T · Web viewSol taraftaki denklem transistörün transfer denklemidir. Sağ taraftaki ise kendinden ön gerilimlendirilmiş JFET devresi için yük doğrusu denklemidir. Şekil 6.1

T.C.ERCİYES ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

BİYOMEDİKAL MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ELEKTRONİK LABORATUVARI UYGULAMALARI

Yrd. Doç. Dr. Ayşegül GÜVEN

Arş. Gör. F.Zehra USLU

KAYSERİEYLÜL 2009

I

1. DENEY

YARIİLETKENLER VE DİYOT KARAKTERİSTİĞİ

1.1 Amaç

Bu deneyde yarıiletken elemanlar üzerindeki harf ve rakamların anlamlarının incelenmesi ve bazı karakteristiklerinin ampermetre-ohmmetre yardımıyla elde edilmesi gösterilecektir.

1.2 Ön Bilgi

1.2.1 Yarıiletken elemanlar üzerindeki harf ve rakamlarYarıiletken elemanlar değişik standartlara göre kodlanmaktadır. Bu standartlar çoğunlukla elemanı ilk defa üreten firma veya ülke tarafından belirlenmekle birlikte Avrupa ülkelerinin çoğunun kabul ettiği bir standart vardır. Bu sebeple, yarıiletken malzemeler kataloglarda verilirken çoğunlukla bunların Avrupa standardına göre eşdeğerleri de gösterilmektedir. Aşağıda yaygın olan değişik kodlama standartlarına göre bir yarıiletken elemanın üzerindeki harf ve rakamların ne anlama geldiği kısaca açıklanmıştır.Avrupa Kodu:

B F W20 1. 2. 3.

1. harf: Elemanın yapımında kullanılan temel yarıiletkenler malzemeyi gösterir. O, A: Germanyum (Ge)B: Silisyum (Si)C: Galyum- Arsenid (Ga-As)R:Bileşim Malzemesi (kadmiyum-sülfid gibi)

2. harf: Kullanım alanlarını (fonksiyonunu) gösterir.A:Dedeksiyonda, anahtarlamada ve mixer katlarında kullanılan düşük güçlü diyotB: Varikap diyotC: Düşük güçlü SF (ses frekansı) transistörüD: Yüksek güçlü SF transistörüE: Tunel diyotF: Düşük güçlü RF (radyo veya yüksek frekans) transistörüG: Osilatör devrelerinde veya değişik amaçlarla kullanılabilen bir diyotH: Manyetik duyarlı diyotK: Açık bir manyetik devrede HALL etkili elemanM: Kapalı bit manyetik devrede HALL etkili elemanL: Yüksek güçlü YF transistörüN: Işık kuplajlı (opto kupler) elemanP: Işığa karşı duyarlı elemanQ: Işık yayan diyotR:Düşük güçlü tristörS: Düşük güçlü anahtarlama transistörüT: Yüksek güçlü tristörU: Yüksek güçlü anahtarlama transistörüX: Çoğaltıcı veya varaktör diyotY: Doğrultma amaçlı güç diyodu veya booster diyoduZ: Zener diyot

3. harf ve rakamlar: Seri numarasını gösterir. AF 126: Ge, RF transistörü(osilatör, mikser vb. için)BC 107: Si, SF transistörüAD 161: Ge, yüksek güçlü SF transistörüBP 104: Si, foto PIN diyotBPW 14: Si, foto transistörBPW 20: Si, ışık pilli, foto diyotBPX 99: Si, foto darlington transistörCQX 18: GaAs ışık yayan diyotCNY 18: GaAs ışık kupleri

1

Amerikan ve Japon standartlarına göre üretilen bazı yarıiletken elemanlardaki ilk harf ve rakamlar genel olarak şu anlamda kullanılmaktadır.

Amerikan standardına göre;1Nxxxx: Diyot2Nxxxx: BJT3Nxxxx: FET-Mosfet4Nxxxx: Işık kupleri

Japon standardına göre;1Sxxxx: Diyot2Sxxxx: Transistör2SAxxxx:PNP yüksek frekans transistörü2SBxxxx: PNP alçak frekans transistörü2SCxxxx:NPN yüksek frekans transistörü2SDxxxx:NPN alçak frekans transistörü2SHxxxx: UJT2SJxxxx: P-kanal FET2SKxxxx:N-kanal FET

Bunun yanında bazı yarıiletken eleman üreticisi firmalar ürünlerinin standartlarını kendileri belirlemektedir. Buna göre, ürünün ilk bir veya iki harfi üretici firmayı göstermektedir.M- Motorola,AD-Analog DevicesTI- Texas InstrumentsGE- General ElectricNS- National SemiconductorµA- Fairchildfirması yapımı olduğunu göstermektedir.

Zener diyotlarda, yukarıda verilen standartlardan farklı olarak sondaki seri numarasına ait rakamlardan sonra gelen harfler zener voltajı ve bunun toleransını göstermektedir. Şöyle ki;A: ±%1B: ±%2C: ±%5D: ±%10E: ±%15

Mesela BZY85-C5V6 ifadesi zener voltajı 5.6 V, toleransı ±% 5 olan ve temel yarıiletken malzemesi Si olan bir zene rdiyodu göstermektedir. Ayrıca, yarıiletken elemanlar üzerine seri numaralarından sonra konulan harf ve rakamlar o elemanın paketlenmesinde metal veya plastik kılıf kullanıldığını, eğer eleman bir BJT transistör ise hfe akım kazancının değişim sınırlarını veya kazancın frekansla değişim sınırları gibi ayrıntılarını belirtmektedir. Buna benzer ayrıntıların bilinmesi ve elemanın bacak bağlantılarının tespiti için üretici firmanın ilgili kataloglarının incelenmesi gerekmektedir.

1.2.2 Diyot KarakteristiğiDiyot p ve n-tipi yarıiletkenin aynı kristal yapıda oluşturulması ile elde edilen elemandır. Diyotta p ve n tipi malzemeler arasında düzlemsel metalürjik kontak da denen jonksiyon (eklem) vardır. Genellikle n-tipi bir pulun (donör katkılamalı), belli bölgesinin akseptör (p-tipi) katkılanması ile oluşturulur. Çalışması kutuplanmasına bağlı olarak uzay yük bölgesinin (SCR) genişleyip daralması prensibi üzeredir.

