Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM309 Elektronik-2 Laboratuarı Deney Föyü
Deney#3
Güç Kuvvetlendiricileri
Doç. Dr. Mutlu AVCI
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2015
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
DENEY 3
Güç Kuvvetlendiricileri
A. Amaç
Transistörlerin sükunetteki çalışma noktaları dikkate alınarak, güç kuvvetlendiricilerinin
sınıflandırılmasında A,B ve AB sınıflarının çalışma prensiplerinin tanıtılması, bunlara ait devrelerin
özelliklerinin incelenmesi ve verimlerinin hesaplanmasıdır.
B. Temel Bilgiler
Arka arkaya bağlanmış kuvvetlendirici devreler zincirinin ilk ve ara katlarında gerilim veya akım
kazancı sağlayan kuvvetlendiriciler kullanılır. Bu katlar için henüz güç kazancı önemli değildir. Bu
katlar giriş ve ara kuvvetlendirici katları olup bunların görevleri küçük genlikli işaretleri kuvvetlendirip
çıkış katına iletmektir. Ayrıca bu katlardaki transistörler aktif bölgede çalıştıklarından çıkış işaretinde
distorsiyon (distortion:bozulma) olmaz.
Şekil 1’de de görüldüğü gibi güç kuvvetlendiricileri, kuvvetlendirici devreler zincirinin en son katında
bulunurlar.Bu katın amacı güç kazancı sağlamaktır. Çünkü bu kuvvetlendiricilerden çıkış katlarındaki
hoparlör, motor gibi dönüştürücüleri sürmeleri beklenmektedir. Çıkış katında fazla güç çekildiğinden
devre elemanları üzerinde ısı kaybı meydana gelir.
Şekil 1 Küçük işaret kuvvetlendiricisi ve güç kuvvetlendiricisinin arka arkaya bağlanması
Kuvvetlendirilen işareti yüke aktaracak olan çıkış katı bloğunun aşağıda belirtilmiş olan temel
özellikleri yerine getirmeleri istenir:
1.
2.
3.
4.
5.
Çıkış akımının büyük olması
Çıkış geriliminin geniş bir sınır içinde dalgalanması
Çıkış empedansının düşük olması
Sükunette harcadığı gücün az olması
Frekans karakteristiğinin geniş bandlı olması
Burada temel çıkış katı yapıları ele alınacak ve bunların önemli özellikleri incelenecektir. Bir devrenin
çıkışından en yüksek gücü ve verimi elde edebilmek için doğrusal olmayan devrelerden de
yararlanılabilir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Kuvvetlendiriciler kutuplanma durumuna ve buna bağlı olarak da girişine uygulanan işaretin ne
kadarını çıkışına aktardığını belirten iletim açısına göre A,B,AB,C,D gibi gruplara ayrılırlar.
Şekil 1 temel güç kuvvetlendirici devrelerinin girişlerine uygulanan bir sinüs dalgasına karşılık herbir
sınıfın çıkışlarından elde edilen işaretleri, iletim açılarını ve verimlilik yüzdelerini göstermektedir.
Güç kuvvetlendiricilerinde Q çalışma noktası maksimum akım değerinin yarısı civarında seçilirse “A
sınıfı” çalışma elde edilir. A sınıfı kuvvetlendiricilerde transistörün kollektör akımı sürekli olarak akar.
İletim açısı 360° olduğundan, şekilde gösterildiği gibi giriş işareti bozulmaya uğramadan tamamı çıkışa
aktarılabilir.
Şekil 2 Güç kuvvetlendirici sınıflarının çıkış dalga şekilleri, iletim açıları ve verimliliklerinin karşılaştırılması
B sınıfı çalışmada ise kollektör akımı işaretin yalnızca yarım periyodunda akar yani iletim açısı 180°
dir. Şekilde görüldüğü üzere giriş işaretinin yarım alternansı çıkışa aktarılabilmiştir.
C sınıfında ise akım 180° den daha küçük bir aralıkta akmaktadır ve böylece işaretin bir
alternansından daha azı çıkışa aktarılır.
D sınıfı çalışmada transistör doyum ile kesim noktası arasında çalıştırılır. Bu durumda çıkış işareti kare
dalga biçimined olur.
AB sınıfı çalışmada ise transistör 180° den büyük bir iletim açısı ile çalışır ve buna bağlı olarak giriş
işaretinin yarım alternansından biraz fazlası çıkışa aktarılmış olur.
A Sınıfı
: 𝜃 = 2𝜋
AB Sınıfı
: 𝜋 < 𝜃 < 2𝜋
B Sınıfı
: 𝜃=𝜋
C Sınıfı
:𝜃 <𝜋
Bu durumda yalnızca A sınıfı kuvvetlendiriciler doğrusal kuvvetlendiricidir. Diğerleri ise doğrusal
olmayan bölgede çalışırlar. Böylece devrelrin çıkış işaretleri giriş işaretinden farklı olacaktır. Yani
işaret bozulmuş olur.
Tüm bunların yanında Şekil 1’de görüldüğü gibi kuvvetlendirici sınıflarının iletim açılarından farklı
olarak verimlilikleri de önem arz etmektedir. Yüke aktarılan gücün kaynaktan çekilen güce oranı
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
olarak tanımlanan verimlilik (ɳ) en düşük A sınıfında iken en yüksek olarak D ve T sınıflarında
görülmektedir.
Verim:
Bir kuvvetlendiricinin çıkışına bağlı olan yüke güç aktarabilmesi için DC beslene kaynağından çıkışa
verdiğinden daha fazla güç çekmesi gerekir. Kaynaktan çekilen güç (𝑃𝐷𝐴 ), yüke aktarılan güç (𝑃𝑌 ) ile
ısı enerjisine dönüşen gücün toplamına eşittir.
𝑃𝐷𝐴 = 𝑃𝑦 + 𝑃𝐷
Şekil 3 Temel kuvvetlendirici şeması
Burada;
𝑃𝐷𝐴 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝐶
𝑉𝑌 2 1 2
𝑃𝑌 =
= 𝐼 𝑅
2𝑅𝑌 2 𝑌 𝑌
olarak ifade edilebilir. Devrenin verimi ise güce verilen gücün kaynaktan çekilen güce oranıdır:
ɳ=
𝑃𝑌
1 𝐼𝑌 2 𝑅𝑌 1 𝑉𝑌 2
=
=
𝑃𝐷𝐴 2 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝐶 2 𝑅𝑌 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝐶
A Sınıfı Kuvvetlendirici:
A sınıfı bir kuvvetlendiricide çalışma noktası BJT için kollektör veya MOSFET için drain akımını, işaretin
periyodu boyunca sıfıra düşürmeyecek şekilde seçilir. Çıkış geriliminin bozulmaya uğramaması için Q
çalışma noktası maksimum simetrik salınımın olduğu nokta seçilebilir. Bir kuvvetlendiricinin DC yük
hattı üzerinde çalışma noktası, en iyi durum için yani;
𝑉𝐶𝑄 =
𝑉𝐶𝐶
(𝑚𝑎𝑘𝑠𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑠𝑖𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑘 𝑠𝑎𝑙𝚤𝑛𝚤𝑚)
2
seçilirse, çıkıştan bozulmaya uğramadan alınabilecek gerilimin tepe değeri;
