DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı Devreleri

DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı Devreleri DENEYİN AMACI 1. UJT gevşemeli osilatör devresinin çalışmasını öğrenmek. 2. UJT zamanlayıcı devresinin çalışmasını öğrenmek. GİRİŞ UJT (Relaxation) Gevşemeli Osilatör SCR ve Triyak tetikleme devrelerinin çoğu darbe üreteci olarak temel gevşemeli osilatör kullanırlar. -I karakteristiği negatif direnç bölgesi içeren herhangi bir yarı iletken eleman kullanılabilir. Genellikle kullanılan elemanlar UJT, PUT, SCS, Diyak, ve Schottky diyotları içerir. (a) Devre (b) Emetör gerilimi (c) R1 üzerindeki gerilim Şekil 3-1 Temel UJT Gevşemeli Osilatör 3-1

Şekil 3-1, temel UJT gevşemeli osilatör devresini ve gerilim dalga şekillerini gösterir. S anahtarı kapatıldığında, C kapasitörü R E direncinden akan akımla B değerine kadar dolar. Kapasitör gerilimi E tepe noktası gerilimi P değerine ulaşınca UJT iletime geçer. Kapasitör R 1 direnci üzerinde bir gerilim darbesi üreterek E-B 1 yönünde boşalır. Çıkış darbesinin büyüklüğü şu denklem ile belirlenir: O = I E x R 1 (3-1) Emetör akımı, UJT çukur noktası akımına, I, kadar düşer, UJT kesime gider ve kapasitör tekrar dolmaya başlar. Bu döngü S anahtarı kapalı kaldığı sürece devam eder. Osilasyon periyodu oldukça küçüktür, genellikle birkaç µs dir. Şekil 3-1(b) de E gerilim dalga şekli temel olarak bir eksponansiyel eğridir. Normal çalışmada, deşarj zaman sabiti ((R B1 + R 1 ) x C E ) ve şarj zaman sabiti (R E x C E ) dir. Gerçeklenen devrelerde R E >> (R B1 + R 1 ) olduğundan, (R E + C E ) >> ((R B1 + R 1 ) x C E dir. Şekil 3-1(b) deki eğrinin periyodu (t 1 ) şu denklem ile belirlenir: t 1 = R C E E 1 ln (1 η) ( D B1B2 B1B2 >> D olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir: t = R E C 1 E (3-2) ) 1 ln....(3-3) (1 η) den P ye kadar dolan kapasitör şu şekilde ifade edilebilir: P = ( B )(1 e t1 R E C E ) Birçok uygulamada R BB >> R 2 ve B >> olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir: P = (1 e B t1 R E C E ) Böylece t1 şarj periyodu şöyle ifade edilebilir: B t1 = RECE ln( )..(3-4) B P Şekil 3-1(c) de çıkış darbesinin frekansı şöyle hesaplanabilir: f = 1 / (t1+t2) (Hz)... (3-5) 3-2

Burada t1 şarj periyodu, t2 deşarj periyodudur. Bir çevrimi tamamlamak için geçen süre genellikle T ile tanımlanır, T = t1+t2 dir. Kapasitör UJT nin emetörü, R B1 ve R1 üzerinden boşalır. R B1 ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve R E >> R 1 dir, dolayısıyla t2 deşarj periyodu t1 e göre oldukça küçüktür. Böylece uygulamada çıkış darbesinin frekansı şu eşitlik ile hesaplanabilir: f = 1 / t1 (Hz) (3-6) Üstte bahsedilen bu iki çıkışın yanında, istendiği takdirde Şekil 3-1(a) daki UJT gevşemeli osilatör devresindeki B2 ucundan da işaret çıkışı alınabilir. Şekil 3-2, bir UJT gevşemeli osilatör devresinin UJT çıkışlarındaki gerilim dalga şekillerini gösterir. Şekil 3-2(b) de B1 deki çıkış dalga şekli, genellikle SCR ve Triyak gibi tetiklemeli tristörlerde kullanılan pozitif darbe katarıdır. Şekil 3-2(c) de gösterilen B2 deki dalga şekli B1 dekinin tersine bir negatif darbe katarıdır. Emetör çıkışında ise Şekil 3-2(d) de gösterildiği gibi testere dişli dalga oluşmuştur. Şimdi Şekil 3-2(a) ya dönelim. B kaynak gerilimi verildiğinde B2 pozitiftir, baz arası direnci (R BB = R B1 + R B2 ), R1, ve R2 dirençlerinin izin verdiği miktarda küçük bir akım (I B2 = B / (R BB + R1 + R2)) B2 ile B1 arasından akar. Emetör gerilimi E (C E gerilimi) P gerilimine ulaşır, ve UJT iletime geçer. C E deşarj akımı (I E ) aniden maksimum değerine çıkar, böylece R B1 düşer ve I B2 yükselir. Sonuçta R2 deki gerilim düşümünün artmasından dolayı B2 gerilimi düşer ( B2 = B - I B2 R2) olur. Deşarj periyodunun sonunda UJT kesime gider ve B2 çıkışı başlangıçtaki potansiyeline döner. Dolayısıyla B2 ucundaki çıkış dalga şekli Şekil 3-2(b) de gösterildiği gibi negatif darbedir. R2 direnci sıcaklık kompanzasyonu için kullanılmıştır ve daha ileri ki konularda incelenecektir. (a) Devre (b) B1 çıkış gerilimi 3-3

