Karşılaştırıcılar
advertisement
Karşılaştırıcılar Gerilim karşılaştırıcıları kimi kaynaklarda kısaca “komparator” (comparators) olarak tanımlanır. Temel işlevi herhangi bir gerilim değerini bilinen bir değer ile karşılaştırıp seviyesini belirlemektir. Bu nedenle “Gerilim Seviye Dedektörü” olarak da adlandırılır. Kullanım amacına ve işlevine bağlı olarak pek çok tip gerilim karşılaştırıcı devreler geliştirilmiştir. Bu bölümde sırayla aşağıda belirtilen temel karşılaştırıcı devreleri incelenecek ve uygulama örnekleri verilecektir. •Sıfır seviye karşılaştırıcıları •Sıfır olmayan seviye karşılaştırıcıları •Pozitif geri beslemeli seviye karşılaştırıcıları •Pencere tipi karşılaştırıcılar Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 1 Komparatorlar genellikle opamp’lardan yararlanılarak oluşturulur ve iki adet girişe sahiptir. Komparator’un temel işlevi girişlerine uygulanan iki ayrı işaretin birbirleri ile mukayese edilmesini sağlamaktır. Girişlerden birine referans işaret, diğerine ise mukayese edilecek işaret uygulanır. Bu iki işaret komparator tarafından karşılaştırılır. Mukayese edilen işaretlerin değerlerine bağlı olarak komparator çıkışından bir işaret alınır. Sonuçta komparator, karşılaştırılacak işaretin referans geriliminden büyük veya küçük olduğunu belirler. Eğer komparator olarak her hangi bir opamp kullanılırsa opamp`ın çıkış gerilimi ya pozitif yada negatif doyumdadır. Böylece mukayese edilen gerilimin referans geriliminden farklı olduğunu anlaşılır. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 2 Temel karşılştırıcı ilkeleri +Vcc +Vcc + + Vin + + Ryuk Vref -Vcc Op-amp çıkış ifadesi + Vref + Ryuk Vin -Vcc Op-amp çıkış ifadesi Vo = AOL( Vref – Vin) dır. Vo = AOL( Vin – Vref) dır. Eğer Vref > Vin ise Vo = +VCC olur. Eğer Vref < Vin ise Vo = +VCC olur. Eğer Vref < Vin ise Vo = -VCC olur. Eğer Vref > Vin ise Vo = -VCC olur. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 3 Sıfır Seviye Karşılaştırıcıları Her hangi bir işaretin sıfır seviyesinden ne zaman ve hangi yönde geçtiğini belirleyen devrelerdir. Burada referans işaretinin değeri 0 V dur. +Vcc +Vcc + + + Ryuk Vin -Vcc + Vin Ryuk -Vcc Eğer Vin > 0V ise Vo = +VCC olur. Eğer Vin < 0V ise Vo = +VCC olur. Eğer Vin < 0V ise Vo = -VCC olur. Eğer Vin > 0V ise Vo = -VCC olur. NOT: Burada Vref = 0 V olduğunu unutmamak lazım. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 4 DC Uygulamalarda Örnekler VCC = ± 12 V olarak kabul edilmiştir. +Vcc +Vcc + + + Ryuk Vin Vin -Vcc + Ryuk Vin Vout -Vcc Vin Vout +2V -3V +4V +12V -12V +12V +2V -3V +4V -12V +12V -12V -1V -12V -1V +12V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 5 AC Uygulamalarda Örnekler VCC = ± 12 V olarak kabul edilmiştir. Herbir devre için çıkışları çiziniz. +Vcc +Vcc Vin + Vin + Ryuk Ryuk -Vcc -Vcc 1V 1V Vin 0V Vin 0V -1V -1V +12V +12V Vo Vo 0V 0V -12V -12V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 6 Not: Tüm karşılaştırıcı çeşitlerinde ortak olan özelliklerden biri giriş AC işaret olduğu zaman çıkış herzaman için kare dalga olmaktadır. Böyle bir özellik karşılaştırıcılara işaret dönüştürücüsü özelliği vermektedir. Bu özellik osilatör devrelerinde kullanılmaktadır. Örneğin sinüzoidal veya üçgen dalgalardan kare dalga elde etme gibi. Karşılaştırıcı Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 7 Sıfır Olmayan Seviye