Untitled - Kırıkkale Üniversitesi
advertisement
Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-1 Ortak Emiterli Küçük Sinyal Yükseltici Deneyin Amacı: Transistör kullanarak ortak emiterli küçük sinyal yükseltici yapılması ve özelliklerinin incelenmesi Teorinin Özeti: Bipolar transistör iki jonksiyonlu ve üç uçlu bir elemandır. Diyodun çalışmasındaki prensipler kullanılarak bipolar transistörün çalışması açıklanabilir. “Bipolar transistör” yerine genellikle sadece “transistör” kelimesi kullanılmaktadır. NPN ve PNP olmak üzere iki çeşit transistör vardır. Transistör, emiter, taban ve kollektör uçlarından oluşur. NPN transistörde taban (baz), iki N bölgesi arasındadır. N bölgelerinden biri emiter, diğeri kollektördür. PNP transistörde ise taban, iki P bölgesi arasındadır. P bölgelerinden biri emiter, diğeri kollektördür. Transistörde taban bölgesinin genişliği ve katkılama oranı, emiter ve kollektöre göre çok küçüktür. Emiter ve kollektör aynı tür malzeme olmakla birlikte emiterin katkılama oranı kollektöre göre çok yüksektir. Şekil 1.1‟de NPN ve PNP transistörlerin yapı ve sembolleri gösterilmiştir. Şekil 1.1. NPN ve PNP transistörlerin yapıve sembolü. Transistörün Çalışması Transistörde iki jonksiyon mevcuttur. Emiter ile taban arasındaki jonksiyon ve taban ile kolektör arasındaki jonksiyon. Bu iki jonksiyonun kutuplanmasına göre transistör farklı bölgelerde çalışır. Tablo 1.1‟de transistörün çalışma bölgeleri gösterilmiştir. 1 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo.1.1 Transitörün çalışma bölgeleri Çalışma Bölgesi Aktif Doyma Kesim Ters E-B jonksiyonu İleri kutuplama İleri kutuplama Ters kutuplama Ters kutuplama C-B jonksiyonu Ters kutuplama (veya boş) İleri kutuplama Ters kutuplama (veya boş) İleri kutuplama Aktif Bölge Transistörün dört farklı çalışma bölgesinden öncelikle aktif bölgeyi inceleyelim. NPN bir transistörün aktif bölgede çalışması için kutuplamanın nasıl yapıldığı Şekil 1.2‟de gösterilmiştir. Aktif bölgede çalışan bir NPN transistörde E-B jonksiyonu ileri yönde, C-B jonksiyonu ters yönde kutuplanır. Emiter bölgesinde çoğunluk akım taşıyıcıları olan elektronlar kaynağın (-) ucu tarafından itilerek taban bölgesine doğru hareket eder. Taban bölgesinin dar olması ve az miktarda katkılanması sebebiyle, emiter bölgesindeki elektronların çok azı taban bölgesindeki deliklerle birleşir, çoğunluğu kollektör bölgesine geçer. Bunun nedeni C-B jonksiyonunun ters kutuplanmasıdır. Emiterdeki elektronlar, kollektöre bağlı(+) gerilim kaynağı tarafından çekilir. Aynı zamanda C-B‟de oluşan boşluk bölgesi emiterden gelen elektronların hareketini destekler. Emiterden gelen elektronların yaklaşık olarak % 99‟u kollektöre gider. Bu akım kalın okla gösterilmiştir. Transistördeki diğer akımlar bu akımın yanında çok küçüktür. Emiter elektronları yayan bölgedir. Kollektör ise bu elektronların toplandığı bölgedir. Emiterden gelen elektronların yaklaşık olarak % 1‟i tabana doğru gider. Bu esnada taban bölgesindeki deliklerin bir kısmıda emitere doğru hareket eder. Tabanın katkılama oranı çok düşük olduğundan bu akım da çok küçüktür. C-B jonksiyonunun ters yönde kutuplanması ile boşluk bölgesi oluşur ve sızıntı akımı geçer. B‟de azınlık azınlık akım taşıyıcılarıolan elektronlar C‟ye doğru, C‟de azınlık akım taşıyıcıları olan delikler B‟ye doğru hareket eder. B-E uçlarına bir gerilim uygulanmadığında, C-B‟den geçen sızıntı akımı I CB0 sembolü ile gösterilir. Şekil 1.2. Aktif bölgede çalışan bir NPN transistörün kutuplanması İleri yönde uygulanan VBE geriliminin değeri, transistörden geçen emiter akımın miktarını belirler. Ters yönde uygulanan VCB geriliminin kollektör akımına etkisi çok azdır. VCB geriliminin arttırılması 2 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN boşluk bölgesini genişletir ve baz bölgesini daraltır. Bu durumda emiterden kollektöre gelen elektronlar artar, tabana gelen elektronlar azalır. Devre çözümünde kabul edilen akım yönü elektron akışının tersidir. NPN transistörün aktif bölgede çalışması durumunda elektronların akışı ve akım yönü Şekil 1.3‟te gösterilmiştir. Şekil 1.3. NPN transistörde akım yönleri. Transistörde taban akımı ile kollektör akımının toplamı emiter akımını verir. Taban akımı, emiter ve kollektör akımına göre çok küçüktür. Kollektör akımının emiter akımına oranı 1‟e yakındır. Bu oran DC akım kazancını verir ve α DC ile gösterilir. Doyum Bölgesi Tablo 1.1‟de gösterildiği gibi her iki bölge de ileri yönde kutuplanırsa çalışma doyum bölgesinde olur. Doyumda C-B jonksiyonun daki boşluk bölgesi ortadan kalkar. Kollektörün emiterden gelen akım taşıyıcıları toplama özelliği büyük ölçüde azalır. Eğer C-B jonksiyonundaki ileri kutuplama yeterli ise kollektör emiterden gelen akım taşıyıcılarını toplamaz ve emiter gibi tabana doğru akım taşıyıcı yayar. Kesim Bölgesi Transistörün her iki jonksiyonu ters yönde kutuplanırsa çalışma kesim bölgesinde olur. Emiter taban bölgesine çoğunluk akım taşıyıcı göndermez. Emiter ve kollektörden sızıntı akımı geçer. Emiter akımının sıfır olmasıda kesim bölgesinde çalışmadır. Ters Çalışma Bölgesi Transistörde kollektör ve emiter yer değiştirilerek kullanılırsa bu bölge ters çalışma bölgesidir. Emiter ve kollektörün katkılama oranı aynı olmadığıiçin bu bölgedeki çalışma, aktif bölgeden farklıdır. 3 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kollektör ve emiterin değiştirilmesi genellikle mümkün değildir. Fakat bazı özel devrelerde transistör bu şekilde kullanılabilir. Ortak Emiterli Devre Ortak emiterli devrede NPN transistörün aktif bölgede çalışması için uygulanan gerilimler Şekil.1.4‟te gösterilmiştir. B-E uçlarına VBE ve C-E uçlarına VCE kutuplama gerilimleri uygulanır. E-B jonksiyonu ileri yönde kutuplanır yani VBE gerilimi pozitiftir. Kollektöre, emitere göre pozitif VCE gerilimi uygulanır. Kollektör gerilimi tabana göre aşağıdaki gibi yazılır. VCB = VCE - VBE C-B jonksiyonunu ters kutuplamak için VCB gerilimi pozitif olmalıdır. Yani VCE gerilimi VBE geriliminden büyük olmalıdır.VCE gerilimi VBE ‟den küçük ise VCB gerilimi negatif olur ve C-B jonksiyonu ileri yönde kutuplanır dolayısıyla transistör doymaya girer. Ortak emiterli devrede giriş taban, çıkış kollektördür. Belirli bir IB giriş akımı için IC çıkış akımı oluşur. Transistörün çalışması ortak tabanlı devreki gibidir. Ortak tabanlı devredeki kazanç cinsinden IB ile IC arasındaki ilişki aşağıdaki gibi elde edilir. Şekil 1.4 Ortak Emiterli devre Ortak Emiterli Devrede Çıkış Karakteristiği Ortak emiterli devrede bir NPN transistörün çıkış karakteristiği Şekil 1.5‟de verilmiştir. A noktasında taban akımı sıfırdır ve transistörden çok küçük bir kollektör akımı geçer. Bu akım ICE0 sembolü ile gösterilir (ICE0 = α DC .ICB). A noktasında transistör kesimdedir. B ve C noktalarında transistör aktif bölgededir. Aktif bölgede kollektör akımı, taban akımının αDC katıdır. Karakteristik üzerinde 4 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN görüldüğü αDC gibi her noktada aynı değildir. D noktasında ise transistör doyumda çalışır. Transistörde çalışma noktasının bulunmasıyük doğrusu çizilerek yapılabilir. VCE = VCC − RC.IC (Şekil 1.4‟ten) denklemi kullanılarak yük doğrusu çizilir. Karakteristik ile çakışan nokta çalışma noktasıdır. Transistör amplifikatör olarak kullanılıyorsa çalışma noktası dikkatli seçilmelidir. Şekil 1.5 Ortak emiterli NPN transistörün çıkış karakteristiği. Kesim Bölgesi Kesim bölgesinde transistor den taban akımıgeçmez. Bu durum,B-E jonksiyonunun açık devre olması, ters kutuplanması veya yeteri kadar kutuplanmaması ile ortaya çıkar. Transistörün kollektör-emiter uçları açık devre gibi davranır. Kollektörden geçen akım sıfırdır ve kollektör-emiter uçlarında maksimum gerilim oluşur Kesimde transistor den ICE0 akımıgeçer. Bu akım ihmal edilebilir Şekil 1.6 Ortak Emiterli devrede transistor ün kesimde olması Aktif Bölge ve Doyum Bölgesi E-B jonksiyonu yeteri kadar kutuplanmışsa taban akımı geçer. Aktif bölgede kollektör akımı IC=βDC.IB olarak hesaplanır. Taban akımı arttırıldığında kollektör akımı orantılı olarak artar. Doyma bölgesinde taban akımının arttırılması ile kollektör akımı artmaz. Doymada kolektör akımı maksimum değerine ve 5 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN C-E gerilimi minimum değerine ulaşır. Doyma bölgesinde VCE≈0 kabul edilerek ICsat ve IBsat aşağıdaki şekilde hesaplanır Uygulama 1 Şekil 1.7 Uygulama 1 devresi Ortak Emiterli Tek Katmanlı ve Çift Katmanlı Yükselticinin Tasarlanması Bir yükseltici yapmak için bir güç kaynağı, transistör, birkaç direnç ve kapasitör yeterlidir.Bu kısımda istediğimiz özellikte bir bio-yükseltici adım adım tasarlanacaktır. Her kalifiye mühendisin yaptığı gibi önce gereksinim/ihtiyacı belirleyeceğiz. Daha sonra bazı kabuller ve katalog bilgileri kullanıp tasarımımızı adım adım yapacağız. Bu kısımda bio-yükseltici yapacağımız için bize yüksek bir voltaj kazancı gereklidir. Bu kazancı ortakemiterli bir yükseltici ile elde edebiliriz. En basit haliyle ortak yükseltici sol taraftaki şekilde gösterilmiştir. Bu devreye ortak-emiterli denilmesinin sebebi girişin Base, beslemenin (Vcc) kolektörden, çıkışın C noktasından emiterin ise nötre bağlanıyor olmasındandır. Şekil 1.8 Ortak Emiterli Yükseltici Hedefler Sinyalin 150 kat güçlendirilmesi 300Hz üzerindeki sinyallerin güçlendirilmesi. 