(c) B2 çıkış gerilimi (d) Emetör çıkış gerilimi Şekil 3-2 UJT Gevşemeli Osilatör Şimdiye kadar, UJT karakteristiklerini ve UJT gevşemeli osilatörün çalışma ilkelerini inceledik. Bundan sonraki konular için önemli olan UJT parametrelerini şöyle özetleyebiliriz: 1. R BB = 4~10K 2. η=0.6, R B1 =0.6 R BB, R B2 =0.4R BB 3. I P =0.5~50µA 4. I =1~10mA 5. =1~3 6. R sat =5~25Ω (1) Doğrusallığın Sağlanması Şekil 3-1(b) ve 3-2(d) den, emetör gerilimi dalga şeklinin tam bir testere dişli dalga olmadığını görüyoruz, bunun sebebi şarj akımının eksponansiyel (üssel) bir formda olmasıdır. Kapasitörde doğrusal bir şarj gerilimi elde etmek için, sabit akımla şarjı sağlamak için sabit akım kaynağı kullanmak iyi bir çözümdür. Şekil 3-3 Sabit Akım Şarjlı Ujt Gevşemeli Osilatör 3-4

Şekil 3-3 te sabit akım kaynağı PNP transistör Q2, R E direnci, ve 3 adet diyotla oluşturulmuştur. Her bir diyotun gerilim düşümlerinin transistörün baz emetör gerilimine tam olarak eşit olduğunu farz edelim. Bu durumda Q2 emetör akımı şöyle hesaplanabilir: 0.6N 0.6 ( N 1)0.6 I = =..(3-7) R E R E Burada N diyot sayısıdır. Örneğimizde bu sayı 3 olduğundan Q2 nin emetör akımı I E = 1.2/R E olur. Yani I E akımı sabittir ve R E ile belirlenir. I C I E olduğundan C E kapasitörü R E direnci ile belirlenmiş bir sabit akım ile dolar. Bir kapasitörün kapasitansı tanımında, kapasitör geriliminin şu şekilde yazılabileceği belirtilir: C = Q / C E..(3-8) Kapasitördeki gerçek yük Q içinde hareket eden yüklerin ortalama hızlarının zaman ile çarpımına bağlıdır. Yani Q = I.t...(3-9) Daha önce de bahsedildiği gibi, kapasitör çukur noktası gerilimi den tepe noktası gerilimi P ye kadar dolar, kapasitör gerilimi C P ye ulaştığında UJT iletime geçer. Bir çevrimin periyodu (T) şarj süresi t1 ile değiştirilebilir ve şöyle ifade edilebilir: Q ( C )( CE ) ( P ) CE t1 = T = = =..(3-10) I I I Sabit şarj akımını korumak için E < P iken Q2 transistörünün doyma bölgesinde olmaması gerekir. Şekil 3-3 teki devreye uygulanacak gerilimi belirlemek için Q2 doyma geriliminin uygun bir değerinin bilinmesi gerekir. CE2(sat) = 1 ise, uygulanacak gerilim şöyle belirlenir: BB P + 1+ (N-1) x 0.6..(3-11) Şekil 3-4, UJT osilatör devreleri için bir sabit akım kaynağı devresini gösterir. Diyot, Zener diyot, ve R Z direncinden oluşan gerilim bölücü Q2 transistörünün bazında sabit bir iletim yönünde kutuplama oluşturur. Sıcaklık kompanzasyonu için transistörün EB jonksiyonu ile aynı -I karakteristiğine sahip bir diyot seçilmiştir. Şekil 3-4 Zener Sabit Akım Kaynaklı Ujt Osilatör 3-5

Q2 nin emetör akımı Zener diyot gerilimi Z ve R E direnci ile belirlenir. + Z D BE I E = = RE R Z E Z sabit olduğundan I E de sabit olmak zorundadır. Şarj zamanı t1 alttaki denklemle ifade edilebilir. Q B CE ( P ) CE t1 = t = = = (3-12) I I I Bu durumda besleme gerilimi BB ; BB P + 1 + Z....(3-13) Buradaki son sabit akım kaynağı devresi Şekil 3-5 te gösterilen devredir. Bu devrede JFET Q2 transistörünün savağı (savak: drain) ile UJT nin B2 bazı birleştirilmiştir. Q2 transistörü C E kapasitörünün dolması için sabit şarj akımı sağlar. FET in I D - GS karakteristiklerinden görüldüğü gibi, şarj akımı şöyle belirlenir: I = R GS R Osilasyon frekansı R E direncine bağlı olarak değişir. Şekil 3-5 JFET Sabit Akım Kaynaklı UJT Osilatör (2) nin Küçültülmesi Bir UJT gevşemeli osilatörün emetör gerilim çıkışı ~ P aralığındadır. Çıkış gerilim aralığını genişletmek için kullanılan bir yöntem P değerini yükseltmek, bir E diğeri ise değerini düşürmektir. (1 C E P = B e ) denkleminden tepe gerilimi P nin, B besleme gerilimi arttırılarak kolayca arttırılabileceği görülmektedir. çukur gerilimini azaltmak yada yok etmek için Şekil 3-6 daki devrede kullanılan teknik faydalı bir tekniktir. t1 R 3-6