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
𝑉𝑦(𝑚𝑎𝑥) =
𝑉𝐶𝐶
2
olur.
Şekil 4 Bir kuvvetlendiricinin DC yük hattı
Ohm kanunu hatırlanırsa;
𝑉 = 𝐼𝑅
𝑃 = 𝑉𝐼
Buradan;
𝑃 = 𝐼2 𝑅
𝑉2
𝑃=
𝑅
elde edilir. Böylece;
𝑃𝑦(𝑚𝑎𝑥)
2
2
1 𝑉𝑦(𝑚𝑎𝑥)
1 𝑉𝐶𝐶
= (
)= ( )
2
𝑅𝑦
8 𝑅𝑦
elde edilir. Kaynaktan çekilen güç;
𝑃𝐷𝐴 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶𝐶 =
𝑉𝐶𝐶 2
2𝑅𝑦
ile ifade edilir. Kuvvetlendiricinin verimi, yüke aktarılan gücün kaynaktan çekilen güce oranı olduğu
hatırlanırsa;
ɳ𝑚𝑎𝑥 =
yazılabilir.
2
𝑃𝑦(𝑚𝑎𝑥) 𝑉𝐶𝐶
/8𝑅𝑦 1
= 2
= = %25
𝑃𝐷𝐴
𝑉𝐶𝐶 /2𝑅𝑦 4
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Görüldüğü gibi A sınıfı kuvvetlendiricide elde edilebilecek en fazla verim %25 olur. Diğer taraftan
kaynaktan çekilen gücün en az %75’i transistörde harcanacaktır. Bu nedenle A sınıfı kuvvetlendiriciler
güç kuvvetlendiricisi olarak kullanmaya uygun değildir.
B Sınıfı Kuvvetlendirici:
A sınıfı kuvvetlendiricide Q çalışma noktası DC yük hattının orta kısımlarında seçilmesinden dolayı
giriş işaretinin tamamını kuvvetlendirirken, B sınıfı kuvvetlendiricide giriş işaretinin yalnızca pozitif
alternansı kuvvetlendirilir. Bu durumda işaret kaybı olmaması için, yani işaretin negatif alternansının
da kuvvetlendirilebilmesi için birbirinin eşleniği iki transistör (pnp-npn ya da p-mos-n-mos) kullanılır.
Şekil 5 a) B sınıfı push-pull (it-çek) kuvvetlendirici devresi b) Kuvvetlendirici girişine uygulanan işarete karşılık
çıkış işareti ve geçiş bozulması (crossover distortion)
Şekil 4’te verilen devreye giriş işareti uygulandığında, işaretin pozitif alternansında NPN transistör
(T1) iletimde, PNP transistör (T2) kesime girecektir. T1 transistöründen geçen akımın tamamı (𝑖1 ), T2
kesimde olduğundan yük direnci 𝑅𝑦 üzerinden geçecektir.
Giriş işaretinin negatif alternansında ise önceki durumun tersine T1 kesimde T2 iletimde olacaktır.
Böylece T2’den geçen (𝑖2 ) akımının tamamı 𝑅𝑦 yük direnci üzerinden geçecektir.
Sonuç olarak birbirlerine göre ters yönde akan (𝑖1 ) ve (𝑖2 ) akımları 𝑅𝑦 yükü üzerinde giriş işaretine
benzeyen bir gerilim oluşturacaktır. Böyle eşlenik iki transistör kullanılarak elde edilen devreye pushpull (it-çek) devre adı verilir.
Şekildeki devreye daha dikkatli bakıldığında aslında devrenin çalışmasının tam olarak B sınıfı olmadığı
görülecektir. Çünkü kuvvetlendiricinin iletim açısı 180°’den küçüktür. Yani işaret geçiş bozulmasına
uğramıştır ve devre daha çok C sınıfı gibi davranmaktadır. Bunun nedeni T1 ve T2 transistörlerinin
𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛) açılma gerilimine kadar kapalı kalması yani iletime geçmemesidir. Bu nedenle çıkış dalga
şeklinde sıfır civarında bozulma meydana gelir.
Bu bozulmanın önüne geçebilmek için, yani giriş geriliminin sıfırın üstüne çıktığı andan itibaren T1
transistörünün, giriş geriliminin sıfırın altına düştüğü anda da T2 transistörünün iletime geçmesini
sağlamak için transistörlerin 𝑉𝐵𝐸 gerilimi, 𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛) açılma gerilimi (~0.7𝑉) civarında olması
gerekmektedir. Bu gerilim basitçe base-emiter arasına iki adet pn diyot eklenerek elde edilebilir. Şekil
5’ten de anlaşılacağı gibi diyot üzerinden bir DC akım geçtiğinde diyotun iki ucu arasında (𝑉𝐷(𝑜𝑛) ≈
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
0.7𝑉) açılma gerilimi görülecektir. Bu gerilim transistörlerin iletime geçmesini sağlayacaktır. Sonuç
olarak transistörlerin base-emiter gerilimi sürekli iletimin eşiğinde olmasından dolyı geçiş bozulması
çok azalmış olacaktır.
Şekil 6 a) B sınıfı push-pull güç kuvvetlendiricisi ve b) çıkış karakteristik eğrisi
B Sınıfı Çalışan Kuvvetlendiricide Verim:
B sınıfı çalışmada transistörlerden aynı zamanda yükten akabilecek olan maksimum akım;
𝐼1(𝑚𝑎𝑥) = 𝐼2(𝑚𝑎𝑥) =
𝑉𝐶𝐶
= 𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥)
𝑅𝑦
olduğundan, yüke aktarılabilecek maksimum güç;
1
1 𝑉𝐶𝐶 2
𝑃𝑦(𝑚𝑎𝑥) = 𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 2 𝑅𝑦 =
2
2 𝑅𝑦
olacaktır. Kaynaklardan çekilen ortalama akım yarım periyotluk sinüs dalgasının ortalamasına eşittir.
𝐼𝐷𝐴 =
𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥)
1 𝜋
∫ 𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 𝑠𝑖𝑛𝜃. 𝑑𝜃 =
2𝜋 0
𝜋
elde edilir. Kaynaklardan birinin verdiği güç ise;
𝑃𝐷𝐴 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼0 = 𝑉𝐶𝐶
𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 2 𝑅𝑦
=
𝜋
𝜋
olarak ifade edilir. Devrede iki adet DC kaynak bulunduğuna göre kaynaklardan çekilen toplam güç
2𝑃𝐷𝐴 olur. Böylece elde edilebilecek olan en yüksek verim;
ɳ𝑚𝑎𝑥 =
olacaktır.
𝑃𝑦(𝑚𝑎𝑥)
𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 2 𝑅𝑦 /2
𝜋
=
= = %78
2
2𝑃𝐷𝐴
2𝐼𝑦(𝑚𝑎𝑥) 𝑅𝑦 /𝜋 4
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
AB Sınıfı Push-Pull Kuvvetlendirici:
B sınıfı çalışmadaki geçiş distorsiyonunu önlemek için AB sınıfı kuvvetlendiriciler kullanılır. AB sınıfı
kuvvetlendiricilerde transistörlere 𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛) açılma geriliminden biraz fazla kutuplama gerilimi
uygulanarak giriş karakteristiğindeki lineersizlik biraz azalır. AB sınıfı çalışmada kutuplama gerilimi B
sınıfından biraz büyük olduğundan distorsiyon biraz daha azalır. Buna karşılık verim B sınıfına göre
biraz daha düşük olacaktır. Ses frekans güç kuvvetlendiricileri AB sınıfı çalıştırılır.
Şekil 7 a) AB sınıfı kuvvetlendiri devresi b) çıkış karakteristik eğrisi
AB sınıfı kuvvetlendiricinin vermliliği A sınıfı ile B sınıfı arasındadır.
Malzeme Listesi:




Transistör
: BC237BP, BZX84C3V3(2 adet), BD135, BD136
Direnç
: 100Ω, 2.2kΩ, 10 kΩ (2 adet), 22 kΩ, 56 kΩ
Diyot
: 1N4001 (2 adet)
Standard deney techizatı
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Elektronik Devreler, Morgül A., 2012
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
C. Hazırlık Çalışması
+𝑉𝑐𝑐 = 12𝑉, −𝑉𝑐𝑐 = −12𝑉, 𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡) = 0.2𝑉, 𝑅1 = 𝑅2 = 2𝑘Ω, 𝑅𝐿 = 50Ω, 𝑉𝐷 = 0.7𝑉, 𝛽𝑑𝑐 = 50
1. Aşağıdaki devre hangi sınıf bir kuvvetlendirici devresidir?
2. Kuvvetlendiricinin verimini bulunuz.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
D. Deney Çalışması
+𝑉𝐶𝐶 = 5𝑉, −𝑉𝐶𝐶 = −5𝑉
1. Aşağıdaki devreyi kurunuz.






BC237BP transistöründeki DC gerilimleri ölçünüz.
DC base ve kollektör akımlarını ölçünüz.
Kaynağın ürettiği DC gücü, transistörde harcanan DC gücü hesaplayınız.
𝑉𝐵 =
𝑉𝑐 =
𝐼𝐵 =
𝐼𝐶 =
𝑃𝐷𝐶 =
𝑃𝐶 =
Giriş gerilimini çıkış işaretnde kırpılma olmayacak kadar artırınız. Bu durumda iken Vin ve Vo
rms değerlerini ölçünüz.
Bu değerlerden faydalanarak gerilim kazancını, yük tarafından çekilen AC gücü ve
transistörün verimini ɳ𝑚𝑎𝑥 hesaplayınız.
Vin gerilimi yarıya düştüğünde yük tarafından çekilen AC gücü ve transistörün verimini ɳ
hesaplayınız.
|𝐴𝑉 | =
𝑉𝑠(𝑟𝑚𝑠) =
𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) =
𝑃𝐴𝐶 =
ɳ𝑚𝑎𝑥 =
ɳ=
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
2. Aşağıdaki devreyi kurunuz.