6 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN 9 Voltluk bir pil veya DC güç kaynağı ile güçlendirme yapacağımız için gelen sinyalin yükseltildikten sonra sinyalin pozitif ve negatif bileşeninin kısacası tepeden tepeye genliğinin 9V den büyük olmamasını isteriz. Eğer bu durum oluşursa saturasyon bölgesinde çalışıyoruz demektir ve sinyalimizde kayıplar oluşacaktır. Bu durumdan kaçınmak için sistemimize gelen giriş sinyali 0V olduğunda çıkıştan 4,5V almamız gerekiyor demektir. RC direncinin belirlenmesi Vc = 1/2 Vcc olacak şekilde sistemi konfigüre etmemiz gerekmekte.Ohm kanununu kullanarak RC‟yi hesaplayabiliriz. Transistörümüzün kataloğuna bakarak IC akımının istediğimiz sıcaklık ve şartlarda 1mA olduğunu öğrendikten sonra RC=(VCC-VC)/IC formülünü kullanarak RC =(9-4,5)V/1mA = 4,5K olarak hesaplarız. Piyasada 4.5K direnç bulunmamaktadır buna en yakın direnç 4.7KΩ bulunmaktadır ve biz bunu kullanıyoruz. Şekil 1.9 Salınım Aralığı RE direncinin belirlenmesi Tür olarak devremizin kazancı RC/RE olacaktır. Emitör ile nötr arasına direnç koymamış olsak bile transistörümüzün emiter çıkışının bir direnci vardır ve bu rtr direnci aşağıdaki formül ile hesaplanır. rtr = 0.026/IE Bizim devremiz için emitör akımını 1mA seçmiştik. Bu durumda transistörümüzün rtr=0.026/1mA direnci 26Ω olarak hesaplanır. Buradan kazancı hesaplarsak 4.7KΩ/26Ω = 180 çıkacaktır bu istediğimiz değere her ne kadar yakın olsa da transistör direnci olan rtr güvenilir sabitlikte olmadığından 1K lık bir direnç daha eklememiz gerekecektir. Bu durumda yeni kazanç Kazanç=RC/(RE+rtr)= 4700/(1000+26) = 4.6 olarak hesaplanacaktır. Bu her ne kadar bizim istediğimiz kazanca yakın olmasada bu dirence ekleyeceğimiz kapasitör sinyalin dalgalanmasında bu etkiyi yok edecektir bu kapasitör değerini de filtremizin 300Hz nin üstündeki sinyalleri geçirecek şekilde tasarlanması için seçeceğiz. Şekil 1.10 Emiterin transistor direncinin gösterimi 7 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Üst/Yüksek Geçiren Filtre Kapasitörünün Seçilmesi Paralel direnç ve kapasitörün yüksek geçiren filtre olduğunu devre teorisi derslerinde gördük. 1 Buradan yola çıkarak f= 2.π.R.C formülü ile hesaplayabiliriz. Burada f = 300, R = 1KΩ seçildiğinden C= 20uF olarak bulunur. Giriş sinyalinden hemen sonra giriş sinyalindeki DC bileşeni çıkartmamızı sağlayacak 1uF lik kapasitörü ekledikten sonra (DC offset‟in sıfırlanması) devremiz yandaki hali alacaktır. Şekil 1.11 Emiter direncine bağlanan kapasitör Devrenin Kutuplamalarının Yapılması (Bias) Teorik derslerden hatırlayacağımız gibi transistörümüzün iletime geçebilmesi için VBE geriliminin 0.6-0.7V olması gerekmekte idi. Bunu sağlamak için devreye birkaç direnç eklememiz gerekmektedir. Yandaki şekilde R2 direnci bunu sağlamak için eklenecektir. R1 direnci ise besleme gerilimi ile R2 üzerine düşürülecek olan gerilim için gerilim bölücü direncidir. RE direnci üzerine düşen gerilim VRE=1KΩ.1mA=1V dir. VB noktasına düşen (transistor ün B pini) gerilim ise VB=VRE+VBE = 1V+0.6V = 1.6V olarak bulunur. VR2‟nin 1.6V olması gerekmekte. Şekil 1.12 kutuplama dirençlerinin eklenmesi Gerilim bölücü değerlerinin bulunması B noktasındaki gerilimi 1.6V ye ayarlamak için gerilim bölücü yapacak olursak. Önce dirençlerin oranını bulmamız gerekecek. 𝑅2 𝑉𝐵 = .𝑉 𝑅1 + 𝑅2 𝐶𝐶 Denklemi tekrar düzenlersek 𝑅1 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵 9 − 1.6 = = = 4.6 𝑅2 𝑉𝐵 1.6 Piyasada bulunan 1K ve 4.7K lık dirençler ile bu oranı sağlayabiliriz. Şekil 1.13 kutuplama dirençlerinin hesaplanması 8 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tek katlı ortak emiterli yükselticimizin son hali yandaki şekildeki gibidir. Çıkış sinyalimizin tepeden tepeye genliğinin en fazla 9V olacağından ve kazancımız 150 olduğundan bozulmadan yükseltebileceğimiz sinyalin tepeden tepeye genliği en fazla 9V/150 = 60mV dir. Şekil 1.14 Tek katmanlı ortak emiterli yükselticinin son hali Şekil 1.15 Çift katmanlı ortak emiterli yükseltici Giriş sinyalinin çok daha küçük olduğu durumlarda çıkış sinyalini güçlendirmek için ikinci bir katman eklemek mümkündür. Şekil 1.14‟de elde ettiğimiz devreden farklı olarak ikinci katmanda kullanılan 120Ω‟luk direnç çok fazla kazançtan dolayı çıkış sinyalinin bozulmasını engellemek için kazancı düşürmekte kullanılmıştır. Bu direnç kullanıcı tarafından değiştirilerek kararlılık optimize edilebilir. 9 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deneyin Yapılışı: Deney 1.1- Şekil 1.14‟de gösterilen devreyi breadboard üzerinde kurunuz. Giriş sinyalinin genliğini ve frekansını tablo 1.2‟de istenenler üzerine ayarlayınız ve tabloda gösterilen değerlerde değiştirerek istenen sonuçları not alınız. Deney 1.2- Şekil 1.15‟de gösterilen devreyi breadboard üzerinde kurunuz. Devrenizin kararlı hale gelmesi için 120Ω luk direnç yerine 150Ω, 220 Ω veya 1K Ω luk potunuzla uygun direnci ayarlayabilirsiniz. Giriş sinyalinin genliğini ve frekansını tablo 1.3‟de istenenler üzerine ayarlayınız ve tabloda gösterilen değerlerde değiştirerek istenen sonuçları not alınız. Ön Hazırlık 1. Deney 1.1 ve Deney 1.2‟yi herhangi simülasyon programı (Örn. Proteus) ile yaparak tabloları doldurunuz. Simülasyonu ek sayfadaki gibi yapmanız size hız kazandıracaktır simülasyondaki voltmetrelerin AC voltmetre olduğunu ve RMS ölçüm yaptığını unutmayın tabloda sizden istenen Vpp değerleridir RMS‟den Vpp ye geçiş yapınız. Kazançları hızlı hesaplatmak için tabloyu Excel ile hazırlayarak osiloskop ölçümü yapmak yerine voltmetreleri okuyarak RMS değerleri Vpp‟ye excel‟e dönüştürtüp, kazanç kısmını excele hesaplattırabilirsiniz. Simülasyon için 120Ω luk direnç yerine 220Ω kullanınız. 2. Uygulama 1 problemini çözünüz. 3. Ses dalgalarında insan kulağının hangi frekans aralığında duyduğunu, hangi frekans aralığının tiz, mid ve bas olduğunu araştırınız. Rapor Notları 1. Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. Malzeme Listesi 3 adet BC237B Transistör (1 Yedek) 6 adet 4.7KΩ Direnç (2 Yedek) 4 adet 1uF kapasitör (2 Yedek) 3 adet 20uF kapasitör veya 6 adet 10uF kapasitör (2 adet 10uF yi paralel bağlayarak 20uF elde etmek için) (1 Yedek) 6 adet 1KΩ Direnç (2 Yedek) 1adet 120Ω, 1 adet 150Ω,1 adet 220 Ω ve 1KΩ pot. 9V Pil ve bağlantı soketi 8 Ω Küçük Hoparlör 0.20 veya 0.50 wattlık yeterlidir. Bağlantı için üzerine önceden kablo lehimleyiniz. (Eski bozuk ve ucuz radyolardan sökebilirsiniz) Bağlantı kabloları ve yan keski getiriniz. Not: Deney föyü olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 10 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 1.2 Tek katmanlı ortak emiterli yükseltici ölçümleri tablosu Vgiriş (Giriş VPP) 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 40mV 40mV 40mV 40mV 40mV 40mV 40mV 50mV 50mV 50mV 50mV 50mV 50mV 50mV 80mV 80mV 80mV 80mV 80mV 80mV 80mV Fgiriş (Giriş Frekansı) 40 150 300 500 750 1500 2000 50 150 300 500 750 1500 2000 50 150 300 500 750 1500 2000 50 150 300 500 750 1500 2000 50 150 300 500 750 1500 2000 50 150 300 500 750 1500 2000 Vçıkış (Çıkış VPP) 11 Bozulma (Evet/Hayır) Kazanç Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 1.3 Çift katmanlı ortak emiterli yükseltici ölçümleri tablosu Vgiriş (Giriş VPP) 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 15mV 18mV 18mV 18mV 18mV 18mV 18mV 18mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 20mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 30mV 60mV 60mV 60mV 60mV 60mV 60mV 60mV Fgiriş (Giriş Frekansı) 40 150 300 500 750 1500 2000 40 150 300 500 750 1500 2000 40 150 300 500 750 1500 2000 40 150 300 500 750 1500 2000 40 150 300 500 750 1500 2000 40 150 300 500 750 1500 2000 Vçıkış (Çıkış VPP) 12 Bozulma (Evet/Hayır) Kazanç Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 13 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 14 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-2 Ortak Baseli ve Ortak Kollektörlü Yükseltici Deneyin Amacı: Transistör kullanarak ortak baseli ve ortak kollektörlü küçük sinyal yükseltici yapılması ve özelliklerinin incelenmesi Teorinin Özeti: BJT ile genelde yapılan yükselticilerin tipik özellikleri Tablo 2.1‟de gösterilmiştir. Tablo 2.1 Voltaj Kazancı (AV) Akım Kazancı (AI) Giriş Direnci Çıkış Direnci Faz Farkı Kullanım Yeri CE (Ortak Emiter) Yaklaşık (-RC/RE) Yaklaşık (ß) Yüksek Yüksek Var Yüksek Akım Kazancı Ve Gerilim Kazancı CC (Ortak Kollektör) Düşük (Yaklaşık 1) Yaklaşık (ß+1) Yüksek Düşük Yok Anten Giriş Katı CB (Ortak Base) Yüksek Düşük (Yaklaşık 1) Düşük Yüksek Yok Güç Çıkış Katı Ortak Kollektörlü Devre Şekil 2.1 Ortak Kollektörlü Devrenin tipik yapısı Bu tip yükselticilerin tasarlanmasında temel olarak VCE (veya VCB) ve VRE (veya VB) gerilimlerinin eşitlenmesi düşünülür. Basitçe 𝑉𝐵 = 𝑉 𝐶𝐶 2 => 𝑅1 = 𝑅2 seçilir. 15 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Sonra, tercih edilen veya seçilen IE ve geri kalan değerler bulunur. 𝑉𝐶𝐶 − 0.7 𝑉𝐸 2 𝑅𝐸 = = 𝐼𝐸 𝐼𝐸 ß=100 kabul edilerek CE devrenin kararlı çalışması için RB<<(ß+1).RE seçilir 𝑅𝐵 = 𝑅1 ||𝑅2 = 𝑅1 𝑅𝐸 = ß+1 . ≈ 10. 𝑅𝐸 2 10 R1=R2=20.RE IE=1mA VCC=12V seçildikten sonra RE‟nin hesaplanması kolaylaşır. 12 − 0.7 𝑉𝐸 2 𝑅𝐸 = = = 5.3𝐾𝛺 𝐼𝐸 1𝑚𝐴 R1=R2=20.RE = 106KΩ Piyasada bulunan standart dirençleri kullanacak olursak R1=R2=100KΩ, RE=5,6KΩ olarak bulunacaktır. Bu durumda devremizin son hali Şekil 2.2 deki gibi olacaktır. Şekil 2.2 Ortak Kollektörlü Devre 16 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Ortak Baseli Devre Kutuplamaları ortak emiterli devre ile aynıdır. Ortak baseli devrelerde base nötr-toprak noktasına direk yada bypass kapasitörü ile bağlanılır. Şekil 2.3 Ortak Baseli Devre Ön Hazırlık 1. Şekil 2.2 deki devreden VS kaynağını ayırıp DC analizini yaparak IB, IC, IE, VB, VCE, VC gerilimlerini hesaplayınız. 2. Şekil 2.3 deki devreden VS kaynağını ayırıp DC analizini yaparak IB, IC, IE, VB, VCE, VC gerilimlerini hesaplayınız. 3. Şekil 2.2 ve 2.3 deki devreleri simülasyon programı kullanarak deneyde istenen değerleri bulunuz. Frekans değişimine göre kazanç değişimi grafiğini çiziniz. 