki gibi diyot iletime girer. Kondansatör kaynağa doğrudan bağlandığı için p değerine kadar dolar. Pozitif tepe değeri geçildiği anda, kondansatörün dolması durur. Güç kaynağının gerilimi p geriliminin altına inmeye başladığı bu anda, diyot ters yönde kutuplanır ve kesime gider (Şekil 5b ). Sayfa 4 / 3
Şekil 5: Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucunun çalışması. ers polarize durumdaki diyottan geçemeyen kondansatör yükü, R direnci üzerinden akar ve kondansatör boşalmaya başlar. R ile C nin çarpımı ile hesaplanan kondansatör boşalma zamanı, giriş sinyalinin periyodundan büyük olmalıdır. Kaynak gerilimi tekrar pozitif tepe değerine doğru artışa geçtiğinde; diyot, akım geçirmeye başlar. Diğer bir yandan da kondansatör kaybettiği yükleri kazanır ve üzerindeki gerilim p değerini alana kadar dolmaya devem eder. Böylece giriş geriliminin her periyodunda aynı işlem devam eder. Kondansatör, kaynak gerilim periyodunun ilk çeyreğinde dolduktan (şarj) sonra, üzerinde gözlemlenebilecek gerilim değişimi Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6: Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucu çıkışı Sayfa 5 / 3
Köprü Diyotlu am Dalga Doğrultucu Burada diyot köprüsü kullanılan devrenin filtrelenmesi çalışılacaktır. Bu, hem bir yarım dalga filtrenin tepe gerilim değerini, hem de tam dalga filtrenin maksimum ortalama gerilimini sağlayabilen doğrultucudur. Şekil 7 de bir köprü doğrultucu devresi gösterilmiştir. Şekil 7: Köprü diyotla tam dalga doğrultucu devresi Pozitif alternansta (A>B); D ve D4 diyotları iletim yönünde kutuplanırken, D ve D3 diyotları tıkama yönünde kutuplanır [Şekil 8(a)]. Negatif alternansta ise (A<B); D ve D3 diyotları iletim yönünde kutuplanırken, D ve D4 diyotları tıkama yönünde kutuplanır [Şekil 8(b)]. Böylece yük üzerinden her zaman aynı yönde akım akar ve Şekil 9 daki çıkış elde edilir. Şekil 8(a): Pozitif alternansta köprü doğrultucunun çalışması Şekil 8(b): Negatif alternansta köprü doğrultucunun çalışması Dikkat edilecek olunur ise, burada kaynak geriliminin tamamı (hem pozitif hem de negatif alternans) yük üzerinde görülmektedir. Dolayısıyla, tam dalga doğrultucu devresinin çıkış ortalama değeri, yarım dalga doğrultucu devresinin iki katı olur. Sayfa 6 / 3
Şekil 9: Köprü diyotlu tam dalga doğrultucunun çıkışı am dalga doğrultucu devresinin çıkışında elde edilen dalga formunun (Şekil 9) ortalaması hesaplanır ise, m sin( t) d( t) 0 dc = m = 0,636 m sonucu elde edilir. am dalga doğrultucu devresinin çıkışında elde edilen dalga formunun (Şekil 9) etkin değeri hesaplanır ise, rms m sin( t) d( t) 0 m rms sonucu elde edilir. am dalga devresinin ürettiği çıkış işaretinin frekansı, giriş işaret frekansının iki katıdır. Dört diyotun birbirine bağlanıp tek bir eleman olarak paketlendiği entegre köprü doğrultucular, piyasada yaygın olarak kullanılmaktadır. Sayfa 7 / 3