Şekil 3-6 Küçültme Amacıyla Eklenen Transistör Şekil 3-6 daki devre Şekil 3-4 teki devre ile karşılaştırıldığında Şekil 3-6 daki devrede kullanılan ilave transistör Q D nin dışında devrelerin tamamen aynı olduğu görülür. Q D transistörü kapasitörün boşalması için başka bir yol sağlaması için kullanılmıştır. Bu devrenin çalışması kısaca şöyle açıklanabilir: 1. C E dolarken UJT ve Q D kesimdedir. 2. C E gerilimi P değerine ulaşınca, UJT iletime geçer ve C E kapasitörü R1 direnci üzerinden boşalır. R1 deki gerilim darbesi Q D yi doyum bölgesine götürür. 3. Q D doyumda olduğundan, CE(sat) değeri sıfıra çok yakındır (tipik olarak 0.1). Ancak bu gerilim değeri Q D transistörünün olmadığı devrede nin (tipik olarak 1~3) yanında çok küçüktür. 4. Q D deşarj zamanını arttırır. 0 ile BB arasındaki büyüklükte bir negatif çıkışa ihtiyaç duyulursa, Şekil 3-7 deki devre bu ihtiyacı giderebilir. Q P transistörü CE kuvvetlendirici yapısına bağlanmıştır, ve evirici olarak çalışır. UJT osilatörün normal çalışmasında, B1 ucundaki pozitif darbe Q P transistörünü doyma bölgesinde iletimde tutacaktır. Kollektör çıkışında Şekil 3-7 de gösterildiği gibi 5~12µs lik kısa süreli bir negatif darbe gözlenir. Şekil 3-7 Yüksek Gerilimli Kısa Süreli Negatif Gerilim Çıkışı 3-7

(3) Yük Etkisinin Azaltılması Şekil 3-8, bir R D yük direncinin temel bir UJT gevşemeli osilatör devresindeki kapasitöre paralel bağlanmış halidir. R D ve R E dirençleri bir gerilim bölücü oluşturur. Eğer R d direnci P değerinden daha büyük bir gerilim düşümü oluşturmak için çok küçükse osilatör osilasyon oluşturamaz, çünkü UJT iletime geçemez. Buna ek olarak, ilave edilen RD direnci UJT giriş empedansını değiştirdiğinden osilasyon frekansı da değişir. Bu değişim yük etkisi olarak adlandırılır. Yük etkisinin oluşmasından kaçınmak için, çok yüksek giriş direnci ve çok düşük çıkış empedansı olan bir yük gereklidir. Şekil 3-9(a) da gösterildiği gibi, Q3-Q4 darlington çiftinin aktif empedans eşleme devresi gibi davranır. Bu devrenin çalışması şöyle özetlenebilir: 1. Her transistörün dc akım kazancının (β) 100 den büyük olduğunu farz edelim. Darlington çiftinin toplam dc akım kazancı (β 2 ) 10000 dir. 2. R E =1KΩ olduğundan, Darlington çiftinin giriş direnci (1K x 10000) 10MΩ dur. Bu 10MΩ luk direnç kapasitöre paralel bağlanmıştır. 3. C E kapasitörünün şarj akımı ( Z / R E = 5 / 25K) 200µA dır. En kötü durumda, E = P, 10MΩ luk giriş direncinde oluşan maksimum şönt akımı P / 10MΩ = ( D + η BB ) / 10MΩ = (0.5 + 0.65 + 30) / 10MΩ = 2µA dır. Bu akım şarj akımının yanında ihmal edilebilir. Dolayısıyla yük etkisi önemsenmez. 4. Q4 emetöründeki çıkış gerilimi Şekil 3-9(b) de gösterildiği gibi ( E - 1.2) a eşittir. 5. Q4 ün emetör direnci çıkış gerilimini ayarlayabilmek için bir potansiyometre ile değiştirilebilir. Emetör direnci ile yük arasına bir kuplaj kapasitörü C C bağlanarak, ortalama dc gerilim sabitlenir ve Şekil 3-9(b) de gösterildiği gibi 10 ~ +10 aralığında bir çıkış gerilimi elde edilir. Şekil 3-8 Yük Etkisi İllüstrasyonu 3-8

Şekil 3-9 Yük Etkisini Azaltmak İçin Kullanılan Darlingtonlu Devre UJT Gevşemeli Osilatör Tasarımı Yukarıda bahsedildiği gibi, bir gevşemeli osilatör devresinde, UJT negatif direnç bölgesinde çalışmalıdır. Bir UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımında, statik E -I E eğrisinin Şekil 3-10 daki Yük çizgisi 3 (load line 3) te olduğu yük eğrisi ile negatif direnç bölgesinde kesişmesi gerekir. Tasarım adımları altta listelenmiştir. Şekil 3-10 UJT Yük Çizgileri 3-9