4. Sonuçları yorumlayınız. Deneyin Yapılışı Deney 2.1- Şekil 2.2 deki devreyi kurunuz. Giriş sinyalini 100mV VPP sinüs olacak şekilde sinyal jeneratöründen ayarlayınız frekansını Tablo 2.2‟de istenenler üzerine ayarlayınız. Tabloda değişen değerlere göre istenen sonuçları not ediniz. Frekans değişimine göre kazanç değişimi grafiğini çiziniz. Deney 2.2- Şekil 2.3 deki devreyi kurunuz. Giriş sinyalini 100mV VPP sinüs olacak şekilde sinyal jeneratöründen ayarlayınız frekansını Tablo 2.3‟de istenenler üzerine ayarlayınız. Tabloda değişen değerlere göre istenen sonuçları not ediniz. Frekans değişimine göre kazanç değişimi grafiğini çiziniz. Rapor Notları: Teorik hesabınızın ve deney sonuçlarınızı karşılaştırın ve yorumlayınız. 17 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Malzeme Listesi 2 adet BC237B Transistör (1 Yedek) 470Ω, 4.7KΩ, 47KΩ, 2 adet 5.6KΩ, 2 adet 100KΩ 2 adet 10uF, 3 adet 1uF Not: Deney föyü, ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz, laboratuarın boş saatlerinde devrenizi denemeniz tavsiye edilir. Tablo 2.2 Ortak Kollektörlü Yükseltici Ölçümleri Tablosu Fgiriş (Giriş Frekansı) 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz 500 Hz 700 Hz 900 Hz 1200 Hz 1500 Hz 2000 Hz 2500 Hz 3000 Hz 3500 Hz 4000 Hz 4500 Hz 5000 Hz 6000 Hz 8000 Hz 9000 Hz 10KHz 15KHz 20KHz 25KHz 30KHz 35KHz 40KHz 45KHz 50KHz 70KHz 150KHz 200KHz 500KHz 1MHz Vçıkış (Çıkış VPP) Bozulma (Evet/Hayır) 18 Kazanç Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 2.3 Ortak Baseli Yükseltici Ölçümleri Tablosu Fgiriş (Giriş Frekansı) 100 Hz 150 Hz 200 Hz 250 Hz 300 Hz 500 Hz 700 Hz 900 Hz 1200 Hz 1500 Hz 2000 Hz 2500 Hz 3000 Hz 3500 Hz 4000 Hz 4500 Hz 5000 Hz 6000 Hz 8000 Hz 9000 Hz 10KHz 15KHz 20KHz 25KHz 30KHz 35KHz 40KHz 45KHz 50KHz 70KHz 150KHz 200KHz 500KHz 1MHz Vçıkış (Çıkış VPP) Bozulma (Evet/Hayır) 19 Kazanç Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-3 FET’li Yükselticiler Deneyin Amacı: Bir alan etkili transistor ün (FET-Field Effect Transistor) kutuplanması ve AF‟lı bir kuvvetlendirici olarak incelenmesi. (Ayrıca azaltıcı tip (Depletian type) MOSFET‟ler de kutuplama ve kuvvetlendirme işlemleri JFET‟lerle aynı özellikleri taşıdığından bu deneyde yapılan işlemler ve sonuçları azaltıcı tip MOSFET‟leri de kapsamaktadır. Teorinin Özeti: FET‟ler BJT‟ler gibi yarı iletken malzemelerden yapılmasına rağmen tek tip (unipolar) taşıyıcılara sahip olmaları çok yüksek giriş dirençlerin bulunması, gürültülerinin ve ısıl kararlılıklarının daha iyi olması gibi avantajları ve kazanç-bant genişliğinin nispeten küçük olması gibi gibi dezavantajları ile BJT‟lerden ayrılmaktadır. İki eleman arasındaki çalışma prensipleri açısından temel farklılık ise BJT‟lerin akım kontrollü FET‟lerin ise gerilim kontrollü eleman olmalarıdır. Bir elektriksel elemanların özellikleri en açık onun karakteristik eğrilerinden anlaşılır. Şekil 3.1‟de bir FET için geçiş ve çıkış öz eğrileri birleştirilerek verilmiştir. Bu eğrilerden geçiş öz eğrisi daha sık kullanılır. Bu sebeple bu eğrinin kolay çizilmesi ve üzerinde Q çalışma noktasının bulunması için bir takım metotlar geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olanı verilen denklemdir. IDS=ID=IDSS(1-VGS/VP)2 Burada; Vp pinch-off (kısılma) voltajı, IDSS maksimum akaç (Drain) akımıdır. Şekil 3.1 Bir N kanal FET için karakteristik eğrileri 20 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deneyin Yapılışı: Deney 3.1 Ortak Kaynaklı (Common Source) Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.2 Ortak Kaynaklı Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.2‟deki devreyi kurunuz. BF245 için ICSS=10mA VP=-5V alınacaktır Giriş işareti olarak fonksiyon jeneratörünün mili voltlar mertebesinde (yaklaşık 100 mVPP) 10KHz‟lik sinüzoidal bir işaret uygulayınız. Bu girişi çıkışta maksimum bozulmasız (distorsiyonsuz), bir işaret elde edinceye kadar ayarlayınız. Giriş ve çıkış sinyallerini osiloskoptan gözlemleyerek ölçekli bir şekilde çizip voltaj kazancını hesaplayınız. Giriş ve çıkıştaki voltaj ve akım değerlerini rms cinsinden ölçerek akım kazançlarını, giriş ve çıkış direnç değerlerini hesaplayınız. Teorik hesaplarınızla karşılaştırma yaparak aralarında farklılıklar varsa sebeplerini araştırınız. Giriş işaretini çıkararak DC kapı (VG) ve kaynak gerilimini (VS) multimetre ile ölçünüz. Elde ettiğiniz ölçüm sonuçlarını bu devre için hesaplayacağınız teorik sonuçlarla karşılaştırınız. Sonuçlar arasında bir fark varsa sebebini açıklayınız. 21 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deney 3.2 Ortak Akıtıcılı (Common Drain) Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.3 Ortak Akıtıcılı Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.3‟deki devreyi kurunuz. BF245 için ICSS=10mA VP=-5V alınacaktır Giriş işareti olarak fonksiyon jeneratöründen 400mV, 1KHz‟lik sinüzoidal bir işaret uygulayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini osiloskoptan gözlemleyerek ölçekli bir şekilde çizip voltaj kazancını hesaplayınız. Giriş ve çıkıştaki voltaj ve akım değerlerini rms cinsinden ölçerek akım kazançlarını, giriş ve çıkış direnç değerlerini hesaplayınız. Teorik hesaplarınızla karşılaştırma yaparak aralarında farklılıklar varsa sebeplerini araştırınız. Giriş işaretini çıkararak DC kapı ve (VG) ve kaynak (VS) gerilimlerini multimetre ile ölçünüz. Elde ettiğiniz ölçüm sonuçlarını bu devre için hesaplayacağınız teorik sonuçlarla karşılaştırınız. Teorik hesaplamalarınızda giriş ve çıkış değerlerini bulunuz. Sonuçlar arasında bir fark varsa sebebini açıklayınız. 22 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deney 3.3 Ortak Kapılı (Common Gate) Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.4 Ortak Kapılı Kuvvetlendirici Devresi Şekil 3.4‟deki devreyi kurunuz. BF245 için ICSS=10mA VP=-5V alınacaktır Giriş işareti olarak fonksiyon jeneratöründen 400mVpp 1 KHz‟lik sinüzoidal bir işaret uygulayınız. Çıkış işaretlerini osiloskoptan gözlemleyerek ölçekli bir şekilde çizip voltaj kazancını hesaplayınız. Giriş ve çıkıştaki voltaj ve akım değerlerini rms cinsinden ölçerek akım kazançlarını, giriş ve çıkış direnç değerlerini hesaplayınız. Teorik hesaplarınızla karşılaştırma yaparak aralarında farklılıklar varsa sebeplerini araştırınız. Giriş işaretini çıkararak DC akıtıcı (VD), kaynak (VS) gerilimlerini multimetre ile ölçünüz. Elde ettiğiniz ölçüm sonuçlarını bu devre için hesaplayacağınız teorik sonuçlarla karşılaştırınız. Sonuçlar arasında bir fark varsa sebebini açıklayınız. 23 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Ön Çalışma Ön çalışma 1,2 ve deney esnasında kullanılmak üzere ölçüm sayfasından 3 kopya alınız. 4. Deney 3.1, 3.2, 3.3 de istenen değeleri Proteus ile bularak tabloları, şablonları doldurunuz. 5. Deney 3.1, 3.2, 3.3 de istenen değerleri teorik olarak hesaplayınız tabloları, şablonları doldurunuz. 6. JFET,MOSFET hakkında araştırma yaparak bu tip yükselticilerin hangi alanlarda kullanıldığını araştırınız. BJT yükselticiler hakkında araştırma yaparak bu tip yükselticilerin hangi alanlarda kullanıldığını araştırınız. Rapor Notları Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. Malzeme Listesi 3 adet BF245, 4x 10uF , 2,2MΩ, 5,6KΩ, 22KΩ, 3,3KΩ, 1MΩ, 2,2KΩ, 1,2KΩ, 3,3KΩ Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 24 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY 3.1 ORTAK KAYNAKLI KUVVETLENDİRİCİ DEVRESİ SONUÇ TABLOSU RMS Akım Giriş Çıkış Kazanç Gerilim VG VS DC DENEY 3.2 ORTAK AKITICILI KUVVETLENDİRİCİ DEVRESİ SONUÇ TABLOSU RMS Akım Giriş Çıkış Kazanç Gerilim VG VS DC DENEY 3.3 ORTAK KAPILI KUVVETLENDİRİCİ DEVRESİ SONUÇ TABLOSU RMS Akım Giriş Çıkış Kazanç Gerilim VG DC 25 VS Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Simülasyon için Proteus programında BF245 yerine BF244 kullanılabilir yada simülasyon Multisim programı ile yapılabilir. 26 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-4 Transistörlü Yükselteçlerin Frekans Analizi Deneyin Amacı: BJT yapmak. transistörlerle yapılan yükselteçlerin alçak ve yüksek frekans analizlerini Teorinin Özeti: Şimdiye kadar gördüğümüz transistörlü yükselteçlerin voltaj kazançları, küçük sinyal analizini kullanarak yaptığımız analiz sonucunda sabit çıkmıştı. Buna rağmen gerçekte yükselteçlerin kazancı frekansa bağımlıdır ve frekans değiştikçe voltaj kazancıda değişmektedir. Peki küçük sinyal analizini kullanarak bulduğumuz kazanç, hangi frekanslarda geçerlidir ve bu frekans aralığının dışında kazancın değeri ne olmaktadır. Bu sorunun cevabı belkide üç aşamada verilmelidir. Birinci olarak transistörün küçük sinyal kazancı orta (middle) frekans bandı diye tanımladığımız bölgede geçerlidir ve bu bant boyunca değişen frekanstan bağımsız olarak kazanç sabit kalmaktadır. İkinci aşamada transistörün alçak (düşük) frekans aralığında kazancın değişimini sayabiliriz. İkinci aşama eğer yükselteç giriş ve çıkışlarında R ve C elemanları kullanılıyorsa geçerlidir. Eğer RC elemanları kullanılmıyor ve transistör(ler) direkt kuplaj ile sinyal jeneratörüne ve yüke bağlanıyorsa, alçak frekans bandında da voltaj kazancı küçük sinyal kazancına eşit olur. Öte yandan RC kuplajlı devrelerde bulunan C elemanının kapasitif reaktansı (XC) frekansa bağımlıdır ve frekans düştükçe değeride artmaktadır. Bunun sonucu olarak ta hem girişve hem de çıkış sinyallerine karşıbir zorluk göstererek alçak frekanslarda kazancın düşmesine neden olurlar. Bunun hangi sınırlar içerisinde olacağı, kullanılan C ve R elemanlarının değerine bağlıdır. Üçüncü ve son aşamada ise yüksek frekanslardaki kazancın değişimini sayabiliriz. Akla kullanılan C elamanlarının XC değerinin frekans arttıkça düştüğü ve dolayısı ile kazancın azalmaması yönünde bir soru gelebilir. Bu sorunun cevabı evet bu kondansatörler yüksek frekanslarda etkisizdirler, yani kazancın yüksek frekanslarda değişiminden sorumlu değildirler. Peki o zaman yüksek frekanslarda kazanç neden düşmektedir. Bunun cevabı transistörün elektrotları arasında görülen kapasitif etkilerdir. Bu kaçınılmaz bir nedendir ve bu kapasite değerleri transistör üreticileri tarafından belirlenmektedir. Eğer bu kaçınılmaz ise, dizayn sırasında bu etkilerin kazanç üzerinde yapacağı tesirlerde göz önünde tutulmalıdır. Transistörlü Yükselteçlerde Alçak Frekans Analizi Şekil-4.1‟de görülen yükselteç devresinde alçak frekansta etkili olan üç kondansatör vardır. Bunlar sırası ile Cİ, CO ve CB kondansatörleridir. Şimdi bunların etkilerini önce tek tek, daha sonrada devrenin toplam kazancına olan etkilerini inceleyelim. 