Yarım Dalga Doğrultucu Deneyin Yapılışı UYGULAMA - Şekil 0 da görülen devre düzenini kurun. (Probların GND uçları (probdaki siyah kıskaçlar) ortaktır. Bu nedenle sadece CH in GND ucunun.8 e bağlantısı yeterlidir). Şekil 0: Yarım dalga doğrultucu ve bağlantı şeması (R=0K, C=0F) Osiloskobun ayarlanması: - Osiloskobun genlik ve zaman ayarlarını yapın. 3- Giriş gerilimi Kanal de, çıkış gerilimi ise Kanal de görüntülenecektir. Her iki kanal için aşağıdaki konumları seçin: Zaman kademesini ms/bölme; CH, CH gerilim kademesini /bölme yapın. Problar üzerindeki X/X0/REF anahtarı, X konumunda olmalıdır. AC/GND/DC seçici anahtarı, DC konuma ayarlayın. CHOP/AL konumu, CHOP olarak seçilmelidir. Bu ayar, iki kanal arasında zaman kayması olmasını önler. Sayfa 8 / 3
Giriş geriliminin hazırlanması 4- Osiloskopta Kanal i seçin. Osiloskop yardımı ile fonksiyon jeneratörü ile elde edilen (sinüzoidal s(t) işareti, m=6 ve f = 00Hz) işareti devreye uygulayınız. Düşey Eksen (Genlik): m = 6, 6/(/div) = 3 div. Osiloskopta m değeri 3 birim yükseklikte olmalı. Yatay eksen (Zaman): = /f = 0ms, 0ms/(ms/div) = 5 div (Osiloskopta bir periyot 5 birim genişlikte olmalı) Osiloskop görünümü, Şekil 'de gösterildiği formda olmalı. Osiloskop seçimlerinizi kaydediniz: CH, CH: /div, ime: ms/div Şekil : Giriş sinyalinin görüntüsü 5- Multimetrenin frekans ölçüm kademesiyle, hazırladığınız gerilimin frekansını ölçünüz: f =.. Hz. Osiloskopta okunan frekans ile multimetreden okunan frekansını karşılaştırın. Frekans çok farklı ise osiloskobun zaman ayarı hatalı olmuş olabilir, tekrar ayarlayınız. 6- Multimetrede efektif (RMS) değer, AC kademede ölçülürken, ortalama değer ise DC kademede ölçülür. Multimetreyi AC gerilim kademesine getirerek, s(t) giriş geriliminin efektif (RMS) gerilimini ölçün: rms =.. (ölçülen). Bu değer ne kadar olmalıdır? Hesaplayınız: rms = (hesaplanan). 7- p-p (tepeden tepeye gerilim) değeri, işaretteki maksimum tepe ve minimum tepe gerilim arasındaki farktır. Ayarladığınız gerilimin p-p değeri ne kadardır? Sayfa 9 / 3
Giriş ve çıkış geriliminin görüntülenmesi: 8- Osiloskopu DUAL konuma, CH, CH girişlerini DC, CH, CH: /div, ime: ms/div konumuna getirerek iki kanalı birlikte görüntüleyin.. noktasındaki s(t) giriş gerilimini ve.6 noktasındaki yük gerilimini osiloskop ekranında görüntüleyin. Osiloskop görüntüsü, şekil 'de görüldüğü gibi olmalıdır. Osiloskop ekranını fotoğraflayıp Resim olarak kaydediniz. Osiloskop seçimlerinizi kaydedin. Şekil : Yarım dalga doğrultucu giriş ve çıkış sinyalinin görüntüsü (Resim ). 9- AC giriş çıkışta doğrultuldu mu?. 0- Çıkış geriliminin tepe değeri ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) - Giriş gerilimi ile çıkış geriliminin tepe değerleri arasındaki bir diyot gerilimi kadar fark görmelisiniz. Fark ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) - Yük üzerindeki ortalama gerilim ne kadardır?.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz) Bu aşamada elde edilen sonuçlar, lab sorumlusu hocasına gösterilmesi gerekir. Deney düzeneğini, sinyal kaynağı/osiloskop ayarlarınızı bozmadan sonraki adımlara geçiniz. Sayfa 0 / 3