(1) R E nin Belirlenmesi R E direnci, UJT karakteristik eğrisi ile negatif direnç bölgesi içinde kesişecek şekilde seçilmelidir. Bu koşulu sağlamak için uygulanan B gerilimi UJT yi iletime geçirecek kadar büyük olmalı, ve kapasitör şarj akımı tepe noktası akımı I P den daha büyük olmalıdır. Maksimum R E değeri alttaki denklem ile belirlenir: < R.(3-14) B P R R = I P E(MAX ) R E(max) yük çizgisi Şekil 3-10 daki yük çizgisi 1 dir. Gerçek R E değeri R E(max) tan küçük seçilmelidir. R E direnci, tepe akımı I den daha küçük bir deşarj akımı sağlamak için çok küçükse UJT doyma bölgesinde (saturation region) çalışacaktır, bu durumda UJT kesime götürülemez. Kesime götürebilmek için gerekli minimum R E değeri şöyle belirlenir: B R E > = RE(Mİİ )..(3-15) I Dolayısıyla R E direnci aralığı R E(max) ile R E(min) ile sınırlıdır. Genellikle R E(min) değerinin 2 yada 3 katına eşit bir R E değeri yük çizgisini negatif direnç bölgesinde konumlandırmak için uygun bir değerdir. (2) C E nin Belirlenmesi Kapasitör değerini belirlemeden önce, şarj olan bir kapasitörün gevşemeli osilatör devresine etkisini görmek için bu devredeki UJT nin çalışmasını incelemeliyiz. Şekil 3-11, daha önce incelenen UJT statik E -I E karakteristiğini ve dinamik yolu gösterir. Kapasitör gerilimi P değerine (B noktası) ulaştığında, UJT çalışmasına devam eder ve yük çizgisi ile elemanın karakteristiğinin negatif direnç bölgesindeki kesişme noktasında çalışmaya hazırlanır. Kapasitör geriliminin aniden düşememesi nedeniyle çalışma noktası aniden sabit gerilimde bir C noktasına kayacaktır. B~C yolundaki zaman aralığı UJT nin iletime geçiş zamanı (turn-on time) olarak adlandırılır, bu değer tipik olarak 1µs den daha küçüktür. 3-10

Şekil 3-11 UJT nin Dinamik e Statik Karakteristikleri C noktasında, kapasitör aniden boşalır, dolayısıyla çalışma noktası C noktasında D noktasına düz bir şekilde kayar, bu C-D çizgisinin eğimi R1 ve R E(Sat) ile belirlenir. D noktası çukur noktasına yakındır. Emetör akımı çalışma noktasını D noktasında tutamaz. Bu anda, devrede C E kapasitörü olmasaydı, çalışma noktası D noktasından elemanın karakteristik eğrisi ile yük çizgisinin negatif direnç bölgesindeki kesişme noktasına kayardı. Ancak gerçekte C E kapasitörü olduğundan çalışma noktası D den A ya kayar. Bu noktada kapasitör bir sonraki çevrim için dolmaya başlar. Dolayısıyla, osilasyon periyodu R E C E zaman sabiti, ve iletim (turn-on) ve kesime (turn-off) gitme karakteristikleri ile belirlenir. Şekil 3-12 Değişik C E Değerleri İçin Çalışma Yolları 3-11

Uygulamada, UJT gevşemeli osilatör devresinin çalışma yolu C E, B1B2, ve sabit C E değeri ile belirlenir. Şekil 3-12 değişik C E değerleri için çalışma yollarını gösterir. Şekil 3-13 sabit bir C E değeri ve değişik B1B2 değerleri için çalışma yollarını göstermiştir. Bu iki şekilden, C E yada B1B2 değerlerinden herhangi birinin artması ile I= nin arttığını ve daha uzun bir çalışma yolunun izlendiğini görürüz. I E nin artması R1 üzerindeki çıkışı büyütür, ve daha uzun çalışma yolu osilasyon frekansını düşürür. Şekil 3-13 Değişik B2B1 Değerleri İçin Çalışma Yolları Yukarıda incelendiği gibi, osilasyon frekansı C E değerinin büyüklüğü ile değişir. C E değeri alttaki denklem ile belirlenebilir. C E R E T 1 ln 1 η (3-16) Burada T osilasyon periyodudur. (3) R1 in Belirlenmesi B1 e bağlanan R1 in temel amacı gerilim çıkış değerini belirlemektir. Birçok uygulamada, R1 100Ω dan daha küçük seçilir; bununla birlikte 2~3KΩ kadar büyük R1 değerleri de bazı özel tasarımlarda kullanılmaktadır. Genellikle R1 üzerinde istenen gerilim düşümü yükün ihtiyacına göre değişir. Örneğin, SCR tetiklemek için kullanılan bir UJT gevşemeli osilatör devresi minimum 3 lik bir tetikleme çıkışının olması gerekir. Bu durumda R1 üzerindeki gerili 3 den daha büyük olmalıdır. R1 değeri alttaki denklemle hesaplanabilir. R 1 = (İstenen tepe çıkış gerilimi) / (I E Tepe emetör akımı) (3-17) 3-12