27 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil 4.1 Transistörlü yükseltici devresi Cİ kondansatörü kendisine bağlı eşdeğer dirençle bir RC devresi oluşturmaktadır ve bu devrenin kesim frekansı; fL İ = 1 2. π. R İ . Cİ formülünden hesaplanabilir. Şekil-4.1‟deki devre için Rİ değeri; Rİ=R1//R2//ßre olarak alınabilir. CO kondansatörünün neden olduğu kesim frekansı ise; fL O = 1 2. π. (R O + R L ). CO ile hesaplanabilir. Burada RO değeri; RO =RC//rO olarak alınabilir. CB kondansatörünün etkisi ise; fL B = 1 2. π. R e . CB ile özetlenebilir. Re, CB, kondansatörlerine bağlı toplam eşdeğer direnç olup, değeri; Her bir kesim frekansından itibaren kazanç -20 dB/decade eğimle azalmaktadır. Burada değeri en yüksek çıkan kesim frekansı baskın(dominant) olarak alınır ve yükseltecin alçak frekans kesim 28 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN noktasını belirler. Bu noktadan sonra orta frekans bandı gelir ve bu bantta kazanç yaklaşık olarak sabit kalır(yüksek frekans kesim noktasına kadar). Şekil-4.2 Tipik bir yükseltecin alçak frekans Bode eğrisi Şekil-4.2‟de tipik bir transistörlü yükseltecin alçak frekans Bode eğrisini ve bu eğri üzerinde kazancın frekansla nasıl değiştiği görülmektedir. Her bir kesim frekansı logaritmik olarak ölçeklendirilmiş frekans ekseninde işaretlendikten sonra, bu frekanslardan bir decade(bir onluk) aşağı frekansa gidilir ve bu frekansa karşılık gelen -20 dB kazanç noktası işaretlenir. Daha sonra her bir kesim frekansı ile bu noktalar birleştirilerek -20 dB/decade eğime sahip asimptotlar elde edilir. Daha öncede değinildiği gibi, değeri en yüksek frekans baskındır ve bu frekanstan aşağıya doğru inilerek -3 dB noktası işaretlenir. Eğer baskın frekanstan çizdiğimiz asimptot, diğer herhangi bir asimptot ile herhangi bir frekansta çakışıyorsa, çakışma noktasından frekansın azalma yönüne doğru -40 dB/decade eğime sahip yeni bir asimptot çizilir. Bu asimptotda bir başkası ile çakışıyorsa bu noktadan itibaren eğim -60 dB/decade olarak alınır. Daha sonra serbest elle baskın frekans değerinden başlayarak(-3 dB noktasından geçecek şekilde), çakışmalardan sonra çizdiğimiz asimptotlar izlenerek, yükseltecin alçak frekans karakteristiği Bode eğrisi olarak çizilmiş olur. Transistörlü Yükselteçlerde Yüksek Frekans Analizi Yukarıda kısaca değindiğimiz gibi, transistörlerin kendi iç yapılarından dolayı yüksek frekanslarda elektrotlar arası kapasitif etki gösterir. Bunun yanısıra kullanılan kablo ve bakır yollarda yüksek frekanslarda bir kapasitif etkiye sahiptir. Yine önemli bir transistör parametresi olan β değeride frekansla birlikte değişmektedir. Bütün bu etkilerin sonucunda yükseltecin kazancı yüksek 29 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN frekanslarda azalma olarak kendini gösterir. Şekil-4.3‟te transistörün elektrotlar arası kapasitif etkileri görülmektedir. Şekil-4.3 Transistörlerde elektrotlar arası kapasiteler Birçok transistör üreticisi firma, kataloglarda bu kapasite değerlerini verirken Şekil-4.3‟teki semboller yerine aşağıdaki gösterimleri tercih etmektedir. CCB=COBO=COB CBE=CİBO=CİB CCE=COEO=COE Bu değerlerden en az etkili olan Cce değeri genellikle kataloglarda verilmez, dolayısı ile etkisi hesaplamalarda ihmal edilebilir. Yüksek frekansta bu kondansatörlerin etkisini özetlemenin en iyi yolu Şekil-4.4‟te görülen yükseltecin yüksek frekanstaki eşdeğer devresine bakmaktır. Bu devre Şekil4.1‟de görülen ortak emiterli yükseltecin yüksek frekans eşdeğer devresidir. Şekil-4.4 : Yükseltecin yüksek frekans eşdeğer devresi Burada Cİ kondansatörünün değeri; olarak alınabilir. Cwi giriş devresinde kullanılan kabloların kapasitif etkisidir. CMi ise giriş devresinde görülen Miller kapasitesidir ve değeri Şekil-4.1‟deki devre için; alınmalıdır. Co kondansatörü ise; 30 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN değerindedir. Cwo çıkış devresinde görülen kablolama kapasitesidir.. CMo ise çıkış devresinde görülen Miller kapasitesidir. Değeri ; olarak alınabilir. Giriş devresinin yüksek frekans kesim değerini bulabilmek için, Cİ kondansatörüne bağlı dirençlerin toplamına RTh1dersek; olarak bulunur. Buradan kesim frekansı; olarak bulunur. Çıkış devresinin kesim frekansı ise; olmak üzere, olarak bulunur. Yüksek frekansta β değerinin değişmesi sonucu üçüncü bir kesim frekansı oluşur. Bu frekansı bulabilmek için Şekil-4.5‟te görülen hibrit-π veya diğer adı ile Giacoletto modeline bakalım. Şekil-4.5 : Transistörlü yükselteçlerin yüksek frekans hibrit-π modeli Transistör β değerinin yüksek frekansla değişimi; 31 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN olarak özetlenebilir. Burada fβ (β‟nın yüksek frekanstaki değişiminden dolayı oluşan kesim frekans değeri) yukarıdaki eşdeğer devre kullanılarak aşağıdaki gibi bulunabilir. Yüksek frekansta etkili olan elemanlardan dolayı oluşan bu kesim frekansları artık Bode eğrisi çiziminde kullanılabilir. Bunun için öncelikle frekans ekseninde kesim frekansları işaretlenir ve her kesim frekansından bir decade(bir onluk) yukarı frekansa gidilerek, bu noktalarda -20 dB değerleri işaretlenir(Bakınız Şekil-6). Daha sonrada bu noktalar birleştirilerek yüksek frekans asimptotları elde edilir. Burada artık baskın(dominant) kesim frekansı değeri en küçük olanıdır. Bu yüzden bu frekans değeri ile -3 dB değerinin kesiştiği nokta işaretlenir. Yüksek frekans eğrimiz bu noktadan geçmelidir. Alçak frekans cevabını çizerken izlediğimiz yol aynen burada da takip edilerek, transistörlü yükselteçlerin yüksek frekans Bode eğrisi çizilmiş olur. Daha sonra alçak, orta ve yüksek frekans eğrileri Şekil-4.7‟de görüldüğü gibi tek bir grafik olarak çizilerek, yükseltecin toplam frekans eğrisi elde edilmiş olur. Şekil-4.6 : Tipik bir yükseltecin yüksek frekans Bode eğrisi 32 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil-4.7 : Tipik bir yükseltecin tüm frekans aralığı Bode eğrisi Deneyin Yapılışı: Not: İşlem basamaklarında yapacağınız voltaj ölçümlerini osilaskop ile yapınız. Osilaskopta voltaj ölçümü yaparken bütün voltaj değerlerini tepeden-tepeye(peak to peak) voltaj değerleri olarak alınız. 1. Şekil-4.8‟de görülen yükselteç devresini deney seti üzerine kurarak, girişine sinyal jeneratörünü bağlayınız. Şekil-4.8 : Yükselteç devresi 33 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN 2. Sinyal jeneratörünün çıkışını sinüs konumuna getirerek, frekansını 1KHz ve genliğini minimum durumda tutunuz. Osilaskobun 1. Kanalını sinyal jeneratörü çıkışına, 2. Kanalını da yük direncine bağlayınız. Şimdi sinyal jeneratörünün genliğini yavaş yavaş arttırarak 100 mV(p-p) değerine getiriniz. Bu durumda çıkıştan(yük üzerinden) distorsiyonsuz (bozulmamış) bir sinüs dalgası elde etmelisiniz. Eğer çıkışta bozulma oluyorsa, giriş genliğini azaltarak aşağıya not ediniz. VS = …………………. mV(p-p) 3. Bundan sonra sinyal jeneratörünün frekansını sırası ile aşağıdaki tabloda görülen değerlere ayarlayarak, her frekans için çıkış genliğini(tepeden-tepeye) ölçünüz ve tablodaki uygun yerine yazınız. Not: Frekans değiştikçe sinyal jeneratörü çıkış genliğide değişebilir, bu yüzden her adımda sinyal jeneratörünün genliğinin yukarıda ölçtüğünüz değerde sabit kalmasını sağlayınız. Gerekirse genliği ayarlayarak, yukarıdaki değere getiriniz. 4. Yukarıda bulduğunuz çıkış genlik değerlerini her frekans için sabit giriş genliğine bölerek devrenin o frekanslardaki voltaj kazançlarını hesaplayınız ve aşağıdaki tabloya yazınız. Daha sonra bu kazançları karşılaştırarak orta frekans bandında yaklaşık sabit kalan AV(mid)değerini bulunuz(tablodan çıkartınız) ve aşağıya yazınız. AV(mid)= ………………………… 5. Şimdi yukarıdaki tabloda bulduğunuz her kazancı AV(mid) değerine bölünüz ve aşağıdaki tabloya yazınız(AV / AV(mid)) 34 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN 6. Yukarıdaki tabloda bulduğunuz her AV/AVmid değerinin logaritmasını alarak 20 ile çarpınız ve sonuçları aşağıdaki tabloya yazınız(20log(AV/AVmid))dB 7. 6. basamakta bulduğunuz değerleri kullanarak yarı logaritmik kağıt üzerine yatay eksende logaritmik olarak frekans ve dikey eksende dB cinsinden normalize edilmiş kazanç Ön Hazırlık 1- Deneyde kullandığınız yükselteç devresinin alçak frekans kesim noktasını daha alçak bir değere çekmek için ne yapılmalıdır? 2- 1. soruyu yüksek frekans için yeniden cevaplayınız. 3- Elde ettiğiniz Bode eğrileri ne amaçla kullanılıyor olabilir ve bu eğriler bize neyi anlatıyor? Lütfen açıklayınız. 4- Bode eğrilerinin okunması ve çizilmesini araştırınız. Rapor Notları 2. Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. 3. Yukarıda deneysel yol ile elde ettiğiniz sonucu şimdi birde teorik olarak elde edelim. Bunun için ekte verilen BC238B transistor ünün bilgi yaprağında bulunan değerleri kullanarak, deneyde kurduğunuz devre için, Voltaj kazancını, alçak ve yüksek frekanstaki kesim değerlerini teorik yolla bularak, Bode eğrisini tüm frekans aralığı için yeniden çiziniz. 