Şekil 1.1 Diyot

Kaynağın pozitif ucu p tarafı kontağına negatif ucu da n tarafının kontağına bağlanırsa diyot iletim yönünde kutuplanır çünkü uzay yük bölgesi en dar şekle gelmiştir ve uygulanan gerilim bu dar bölgenin geçilmesine yeterli bir eşik gerilim değerini aştığı zaman iletim akımı Id akar. Aslında akım eşik değerine yaklaşılan gerilimlerde akmaya başlamaktadır fakat bu gerilimlerdeki akım değerleri iletim akımından küçüktür. Ters kutuplanması halinde idealde diyotun akım iletmemesi gerekmektedir çünkü uzay yük bölgesi çok büyüyecektir

2

açık devre karakteristiği gösterecektir, ancak çok küçük (femto Amper mertebesinde) bir sızıntı akımı akar bu akıma Is ters satürasyon akımı denir. Diyot akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki transandantal denklem ile modellenmektedir.

Bu denklemde; : Ters satürasyon akımı

: Diyota uygulanan gerilim n : İdealden uzaklaşma faktörü n

: Termal voltaj

Şekil 1.2 Diyot akım-gerilim eğrisi

Parçalı Lineer Diyot Modeli:Diyot Şekil 1.3’te görüldüğü üzere karakteristik eğrisine çizilen teğetlerle parçalı lineer modellenir. Karakteristik teğetleri incelenirse diyotun; gerilimi iletmeye başladığı bir açma potansiyeline ve iletim yönünde çizilen teğetin eğimi kadar bir iletkenliğe sahip olduğu görülür. İletimdeki diyotun eşdeğer parçalı lineer modeli:

Kesimdeki diyotun eşdeğer modeli:

Diyotun iki bacağına uygulanan gerilim farkı eşik geriliminden büyük olursa diyot iletime geçer aksi halde yani uygulanan gerilim eşik geriliminden küçük veya ters kutuplanmış ise diyot kesimdedir.

Şekil 1.3 Parçalı Lineer Diyot Modeli

1.2.3 Zener Diyot Zener diyotun parçalı lineer eşdeğer modeli ve diyot eşdeğer modeli aşağıdaki gibidir.

3

(a) (b)Şekil 1.4 a) Zener Diyot akım-voltaj eğrisi b)Zener diyot eşdeğer devresi

Yukarıda gösterilen zener eşdeğer devresinde diyotların iç dirençleri ve eşik gerilimleri sıfır kabul edilmiş ve gerekli eşik gerilim değerleri ve iletim dirençleri ilgili diyota seri bağlanmak suretiyle gösterilmiştir.

1.2.4 Elemanların Ohmmetre (Avometre) Yardımıyla Test EdilmesiTemel yarıiletken elemanlardan deney çalışmaları esnasında kullanılacak doğrultma diyodu, zener diyot, LED (Ligtt Emiting Diode- Işık yayan diyot) ve BJT (Bipolar Junction Transistör) gibi elamanların kullanılmadan önce pratik metodlarla test edilmeleri gerekmektedir. Bu amaçla çoğunlukla ohmmetrelerden faydalanılır.

Ohmmetrelerin içerisinde voltaj kaynağı olarak kullanılan piller genellikle 1.5 V gibi çok küçük olmakla birlikte diyotların ileri yönde kutuplanmaları için yeterlidir. Ölçü aletlerinin pozitif ucu anoda, negatif ucu da katoda irtibatlandırılırsa diyot ileri yönde kutuplanacağından düşük direnç değeri (diyodun ileri yönde direnci- Rf) gösterir. Eğer negatif uç anoda, pozitif uç da katoda iritbatlandırılırsa bu durumda diyot ters yönde kutuplanacağından yüksek direnç değeri (diyodun ters yöndeki direnci-Rr) okunur. Kısa devre olmuş bir diyot her iki yönde de yaklaşık 0 Ω’luk kısa devre direncine, açık devre olmuş bir diyot ise her iki yönde de sonsuza yakın yüksek direnç değerine sahiptir.

Bazı ölçü aletlerinin (özellikle dijital olanların) doğrudan diyot ölçme kademeleri mevcuttur. Bu tip ölçü aletleri ya diyot üzerinde ileri yönde düşen gerilimi (Vf), ya da diyodun ileri yöndeki direncini (Rf) göstermektedir.

LED’lerin ileri yöndeki kırılma gerilimleri normal diyotlara nazaran daha büyük olduğundan (>1.2 V) ölçü aletlerinin ohmmetre kademelerinde kullanılan dahili voltaj kaynağı (pil) bu elemanı ileri yönde kutuplamak için yeterli değildir. Ancak bazı ölçü aletlerinde bu voltaj kaynağı 3 V (veya daha büyük) civarında olabilmektedir. Bu durumda LED’ lerin testinde de diyotlara uygulanan işlemler aynen uygulanır. Ayrıca LED’lerin pratik şekilde kontrolü için kullanılabilecek değişik bir yöntem şöyle olabilir: Şekil 1.5’te görüldüğü gibi yaklaşık 200 Ω civarında bir direncin 5-12 V’luk kaynağa seri bağlanmasıyla LED’in ileri ve ters yöndeki kutuplandırılması yapılabilir. İleri yönde kutuplandırıldığında LED ışık vermeli, ters yönde kutuplandırıldığında ışık vermemelidir.

Şekil 1.5 : LED’in testi için kullanılan uygulama devresi

Zener diyotların test edilmesi için ohmmetrenin dahili voltaj kaynağının gerilimi zener gerilimini ölçmeye yeterli olmadığından elemana Şekil 1.5’te görülen LED devresinde olduğu gibi dışardan yeterli bir voltaj uygulanması gerekir. Zener diyotlar ohmmetre yardımıyla ileri yönde kutuplandırıldığında yani anoduna (+) katoduna (-) voltaj uygulandığında normal bir diyodun ileri yöndeki direncine sahip olmalıdır. Ohmmetrenin uçları ters çevrildiğinde normal zener gerilimi kadar voltaj takip edilemediğinden yaklaşık sonsuz direnç göstermelidir.

+V

200 ohm

(5-12V)

4

BJT’lerin testinde ise ohmmetre, diyot ve transistör testi yapan ölçü aletleri kullanılabilir. Deney çalışması sırasında ohmmetre kullanılacaktır. Test işleminde BJT’nin Ebers-Moll modelindeki anti-seri bağlı iki diyot eş değerinden faydalanılır. Şekil 1.6’da npn ve pnp türü BJT’lerin diyot eşdeğer devresi verilmiştir. Bu eşdeğer devreler yardımıyla diyotların her biri normal diyotlar gibi ölçülür.

(a) (b)Şekil 1.6: BJT’nin diyot eşdeğer modeli a) npn tipi b) pnp tipi

1.3 Deney Çalışması

1.3.1 Elemanların Ohmmetre (Avometre) Yardımıyla Test Edilmesi

(a) (b)Şekil 1.7 :Diyotların ohmmetre ile test edilmesi a) Rf, b)Rr’nin ölçülmesi

Diyotların sağlamlık testini yapmak üzere aşağıdaki işlem basamaklarını deneyde kullanılacak her bir eleman için gerçekleştiriniz. Yapılan ölçümlerin hassas ve ölçülen değerlerin hatasız olması için deneyin başlangıcında ohmmetrenin ölçüm yapılan her kademesinde ‘sıfırlama ayarı’ yani prob uçlarını kısa devre yaparak ölçü aletinin ibresinin kadran üzerinde sıfırı göstermesinin sağlanması gerektiği unutulmamalıdır. Deney çalışması için aşağıdaki işlem adımlarını takip ediniz.