𝑉𝑖𝑛 (𝑡) ve 𝑉0 (𝑡) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz.
Devrenin nasıl çalıştığını ve çıkış işaretinde meydana gelen bozulmanın nedenini açıklayınız.

𝑉0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayınız.
𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) =
𝐼𝑜 =
𝑃𝐴𝐶 =
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
3. Aşağıdaki devreyi kurunuz.



𝑉𝑖𝑛 (𝑡) ve 𝑉0 (𝑡) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz.
Çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz.
Diyotların devredeki görevini açıklayınız.

𝑉0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayarak
bir önceki deney ile karşılaştırınız.
𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) =
𝐼𝑜 =
𝑃𝐴𝐶 =
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
4. Aşağıdaki devreyi kurunuz.


𝑉𝑖𝑛 (𝑡) ve 𝑉0 (𝑡) grafiklerini ölçekli olarak çiziniz.
Çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz.

𝑉0 çıkış geriliminin rms değerini ölçerek akan yük akımını ve çekilen AC güçleri hesaplayarak
bir önceki deney ile karşılaştırınız.
𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) =
𝐼𝑜 =
𝑃𝐴𝐶 =
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#3
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
E. Tartışma
1. İkinci deneyde devrenin nasıl çalıştığını ve çıkış işaretinde meydana gelen bozulmanın
nedenini açıklayınız.
2. Üçüncü deneyde çıkış işaretinde distorsiyon olup olmadığını belirtiniz. Diyotların devredeki
görevini açıklayınız
(NOT: Birbirinin aynısı olan raporlar değerlendirilmeyecektir.)