4. Elde ettiğiniz sonuçlara dayanarak, deneysel yolla ve teorik olarak bulunan frekans eğrilerini yorumlayınız. Bulduğunuz sonuçlar uyuşuyor mu? Eğer arada fark var ise nedenlerini tartışınız. Malzeme Listesi 2 Adet BC238B (1 Yedek) 2 Adet 6,8uF kapasitör, 10uF kapasitör 1K Ω, 2 adet 4.7K Ω, 82K Ω, 270K Ω, 35 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 36 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-5 GÜÇ KUVVETLENDİRİCİLERİ Deneyin Amacı: A, B, AB sınıfı kuvvetlendiricilerin incelenmesi ve gerçeklenmesi. Teorinin Özeti: Kuvvetlendiriciler, kuvvetlendirdikleri elektriksel büyüklüğün boyutuna göre gruplanır. Buna göre gerilim, akım ve güç kuvvetlendiricisi olmak üzere üç grup kuvvetlendirici vardır. Güç kuvvetlendiricilerinde yüke aktarılan güç önemlidir. Devrede oluşan kayıplar nedeni ile kaynaktan çekilen gücün tamamı yüke aktarılamaz. Yüke aktarılan güç PY ve kaynaktan çekilen güç PDC ile gösterilsin. Yüke aktarılan gücün, kaynaktan çekilen güce oranına verim denir ve η ile gösterilir. Devrede harcanan güç nedeni ile verim %100‟den küçüktür.Güç kuvvetlendiricileri girişteki sinüzoidal işarete karşılık transistör üzerinden akan akımın akış açısına bağlı olarak sınıflara ayrılır. A Sınıfı Güç Kuvvetlendiricisi Şekil-5.1 A sınıfı temel güç kuvvetlendiricisi A sınıfı çalışmada giriş işaretinin iki yarı periyodu da kuvvetlendirilerek yüke aktarılır (Şekil 5.2). Şekil-5.2 Q çalışma noktası ve statik ve dinamik yük doğruları 37 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil 5.1‟deki devreyi incelersek: Yüke aktarılan işaretin maksimum genlikli olabilmesi için çalışma noktasında VCE= VCC/2 seçilmelidir. Bu durumda çalışma noktasında kollektör akımı IC=VCC/2RL olur. B Sınıfı Güç Kuvvetlendiricisi Temel bir B sınıfı güç kuvvetlendiricisi Şekil 5.3‟te verilmiştir. B sınıfı çalışmada çıkış akımının akış açısı θ =180O dir. Buna göre girişe alternatif bir işaret uygulandığında işaretin bir yarı periyodu kuvvetlendirilerek yüke güç aktarılmaktadır (Şekil 5.4). Vi = 0 iken akım akmaz. Bu nedenle verim A sınıfına göre daha yüksektir. Şekil-5.3 Temel B sınıfı güç kuvvetlendiricisi 38 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil-5.4 İdeal B sınıfı kuvvetlendiricinin yük doğrusu ve alternatif çıkış akım-gerilimleri B sınıfı çalışmada sadece bir yarı periyot kuvvetlendirildiği için distorsiyon yüksektir. Giriş işaretinin tümünü kuvvetlendirmek için 2 transistörlü yapı kullanılır (Şekil 5.5). Şekil-5.5 Push pull B sınıfı kuvvetlendirici Şekil 8.5‟deki devreyi incelersek: Vi=0 iken T1 ve T2 kesimdedir, V0=0 Vi>VBE iken T1 iletimdedir, Vi<-VBE iken T2 iletimdedir, −VBE < Vi < VBE arasında V0 = 0 ‟dır. Bu bozulmaya geçiş (cross-over)distorsiyonu denir. Çıkış işaretinin maksimum değeri VOM = VCC –VCESAT ‟dır. 39 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN AB Sınıfı Güç Kuvvetlendiricisi AB sınıfı çalışmada çıkış akımının akış açısı 1800 < θ < 3600 ‟dir. B sınıfı kuvvetlendiricide geçiş distorsiyonu oluştuğu için bu bozulmayı önleyecek şekilde devreye 2 diyot eklenir. Böylece V i = 0 iken de devreden akım akar. B sınıfı çalışmaya göre distorsiyon daha azdır. Verim ise B sınıfına göre daha düşüktür. Deneyin Yapılışı: Deney 5.1 1. Şekil 5.6‟daki A sınıfı kuvvetlendirici devresini kurunuz ve çalıştırınız. Bu devreyi çalıştırırken devrenin girişine f=1kHz‟lik 10mV genlikli bir gerilim uygulayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini osiloskop şablonu üzerine çiziniz. 2. Devrenin kazancını ve çıkışta bozulma olmadan girişe uygulayabileceğiniz maksimum giriş işareti genliğini tespit ediniz ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. 3. Kırpılmasız maksimum çıkış genliğindeki çıkış akımını hesaplayınız ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. 4. Devrenin verimini ölçülen değerlerden hesaplayınız ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. Deney 5.2 1. Şekil 5.7‟deki eşlenik transistörlü Push-Pull B sınıfı kuvvetlendiriciyi çalıştırınız. Devre girişine f = 1kHz‟lik 1V genlikli bir gerilim uygulayınız. 2. Giriş ve çıkış işaretlerini osiloskop şablonu üzerine çiziniz. 3. Maksimum çıkış gerilimi değeri için devrenin verimini ölçülen değerlerden yararlanarak hesaplayınız ve tabloya yazınız. Deney 5.3 1. Geçiş distorsiyonu düzeltilmiş AB sınıfı Push-Pull kuvvetlendirici DC kutuplama devresi ile birlikte gerçeklenecektir. (Şekil 5.8) Giriş ve çıkış işaretlerini osiloskop şablonu üzerine çiziniz. Devrenin verimini ölçülen değerlerden hesaplayınız ve tablo 5.1‟i doldurunuz. 40 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II Şekil 5.6 A Sınıfı Kuvvetlendirici Deney Devresi CH1 time/div CH2 time/div CH1 volt/div CH2 volt/div 41 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II Şekil 5.7 B Sınıfı Kuvvetlendirici Deney Devresi CH1 time/div CH2 time/div CH1 volt/div CH2 volt/div 42 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II Şekil 5.8 AB Sınıfı Kuvvetlendirici Deney Devresi CH1 time/div CH2 time/div CH1 volt/div CH2 volt/div 43 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 5.1 Güç Kuvvetlendiricileri Arasındaki Karşılaştırma A Sınıfı B Sınıfı AB Sınıfı Kırpılmasız maksimum çıkış gerilimi Yük akımı Maksimum verim Ön Hazırlık 1. Deneyde kuracağınız bütün devrelerin verimini Proteus yardımıyla hesaplayınız. 2. Güç kuvvetlendirici devreleri temelde ne işe yarar ve nerelerde kullanılır? 3. Güç kuvvetlendiricilerin sınıflandırılması neye göre yapılır ve kaç çeşit güç kuvvetlendiricisi vardır? 4. Bir güç kuvvetlendiricisinin verimini tanımlayınız. 5. Maksimum akım sınırı 500mA; maksimum dayanma gerilimi 40V; VCESAT=0.5V ve β=100 değerleri ile verilen bir transistör kullanarak 100Ω yük direncine 0.5W güç sağlayan bir A sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarlayınız. 6. Şekil 5.5 deki gibi B sınıfı bir güç kuvvetlendiricisi verilmektedir. Devrenin yük direnci 100Ω ve besleme gerilimleri ±15V dur. Transistörlerin VCESAT değerleri 0.5V olduğuna göre yüke aktarılabilecek maksimum gücü hesaplayınız. (VBE=0; β çok büyük ve çıkış gerilimi tam sinüzoidal varsayınız). Rapor Notları Teorik hesabınızın ve deney sonuçlarınızı karşılaştırın ve yorumlayınız. Malzeme Listesi 1xBC237, 1xBD135, 1xBD136 (1‟er tane yedek getirilmesi tavsiye olunur) 2 adet 1N4001 2 adet 110kΩ, 2 adet 10kΩ, 2 adet 1,5kΩ, 1 adet 24Ω, 4 adet 120Ω (1/2watt), 2 adet 1,2kΩ, 1 adet 2,2kΩ 2 adet 1µf, 1 adet 4.7µf Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 44 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-6 GERİ BESLEMELİ KUVVETLENDİRİCİLER Deneyin Amacı: Geri beslemeli kuvvetlendirici devre yapısını ve çalışmasını deney yoluyla öğrenmek. Geri beslemenin kuvvetlendiriciler üzerindeki etkilerini incelemek. Teorinin Özeti: Geri beslemeli devreler elektronikte oldukça geniş bir kullanım alanı olan bir konudur. Bir elektronik devrede, çıkıştan alınan işaretin bir örneğinin aynı fazda veya zıt fazda girişe aktarıldığı devrelere Geri beslemeli Devreler diyoruz. Giriş işaretine zıt fazda gelen işarete dayalı devrelere negatif geri besleme devreleri, işleme negatif geri besleme, giriş işaretine eş fazda gelen işarete dayalı devrelere pozitif geri besleme devreleri, işleme pozitif geri besleme denir. Geri beslemeli sistemin genel blok diyagramı Şekil 6.1‟de görülmektedir. Vs giriş sinyali, bir karıştırma devresine uygulanır ve bu arada βVo geri besleme sinyali ile birleştirilir. Bu sinyallerin farkı olan Vi, daha sonra yükseltece giriş gerilimi olarak uygulanır. Yükselteç çıkışının bir kısmı, giriş karıştırıcı devresine geri besleme sinyalini uygulayan geri besleme devresine (β) bağlanır. Şekil 6.1 Geri beslemeli sistemin genel blok diyagramı Geri beslemeli sisteme ilişkin transfer fonksiyonu: Burada Ao, geri beslemesiz kuvvetlendirici devresinin kazancı olup aynı zamanda açık çevrim kazancı olarak da ifade edilir. Af ise Geri beslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancıdır. Transfer fonksiyonunda yer alan βAo (βAo: Döngü Kazancı) büyüklüğüne bağlı olarak sistemden elde edilen performans farklılık gösterir. 