1- Ohmmetre diyotlarını Şekil 1.7 a’daki gibi diyot uçlarına irtibatlayınız.2- Ohmmetrenin komütatörünü küçük kademelerden birine (mesela, x1 veya x10 gibi) getirerek Rf’yi

ölçünüz.3- Ohmmetre problarını Şekil 1.7 b’de olduğu gibi diyot uçlarına irtibatlayınız.4- Ohmmetrenin komütatörünü büyük kademelerden birine (mesela, x10K veya x100K gibi) getirerek

Rr’yi ölçünüz.BJT’lerin sağlamlık testini yapmak üzere aşağıdaki işlemleri deney için öngörülen her bir eleman için gerçekleştiriniz.

1- Ohmmetreyi (x10) gibi küçük bir kademeye alınız.2- NPN tipi BJT için ölçü aletinin pozitif ucunu elemanın beyzine, negatif ucunu kolektörüne

irtibatlayarak okuduğunuz değeri kaydediniz.3- Ölçü aletinin pozitif ucunu beyzde sabit tutarak, negatif ucunu emitere irtibatlayıp okuduğunuz

değerleri kaydediniz.4- Bu defa ölçü aletinin negatif ucunu beyze irtibatlandırıp sabit tutarak, pozitif ucunu önce kolektör,

sonra da emiter uçlarına irtibatlandırarak okududuğunuz değerleri kaydediniz.5- Yukarıda 2’den 4’e kadar olan işlemleri pnp tipi BJT için tekrarlayınız.6- Eşdeğer devreden faydalanarak ve ölçme sonuçlarını normal diyot testi sonuçlarıyla karşılaştırarak

BJT’nin sağlamlığını yorumlayınız.

1.3.2 Diyot akım-gerilim karakteristiğinin incelenmesi

METER

Anod

Katod

+

-

METER

Anod

Katod

-

+

B

C

E

B

E

C

N

P

N

B

C

E

B

E

C

P

N

P

5

1- Şekil 1.8’deki devreyi kurunuz.2- Güç kaynağı çıkışını VF=0.1V olacak şekilde ayarlayınız.3- IF akımını ölçerek değerini Tablo 1.1’e kaydediniz.4- RF değerini hesaplayarak (RF=VF/IF ilgili kısma yazınız.5- (2-4) adımındaki işlemleri tablodaki diğer VF değerleri için tekrarlayınız.6- Tablodaki değerler yardımıyla diyotun ileri yöndeki (1.bölge) akım gerilim karakteristiğini Şekil

1.10’a çiziniz.

Şekil 1.8. Diyotun ileri yöndeki akım-gerilim karakteristiğinin elde edilmesine ilişkin uygulama devresi

Not: Diyotun ters yöndeki sızıntı akımı çok küçük olduğundan elemanın ters yöndeki (3.bölge) I-V karakteristiği burada verilmeyecektir

1.3.3 Zener diyot akım-gerilim karakteristiğinin incelenmesi 1- Zener diyodun doğru kutuplama karakteristiğini çıkarmak için şekil 1.9 a’da görülen devreyi kurun.2- Uygulanan E gerilimini, zener diyot üzerinde düşen gerilim değeri V’nin Tablo 1.2’deki her bir değeri

için ayarlayınız. Her bir V değeri için, direnç üzerinde düşen gerilimi ölçünüz. (Direnç üzerinde düşen gerilim zener diyot üzerinden geçen akımın hesaplanmasında kullanılacaktır.

3- Zener diyodun ters-kutuplama karakteristiğini çıkarmak için dc güç kaynağının yönünü ters çeviriniz. Ayrıca Şekil 1.9 b’de de görüldüğü gibi 1KΩ’luk direnci 100 Ω’luk dirençle yer değiştiriniz.

4- E gerilimini, Tablo 1.3’te yer alan zener diyot üzerinden geçen akım değerlerini elde edecek şekilde ayarlayınız. IZ’nin her bir değeri için zener diyot üzerinde düşen V gerilimini ölçünüz.

(a) (b)

Şekil 1.9 Zener diyot karakteristiğinin belirlenmesi

1K

+V (Ayarlı)

mA

V

+

-

Vf

6

DENEY 1 SONUÇ SAYFASI

Ad- Soyad :Numara:Amaç:

Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz.

Deney 1.3.1

BJT’ nin sağlamlık testi:

Deney 1.3.2Tablo 1.1 Diyot için ölçüm tablosu

VF (V) IF (mA) RF=VF/IF

0 0 0.10.20.30.40.50.60.70.8

Şekil 1.10

Deney 1.3.3Tablo 1.2: Zener diyot doğru kutuplama

7

Tablo 1.3 Zener diyot ters kutuplama

Sonuç ve Yorum:

8

2. DENEY

DİYOT UYGULAMALARI I

2.1 Amaç

AC bir işaretin DC işarete çevrilebilmesi için kullanılan temel doğrultma devrelerinin çalışma prensiplerinin ve özelliklerinin incelenmesi.

2.2 Ön Bilgi

DC ve AC gerilim ve akımlar elektronik elemanlara güç sağlamaktadırlar. Günümüzde taşınma ekonomikliği ve etkinliği nedeniyle AC güç nakil hatları kullanılmaktadır. Elektronik elemanlarının pek çoğunun çalışması için gerekli DC güç AC’den DC’ye doğrultma ile mümkün olmaktadır. Doğru akım tek yönlüdür. Diyotun tek yönlü iletim karakteristiği doğrultma işlemi için en uygun eleman olmasını sağlar. Silikon, germanyum, selenyum ve bakır oksit doğrultucular güç doğrultucuları olarak işlev yapan katı hal elemanlarıdır. Günümüz elektroniğinin en yaygın kullandığı doğrultucu Silikon tabanlıdır. 200 mA ile 1000 A arasında yük akımı iletebilen, 1000 V tan daha yüksek ters tepe gerilimlerine dayanabilen çok çeşitli Silikon doğrultucular mevcuttur. Temelde iki çeşit doğrultma devresi mevcuttur. Bunlar yarım dalga ve tam dalga doğrultuculardır.

2.2.1 Yarım Dalga Doğrultma DevreleriDeneyler sırasında kullanılacak olan AC işaret kaynağı 220V/50Hz değerindeki şehir şebekesidir. Ancak elektronik devrelerde genellikle 5-15 V gibi düşük besleme voltaj kaynakları kullanıldığından 220 V olan şehir şebekesi voltajı bir transformatör vasıtasıyla istenilen AC voltaj seviyesine düşürülerek doğrultma işlemi yapılır.