Karşılaştırıcıları Sıfır seviye karşılaştırıcılarında referans gerilimi Vref = 0V idi. Burada bu gerilim sıfır voltdan farklı bir değere sahiptir. Burada önemli bir nokta ise bu gerilim herzaman için sabit olması gerektiğidir. Aşağıdaki örneklerde bunu görebilirsiniz. Vin Vin + Ryuk Vcc Vref R1 Ryuk Vz = Vref Pil ile elde edilmiş referans gerilimi Zener diyot kullanarak elde edilmiş referans gerilimi Vin Vcc R1 Ryuk R2 Vref Gerilim bölücü kuralı ile elde edilmiş referans gerilimi Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 8 Vin Örnek 1k + Ryuk 2V VCC = ± 12 V olarak kabul edilmiştir. b) Devre girişine 4V tepe değerinde üçgen bir dalga uygulanırsa devre çıkışını çiziniz. a) Aşağıdaki tabloyu tamamlayınız Vin Vout 1V +12V 3V -12V -2V +12V -4V -1V +12V 12V 4V 2V Vin Vout 0V 0V -12V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 9 Örnek Vin VCC = ± 12 V olarak kabul edilmiştir. 1k R2 9V 2k a) Aşağıdaki tabloyu tamamlayınız Vin Vout 1V -12V Ryuk R3 1k 1k x9V 3V Vref = 1k 2k 4V 4V +12V -2V -12V -5V -12V 3V Vin 0V -4V b) 12V Devre girişine 4V tepe değerinde üçgen bir dalga uygulanırsa devre çıkışını çiziniz. Vout 0V -12V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 10 Örnek Vin 1k -12V 2k VCC = ± 12 V olarak kabul edilmiştir. a) Aşağıdaki tabloyu tamamlayınız Vin Vout 1V +12V 8V +12V Ryuk -5V 8V Vin 0V -5V -2V +12V -8V -12V -8V 12V b) Devre girişine 8V tepe değerinde üçgen bir dalga uygulanırsa devre çıkışını çiziniz. Vout 0V -12V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 11 Örnek: Isı Kontrolü Isı kontrolünde kullanılan ısı algılayıcıları genelde ya termistörler dir yada elektronik ısı algılayıcılarıdır. Elektronik ısı algılayıcıları ısı değişimlerini termistörler göre daha hızlı algıladıklarından çok tercih edilirler. Aşağıdaki devrede elektronik ısı algılayıcısı LM 35 kullanılacaktır. Bunun özelliği devre çıkışındaki gerilimin 10 mV/ oC olmasıdır. Başka bir deyişle her bir oC artışında gerilim 10 mV değişmektedir. Üç terminali olan bir yarı iletkendir. in 5V LM 35 out com Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 10 mV/ oC 12 LM 35 entegresini kullanarak ortam ısısı 30 oC yi aştığı zaman ısı kaynağını kapatan bir devre tasarlayınız. Relay,12V L1 12V R1 12V 12V R3 R2 5V IN op1 OUT COM R5 + + LM35 240Vrms Q1 NPN op2 R4 10mV\C 30 C de LM 35 çıkışı 30x10mV = 300 mV = 0.3 V olacaktır. Bu değer çok küçük olduğundan op1 devresi bunu 10 kat yükseltecektir. Op1 burada evirmeyen yükselteç olarak kullanılmıştır. Şimdi op1 devresini kazancı 10 olacak şekilde tasarlayalım. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 13 R1 10 = 1 + R2 9= R1 R2 R1 = 9 R2 olur. R2 = 1k olursa R1 = 9k olmalıdır. Op2 devrede karşılaştırıcı olarak kullanılmıştır. Karşılaştırıcının refarans değeri 300mV x10 = 3000mV = 3V olmalıdır. Çevre ısısı 30 C`den küçük ise op2 çıkışı 0V olacağında transistör röleyi çalıştırmayacaktır. Dolayısıyla ısı kaynağı çalışmaya devam edecektir. Çevre ısısı 30 C`den büyük ise op2 çıkışı 12V olacağında transistör röleyi çalıştıracaktır. Dolayısıyla ısı kaynağı çalışmayacaktır. Şimdi op2 deki gerilim bölücüleri referans gerilimi 3V olacak şekilde tasarlayalım. 3V = R4 X 12V R4 R3 Bu ifadeyi çözersek, R3 = 3R4 olur. R4 = 1k ise R3=3k olur. Şimdi R5 direncinin değerini bulmaya çalışalım. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 14 Devrede kullanılan rölenin 12V\200 Ω ve transistörün akım kazancının 200 olduğunu kabul edelim. Röle enerjilendiğinde çekeceği akım değeri (bu akım ayni zamanda transistörün IC akımıdır. 12V IC 60mA 200 60mA 200 IB R5 IB = 0.3 uA 12V 0.7V 11.3V 37.6M 0.3uA 0.3uA Transistörün doyumda çalışabilmesi için R5 < 37.6 MΩ olamlıdır. Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 15 Pozitif geri beslemeli seviye karşılaştırıcıları (Schmit Tetikleme Devresi) Karşılaştırıcıların temel çalışma prensibi, girişlerine uygulanan iki işaretin karşılaştırılması şeklindedir. Karşılaştırıcıolarak çalıştırılan opamp’ın eviren ve evirmeyen girişlerine uygulanan işaretlerden hangisi etkin ise karşılaştırıcı çıkışındaki Vo gerilimini oluşturmaktadır. Tüm gerilim seviye dedektörlerinde opamp açık çevrimde çalıştırılmaktadır. Bu nedenle kazancı son derece yüksektir. Bu durum kimi uygulamalarda sorun yaratmaktadır. Vin +Vcc + + Ryuk Vin -Vcc Vout Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 16 Giriş işaretlerinde oluşan gürültü karşısında op-amp çıkış vermektedir. Dolayısıyla gürültü etkisini azaltmak veya devrenin girişdeki hassasiyetini artırmak, devrenin çok büyük olan kazancını kontrol etmek için aşağıdaki şekilde gösterilen pozitif seviye karşılaştırıcısı devresi geliştirilmiştir. Bu devre ayni zamanda Schmitt tetikleme devresi olarak da bilinmektedir. R2 +Vcc R1 Vo + V1 -Vcc Schmit Tetikleme Devresi Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 17 Bir Schmitt tetikleme devresinde iki tane referans gerilimi bulunmaktadır. Bunlar sırası ile üst tetikleme gerilimi, VU ve alt tetikleme gerilimi, VL dir. Çıkış geriliminin +VCC den –VCC değerine geçmesi için gerekli olan tetikleme gerilimine üst tetikleme gerilimi, VU denir. VU = R1 x VCC R1 R 2 Çıkış geriliminin -VCC den +VCC değerine geçmesi için gerekli olan tetikleme gerilimine alt tetikleme gerilimi, VL denir. VL = R 1 x -V CC R1 R 2 Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 18 Çıkış gerilim değerinin +VCC ile –VCC arasında değişebilmesi için girişe uygulanacak işaretin tepe-tepe değerinin VU –VL değerinden büyük olması gerekmektedir. Bu gerilim farkına hysteresis gerilimi denir. Bu gerilimi VH ile ifade edersek, VH = VU –VL Elektronikde her adım, bir sıkıntının çözümü olduğunu unutmayalım. Bu gerilimle anlatmak istenilen nedir? [Vin] Devrenin giriş işaretlerinde oluşan hassasiyetini göstermektedir. Sizce hangisi daha iyidir? VH [Vout] VH = 1.5V mu yoksa VH = 0.5V mu ? Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 19 Burada söylenenleri daha iyi anlayabilmek için çıkış ve giriş arasındaki karakteristik eğrisi aşağıda gösterilmiştir. Vo +VCC -VL VU V1 -VCC VH Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 20 Örnek 1. Aşağıdaki şekil de gösterilen devre için soruları cevaplayınız. (a) Devrenin DC besleme kaynaklarının değerleri kaç volt`dur? (b) Devrenin alt ve üst tetikleme gerilimi kaç volt`dur? (c ) Devrenin sürekli çıkış verebilmesi için giriş işaretinin tepeden tepeye değeri en az kaç volt olmalıdır? (d) Devre girişine 4V tepe değerinde bir üçgen dalga uygulanırsa devre çıkışını çiziniz. Vo R2 15V +Vcc -1V 1V R1 Vo 0V Vin - 15V + V1 Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp -Vcc 21 (a) Girş ve çıkış karakteristik eğrisinden faydalanarak Vcc = ± 15V dur. (b) Ayni şekilden faydalanarak, VU = 1V ve VL = -1V olarak bulunur. (c) Burada sorulan hysteresis gerilim değeridir. VH = VU –VL = 1V – (-1V) = 2V olması gereklidir. (d) 4V 1V Vin 0V -1V -4V 15V Vout 0V -15V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 22 Örnek 2. a) Devrenin alt, üst ve hysteresis gerilim değerlerini bulunuz. b) Devrenin giriş ve çıkış karakteristik eğrisini çiziniz c) Devre girişine 4V tepe değerinde bir üçgen dalga uygulanırsa devre çıkışını çiziniz. d) D diyodu ters çevrilirse a-c şıklarını tekrarlayınız. 12V 1k V1 + Vo -12V D 4.7k 10k Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 23 Çözüm 2 a) Çıkış gerilim değeri +12V olduğu zaman D diyodu ters polarma olacaktır. Bu durumda VU gerilim değeri aşağıdaki gibi bulunur. VU = 4.7k x12V = 3.83 V 4.7k 10k Çıkış gerilim değeri -12V olduğu zaman D diyodu doğru polarma olacaktır. Bu durumda VL gerilim değeri – 0.7V dur. VH = VU –VL = 3.83 V – (- 0.7V) = 4.53V Vo b) 12V -0.7V 3.83V 0V Vin - 15V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 24 c) 4V 3.83V Vin 0V -0.7V -4V 15V Vout 0V -15V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 25 d) Çıkış gerilim değeri +12V olduğu zaman D diyodu doğru polarma olacaktır. Bu durumda VU gerilim değeri + 0.7V dur. Çıkış gerilim değeri -12V olduğu zaman D diyodu ters polarma olacaktır. Bu durumda VL gerilim değeri aşağıdaki gibi bulunur. 4.7 k x 12V = -3.83 V VL = 4.7 k 10k VH = VU –VL = 0.7V – (- 3.83V) = 4.53V Vo 12V V1 1k + Vo 12V -12V D 4.7k 10k -3.83V 0.7V 0V Vin - 15V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 26 4V 0.7V Vin 0V -3.83V -4V 15V Vout 0V -15V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 27 Pencere tipi karşılaştırıcı Pencere tipi karşılaştırıcısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu devreye pencere tipi karşılaştırıcı denmesinin nedeni, devre girişine uygulanan işaretin sırası ile iki karşılaştırma gerilimi olan, üst pencere gerilimi VU ve alt pencere gerilimi VL dışında olduğu zaman devrenin çıkış vermesidir. Vcc Vu D1 + Vo op1 Vin R Vcc D2 + VL op2 Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 28 Devrenin çalışma ilkesi: Vcc Vu D1 + Vo op1 Vin R Vcc D2 + VL Vin < VL V0 = VCC VL < Vin < VU V0 = 0 V Vin > VH V0 = VCC op2 VU [Vin] VL 0V Vcc [Vout] 0V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 29 Örnek 3 Aşağıda verilen pencere tipi karşılaştırıcı devresinde üst ve alt pencere gerilimlersıarası ile 10V ve 2V olacaktır. Zener diyot akımı 5 mA olacaktır. a) Devredeki R3 ve R4 direnç değerlerini bulunuz. b) Devre girişi Vin hiçbir işaret uygulanmadığı zaman, V0 kaç voltdur? c) Devre girişine 5V tepe değerinde bir üçgen işaret uygulanırsa, devre çıkışının görüntüsünü çiziniz. 12V R3 D1 + Vo 12V 8V D3 C1 Vin 1uF + op1 R1 1k R 12V R2 1k D2 + op2 R4 Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 30 Çözüm: a) R2 direncinin değeri 12V 10V 400 . Ayni şekilde R1 direncinin değeri 5mA 2V 400 dur. 5mA b) Devre girişine hiçbir işaret uygulamadığımız zaman karşılaştırıcı girişinde 6V DC bulunmaktadır. Bu değer pencere limitleri arasında olacağından, çıkış gerilim değeri 0V dur. c) Bu kısmı çözmeden önce R1 ve R2 dirençleri arasındaki işaretin görüntüsünü çizelim 11V VR2 6V 1V 0V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 31 11V 10V VR2 6V 2V 1V 0V 12V [V0] 0V Karşılaştırıcılar Yrd.Doç. Dr.Alper Doğanalp 32