45 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Transfer fonksiyonuna göre eşitliğin paydasındaki βAo terimi incelenecek olursa; • βAo = 0 ise sistemde geri besleme yoktur. • βAo > 0 ise sistemde negatif geri besleme vardır. • βAo < 0 ise sistemde pozitif geri besleme vardır. • βAo = -1 ise sistem osilasyon yapar. Transfer fonksiyonuna göre döngü kazancı 1‟den oldukça büyük olması durumunda (βAo>>1) negatif geri beslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancı tümüyle açık çevrim kazancından bağımsızdır. Pozitif Geri Besleme |Af| >|Ao|, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1‟den küçükse pozitif geri besleme söz konusudur. Pozitif geri besleme bazı özel durumlarda (darbe şekillendiriciler, osilatörler, aktif süzgeçler) kullanılır. Elde edilen kazanç geri beslemesiz kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre yüksektir. Negatif Geri Besleme |Af| < |Ao|, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1‟den büyükse negatif geri besleme söz konusudur. Negatif geri besleme sistemler üzerinde bazı iyileştirici etkileri olduğundan oldukça sık karşılaşılan bir uygulamadır. Negatif geri besleme ile elde edilen gerilim kazancı, geri beslemesiz 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 geri beslemeli devrelerin iyileştirici etkileri aşağıda özetlenmiştir. • Daha yüksek giriş empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geri besleme topololojisi ile sağlanabilir.) • Daha düşük çıkış empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geri besleme topololojisi ile sağlanabilir.) • Frekans cevabı daha iyidir. Band-genişliği arttığından daha geniş bir frekans alanında girişin kuvvetlenmesi sağlanır. Geri beslemeli ve geri beslemesiz kuvvetlendiricilerden elde edilen kazançfrekans karakteristiği Şekil 6.2‟de verilmiştir. • Çıkıştaki distorsiyon ve gürültü etkileri negatif geri besleme ile en aza indirilir. (1+βAo) faktörü hem giriş gürültüsünü hem de sonuçta ortaya çıkan doğrusal olmayan bozulmayı önemli ölçüde azaltarak 46 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN belirgin bir şekilde iyileştirme sağlar. Ancak toplam kazancında azaldığını belirtmek gerekir. Kazancı geri beslemesiz kazanç düzeyine çıkarmak için ilave katların kullanılması halinde, bu ilave katın ve/veya katların sisteme, geri besleme yükseltecinin azalttığı kadar gürültü ekleyebileceği bilinmelidir. • Kararlılık artar. Böylece devreden elde edilen kazanç, parametrelerdeki değişimlerden bağımsız hale gelir. ısıl değişimlerden ve zamanla Şekil 6.2 Geri beslemeli (Af) ve geri beslemesiz kuvvetlendirici (Ao) kazanç-frekans karakteristiği Geri Besleme Bağlantı Türleri Geri besleme sinyalini bağlamanın 4 temel yolu vardır. Hem gerilim hem de akım girişe seri ya da paralel olarak uygulanabilir. • Seri-gerilim geri beslemesi • Seri-akım geri beslemesi • Paralel-gerilim geri beslemesi • Paralel-akım geri beslemesi Buna göre gerilim, geri besleme devresine giriş olarak bağlanan çıkış gerilimini, akım, geri besleme devresinden akan çıkış akımını göstermektedir. Seri terimi, geri besleme sinyalinin, giriş sinyal gerilimi ile seri şekilde bağlandığını, paralel terimi ise geri besleme sinyalinin giriş akım kaynağına paralel bağlandığını gösterir. Geri Beslemenin Giriş ve Çıkış Empedanslarına Etkisi Seri geri besleme bağlantıları, giriş direncini yükseltme, paralel geri besleme bağlantıları ise giriş direncini düşürme eğilimi gösterir. Gerilim geri beslemesi çıkış empedansını düşürür, akım geri beslemesi ise çıkış empedansını yükseltir. Tipik olarak kaskat bağlı yükselteçlerin çoğunda yüksek giriş ve düşük çıkış empedansı arzu edilir. Geri beslemenin giriş ve çıkış empedanslarına etkisi aşağıdaki Tablo 6.1‟de özetlenmiştir. 47 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 6.1 Geri Besleme Bağlantı Türlerine Göre Giriş Ve Çıkış Empedanslarının Hesaplanması Deneyin Yapılışı: 1. Şekil 6.3‟deki devreyi kurunuz. Girişe 10KHz frekansında 20mV genlikli sinüsoidal gerilim uygulayınız. 2. Geri beslemesiz devrenin kazancını gözleyiniz. 3. Geri besleme devresini ekleyiniz. Rf nin farklı değerleri için ölçtüğünüz kazanç değerlerini Tablo 6.2‟ye yazınız. Her bir direnç değeri için döngü kazancını (A0) hesaplayınız. 4. Geri beslemesiz devre ve geri beslemeli (üç farklı direnç değeri ile) devrelerin alt ve üst frekansını deneysel yolla belirleyiniz ve Şekil 6.4 ve Şekil 6.5 üzerine çiziniz. 5. Ölçtüğünüz kazanç değerleri ile hesapladığınız değerleri karşılaştırarak tutarlılığını yorumlayınız. Şekil 6.3 Deney devresi 48 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II Tablo 6.2 Ölçüm sonuçları Şekil 6.4 Geri beslemesiz devrenin kazanç eğrisi Şekil 6.5 Geri beslemeli devrelerin kazanç eğrileri 49 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Ön Hazırlık 1. BC108 transistörünün katalog bilgilerini inceleyip bacak bağlantılarını ve transistörün DC şartlardaki önemli parametrelerini öğreniniz. 2. Şekil 6.3‟deki geri beslemeli kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer modelini çiziniz (Transistörler h-parametreleri ile modellenecektir). 3. Bu devrenin açık çevrim kazancı (Ao), her bir Rf direnci için döngü kazancı (Ao) ve geri beslemeli devrenin kazancı (Af) değerlerini proteus kullanarak simülasyon verileriyle hesaplayınız. Frekans analizi kullanarak alt üst kesim frekanslarını bulunuz. Rapor Notları Teorik hesabınızın ve deney sonuçlarınızı karşılaştırın ve yorumlayınız. Malzeme Listesi 2 adet BC108 1 adet 1f, 1 adet 10f 1 adet 180k, 1 adet 27k, 1 adet 10k, 1 adet 1k, 1 adet 270, 1 adet 3.9k, 1 adet 5.6k 1 adet 33k, 1 adet 68k, 1 adet 270k Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 50 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Simülasyon temsilidir ve yardımcıdır. Aynı görüntünün ön çalışma ve raporda kullanılması kopya muamelesi gerektirir. 51 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-7 FARK KUVVETLENDİRİCİLERİ Deneyin Amacı: Fark kuvvetlendiricisine ait DC ve AC analizlerin yapılarak DC çalışma noktasının bulunması, ortak işaret ve fark işaret kazancının, ortak zayıflatma oranının bulunması Akım aynasının kazanca etkisinin incelenmesi. Teorinin Özeti: Fark kuvvetlendiricileri genel olarak girişindeki AC işaret farkını yükselten kuvvetlendiricilerdir. Fark yükselteci devresinin özellikle yüksek kazançlı kuvvetlendiricilerin giriş katı olarak kullanılmasına neden olan çok yararlı çeşitli özellikleri mevcuttur. Kuvvetlendiricinin simetrik olması nedeniyle eş özellikli transistörler seçerek oldukça kararlı ve sürüklenmelere dayanıklı devreler oluşturulabilir. Çıkışta görülmek istenen işaret büyük genlikli bir ortak DC gerilime sahip iki uçtan gelen işaretin farkı ise bu devre idealdir. OPAMP devreleri de kaskat bağlanmış fark yükselteçleri kullanarak tasarlanır. Böylece oldukça kararlı ve yüksek kazançlı kuvvetlendiriciler elde edilir. Şekil 7.1 Temel Fark Kuvvetlendiricisi Şekil 7.1‟deki fark kuvvetlendiricisi devresindeki transistörlerin çalışma noktalarını bulmak için DC analiz yapılmalıdır. DC Analiz Çıkış akımı ve gerilimlerini bulmak için gerekli olan denklemler aşağıda verilmiştir. V1 V2 0 VBE I T R E VEE 0 52 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II IT 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN VEE VBE RE I E I B I C (1 )I B I T 2I E 2I C IC VEE - VBE 2R E Çıkış Gerilimleri: V VBE Vo1 Vo2 VCC IC R C VCC ( EE )R C 2R E Vod Vo1 Vo2 0 İdeal bir fark kuvvetlendiricisinde girişler “0” iken çıkış gerilimleri arasındaki fark (VOD) “0” olmalıdır. AC Analiz Devrenin AC modeli Şekil 7.2‟de verilmiştir. Şekil 7.2 Temel Fark Kuvvetlendiricisinin AC Eşdeğer Modeli Kullanılan transistörler eşdeğer yapıda olduğu için gm1=gm2; rπ1= rπ2 „dir. IC g m VT ve r gm 53 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Giriş işaretleri arasındaki farka “giriş fark işareti” denir. Vid ile gösterilir. Vid V1 V2 Giriş işaretlerinin ortalama değerine “giriş ortak işareti” denir. Vic ile gösterilir. Vic V1 V2 2 Devrenin çalışmasını ikiye ayırabiliriz. 1- V1 = -V2 haline fark işareti denir. 2- V1 = V2 haline ortak işaret denir. Giriş İşaretinin Fark İşareti Olması Durumu V1 V2 V1 Va (t) V2 Va (t) Bu durumda Vic ve Vid aşağıda gösterildiği gibi olur. Vic V1 V2 0 2 Vid V1 V2 2Va (t) Fark işareti uygulanması durumunda fark kuvvetlendiricisi devresinin eşdeğer modeli Şekil 7.3‟de verilmiştir. Şekil 7.3 Girişlere fark işareti uygulanması durumu 54 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN E noktası için: g V1 g m V1 g m V2 g V2 G E Ve Vid V V1 Ve 0 V1 id Ve 2 2 Vid V V 2 Ve 0 V 2 id Ve 2 2 V1 V2 2Ve (V1 V2 )(g g m ) G E Ve (2g 2g m G E )Ve 0 Burada eşitsizliğin sağlanması için (2g 2g m G E ) 0 olduğundan Ve = 0 olmalıdır. V1 Vid V Ve id 2 2 V 2 Vid V Ve id 2 2 Devrenin çıkış gerilimleri aşağıda verilmiştir. Vo1 g m V1R C g m R C Vo2 g m V 2 R C g m R C Vid R V C id 2 re 2 Vid R C Vid 2 re 2 Buradaki re değeri transistörün geçiş direncidir ve büyüklüğü re VTH ‟dir. IC Çıkış fark işareti Vod = V1- V2 olduğuna göre Vod A dd R C Vid R C Vid R C Vid olarak bulunur. Fark işaret kazancı (Add) ise aşağıda verilmiştir. re 2 re 2 re Vod Vid Vic 0 RC re 55 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Giriş İşaretinin Ortak İşaret Olması Durumu V1 V2 V1 Vb (t) V2 Vb (t) Bu durumda Vic ve Vid aşağıda gösterildiği gibi olur. Vic V1 V2 Vb (t) 2 Vid V1 V2 0 Ortak işareti uygulanması durumunda fark kuvvetlendiricisi devresinin eşdeğer modeli Şekil 7.4‟de verilmiştir. Şekil 7.4 Girişlere ortak işaret uygulanması durumu Vic ib r 2(1 )R E Vb (t) ib Vb (t) r 2(1 )R E Devrenin çıkış gerilimleri aşağıda verilmiştir. Vo1 Vo2 i b R C R C Vb (t) R C Vic r 2(1 )R E r 2(1 )R E Çıkış ortak işareti Voc Acc Voc Vic Vid 0 Vo1 Vo2 Vo1 Vo2 olur. Ortak işaret kazancı (Acc) ise aşağıda verilmiştir. 2 R C RC r 2(1 )R E re 2R E 56 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN İdeal bir fark kuvvetlendiricisinde ortak işaret kazancı (Acc) sıfırdır. Fark işaret kazancının (Add), ortak işaret kazancına oranına “Ortak İşaret Zayıflatma Oranı (Common Mode Rejection Ratio, CMRR)” denir. Fark yükselteçlerinin yaygın kullanılan bir performans ölçütü olan CMRR şu şekilde tanımlanır: CMRR Ad Ac Yukarıdaki formülden de görüldüğü üzere CMRR değerinin büyük olması için RE direncini büyütmek gerekir, ancak RE direnci arttırılırsa aynı IE akımı ile devreyi sürebilmek için gereken besleme gerilimi değeri çok artacaktır. Bu nedenle devrede RE direnci yerine sabit akım kaynağı görevi gören akım aynası (Şekil7.5) kullanılır. (a) (b) Şekil 7.5 a.) RE Direnci ile Farksal Kuvvetlendirici b) RE Direnci Yerine Akım Aynası Kullanılarak Elde Edilen Farksal Kuvvetlendirici 57 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Doğru akım kaynağı küçük işaretler için yüksek direnç göstereceğinden (açık devre gibi düşünülebilir) akım aynası kullanılan devrede VEE gerilimini arttırmaya gerek olmadan yüksek CMRR elde edilebilir. Deneyin Yapılışı: 1. Şekil 7.5.a‟daki devreyi kurunuz. + ve – besleme gerilimlerini dikkatli bağlayınız, DC kaynakların ve devrenizin toprak bağlantısının neresi olduğuna dikkat ediniz. 