Şekil 3-14 Değişik R1 Direnç Değerleri İçin R1 Direnci Geriliminin C E İle Değişimi Örneğin, 3 lik bir tepe gerilimi isteniyorsa ve tepe emetör akımı I E 300mA ise R1 için 10Ω luk bir direnç seçilmelidir. Daha yüksek I E elde edilmesi B1B2 gerilimi ile sağlanır. Şekil 3-14, B besleme gerilimi 20 iken R1 üzerindeki çıkış gerilimi ile C E arasındaki ilişkiyi gösterir. Eğer 20 üzerinde bir besleme gerilimi uygulanırsa, alttaki hata faktörü göz önünde bulundurulmalıdır. Hata faktörü = ( B 6) / 14....(3-18) Şekil 3-14 örneğinde, B =20, C E =1µF, ve R1=10Ω iken R1 üzerindeki minimum gerilim 3 dir. Eğer besleme gerilimi 25 ye çıkarılırsa, önce hata faktörü hesaplanmalı, (25-6)/14=1.358, ve ardından çıkış tepe gerilimi 1.358 ile çarpılarak hesaplanmalıdır (1.358 x 3 = 4). (4) R2 nin Belirlenmesi UJT, yarı iletken elemanların çoğunda olduğu gibi, sıcaklık değişimlerinden etkilenir. B2 ucundaki R2 direnci osilatör için ısıl kararlılık sağlar. Denklem 2-3 ten, P tepe geriliminin B1B2, η, ve D gibi sıcaklıkla değiştiğini görürüz. Dolayısıyla UJT gevşemeli osilatör devresinin osilasyon frekansı sıcaklık değişimleri ile değişir. Kararlı ve hassas bir osilasyon frekansı elde etmek için UJT osilatörde sıcaklık kompanzasyonu yada ısıl kararlılık tekniklerinden biri düşünülmelidir. Uygulamada tercih edilen teknik, B2 ucuna uygun değerli bir direnç yerleştirilmesidir. Baz arası direnci R BB, ters emetör akımı I EO, tepe gerilim ve akımı, çukur gerilim ve akımı, η ve D, ve bunlar gibi sıcaklık değişimlerinden etkilenen birçok UJT parametresi vardır. Konunun devamında görülecekler açısından Denklem (2-3) hatırlanmalıdır: P = η B1B2 + D 3-13

Üstteki denklemin η hariç sıcaklığa göre diferansiyel denklemini oluşturursak alttaki denklemi elde ederiz. dp db 1B2 dd = η + dt dt dt Bir silikon diyot için d D /dt değeri negatiftir. Diğer bir deyişle sıcaklıktaki artış D nin düşmesine neden olur. ηd B1B2 /dt=d D /dt eşitliği sağlanabilirse, uygun bir R2 değeri kullanılarak frekans değişimi en aza indirilebilir. Kullanılacak R2 değerinin hassas bir şekilde formüle edilmesi UJT parametrelerinin çokluğundan dolayı oldukça zordur. Motorola mühendisleri ampirik deneylerle şu formülü elde etmişlerdir: R2 0.015 B η R BB (3-19) Şekil 3-15 Değişik R2 Değerleri İçin Sıcaklık&Frekans Değişimi Şekil 3-15 değişik R2 değerleri için osilasyon frekansı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi gösterir. Şekilde gösterildiği gibi 5 o C ile 80 o C arasında R2 değeri 1.5KΩ iken osilasyon frekansı oldukça kararlı olacaktır. Şekil 3-2(a) daki UJT gevşemeli osilatör devresi örneğinin tasarımına bakalım. Örnek 3-1 Şekil 3-2(a) daki gevşemeli osilatör devresinde UJT için şu değerler verilmiştir: =2, I =6mA, η=0.8, ve R BB =8KΩ. Besleme gerilimi B = 20. B1 de istenen minimum tepe çıkış gerilimi 1.5, ve istenen osilasyon frekansı 5.6KHz ise R E, C E, R1, ve R2 değerlerini belirleyiniz. Denklem (3-15) ten R E(min) bulunur: B 20 2 RE(min) = = = 3KΩ 3 I 6 10 3-14

R E direncini 3R E(min) yani 3 x 3KΩ = 9KΩ olarak seçiniz. Böyle bir durumda 10KΩ luk sabit bir direnç yada hassas bir osilasyon frekansı için 25KΩ luk bir potansiyometre kullanılabilir. İstenen osilasyon frekansı 5.6KHz dir, dolayısıyla osilasyon periyodu T=1 / 5.6KHz =175µs olarak hesaplanır. Denklem (3-16) dan C E kapasitansı şöyle hesaplanır: C 6 T 175 10 E = = = 0.01µ 1 3 1 RE ln 10 10 ln 1 η 1 0.8 Şekil 3-14 ten C E = 0,01µF için R1=50Ω değerini ve istenen minimum tepe çıkış gerilimi olarak da 1.5 seçeriz. F R2 değeri Denklem (3-19) dan hesaplanabilir: R2 = 0.015 B η R BB = 0.015 x 20 x 0.8 x 10 3 = 1920 Ω Çoğu uygulamada R2 değeri 200Ω ile 3KΩ arasında alınır, biz 2KΩ kullanacağız. UJT Osilatör Kullanılarak Tasarlanan Tristör Tetikleme Devreleri SCR ve Triyak anahtarlama devrelerinin çoğu darbe üreteci olarak UJT gevşemeli osilatör devresini kullanırlar. Şekil 3-16(a) da gösterildiği gibi R1 üzerindeki gerilim darbesi SCR nin kapısını sürmek için kullanılmıştır. (a) Temel Devre (b) Yük çizgileri Şekil 3-16 Temel UJT Gevşemeli Osilatör UJT gevşemeli osilatör devresinin tetikleme devresi olarak kullanılması için tasarımda yerine getirilmesi gereken bazı koşullar vardır. Gevşemeli osilatörler için yukarıda tartışılan koşulların yanında tristörün bazı karakteristikleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Erken tetiklemeden kaçınmak amacıyla R1 direnci şu şekilde seçilmelidir: 3-15