Şekil 2.1 Yarım dalga doğrultma devresi

Şekil 2.1’de verilen devrede, trafonun sekonderinde sinüzoidal işaretin pozitif alternansı belirdiğinde, diyodun anoduna pozitif işaret uygulanmış olduğundan diyot iletime geçer ve devreden bir i akımı akar. Eğer >>veya ( ) ise çıkışta yük üzerinde pozitif alternans yaklaşık olarak elde edilecektir. Trafonun sekonderinde işaretin negatif alternansı belirdiğinde bu sefer diyodun anoduna negatif bir işaret uygulanmış olduğundan diyot kesimde olur ve devreden herhangi bir akım akmaz. Böylece çıkışta yük üzerindeki voltaj da sıfır olur. Bu çalışma durumu her alternans değişiminde devam edecektir. Elde edilen dalga şekli şekil 2.2’de gösterilmiştir.

Şekil 2.2 Yarım dalga doğrultma devresi çıkış dalga formu

Elde edilen gerilim hem AC hem de DC bileşenlere sahip olup rms ve dc değerleri

+DCÇIKIŞ-

_Primerrr sargı

Sekon

9

formülleriyle hesaplanabilir.

2.2.2 Tam Dalga Doğrultma DevreleriDoğrultma işleminde çıkıştaki DC bileşeninin seviyesini artırmak ve iyi bir doğrultma yapmak için Şekil 2.3’deki tam dalga doğrultma devreleri kullanılabilir.

Şekil 2.3 Tam dalga doğrultma devresi

Bu devrelerin, yarım dalga doğrultucudan farkları:

- Orta uçlu transformotorun kullanılması

- Tek diyot yerine iki diyotun kullanılmasıdır.

Orta uçlu transformotorun üç çıkış ucu vardır. Üst uçla orta uç arası, birinci AC kaynağı; alt uçla yine orta uç arası da ikinci AC kaynağı ifade etmektedir. Yani orta uç, ortak ( common ) olarak kullanılmaktadır. Bilindiği gibi transformotorun sekonder sargısının üst ve alt uçları arasında 180 faz farkı bulunmaktadır. Üst uçta pozitif alternans olduğu anda, alt uçta negatif alternans bulunmaktadır. Orta uç potansiyel olarak 0 Volttur.

İlk anda sekonderin üst ucunun pozitif olduğunu var sayalım. Bu durumda alt uç negatif olacaktır. Dolayısıyla D2 diyodu tıkama yönünde polarize olur. Yani D2 diyodu yalıtımda olup, üzerinden akım geçmez. Ancak bu alternans süresince D1 diyodunun anodu, katoduna nazaran daha pozitiftir. Dolayısıyla D1 diyodu bu anda iletken olur. Devreden geçen I1 akımı D1 ve RL üzerinden geçer. Bu anda RL üzerinde, üst uç ( + ) olacak şekilde bir gerilim düşümü olur. Bu gerilim düşümü çıkışta tek yönlü bir gerilimin elde edilmesini sağlar.

Alternans değiştiğinde sekonder sargısının üst ucu ( - ), alt ucu ise ( + ) olur. Bu anda bir önceki durumun tam tersi gerçekleşir. Yani D2 iletime geçerken, D1 yalıtkan olur. Bu anda devreden geçen akımın yönü diğer alternanstaki akımın yönüyle aynıdır ve RL üzerindeki gerilim düşümü yönü üst uç ( + ) olacak şekildedir. Dolayısıyla giriş geriliminin her alternansında devreden çıkış almak mümkün olmaktadır. Alternans değişimi her ne olursa olsun, devredeki diyotlardan birisi iletime geçeceğinden çıkış gerilim seviyesi, yarım dalga doğrultmaç çıkışına oranla 2 katı genlikte olmakla birlikte; çıkış gerilimi DC’ ye daha yakın olacaktır.

2.2.3 Köprü Tipi Doğrultma Devreleri

Şeki1 2.3’de köprü tipi doğrultma devresi görülmektedir. Bu doğrultmaç, tam dalgada olduğu gibi girişin hem pozitif hem de negatif alternanslarında çıkış verir. Dolayısıyla sinyal çıkış şekli tam dalga doğrultmaç ile aynıdır. Köprü tip doğrultmacın,tam dalga doğrultmaca göre avantajları:

10

- Akım kapasitesinin daha yüksek olması,

- Orta uçlu transformotor yerine tek sargılı sekonder kullanmasıdır.

Devrenin çalışma prensibi, tam dalga doğrultmaca benzerdir.

Şekil 2.3 Köprü Tipi Doğrultma Devreleri

2.2.4 Doğrultma Devrelerinde Filtre KullanımıGüç kaynaklarında en önemli nokta, doğrultulmuş çıkışın gerilim dalgalanmasnı minimuma indirmektir. Dalgalanmanın azalması amacıyla filtrelenme işlemi yapılır. En basit haliyle bir filtre devresi şekil 2.4’te görüldüğü gibi doğrultucuya paralel olarak bağlanmış bir kondansatörden oluşur. Filtreler doğrudan dalgalanmayı azaltmazlar. Bunun yerine kondansatörün yük direnci üzerinden dolup-boşalma sürecinden yararlanarak bunu azaltırlar. Şekil 2.5‘te filtre çıkışındaki dalgalanma (ripple) gözükmektedir. RLC zaman sabiti ne kadar küçükse, dalgalanma o kadar büyük olur. Doğrultma devrelerinde filtreleme işleminde yük depolama özelliklerinden dolayı daha çok kapasitör (C) ve indüktörden (L) faydalanılır. Fakat kolay kullanımı ve çoklu seçenekleri sebebiyle kapasitörlü filtreleme pratikte çok yaygın bir şekilde kullanılır.

Kapasitör filtrelemeli Doğrultma DevreleriKondansatör tek yönlü gerilime karşı depolama özelliği gösterir. Devredeki kondansatöre dikkat edilecek olursa; devre çıkışındaki RL yük direncine paralel bağlandığı görülecektir. Çıkıştaki pozitif alternans başlangıcı anında ( kondansatör boş iken ) sinyalin yükselmesiyle, kondansatör de şarj olmaya başlar. Bu şarj, sinyalin max. (Vtepe) noktasına kadar devam eder. Daha sonra giriş gerilimi doğal periyodundan dolayı kondansatör şarj geriliminden daha düşük seviyeye düşer. Bu istenmeyen durum, kondansatör üzerindeki şarjlı gerilim yardımıyla geçici bir süre için ortadan kalkar. Kondansatör bu noktada üzerindeki gerilimi deşarj etmeye başlar. Bu anda devrede sadece paralel R – C devresi kalır. Kondansatör yük direnci üzerinden deşarj olur. Bu süre Şekil 2.4’ de görüldüğü gibi t = RL*C kadardır. Kondansatörün değeri ne kadar yüksek olursa deşarj süresi o oranda artar. Bu da devre çıkış geriliminin daha fazla DC’ ye yakın olmasını sağlar. Çıkış geriliminin olabildiğince ripple’sız (dalgasız ) olması doğrultucularda en çok aranan özelliktir.