2. Devrenin Vi1 ve Vi2 girişlerine fark işareti (a) uygulayınız. a. Vi1 = 20mVpp 1KHz Vi2 = 0V Farksal çıkış gerilimini (Vo1-Vo2) ölçerek kazancı (Add) ölçümlerinize göre bulunuz. Not: Fark işaretini ölçerken 1 probun 2 ucu çıkış noktalarına bağlanacaktır. 3. Devrenin Vi1 ve Vi2 girişlerine ortak işaret (b) uygulayınız. b. Vi1 = Vi2 = 20mVpp 1KHz Ortak çıkış gerilimini (Vo1 veya Vo2 ) ölçerek kazancı (Acc) ölçümlerinize göre bulunuz. 4. Devrenin CMRR oranını ölçüm değerlerinden yararlanarak hesaplayınız ve ilgili tabloyu doldurunuz. 5. Şekil 7.5.b‟deki devre ile yukarıdaki adımları tekrarlayınız. Ön Çalışma 1. Şekil 7.5a ve 7.5.b‟ deki fark kuvvetlendiricisinin AC eşdeğer devrelerini ve çalışma prensiplerini gözden geçiriniz. 2. Şekil 7.5a ve 7.5.b‟ deki devrenin kazanç ifadelerini (Add ve Acc ) ve CMRR değerlerini föyde verilen bilgileri kullanarak hesaplayınız. Hesaplamalarınız için proteus programı kullanabilirsiniz. Bu hesapladığınız değerleri deney sonunda bulduğunuz ölçüm sonuçlarıyla karşılaştıracaksınız. 3. Deneyleri Proteus programı ile simüle ediniz ve istenen sonuçları bulunuz. Not: Teorik hesaplama sırasında akım aynalı yapı için Acc değerini “0” olarak alabilirsiniz. Rapor Notları Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. Malzeme Listesi 4 adet BC237 1 adet 22k, 2 adet 12k, 1 adet 11k, 2 adet 10k, 2 adet 1k Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 58 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY 7 Sonuç Sayfası Şekil 7.6 Şekil 7.5.a’ daki Devreye İlişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı Şekil 7.7 Şekil 7.5.b’deki devreye ilişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı Tablo 7.1 Farksal kuvvetlendiricinin kazanç ve CMRR ifadelerinin karşılaştırılması Teorik Hesaplama Şekil 7.5.a Şekil 7.5.b Ad Ac CMRR 59 Deneysel Ölçüm Şekil 7.5.a Şekil 7.5.b Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-8 OPAMP’LI AKTİF FİLTRE UYGULAMASI Deneyin Amacı: 1. dereceden alçak geçiren filtre, yüksek geçiren filtre ve 2 .dereceden band geçiren filtrelerin aktif elemanlar ile gerçeklenmesi. Teorinin Özeti: Elektrik devrelerinde çok kullanışlı yapılar olan analog devrelerin başında filtreler gelir. Filtre yapıları elektriksel işaretlerin frekans spektrumlarına biçim vermek amacıyla kullanılan devrelerdir. Pasif R, L, C elemanlarıyla gerçekleştirilen bu devreler aynı zamanda aktif elemanlarla (transistör, opamp vs.) birlikte sadece R veya C elemanları veya bunların her üçünü birden kullanarak da gerçekleştirilebilir. Filtreler elektronik ve haberleşme sistemlerinde oldukça geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Özellikle, sisteme uygulanan frekanslardan yalnızca istenenlerinin geçirilmesi amacıyla kullanılırlar. Gerçeklenen transfer fonksiyonunun frekansla değişimine bağlı olarak alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren, band söndüren türden filtreler söz konusudur. Kesim frekansı, kalite faktörü, geçirme bandı kazancı ise önemli filtre parametrelerindendir. Pasif filtrelerde direnç, kapasite ve bobin kullanılır. RC filtrelerinde transfer fonksiyonunun kökleri reel olur. Bu tip filtrelerde değer katsayısının küçük olduğu görülür. Büyük kalite faktörü elde edilmek istendiğinde LC filtreleri kullanmak daha uygun olur. Ancak düşük frekanslarda gerekli bobin indüktanslarının büyük olması gerekeceğinden hem devrenin kapladığı alan hem de maliyet artar. Bu nedenle düşük frekanslarda daha çok aktif filtreler tercih edilir. Aktif filtrelerin en önemli avantajları küçük ve hafif olmalarıdır. Ayrıca güvenirlikleri yüksek, seri üretim nedeniyle ucuz ve küçük boyutları nedeniyle de parazitleri düşüktür. Buna karşın, aktif elemanın sonlu band genişliği nedeniyle erişilebilecek kutup frekansları sınırlıdır. Ayrıca filtre karakteristiğinin keskinliğini belirleyen kalite faktörü ile kutup frekansı ters orantılıdır. Dolayısıyla optimum bir çözümün bulunması söz konusudur. Bunun dışında aktif filtrelerde, karakteristiklerinin eleman değerlerindeki değişimlere duyarlığı daha yüksektir ve aktif eleman nedeniyle ayrıca bir besleme devresi gerektirirler. Filtre Türünün Tespiti Genel olarak filtre transfer fonksiyonlarının limitini s ve s 0 için alarak ne tür filtreye ait oldukları bulunabilir. AGF‟nin transfer fonksiyonunu limit işlemi uygulanırsa; limH AGF ( s) lim s 0 s 0 K K A s wc 0 wc lim H AGF (s) lim s wc s wc K K 0.707A s wc wc wc K K 0 s s w wc c lim H AGF ( s) lim s 60 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Burada A filtrenin maksimum kazancıdır. Limit işleminden görüldüğü gibi yüksek frekanslarda filtrenin kazancı sıfır olmakta, düşük frekanslarda ise maksimum kazanca ulaşmaktadır. Diğer filtrelerin transfer fonksiyonlarına basit bir limit işlemi ile analiz edilebilir. Filtre Karakteristikleri Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri Alçak geçiren filtre yapısında 0 Hz ile kesim frekansı ( fH ) arasında sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, alçak frekans kazancı 3 dB azalır. 0 Hz ile kesim frekansı ( fH ) arasındaki frekanslar band geçirme frekansı, f H ‟dan büyük frekanslar ise band söndürme frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır. (a) (b) Şekil 8.1 Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri Yüksek geçiren filtre yapısında kesim frekansından ( f L ) daha büyük frekanslarda sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, yüksek frekans kazancı 3dB azalır. 0 Hz ile kesim frekansı ( f L ) arasındaki frekanslar band söndürme frekansı, f L ‟den büyük frekanslar ise band geçirme frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır. 61 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil 8.2 Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre Band Geçiren Filtre Karakteristikleri Band geçiren filtre, sadece belirli frekans aralığını geçirir, diğerlerini söndürür. Band geçirme aralığı, kesim frekansları ( f H , f L ) arasında kalan bölgeyi ifade eder. Filtrenin band genişliği ( f H f L ) olarak ifade edilir. Şekil 8.3 Band Geçiren Filtre Karakteristikleri a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre Filtre Transfer Fonksiyonları ve Devrelerinin Analizi 1.Dereceden Alçak Geçiren Filtre: Birinci dereceden alçak geçiren filtrenin transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. 62 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II H AGF ( s) 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN K s wc Burada K kazanç, wc AGF‟nin kesim frekansıdır. Şekil 8.4‟de verilen alçak geçiren filtrenin analizi yapılıp, transfer fonksiyonu devre elemanlarına bağlı olarak elde edilmiştir. Şekil 8.4 Birinci Derece Alçak Geçiren Filtre 1 Vo R2 C ( s) 1 Vi s R1C Burada K 1 R2C ve wc 1 R1C eşitlikleri bulunabilir. 1. Dereceden Yüksek Geçiren Filtre: Birinci dereceden yüksek geçiren filtrenin transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. H YGF ( s) K Burada K kazanç, wc s s wc YGF‟nin kesim frekansıdır. Şekil 8.5‟de verilen alçak geçiren filtrenin analizi yapılıp, transfer fonksiyonu devre elemanlarına bağlı olarak elde edilmiştir. 63 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Şekil 8.5 Birinci Derece Yüksek Geçiren Filtre Vo R ( s) 1 Vi R2 Burada K R1 R2 ve s s wc 1 R2 C 1 R2C eşitlikleri bulunabilir. Band Geçiren Filtre : İkinci derece bir band geçiren filtrenin genel ifadeyle transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. H BGF ( s) K s s 2 s wo2 Burada K kazanç, band genişliği ve wo BGF‟nin merkez frekansıdır. Band genişliği wo Q olarak tanımlıdır. Burada Q kalite faktörüdür. Kalite faktörü ne kadar büyük olursa devrenin band genişliği azalacak, kazancı artacaktır. Şekil 8.6 Band Geçiren Filtre 64 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Vo 1 1 s (s) 1 1 Vi R2 C1 s R C s R C 2 2 1 1 ya da 1 s Vo R2 C1 (s) Vi 1 1 1 s s 2 R2 C2 R1C1 R1 R2 C1C2 Burada merkez frekansı ( f0 ) ve band genişliği ( ) aşağıdaki eşitlikler ile bulunabilir. f0 1 2 R1R2C1C2 1 2 1 1 R2C2 R1C1 Filtre Tasarım Kriterleri Kazanç (Band-pass gain) Aktif filtreler kullanılarak 1‟den yüksek kazanç elde etmek mümkündür. Birçok aktif filtre yapısı filtrenin kazancını belirleyen kazanç katsayısı içerirler. Düz band geçirme kazancına sahip filtreler sıklıkla kullanılır. Bu karakteristiğe sahip filtreler, Butterworth filtre olarak adlandırılır. Diğer bir sınıf olan Chebyshev filtreler ise band geçirme kazancında dalgalanmaya (ripple, overshoot) sebep olurlar. Şekil 8.7 Butterworth vs. Chebyshev 65 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Kesim frekansları (Cut-off frequencies) Kesim frekansları (fH, fL) filtre devresindeki kapasite ve direnç değerleri ile belirlenir. Frekans eğrisinin düşme eğimi (Roll-off rate) Frekans eğrisinin düşme eğimi, filtre kazancının band söndürme bölgesindeki değişim oranıdır. Bu oranın yüksek olması, frekans seçimini iyileştirmesini sağlar. Şekil 8.4‟te de görüldüğü üzere Chebyshev filtre yapısında bu oran Butterworth filtre yapısına göre daha yüksektir. Frekans eğrisinin düşme eğimini, filtrenin derecesi belirler. Örneğin, 1. derece filtrede 20dB/decade değerinde bir eğim varken, 2.derece bir filtrede bu değer 40dB/decade olur. Kalite Faktörü (Quality Factor) Band geçiren filtreler için Q (kalite faktörü), merkez frekansın ( f o ), band genişliğine ( ) oranıdır. Q fo Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtreler için Q, kutup kalitesini gösterir. Yüksek kalite faktörleri grafiksel olarak 0 dB çizgisi ile filtrenin kazanç cevabının tepe noktası arasındaki mesafe olarak gösterilebilir. Q en düşük 1 olarak seçilir. 