GT (max) R R + R 1 B2 >...(3-20) BB 1 ( I F I ) R1 > GT (min) (3-21) Burada GT(max) SCR yada Triyak ı tetiklemeyecek maksimum kapı gerilimi ve GT(min) elemanı tetikleyecek minimum kapı gerilimidir. B2 B2 terminalindeki gerilime karşılık gelir. Kapasitör deşarj zaman sabiti UJT nin iletime geçme zamanından (t on ) daha uzun olmalıdır, böylece doyma direnci R1 yük çizgisini etkilemeyecektir. C E x R1 değerini t on un en az 10 katı yaparsak alttaki denklem elde edilir: C E > 10t R1 on (3-22) Şekil 3-16(b) yük çizgilerini ve statik karakteristik eğrisini gösterir. B deki emetör akımı, I F, tristör için gerekli tepe kapı akımına karşılık gelir. Zamanlayıcı Devresi Zamanlayıcı devreleri endüstriyel kontrol sistemlerinde sıklıkla kullanılırlar. Zamanlayıcı devresinin ana fonksiyonu bir komut işareti yada bir anahtardan başlama işareti aldıktan sonra yüke enerji vermeden önce bir süre gecikme yapmasıdır. Dolayısıyla bir zamanlayıcı devresi temel olarak bir zaman geciktirici devredir. DC zaman geciktiricilerin genel tasarımı, bir pasif RC devresi ve bir aktif yarı iletken devreyi içerir. Şekil 3-17 UJT zaman geciktiricisinde kullanılan temel devreyi gösterir. Devrenin yukarıda anlatılan gevşemeli osilatör devresi olduğuna dikkat ediniz. Şekil 3-17 Temel UJT Zaman Geciktirici Devresi S anahtarı kapatıldığı zaman, dc besleme gerilimi R2 ve D1 den oluşan zener regülasyon devresi üzerinden UJT gevşemeli osilatör devresine çalışma gerilimi sağlar. 3-16

R1 üzerinden akan akım D1 in zener gerilimine kadar C1 kapasitörünü şarj eder. C1 gerilimi UJT nin tepe noktası gerilimi P değerine ulaşınca UJT iletime geçer, B1 deki çıkış darbesi güç kontrol elemanlarını tetiklemek için kullanılabilir. Zaman geciktirici devrenin tasarımı UJT gevşemeli osilatör devresi ile aynıdır. Gecikme zamanı R1C1 zaman sabiti ile belirlenir ve R1 değeri osilasyon koşulları ile sınırlıdır. Belirlenen R1 değeri için genel eşitlik alttaki gibidir: C1 > T / R1 (3-28) Burada T istenen gecikme zamanıdır. Üstteki eşitlikten, uzun zaman gecikmelerinin büyük ve pahalı kapasitörler gerektireceği görülebilir. Uzun zaman gecikmeleri için diğer bir yol şarj direnci yerine bir yarı iletken eleman kullanmaktır. Şekil 3-18 bu tip devrelerden sık kullanılanları gösterir. (a) (b) Şekil 3-18 Zaman Geciktirici Devreler Şekil 3-18(a) da şarj direnci bir jonksiyon transistör ile değiştirilmiştir. Şarj akımı kutuplama dirençleri 1R, 2R, ve 3R ile kontrol edilir. Şekil 3-18(b) deki devredeki şarj direnci yerine bir FET kullanılarak yüksek empedanslı bir sabit akım kaynağı oluşturulmuştur. Şarj akımının büyüklüğü 1R kaynak direncinin seçimi ile kontrol edilir. Deney Devresinin Açıklaması Şekil 3-19 KL-53001 modülündeki deney devresini gösterir. Bu devre UJT gevşemeli osilatör ve UJT zamanlayıcı devrelerinden oluşur. 3-17