Şekil 2.4 Kapasitörlü tam dalga doğrultma devresi

Ripple faktörü rf = işaretin alternatif bileşeninin rms değeri/işaretin ortalama (dc) değeri; ile ifade edilir.

Şekil 2.4’deki kapasitör filtreli tam dalga doğrultucu devresi için

11

‘dır

Şekil 2.5 Doğrultulmuş voltajdaki ripple etkeni

2.3 Deney Çalışması2.3.1 Yarım Dalga Doğrultucu

1- Şekil 2.6’daki devreyi kapasitör kullanmadan kurun.2- VL dalga şeklini şekil 2.9 a’ya çizin3- Şekil 2.6’daki devreye kapasitörü ekleyin.4- VL dalga şeklini şekil 2.9 b’ye çizin.

Şekil 2.6 Yarım dalga doğrultucu

2.3.2 Tam Dalga Doğrultucu1- Şekil 2.7’deki devreyi kapasitör kullanmadan kurun.2- VL dalga şeklini şekil 2.10 a’ya çizin3- Şekil 2.7’deki devreye kapasitörü ekleyin.4- VL dalga şeklini şekil 2.10 b’ye çizin.

Şekil 2.7 Tam dalga doğrultucu

2.3.3 Köprü Tipi Tam Dalga Doğrultucu1- Şekil 2.8’deki devreyi kapasitör kullanmadan kurun.2- VL dalga şeklini şekil 2.11 a’ya çizin3- Şekil 2.8’deki devreye kapasitörü ekleyin.

12

4- VL dalga şeklini şekil 2.11 b’ye çizin.

Şekil 2.8 Köprü tipi tam dalga doğrultucu


Ad- Soyad :Numara:

13

Amaç:


Deney 2.3.1

(a) (b)

Şekil 2.9

Deney 2.3.2

(a) (b)

Şekil 2.10 Deney 2.3.3

(a) (b)

Şekil 2.11

3. DENEY

DİYOT UYGULAMALARI II

14

3.1 Amaç

Diyotlarla yapılan kırpıcı, kenetleyici ve voltaj katlayıcı devrelerinin incelenmesi

3.2 Ön Bilgi

3.2.1 KırpıcılarGirişine uygulanan sinyalin bir bölümünü kırpan devrelere ‘kırpıcı devreler’ adı verilir. En basit kırpıcı devre, şekil 3.1 a'da görülmektedir. Diyodun yönüne bağlı olarak giriş sinyalinin pozitif veya negatif alternansı kırpılır.

Şekil 3.1’deki gibi bir kırpıcı devrede giriş işaretinin pozitif alternansında diyot doğru yönde polarmalanır. Çünkü anoduna +V gerilimi, katoduna ise şase (0V) uygulanmıştır. Diyot iletimdedir. Diyot üzerinde 0.7V ön gerilim görülür. Bu gerilim, diyota paralel bağlanmış R yük direnci üzerinden alınır. Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir. Negatif alternans olduğu gibi RL yük direnci üzerinde görülür.Çıkışta oluşan kırpılma şekil 3.1 b’de görülmektedir. Seri ve paralel kırpıcı olmak üzere 2 tipi vardır. Seri kırpıcılarda diyot yüke seri, diğerinde ise paraleldir.

(a) (b)

Şekil 3.1 (a)Seri Kırpıcı Devre, (b) Giriş ve Çıkışları

Polarmalı Kırpıcı Devreler: Şekil 3.2 a’da görüldüğü gibi, devreye V gibi DC bir kaynağın eklenmesi, kırpıcı devrenin çıkışında belirgin bir etki meydana getirebilir. Böyle devrelerde, diyodun iletime geçebilmesi için anodun katoda nazaran daha pozitif olması gerekir. Yani giriş sinyali, V değerini aştığı anda diyot iletime geçer.Çıkışta şekil 3.2 b’deki dalga şekli elde edilir.

(a) (b)

Şekil 3.2 (a)Polarmalı kırpıcı devresi, (b) Giriş ve Çıkışları3.2.2 KenetleyicilerKenetleyici, bir işareti farklı bir dc seviyeye kenetleyebilen bir devredir. Kenetleyici devrelerinde bir

15

kondansatör, bir diyot ve bir direnç elemanı bulunmak zorundadır. Devrede kullanılan R ve C elemanlarının değeri oldukça önemlidir. Bu elemanların zaman sabitesi (τ=RC) yeterince büyük seçilmelidir. Ancak ek bir kayma elde etmek için bağımsız bir dc kaynak kullanılabilir.Şekil 3.3 a’da görülen devrenin girişine uygulanan işaretin negatif alternansının ilk yarım saykılında; diyot doğru yönde polarmalanır ve iletkendir. Diyot kısa devre etkisi göstereceğinden RL direncinin etkisini ortadan kaldırır. Kondansatör, anında şarj olarak dolar. Kondansatör üzerindeki gerilim;

Vdeğerine eşit olur. Bu gerilimin polaritesi; şekil 2.3 üzerinde gösterilmiştir. Giriş işaretinin negatif alternansında; kenetleyici çıkışında (RL yük direnci üzerinde) 0.7V’luk diyot öngerilimi elde edilir. Bu durum şekil 3.3 b’de görülmektedir.Giriş işaretinin pozitif yarım saykılında ise diyot açık devredir. Devreden herhangi bir akım akmaz. RL yük direnci üzerinde ise; giriş işareti ve kondansatör üzerindeki gerilimlerin toplamı görülür. Devreye K.G.K uygulanırsa çıkış gerilimi;

VDevre girişine uygulanan ve +VT ve –VT değerlerinde salınan giriş işareti, kenetleyici devre çıkışında -0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir. Çıkış işareti artık yaklaşık olarak -0.7V ile +2VT-0.7 V değerleri arasında salınmaktadır. Giriş işaretinin negatif tepe değeri, - 0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir.

(a)

(b)

Şekil 3.3 Kenetleyici devre ve dalga çıkış formları

Şekil 3.4’te polarmalı kenetleyici devresi verilmiştir. Burada diyoda seri bağlanan voltaj kaynağı ile çıkış dalgasının taban voltaj değeri değiştirilir.

