TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLERDE GERİBESLEME Amaç Elektronikte geniş uygulama alanı bulan geribesleme, sistemin çıkış büyüklüğünden elde edilen ve giriş büyüklüğü ile aynı nitelikte bir işaretin girişe gelmesi şeklinde tanımlanır. Devre üzerinde önemli etkileri olan geribesleme etkileri bu deneyde incelenecektir. Malzeme Listesi Transistör: 2xBC108 Kondansatör : 1x1µF, 1x2.2µF, 1x10µF tümü elektrolitik Direnç : 1x270Ω, 1x1kΩ, 1x3.9kΩ, 1x5.6kΩ, 2x10kΩ, 1x27kΩ, 1x180kΩ Ön Bilgi Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı Şekil 1 de görülmektedir. V s giriş sinyali, bir karıştırma devresine uygulanır ve bu arada βv o geribesleme sinyali ile birleştirilir. Bu sinyallerin farkı olan V i, daha sonra yükseltece giriş gerilimi olarak uygulanır. Yükselteç çıkışının bir kısmı, giriş karıştırıcı devresine geribesleme sinyalini uygulayan geribesleme devresine (β) bağlanır. Kaynak V s + - V i Kuvvetlendirici V o Yük βv o Geribesleme β Şekil 1. Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı Geribeslemeli sisteme ilişkin transfer fonksiyonu: A f = 1+β (1) Burada, geribeslemesiz kuvvetlendirici devresinin kazancı olup aynı zamanda açık çevrim kazancı olarak da ifade edilir. A f ise geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancıdır. Transfer fonksiyonunda yer alan β (β : Döngü Kazancı) büyüklüğüne bağlı olarak sistemden elde edilen performans farklılık gösterir. Transfer fonksiyonuna göre eşitliğin paydasındaki β terimi incelenecek olursa; β = 0 ise sistemde geribesleme yoktur. β > 0 ise sistemde negatif geri besleme vardır. β < 0 ise sistemde pozitif geri besleme vardır. β = -1 ise sistem osilasyon yapar. 1
Transfer fonksiyonuna göre döngü kazancı 1 den oldukça büyük olması durumunda (β>>1) paydadaki 1 terimi ihmal edilebilir. Bu durumda negatif geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancı tümüyle açık çevrim kazancından bağımsızdır. β 1 A f = β = 1 β (2) Pozitif Geribesleme: A f >, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1 den küçükse pozitif geribesleme söz konusudur. Pozitif geribesleme bazı özel durumlarda (darbe şekillendiriciler, osilatörler, aktif süzgeçler) kullanılır. Elde edilen kazanç geribeslemesiz kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre yüksektir. Negatif Geribesleme: A f <, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1 den büyükse negatif geribesleme söz konusudur. Negatif geri besleme sistemler üzerinde bazı iyileştirici etkileri olduğundan oldukça sık karşılaşılan bir uygulamadır. Negatif geri besleme ile elde edilen gerilim kazancı, geribeslemesiz gerilim kazancına oranla oldukça düşüktür. Ancak bu kazanç kaybına karşılık yüksek bir giriş empedansı, düşük bir çıkış empedansı, daha kararlı bir kuvvetlendirici kazancı ve daha yüksek bir kesim frekansı elde etmek mümkündür. Kararlılığın artması ile birlikte aktif devre elemanındaki ısıl değişimler, zamanla parametrelerdeki değişimler ve gürültülerin etkisi azaltılmış olur. Negatif geribeslemeli devrelerin iyileştirici etkileri aşağıda özetlenmiştir. Negatif geribeslemeli bir devrenin çıkışındaki gürültü ve distorsiyon