Doğrultucu çıkışının filtrelenmesi: 3- Şekil 0'da görülen devreye ilave olarak (.5 ile.7) arasına bir kablo bağlantısı yapın. Böylece doğrultucu çıkışına kapasite bağlanmış oldu. 4- Osiloskop görüntüsü, şekil 3'de gösterildiği şekilde olmalıdır. Osiloskop ekranını fotoğraflayıp Resim olarak kaydediniz. Osiloskop seçimlerinizi kaydediniz: CH, CH: /div, ime: ms/div Şekil 3: Filtrelenmiş yarım dalga doğrultucu giriş ve çıkış sinyalinin görüntüsü (Resim ) 5- Yük üzerindeki ortalama gerilim değeri nedir?.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz) 6- Kondansatör bağlanmadan önce ve bağlandıktan sonra yük üzerindeki gerilimde ne gibi bir değişim gördünüz? Frekansın etkisinin gözlenmesi: 7- Deney düzeneğini bozmadan frekansı değiştirerek f = 00Hz için ortalama çıkış gerilimi.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz), Frekans artınca dalgalanma... (artar/azalır) (osiloskoptan gözleyin) f = 50Hz için ortalama çıkış gerilimi.. (DC gerilim kademesi ile (.6) ve (.8) noktaları arasındaki gerilimi ölçünüz), Frekans azalınca dalgalanma... (artar/azalır) (osiloskoptan gözleyin) Sonuçları hocanıza gösteriniz. Deney düzeneğini, işaret kaynağı/osiloskop ayarlarınızı bozmayınız. Bir sonraki adım için frekansı tekrar 00Hz değerine ayarlayarak tam dalga doğrultucu adımlarına geçiniz. Sayfa / 3
Köprü Diyotlu Doğrultucu Uygulaması Deneyin Yapılışı: 8- Şekil 4'de görülen devre bağlantılarını hazırlayın. Şekil 4: Köprü diyotlu tam dalga doğrultucu bağlantı şeması 9- Osiloskop ayarları daha önceki yukarıdaki ölçümler ile aynıdır. 0- Osiloskopun Kanal probu ile, önce giriş ve sonra çıkış gerilimini ölçün. Çıkışı fotoğraflayarak Resim 3 olarak kaydedin. Çıkış gerilim görüntüsü, şekil 5'de gösteriliği gibi olmalıdır. Şekil 5: am dalga doğrultucu çıkışı görüntüsü (Resim 3) - AC giriş çıkışta doğrultuldu mu?. - Çıkış geriliminin tepe değeri ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) 3- Giriş gerilimi ile çıkış geriliminin tepe değerleri arasındaki iki diyot gerilimi kadar fark görmelisiniz. Fark ne kadardır?.. (osiloskop ekranında okuyunuz) Sayfa / 3
4- Bulduğunuz çıkış geriliminin efektif (RMS) değeri ne kadardır? Multimetrenin AC gerilim kademesi ile (3.) ve (3.4) arasını ölçünüz rms =... 5- Bulduğunuz çıkış geriliminin ortalama değeri ne kadardır? Multimetrenin DC gerilim kademesi ile (3.) ve (3.4) arasını ölçünüz ort =... 6- Doğrultulmuş gerilimin frekansı ne kadardır? Ölçünüz:... Hz. Frekans neden değişti? SORULAR: ) am dalga doğrultucunun, yarım dalgaya göre avantajlarını belirtiniz. ) Doğrultucu filtresindeki kapasite büyürse, çıkış nasıl etkilenir? 3) Filtrelenmiş doğrultucuda yük direnci küçülür ise, bu durum çıkışı nasıl etkiler? Ek Açıklama am dalga doğrultucu deneyindeki ölçme düzeninde, giriş ve çıkış için ortak uç olmadığından, giriş ve çıkış gerilimlerinin iki kanalda aynı anda görüntülenmesi mümkün değildir. Eğer alışılageldiği üzere Kanal giriş, Kanal çıkış olmak üzere Şekil 6 daki bağlantıyı yaparsanız, osiloskopun iki probunun şasesi ortak olduğundan, farkında olmadan D7 diyodunu kısa devre etmiş olursunuz. Bu durumda, devre yarım dalga doğrultucu gibi çalışır. Şekil 6: Hatalı ölçme düzeni Sayfa 3 / 3