(a)

16

(b)Şekil 3.4 Polarmalı kenetleyici devresi ve dalga çıkış formları

Kenetleyici devrelerde giriş işaretinin tepeden tepeye değeri korunmakta olup, değişim sadece referans noktasında olmaktadır.

3.2.3 Voltaj KatlayıcılarVoltaj katlayıcılar girişinden uygulanan işareti isteğe bağlı olarak birkaç kat yükseltip çıkışına aktaran devrelerdir. Voltaj katlayıcılar, gerilim kenetleyici ve doğrultmaç devreleri birlikte kullanılarak tasarlanır. Voltaj katlayıcı devreler; yüksek gerilim alçak akım gereksinilen yerlerde kullanılır. TV alıcıları kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir.

Şekil 3.5 Yarım dalga voltaj katlayıcı

Giriş işaretinin (Vi) pozitif yarım saykılında; D1 diyodu iletkendir. C1 kondansatörü girişin tepe değerine şarj olur. D2 ise bu anda ters polarma olduğundan yalıtımdadır. Dolayısı ile çıkış gerilimi “0V” dur. Giriş işareti Vi’nin negatif alternansında ise; D1 diyodu ters polarmalandığından yalıtımdadır. D2 diyodu ise iletkendir. C2 kondansatörü Vi’nin maksimum değerine D2 üzerinden şarj olur. C1 kondansatörü ters polaritede dolu olduğu için boşalamaz. Çıkış işareti C2 kondansatörü üzerinden alınabilir. C2 üzerindeki gerilim girişin tepe değeri ve C1 üzerindeki gerilim değerlerinin toplamına eşit olacaktır. Yani ’dir.Şekil 3.6’da aynı prensiple çalışan voltaj üçleyici ve dörtleyici devreleri verilmiştir.

Şekil 3.6 Voltaj üçleyici ve dörtleyici devresi


17

3.3.1 Kırpıcılar1- Şekil 3.7’deki devreyi kurun2- Vgiriş = 10 Vp-p, f = 50 Hz olacak biçimde sinüs dalgasını ayarlayın3- Çıkış dalga şeklini Şekil 3.10 a’ya çizin. 4- Girişe Vp-p = 10 V kare dalga uygulayarak çıkış dalga şeklini Şekil 3.10 b’ye çizin.5- Devredeki DC kaynakları 0 V yaparak çıkış dalga şeklini Şekil 3.11 c’ye çizin.

Şekil 3.7 Kırpıcı Devresi

3.3.2 Kenetleyiciler1- Şekil 3.8’deki devreyi kurun.2- Vgiriş = 10 Vp-p, f = 50 Hz olacak biçimde sinüs dalgasını ayarlayın.3- Vdc =0 V ve RL devrede yok iken çıkış dalgasını gözleyip devrenin çıkışını Şekil 3.12 a’ya çizin.4- RL = 100 kΩ yapıp, Vdc değerini değiştirerek çıkışı gözleyip devrenin çıkışını Şekil 3.12 b’ye çizin.

Şekil 3.8 Kenetleyici Devresi

3.3.3 Voltaj Katlayıcılar1- Şekil 3.9’daki devreyi kurun (C1=C2=10 µF ).2- A-B uçlarına Vgiriş=2 V giriş voltajını uygulayın. 3- C- D uçlarından aldığınız çıkış işaretini Şekil 3.13’e çiziniz.

Şekil 3.9 Voltaj Katlayıcı Devresi


18



Deney 3.3.1

(a) (b)

(c)Şekil 3.10

Deney 3.3.2

(a) (b)Şekil 3.11

19

Deney 3.3.3

Şekil 3.12

20

4. DENEY

TRANSİSTÖRLER VE UYGULAMALARI

4.1 Amaç

Yarıiletken elemanlardan transistörlerin karakteristiklerinin ve uygulama devrelerinin incelenmesi

4.2 Ön Bilgi

4.2.1 Transistör KarakteristikleriGünümüzde akım kontrol elemanı olarak en çok kullanılan yarıiletken düzenler bipolar transistörlerdir. Bipolar transistörlerin alan etkili transistörlere göre en önemli üstünlükleri akım kontrol yeteneklerinin (geçiş iletkenliklerinin) daha yüksek olmasıdır. Kutuplanmış bir transistör için çeşitli akım – gerilim ilişkilerini gösteren eğri veya eğri ailelerine transistörün özeğrileri denir. Özeğriler arasında en önemli olanları giriş özeğrisi (IB=f(VBE)), geçiş özeğrisi (IC = f (IB) ) ve çıkış özeğrileri (IC = f (VCE) , IB parametre )’dir.

Giriş Özeğrisi Ortak emetörlü bir devrede transistörün emetöründen bazına geçen elektronların miktarını (dolayısıyla IE

akımını) belirleyen etken VBE gerilimidir. IE nin VBE ye bağımlılığı pn jonksiyonunun akım gerilim bağıntısı ile belirlidir.

(IEBS : emetör baz jonksiyonunun ısıl doyma akımı)

O halde transistörün giriş özeğrisini belirleyen bağıntı:

Şekil 4.1 Ortak emiterli transistor ün giriş özeğrisiÇıkış Özeğrileri Bir transistörde kollektör akımını emetörden baza difuzyonla geçen taşıyıcılardan, birleşmeyle baz içinde yok olmadan kollektör jonksiyonuna ulaşabilenler oluşturur. O halde bu akım emetör akımına ve transistörün β’sına, dolayısıyla baz akımına bağlıdır, fakat kollektör emetör geriliminden bağımsızdır. Yani ideal olarak sabit bir IB

değeri için çizilecek IC = f (VCE) eğrisinin yatay bir doğru olması gerekir. Ancak VCE nin IC üzerinde bazı etkileri vardır:

1. Kollektör baz jonksiyonu VCE > VBE kaldıkça tıkama yönünde kutuplanmış bir jonksiyondur. Bu jonksiyondaki geçiş bölgelerinin genişliği, tıkama gerilimi yükseldikçe artar. O halde baz bölgesinin etkin genişliği VCE (dolayısıyla VCB) arttıkça azalır. Baz genişliğinin azalması ise β’nın, dolayısıyla belli bir IB

değeri için akacak kollektör akımının artması sonucunu verir. Bu etkiye Early Olayı denir.

2. VCE‘nin değeri azalma yönünde değiştirilirse VCE = VBE değerinde çıkış jonksiyonunu tıkama yönünde kutuplayan VCB gerilimi sıfıra düşer. VCE < VBE için ise kollektör baz jonksiyonu tıkama yönünde değil artık iletim yönünde kutuplanmıştır. Bu durumda akacak olan baz – kollektör akımını meydana getiren, kollektör ve baz bölgelerindeki çoğunluk taşıyıcılarıdır ve akımın yönü normal çalışma durumundaki akım yönünün

21

tersidir. Baz akımına bu olaydan dolayı eklenen bileşenin yönü ise normal baz akımınınkinin aynıdır. O halde VCE < VBE bölgesinde, belirli bir baz akımı için akacak olan kollektör akımı VCE > VBE bölgesindekine göre çok küçüktür ve VCE küçüldükçe hızla azalır. Bu bölgeye transistörün doyma (satürasyon) bölgesi denir. Doyma bölgesinin sınırını belirleyen VCE = VBE noktalarının IB küçüldükçe sola doğru kayacağı kolayca görülebilir.