bileşenleri miktarı, geribeslemesiz duruma göre 1+β oranında azalmaktadır. Negatif geribesleme uygulanmış tek kutuplu bir devrenin A f transfer fonksiyonunun frekansla değişimi analiz edilirse, üst kesim frekansının geribesleme uygulanmamış hale göre 1+β oranında arttığı, benzer şekilde alt kesim frekansının da aynı oranda azaldığı görülür. Negatif geribeslemeli bir devrede giriş empedansı geribeslemesiz duruma göre 1+β oranında artar. Çıkış empedansı 1+β oranında azalır. Yüksek giriş ve düşük çıkış empedansı, kaskat bağlı yükselteç devrelerinde genellikle tercih edilen bir durumdur. Kararlılık artar. Böylece devreden elde edilen kazanç, ısıl değişimlerden ve zamanla parametrelerdeki değişimlerden bağımsız hale gelir. Bir transistörlü kuvvetlendiriciye, çıkış gerilim veya akımıyla orantılı bir gerilimin girişe seri ya da akımın paralel olarak getirilmesiyle geribesleme uygulanması mümkündür. Bu durumda dört farklı geribesleme tipinin var olduğu açıktır: Seri gerilim geribeslemesi Seri akım geribeslemesi Paralel gerilim geribeslemesi Paralel akım geribeslemesi Bir elektronik devrenin çalışması incelenirken önem taşıyan analizlerden birisi de devrenin transfer fonksiyonunun modül ve fazının frekansla değişimidir. Bu ilişkiyi gösteren eğrilere kısaca frekans eğrileri denir. Fazın değişimi, özel uygulamalar dışında çoğunlukla verilmez. Bu nedenle burada, sadece transfer fonksiyonunun modülünün değişimi ele alınacaktır. Transfer fonksiyonunun gerilim kazancı olduğu varsayılacaktır. 2
Bir kuvvetlendiricide kazancın modülünün frekansla değişimi göz önüne alındığında üç bölgeyle karşılaşılır; alçak, orta ve yüksek frekans bölgeleridir. Orta frekans bölgesinde kazancın modülünün frekansa bağımlılığı ihmal edilecek kadar azdır. Alçak ve yüksek frekanslarda ise kazancın modülü frekansla değişir. Alçak frekans bölgesinde kazancın modülünün, orta frekans bölgesindeki değerinin 1 2 = 0.707 sine eşit olduğu frekansa alt kesim frekansı denir. Yüksek frekanslar bölgesinde bu özelliği taşıyan frekansa ise de üst kesim frekansı denir. Bu iki frekans arasında kalan bölgeye, devrenin kullanılabilme bölgesini belirleyen bant genişliği denir. Bu bölge çok dar olursa orta frekans bölgesi ortadan kalkar ve kesim frekansları modülün en büyük değerinin 1 2 sine düştüğü frekanslar olarak tanımlanırlar. Frekans eğrilerinde genellikle frekansın değişim aralığı büyük olduğundan eksen logaritmik olarak bölmelenir. Diğer eksen ise; kazancın modülü, bağıl kazancın modülü veya bu büyüklüklerin db cinsinden değerleri şeklinde seçilebilir. Burada söz konusu olan bağıl kazanç, kazancın modülünün orta frekanslardaki değerine oranıdır. Genellikle düşey eksen db cinsinden bağıl kazanç alınır. Kesim frekansları, logaritmik düzlemde orta frekansların kazancının 3 db altında olan noktalara denk gelir. Şekil 2 de negatif geribeslemeli ve geribeslemesiz kuvvetlendiricilere ait kazanç frekans karakteristiği verilmiştir. Görüldüğü üzere negatif geribeslemeli kuvvetlendiricilerde kazanç düşmüş, buna karşın bant genişliği artmıştır. Kazanç (db) 0.707 db db - 3dB A f 0.707A f A fdb A fdb - 3dB f ol f f L f f H Frekans