Şekil 3-19 Deney Devresi (1) UJT Osilatör Devresi UJT osilatör devresi için besleme gerilimi 12DC dir. Gerilim uygulandığında şarj akımı şarj dirençleri R2 ve R4 üzerinden akarak C kapasitörünü şarj eder. Kapasitör şarj formülünden şarj zamanının şöyle hesaplandığı görülür: R2 = minimum, R2 = maksimum, C = C2 = 100µF ise, C = C3 = 22µF ise, C = C4 = 1µF ise, T1 = R4 x C = 510 x C T2 = (R4 + R2) C = (510 + 250 x 10 3 ) x C T1 = 0.051 saniye, ve f1 = 19.6Hz T2 = 25.051 saniye, ve f2 = 0.0399Hz olur. T1 = 0.011 saniye, ve f1 = 90.9Hz T2 = 5.51 saniye, ve f2 = 0.181Hz olur. T1 = 0.00051 saniye, ve f1 = 1960.8Hz T2 = 0.25 saniye, ve f2 = 4Hz olur. Emetörde bir testere dişli dalga ve B1 de pozitif darbe elde edilir. R2 potansiyometresi ayarlanarak değişik frekanslar elde edilebilir. Q1 transistörü bir sabit akım kaynağı gibi davranır. Denklem (3-7) den akım aralığı şöyle hesaplanır: (0.6 + 0.6 0.6 ) I 50.056K E 1 (0.6 + 0.6 0.6 ) 56Ω Dolayısıyla 11.9µA I E1 10.7 ma dır. 2N2624 tipi UJT için, = 1.5, P = 7.5. Denklem (3-10) dan 3-18

(7.5 1.5) C 6C T = = I E1 I E 1 C = C2 = 100µF ise, 6 6 100 10 T1 = = 50. 42s 6 11.9 10 f1 = 0.0198 Hz. 6 6 100 10 T 2 = = 0. 056s 3 10.7 10 f1 = 17.85Hz. C = C3 = 22µF ise, T1 = 11.09 s f1 = 0.09Hz T2 = 0.012 s f2 = 83.33Hz C = C4 = 1µF ise, T1 = 0.5 s f1 = 2Hz T2 = 0.00056 s f2 = 1785.7Hz Yukarıda bahsedildiği gibi, sabit akım kaynağı emetördeki testere dişli dalga için doğrusallık sağlar. UJT gevşemeli osilatör bir AC güç elemanını tetiklemek için kullanıldığında, tetikleme darbesi AC hat gerilimi ile senkron edilemez. Senkronizasyon için, osilatör güç kaynağı Şekil 3-20(a) da gösterildiği gibi bir AC gerilimde olmalıdır. 60Hz lik AC hat gerilimi köprü tam dalga doğrultucu ile 120Hz de dalgalı dc gerilime dönüştürülür. Şekil 3-20(b) de gösterildiği gibi R D ve D1 den oluşan gerilim bölücü dalgalı dc gerilimi 12 lik uygun gerilim değerine sınırlar. 3-19

Şekil 3-20 Hat Gerilimi İle Senkron Tetikleme Darbeleri Q2 transistörü deşarj zamanını kısaltır. değeri R5 ile belirlenir. (2) Zamanlayıcı Devresi UJT gevşemeli osilatör aynı zamanda bir zamanlayıcı yada zaman geciktirici devre olarak da kullanılır. Çıkış darbesinin frekansı R1 yada R2 ile kontrol edilir. Bir röle, lamba, SCR, yada buzzer sürebilecek bir çıkış darbesi ON ve OFF gecikmelerini göstermek üzere elde edilmiştir. Şekil 4-19, R6 uçlarındaki gerilim darbesi Q3 transistörüne baz akımı sağlar, Q3 iletime geçer ve LED ve buzzer ı çalıştırır. Gecikme zamanı sona erdiğinde gerilim darbesi kesilir, ve Q3 kesime gider. LED ve buzzer çalışmaz. KULLANILACAK ELEMANLAR KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi KL-53001 Modülü Osiloskop Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. Bir AC güç kablosu kullanarak KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesinin AC110 girişini bir AC çıkışa bağlayın. Güç kaynağını açın. Multimetreyi kullanarak ac çıkış gerilimleri ile +5dc ve +12dc gerilimleri kontrol edin. 2. Şekil 3-19 daki devreye bakarak, KL-53001 Modülündeki S anahtarını OFF konumuna getirin. Test uçlarını kullanarak DC12 girişini Güç Kaynağı Ünitesinin +12 çıkışına bağlayın. 3-20

3. Bağlantı fişlerini 1, 4, 7, 8, 11, 12, ve 14 numaralı yerlere bağlayın. Minimum değer elde etmek için R2 yi saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 4. S1 i ON konumuna getirin. Osiloskopu kullanarak, B1 deki çıkış darbesini ölçün ve Tablo 3-1 e kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin. T = (Not: Osilasyon görünmezse, R2 yi bir dalga şekli görünene kadar sağa doğru yavaşça çevirin.). 5. Osiloskopu kullanarak, UJT nin emetöründeki gerilim dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-1 e kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin. T = 5. ve 6. Adımlardaki T değerleri birbiri ile uyuşuyor mu? 6. R2 yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. LED ve buzzer ın durumlarını gözlemleyip kaydedin. LED ; Buzzer Bir kronometre kullanarak, LED in sönük olduğu zamanı ölçüp kaydedin. T = B1 Tablo 3-1 E 0 T 0 T 7. R2 yi sağa doğru çevirerek E ve B1 deki dalga şekillerindeki değişimi gözlemleyip kaydedin. 3-21