Şekil 4.2 Ortak emiterli transistor ün çıkış özeğrisi

Geçiş Özeğrisi: Çıkış özeğrisinden, VCE nin belirli bir değeri için IC =f (IB) akım geçiş özeğrisini veren noktalar elde edilebilir. Bu özeğri (çıkış özeğrilerinin tam yatay olmaması sebebiyle) değişik VCE=sabit değerleri için başka başkadır. Ancak bunlar birbirlerine çok yakın olacağından pratikte ortalama bir VCE değeri için tek bir özeğri vermekle yetinilir. Geçiş özeğrisi başlangıçtan geçen hemen hemen lineer bir eğridir. Bu, β’nın akımdan bağımsız sayılabileceğini ifade eder. Aslında çok küçük veya çok büyük IC değerlerinde bazı ikincil olaylar sebebi ile β’nın değeri düşer, dolayısı ile geçiş özeğrisinin lineerliği bozulur.

Şekil 4.3 Ortak emiterli transistorün geçiş özeğrisi


4.3.1 Transistörün giriş karakteristiğinin belirlenmesiŞekil 4.4’teki ortak emiterli (OE) BJT’nin beyz-emiter arası normal bir diyot gibi davranır. Ancak ikiden çok değişkeni olan bu elemanın giriş karakteristiğini gösterebilmek için diğer değişkenin sabit tutulması gerekir.

Şekil 4.41- Şekil 4.4’teki devreyi kurun.2- ’yi 5 V’a ayarlayarak bunun deneyin başından sonuna kadar sabit kalmasını sağlayın.

P1(10K-100K)

P2(1K-10K)

2N2222

Vbb

V

mA

mA

V

+

-

Vbe

+

-

Vce

Vcc

+

-

-+

22

3- P1 yardımıyla gerilimini 0 V’tan 0.8 V’a kadar 0.1 V aralıklarla artırın.4- Her değerine karşı gelen ve akımlarını ölçün ve bunları tablo 4.1’ e kaydedin. 5- Giriş özeğrisini elde etmek için tablodaki bu akım ve gerilim değerlerini şekil 4.8’e çiziniz.

6- Ortak emiterli devrede akım kazancı olduğuna göre, x ekseninde ve

yatay ekseninde akımları alınarak eğrisini çiziniz.

4.3.1 Multimetre ile transistörün çıkış ve geçiş karakteristiğinin belirlenmesi1- Şekil 4.5’teki devreyi kurun. (Rb=33kΩ, Rc=1kΩ)2- Tablo 4.2’de verilen VB=0.5-1-1.5-2V için VC gerilimlerini sırasıyla uygulayıp istenen akım ve

gerilimleri ölçerek tabloya kaydediniz. 3- Tablo 4.2’deki verileri kullanarak şekil 4.9 a ve b’ye çıkış ve geçiş karakteristiklerini çiziniz.

Şekil 4.5

4.3.2 Osiloskop ile transistörün çıkış karakteristiğinin belirlenmesi1- Şekil 4.6’daki devreyi kurun (Rb=33kΩ, Rc=1kΩ).2- Osiloskop ekranında transistörün çıkış karakteristiğini elde edin.3- VB gerilimini yani transistörün baz akımını değiştirerek çıkış karakteristiğindeki değişimi gözleyin.4- Tablo 4.2’de uyguladığınız VB gerilimlerini sırasıyla uygulayarak elde ettiğiniz grafikleri şekil 4.10’a

çiziniz ve daha önce çizdiğiniz şekil 4.9 a’daki grafikle karşılaştırın.

Şekil 4.6

4.3.3 Osiloskop ile transistörün geçiş karakteristiğinin belirlenmesi1- Şekil 4.7’deki devreyi kurun (Rb=33kΩ, Rc=1kΩ).2- Osiloskop ekranında transistörün geçiş karakteristiğini elde edin. 3- Elde ettiğiniz karakteristiğin doğruluğundan emin olduktan sonra şekil 4.11’e çizin4- Elde ettiğiniz karakteristiği daha önce çizdiğiniz şekil 4.9 b ile karşılaştırın.

23

Şekil 4.7

24



Deney 4.3.1

Tablo 4.1: Ortak Emiterli bir BJT’nin I-V özeğrilerinin elde edilmesi

VBE (V) IB (µA) IC (mA)

0.10.20.30.40.50.60.70.8

Şekil 4.8

25

Deney 4.3.2 Tablo 4.2

(a)

26

(b)Şekil 4.9

Deney 4.3.3

Şekil 4.10Deney 4.3.4

Şekil 4.11

27

5. DENEY

BJT KUVVETLENDİRİCİLER

5.1 Amaç

BJT’nin kullanıldığı temel kuvvetlendirici devreleri olan ortak emiterli (OE), ortak beyzli (OB) ve ortak kolektörlü (OK) devrelerin gerçekleştirilmesi ve temel özelliklerinin incelenmesi.

5.2 Ön Bilgi

5.2.1 OE’li KuvvetlendiriciOE’li bağlantı, yüksek voltaj ve yüksek akım kazancı sağladığından en yaygın olarak kullanılan bağlantı tipidir. OE’li kuvvetlendirici nispeten düşük girişi direncine ve yüksek çıkış direncine sahiptir. Giriş ile çıkış arasında 180 ’lik faz farkı vardır. Kuvvetlendirici devremizde emiter-beyz jonksiyonu daima ileri yönde kutuplanmalıdır. Eğer ters yönde kutuplanırsa transistör kesime gider. E-B jonksiyonunun iletime geçmesiyle beyze giren herhangi bir akım, kolektördeki daha yüksek potansiyelle kolektöre çekilir. Emiter akımının yaklaşık %99’u beyzden geçerek kollektöre girer, %1 ise beyz devresine gider. Beyze uygulanan giriş işaretiyle birlikte beyz akımı da artacak ya da azalacaktır. Buna paralel olarak kollektör akımında da artma ve azalış gözlenir. Beyz akımındaki küçük bir artışın kollektör akımında büyük bir artışa sebep olmasına kuvvetlendirme denir. Devrenin çıkışında girişten daha büyük bir işaret bulunmasından dolayı bir kazanç söz konusudur. Bu kazanç ;

voltaj kazancı ve akım kazancıdır.