66 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deneyin Yapılışı: Şekil 8.8 (a) 1.Derece Alçak Geç. Filtre Dev . (b) 1.Derece Yüksek Geç. Filtre Dev. Deney 8.1 Alçak Geçiren Filtre Şekil 8.8‟de verilen 1. devreyi kurunuz. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp„lar için besleme gerilimleri ±12V‟dur. Devrenin kesim frekansını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 8.1‟i doldurunuz. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 8.10). Deney 8.2 Yüksek Geçiren Filtre Şekil 8.8‟de verilen 2. devreyi kurunuz. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp„lar için besleme gerilimleri ±12V‟dur. Devrenin kesim frekansını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 2.2‟yi doldurunuz. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 8.11). 67 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deney 8.3 Band Geçiren Filtre Şekil 8.9 2.Derece Band Geçiren Filtre Devresi Şekil 8.9‟de verilen devreyi kurunuz. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp‟lar için besleme gerilimleri ±12V‟dur. Devrenin merkez, alt ve üst kesim frekanslarını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 8.3‟ü doldurunuz. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 8.12). Ön Çalışma Deneye gelmeden önce LM741 katalogunu inceleyiniz. Deneyleri Proteus ile gerçekleyiniz ve deneyde istenilenleri alınız. Pasif ve aktif filtre devrelerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını sıralayınız. Endüktans elemanının özelliklerini sıralayarak devre içinde kullanımının avantajları ve dezavantajlarını belirtiniz. Alçak geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. Band geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. Band söndüren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. Yüksek dereceli alçak geçiren elde etmek için daha düşük dereceli alçak geçiren filtreler nasıl bağlanabilir? Alçak geçiren filtre kullanarak band geçiren filtre elde etmek için ne yapılmalıdır, açıklayınız. İdeal bir Opamp‟ın giriş ve çıkış dirençleri nedir? Rapor Notları Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. Malzeme Listesi 2 adet LM324 veya 4 x LM741 , 2 adet 15k, 2 adet 7.5k, 2 adet 10 nF, 2 adet 4.7 nF Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 68 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY 8 Sonuç Sayfası Tablo 8.1 Alçak Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler Şekil 8.10 Alçak Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi 69 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 8.2 Yüksek Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler Şekil 8.11 Yüksek Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi 70 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Tablo 8.8 Band Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler Şekil 8.12 Band Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi 71 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY-9 Temel Opamp Uygulamaları Deneyin Amacı: Opamp ile temel uygulamalar olan terslendiren (inverting) kuvvetlendirici, terslendirmeyen (noninverting) kuvvetlendirici, gerilim takipçisi (voltage follower), fark kuvvetlendiricisi gerçeklenmesi. Teorinin Özeti: Terslendiren (Inverting) Kuvvetlendiriciler Şekil 9.1‟de görülen terslendiren kuvvetlendirici devresi bir geri beslemeli devredir. Geri besleme sadece R1 direnci ile yapılmıştır. Opamp girişleri arasındaki fark çok küçük olup, bir işaret kaynağı için opampın (-) girişi 0V potansiyelinde görülür. Bu yüzden (-) girişi ucu görünürde toprak (virtual ground) olarak adlandırılır. Şekil 9.1 deki Ii akımı toprağa akıyormuş gibi görünür. Fakat toprağa doğrudan yol olmadığından ve opampın giriş direnci çok yüksek olduğundan dolayı bu akım R 1 üzerinden akacaktır. Bu devreye ait temel bağıntılar aşağıda verilmiştir. V0=-Ii.R2 = -(Vi/R1)/R2 AV = V0/Vi= -R2/R1 Bu ifadedeki (-) işareti giriş çıkış arasındaki 180° lik faz farkını ifade etmektedir. Bütün pratik amaçlar için giriş empedansı yaklaşık R2 kabul edilir. Şekil 9.1 Terslendiren kuvvetlendirici devresi Terslendirmeyen (Noninverting) Kuvvetlendiriciler Şekil 9.2‟de terslendirmeyen kuvvetlendirici devresi görülmektedir. Bu devreye ait bağıntılar aşağıda verilmiştir. Vi=Vf Gerilim Kazancı=AC1=V0/Vin=(1+R1/R2) 72 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Terslendirmeyen kuvvetlendirici herhangi bir faz farkı olmadan kuvvetlendirme işlemi yapar ve yüksek empedanslı bir kaynağı düşük empedanslı bir yükten izole etmek için mükemmel bir tampon (buffer) görevi yapar. Şekil 9.2 Terslendirmeyen kuvvetlendirici devresi Gerilim Takipçisi (Voltage Follower) Şekil 8.3‟de devre bir gerilim takipçisi olup bu devrede yapılan geri besleme oranı 1‟dir. Dolayısıyla bu devrenin kazancıda 1 olup sistemin girişi ile çıkışı aynıdır. Bu devre çok yüksek bir giriş ve çok düşük bir çıkış empedansına sahip olup genellikle yüksek empedanslı işaret kaynaklarını düşük empedanslı yüklere uyarlamada kullanılır. Devrenin çıkış ifadesi aşağıda verilmiştir. Vo=Vi Şekil 9.3 Gerilim takipçisi Toplayıcı Kuvvetlendiriciler Şekil 8.1‟deki terslendiren kuvvetlendirici girişi şekil 9.4‟deki gibi iki veya daha fazla çoklu giriş haline getirilirse sistem bu girişleri toplayan bir kuvvetlendirici olarak çalışır. Buradaki her bir giriş çıkış işaretlerinin bir bileşeni oluşturacaktır. Şekil 9.4‟deki toplayıcı devresine ait bağıntılar aşağıda verilmiştir. V0 = -Rf[V1/R1+V2/R2] Rf=R1=R2 için; 73 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN V0=-(V1+V2) Bu tip toplayıcı devreler iki veya daha fazla işaretin cebirsel toplamının elde edilmesi veya işaret kaynakları arasındaki izolasyonun iyi bir şekilde sağlandığı aynı anda iki veya daha fazla ses işaretinin birlikte karıştırılması için kullanılır. Şekil 9.4 Toplayıcı kuvvetlendirici devresi Fark Kuvvetlendiricisi Şekil 9.5‟de görülen fark kuvvetlendirici devresinin çıkışı aşağıda verilmiştir. V0=V2-V1 Eğer istenirse çıkışın direnç oranlarının değiştirilmesi ile girişlerin farkı orantılanabilir. Bu özellik bu devrenin enstrumentasyon ve işaret işleme uygulamalarında kullanılmasını sağlar. Şekil 9.5 Fark kuvvetlendirici devresi 74 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Deneyin Yapılışı: 9.1 Terslendiren Kuvvetlendirici Devresinin İncelenmesi Şekil 9.1 deki terslendirici kuvvetlendirici devresini kurunuz. Giriş işareti olarak Vpp=1V 1KHz‟lik sinüzoidal işaret kullanınız. Gerekli osiloskop ayarlarını yapınız Devredeki Vi ve V0 işaretlerini osiloskoptan okuyarak gerilim kazancını bulunuz. Giriş ve çıkış sinyalini ölçüm sayfasındaki Şekil 9.6 üzerine ölçekli olarak çizip kazancı hesaplayınız. 9.2 Terslendirmeyen Kuvvetlendirici Devresinin İncelenmesi Şekil 9.2 deki devreyi kurunuz. Sistemdeki tüm toprak bağlantılarını bir yerde toplayınız. Osiloskop ayarlarını AC kuplaj ve time/div‟i 0.5ms/div olarak ayarlayınız. Devredeki Vi ve V0 işaretlerini osiloskoptan okuyarak giriş ve çıkış sinyalini ölçüm sayfasındaki Şekil 9.7 üzerine ölçekli olarak çizip kazancı hesaplayınız. 9.3 Gerilim Takipçisi Devresinin İncelenmesi Şekil 9.3‟deki devreyi kurunuz. Osiloskop ayarlarını yapınız Devredeki Vi ve V0 işaretlerini osiloskoptan okuyarak giriş ve çıkış sinyalini ölçüm sayfasındaki Şekil 9.8 üzerine ölçekli olarak çizip kazancı hesaplayınız. 9.4 Toplayıcı Devresinin İncelenmesi Şekil 9.4‟deki devreyi kurunuz. Bu toplayıcı deneyinde biri AC, diğeri DC iki işaret toplanacaktır. AC işareti Vpp=1V sinüzoidal işaret seçiniz. DC işaret olarak gerilim bölücünüzden 5V alınız. Osiloskop ayarlarını yapınız. Çıkış işaretini osiloskoptan ölçünüz. İki işaretin toplamı olup olmadığını kontrol edip giriş ve çıkış sinyalini ölçüm sayfasındaki Şekil 9.9 üzerine ölçekli olarak çizip kazancı hesaplayınız. 9.5 Fark Kuvvetlendirici Devrenin İncelenmesi Şekil 9.5‟deki devreyi kurunuz. V2 gerilimini gerilim bölücü devrenizin V2DC çıkışını 5V ayarlayarak V1‟i ise gerilim bölücü devreniz vasıtasıyla V1DC çıkışından 1-3V arasında değerlere ayarlayarak kullanınız. Voltmetre kullanarak opamp girişleri arasındaki gerilim farkını ölçünüz. Opamp çıkışındaki ölçeceğiniz değerle karşılaştırarak bu iki değerin aynı olup olmadığını karşılaştırın. Teorik olarak hesapladığınız değerle ölçtüğünüz değerleri karşılaştırınız. Bu aşamada V1 gerilimini 5V‟a ayarlayarak çıkış gerilimini tekrar ölçünüz. Sonuçlarınızı tablo 9.1 e kaydederek yorumlayınız. 75 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN Ön Çalışma Bütün deneylerinizi Proteus yardımıyla yaparak istenen değerleri hesaplayınız. Bir ölçüm sayfası kopyasını doldurunuz. Rapor Notları Deney sonuçlarınızı ve yorumlarınızı ön çalışmanıza ekleyiniz. Malzeme Listesi 4 adet 10kΩ, 4 adet 1kΩ, 2 adet 741 opamp. 9V pil ve bağlantı kablosu, 1-10kΩ arası 3 farklı değerde direnç. Not: Deney föyü ve ön çalışması olmayan öğrenci derse alınmayacaktır. Devrenizi önceden breadboard üzerine kurarak getirmeniz tavsiye edilir. 9V Pil ile Gerilim Bölücü Devresi Gerilim Bölücü Malzeme Listesi 9V Pil ve bağlantı soketi, 7805 entegresi, 2 adet 5K pot ve bağlantı kabloları. 76 Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN DENEY 9 Sonuç Sayfası Şekil 9.6 Terslendiren Kuvvetlendirici Şekil 9.7 Terslendirmeyen Kuvvetlendirici CH1 volt/div = CH2 Volt/div = Time/div = Kazanç = Şekil 9.8 Gerilim Takipçisi CH1 volt/div = CH2 Volt/div = Time/div = Kazanç = Şekil 9.9 Toplayıcı Devresi CH1 volt/div = CH2 Volt/div = Time/div = Kazanç = CH1 volt/div = CH2 Volt/div = Time/div = Kazanç = V1 5V 5V 5V 3V 2V 1V V2 1V 2V 2,5V 5V 5V 5V Tablo 9.1 Fark Kuvvetlendirici 77 Çıkış Kırıkkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Elektronik Laboratuvarı – II 78 2013-2014 Akademik Yılı Arş.Gör.Tolga ŞEN