8. R yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. Periyodu hesaplayın. T = (R2 + R4) x C4 = 9. Osiloskobu kullanarak, B1 deki dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-2 ye kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin. T = 10. 8. e 9. Adımlar yaklaşık olarak birbiriyle uyuşuyor mu? 11. E deki dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-2 ye kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin. T = Bulduğunuz T değeri 9. Adımdaki T ile uyuşuyor mu? Tablo 3-2 B1 E(1) E(2) 0 T 0 T 0 T 12. E deki gerilim dalga şekline bakarak UJT parametrelerini belirleyiniz. = ; P =. 13. Bağlantı fişlerini 12 ve 14 numaralardan çıkarıp sırasıyla 13 ve 15 e takınız. S1 anahtarını ON konuma getirdikten sonra LED ve buzzer ın ON olmasına kadar geçen süreyi ölçün. T =. E deki gerilim dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-2 ye kaydedin. 14. 7 numaradaki bağlantı fişini çıkarıp 6 ya takın. R2 yi saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 5., 6., ve 7. Adımları tekrar edin ve sonuçları Tablo 3-3 e kaydedin. 3-22

B1 Tablo 3-3 E 0 T 0 T 15. R2 yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. 8., 9., 10., ve 11. Adımları tekrar edin ve sonuçları Tablo 3-4 e kaydedin. Tablo 3-4 B1 E(1) E(2) 0 T 0 T 0 T 16. 13. Adımı tekrarlayın ve sonucu Tablo 3-4 e kaydedin. 17. 6 numaradaki bağlantı fişini çıkarıp 5 numaraya takın. R2 yi saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 4., 5., 6., ve 7. Adımları tekrar edin ve sonuçları Tablo 3-5 e kaydedin. 3-23

B1 Tablo 3-5 E 0 T 0 T 18. R2 yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. 8., 9., 10., ve 11. Adımları tekrar edin ve sonuçları Tablo 3-6 ya kaydedin. Tablo 3-6 B1 E(1) E(2) 0 T 0 T 0 T 19. 13. Adımı tekrar edin ve sonucunu Tablo 3-6 ya kaydedin. Bütün Bağlantı fişlerini çıkarın. 20. AC18-0-18 girişlerini Güç Kaynağı Ünitesinin çıkışına bağlayın. Bağlantı fişlerini 2, 4, 7, 8, 11, 12, ve 14 numaralara takın. Doğrultucu çıkış gerilimini ölçün ve kaydedin. UJT gevşemeli osilatör devresi için üstteki adımları tekrar edin. Sonuçları karşılaştırarak açıklayın. 3-24

21. Bağlantı fişlerini 1, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 12, ve 14 numaralara takın. E deki gerilim dalga şeklini ölçün ve gözlemleyin. Deşarj zamanı hızla azalıyor mu? SONUÇ UJT gevşemeli osilatör ve zamanlayıcı devrelerinin çalışmaları incelendi. Hesaplanan ve ölçülen T değerleri arasındaki küçük farkı gördünüz. Bu fark kapasitörlerin tabiatında olan doğal hatadan kaynaklanmaktadır. 15. Adımda kapasitör üzerindeki gerilim dalga şekillerini ve ve P değerlerini gözlemlediniz. Önemli UJT parametrelerini gerçek çıkış dalga şekillerinden elde etmek tipik bir yöntemdir. Alttaki örnek bu yöntemi daha iyi anlamanızı sağlayacaktır. Örnek 3-2 Osilasyon periyodu T=5ms (f = 200Hz), BB = 10 olan bir UJT gevşemeli osilatör tasarlayın ve (1), (2) P, (3) η, (4) I, ve (5) I P parametrelerini belirleyin. Çözüm: R E = 50KΩ seçeriz (R E(min) ve R E(max) değerlerinin ortalaması), şarj zaman sabiti formülünden C E yi belirleriz: T = C E x R E T ve R E değerlerini denklemde yerine koyarsak, 5ms = C E x 50KΩ C E = (5 x 10-3 ) / (50 x 10) = 0.01 µf buluruz. UJT gevşemeli osilatör Şekil 3-21(a) d gösterildiği gibi tasarlanmıştır. Osiloskopta görünen dalga şekilleri Şekil 3-21(b) de gösterilmiştir. E dalga şeklinden, şunları elde ederiz: (1) = 1.5 (2) P = 7.5 3-25

Şekil 3-21 UJT Gevşemeli Osilatör e Gerilim Dalga Şekilleri R E (50KΩ) direncini osilasyon durana kadar yavaşça arttırın. Ölçülen R E değeri R E(max) tır. R E(max) = 3MΩ olduğunu farz edin. R E (50KΩ) direncini osilasyon durana kadar yavaşça azaltın. Ölçülen R E değeri R E(min) dir. R E(min) = 2KΩ olduğunu farz edin. = 1.5, P = 7.5, R E(max) = 3MΩ, ve R E(min) = 2KΩ değerleri ile şu değerler bulunur: (3) P = D + η BB, η = ( P - D ) / BB = (7.5-0.5) / 10 =0.7 (4) R E(min) =( BB - ) / I, I = ( BB ) / R E(min) = (10-1.5) / 2KΩ = 4.2mA (5) R E(max) =( BB P ) / I P, I P = ( BB P ) / R E(max) = (10-7.5) / 3MΩ = 0.8µA 3-26