f oh Şekil 2. Geribeslemeli (A f) ve geribeslemesiz () kuvvetlendirici kazanç-frekans karakteristiği Frekans eğrilerinin ölçü yoluyla bulunmasında iki yol izlenir. Bu yollardan biri, frekans değiştirildiğinde çıkış seviyesi sabit kalacak şekilde giriş seviyesinin değiştirilmesi esasına dayanır. Orta frekans bölgesinde, giriş seviyesi, çıkışta uygun bir işaret elde edilecek şekilde ayarlanır. Çıkış seviyesi sabit kalmak şartıyla giriş seviyesinde oluşacak değişimler kaydedilir. Frekans eğrisinin çıkarılmasında ikinci yol, çıkış yerine giriş seviyesinin sabit tutulmasıdır. Bu yöntemle, orta frekans bölgesinde çıkış seviyesi uygun bir değere getirilir ve buna karşı düşen giriş seviyesi belirlenir. Giriş bu değerde sabit kalmak şartıyla çıkış seviyesinde oluşan değişimler kaydedilir. 3
DENEY Ön Hazırlık: 1. Açık çevrim kazancı = 100, giriş empedansı 10kΩ, çıkış empedansı 20kΩ olan kuvvetlendirici devresine, geribesleme faktörü β= 0.1 olan, seri-gerilim geribeslemesi uygulanmıştır. Buna göre geribeslemeli kuvvetlendiricinin gerilim kazancını, giriş ve çıkış empedansını hesaplayınız. 2. Açık çevrim kazancı =1000 ve geribesleme faktörü β=0.1 olan geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancını (A f) bulunuz. Açık çevrim kazancının, a. =500 b. =250 olduğu durumda geribeslemeli devrenin kazancını (A f) hesaplayınız. Sonuçları yorumlayınız. 3. Şekil 3 teki devreyi Multisim veya benzeri bir simülasyon programında kurup simulasyonunu yapınız. Frekans analizi ile geribeslemesiz (Rf - Cf den oluşan kol açık devre iken) ve geribeslemeli (Rf = 10k ve Cf = 2.2µF) devrenin genlik BODE diyagramlarını çizdiriniz. Her bir grafik için alt ve üst kesim frekanslarını belirtiniz. Geribeslemenin kazanca ve bant genişliğine etkisini gösteriniz. (Multisim de BODE diyagramının çizdirilmesi rehberine buradan göz atabilirsiniz.) (Deneye gelmeden önce ön bilgi kısmını dikkatlice okuyup anlamanız ön hazırlığı ve deneyi doğru bir şekilde yapabilmeniz açısından önem arz etmektedir. Ön hazırlık raporları bireysel olarak hazırlanacak ve ön hazırlığı teslim etmeyenler deneye katılma hakkı kazanamayacaklardır.) Deneyde Yapılacaklar: 1. Şekil 3 teki devreyi kurunuz. Girişe 10KHz frekansında 20mV genlikli sinüsoidal gerilim uygulayınız. 2. Geribeslemesiz devrenin kazancını ölçüp sonuç sayfasındaki ilgili tabloya yazınız. Alt ve üst kesim frekanslarını deneysel yolla belirleyiniz ve frekans karakteristiğini sonuç sayfasına çiziniz. 3. Geribesleme devresini ekleyiniz. Kazancı ölçüp sonuç sayfasındaki ilgili tabloya yazınız. (1) eşitliğinden faydalanarak döngü kazancını (β) hesaplayınız. 4. Geribeslemeli devrenin alt ve üst frekansını deneysel yolla belirleyiniz ve sonuç sayfasına çiziniz. 5. Elde ettiğiniz sonuçları sonuç sayfasındaki yorum kısmında yorumlayınız. Şekil 3 4
DENEY SONUÇ SAYFASI Ad-Soyad: Numara: Grup: Kazanç () Geribeslemesiz devre için Alt ve üst kesim frekansı f a = f ü = Geribeslemeli devre için Kazanç (A f) Döngü kazancı (β) Alt ve üst kesim frekansı f a = f ü = Geribeslemesiz devrenin frekans karakteristiği Frekans Geribeslemeli devrenin frekans karakteristiği Frekans Yorumlar: 5