Şekil 5.1 OE’li kuvvetlendirici

5.2.2 OK’lı KuvvetlendiriciGenelde emiter takipçisi olarak adlandırılan OK’lı kuvvetlendirici oldukça kullanışlı bir devredir. Bu kuvvetlendirici yüksek giriş direnci (tipik 150 k) ve düşük çıkış direncine (tipik 80Ω) sahiptir. Beyz-Kollektor jonksiyonu daima ters kutuplanır. Böylece giriş işareti daima yüksek bir direnç gösterir. Bu devrede giriş işareti ile çıkış işareti arasında herhangi bir faz farkı olmayıp voltaj kazancı yaklaşık 1’dir. Şekil 5.3’te OK’lı kuvvetlendirici devresi verilmiştir.

5.2.3 OB’li KuvvetlendiriciOB’li kuvvetlendirici devresi diğerlerine göre daha az kullanılmaktadır. OB’li konfigürasyon yaklaşık olarak OE’nin ki kadar yüksek voltaj kazancı sağlamasına rağmen akım kazancı 1’den daha azdır. Üç bağlantı şekli içerisinde en düşük giriş direncine ve en yüksek çıkış direncine sahip olması dezavantajlarındandır. OB’li kuvvetlendirici giriş jonksiyonunun (Beyz-Emiter) ileri yönde kutuplanmasıyla çalışır. Çıkış jonksiyonu (Beyz-Kollektör) ise ters yönde kutuplanır. Şekil 5.4’de OB’li kuvvetlendirici devresi verilmiştir.

28


5.3.1 OE’li Kuvvetlendirici1- Şekil 5.2’deki devreyi kurun.2- Giriş işareti olarak sinyal jeneratöründen milivoltlar mertebesinde 1kHz’lik sinüzoidal bir işaret

uygulayın. Bu girişi maksimum distorsiyonsuz bir işaret elde edecek şekilde ayarlayın.3- Giriş ve çıkış işaretlerini ölçekli olarak şekil 5.5’e çizerek voltaj kazancını hesaplayın.4- Giriş işaretini çıkararak dc IB ve IC akımlarını avometre ile ölçerek dc akım kazancını hesaplayın.

33KR1

1KRc

3.3KR2

220 ohmRe 1uF

Ce

C1

1uF

Vs

+12V

Vo

Şekil 5.2. Tek katlı OE’li kuvvetlendirici devresi

5.3.2 OK’lı Kuvvetlendirici1- Şekil 5.3’teki devreyi kurunuz2- Giriş işareti olarak sinyal jeneratöründen milivoltlar mertebesinde 1kHz’lik sinüzoidal bir işaret

uygulayınız. Bu girişi maksimum distorsiyonsuz bir işaret elde edecek şekilde ayarlayın.3- Giriş ve çıkış işaretlerini ölçekli olarak şekil 5.6’ya çizerek voltaj kazancını hesaplayın.4- Giriş işaretini çıkararak dc IB ve IC akımlarını avometre ile ölçerek dc akım kazancını hesaplayınız.

33KR1

33KR2

1KRe

C1

1uF

Vs

+12V

Vo

Şekil 5.3 OK’lü kuvvetlendirici devresi

5.3.3 OB’li Kuvvetlendiricia) Şekil 5.4’teki devreyi kurunb) Giriş işareti olarak sinyal jeneratöründen Vp-p=0.1V mertebesinde 1kHz’lik sinüzoidal bir işaret

uygulayın. c) Maksimum distorsiyonsuz bir işaret elde etmek için (-V) kaynağını ayarlayın.d) Giriş ve çıkış işaretlerini ölçekli olarak şekil 5.7’ye çizerek voltaj kazancını hesaplayın.e) Giriş işaretini çıkararak dc IB ve IC akımlarını avometre ile ölçerek dc akım kazancını hesaplayınız.

Vo

1KR2

5.6KRe

-V +12

1uF

c1

Vs

29

Şekil 5.4 OB’li kuvvetlendirici devresi

30




Deney 5.3.1

(a) (b)Şekil 5.5

Av=…………………….Aı=……………………..

Deney 5.3.2

(a) (b)Şekil 5.6

Av=…………………….Aı=……………………..

Deney 5.3.3

31

(a) (b)Şekil 5.7

Av=…………………….Aı=……………………..

6. DENEY

FETLER VE UYGULAMALARI

6.1 Amaç:

Bir alan etkili transistor FET’in karakteristiğinin çıkarılması, kutuplanması ve AF’lı bir kuvvetlendirici olarak incelenmesi.

6.2 Ön Bilgi

6.2.1 FET KarakteristikleriBJT transistörlerin tam tersine FET'ler unipolar (tek kutuplu) olarak adlandırılırlar. Çünkü FET'in çalışması sırasında sadece tek bir tip yük taşıyıcısı kullanılır. Bu yüzden öz eğrileri de BJT’lerden biraz farklıdır. Mesela eğriler x eksenine neredeyse paralel denecek kadar düz ve eğimsizdir. Ayrıca ’nin sabit belli bir değerinde

satürasyona (doyuma) ulaştığında, akım artışı belli bir noktadan sonra ani ve keskin bir şekilde olmaktadır.N kanallı JFET transistörlerde gate-source gerilimi (VGS) negatif olduğunda drain'den source'a bir iletim gerçekleşir. VGS gerilimi 0V olduğunda G-D jonksiyonu ters polarize olur ve akım akmaz.

JFET transistörlerle ilgili ilginç bir nokta da BJT'nin tam tersine çıkış akımı ID giriş gerilimi VGS tarafından kontrol edilir. BJT emiteri ortak devreye geri dönersek çıkış akımı IC giriş akımı IB tarafından kontrol edilir.

Şekil 6.1 a'da (Şekil 4' te yer alan kendinden ön gerilimlendirilmiş devrenin) çıkış akımı ID ile giriş gerilimi VGS arasındaki ilişki gözükmektedir. Çalışma noktasındaki akım ve gerilimi hesaplayabilmek için öncelikle ID ve VGS'nin maksimum olabileceği değerlerin bilinmesi gerekmektedir. Eğer VGS = 0V ise, ID akımı maksimum değerdedir ve IDSS olarak adlandırılır (Drain saturasyon akımı). Eğer VGS gerilimi artırılırsa (negatif arttırılacak) bir noktada ID akımı 0'a eşit olacaktır. ID = 0 olduğu andaki VGS gerilimi VP (pinch-off gerilimi) olarak adlandırılır.

(a) (b)Şekil 6.1 FET geçiş karakteristik eğrisi

Çalışma noktası anındaki akım ve gerilimi hesaplamak için, Şekil 6.1 a'daki denklemlerin aynı anda çözülmesi gerekmektedir. Sol taraftaki denklem transistörün transfer denklemidir. Sağ taraftaki ise kendinden ön gerilimlendirilmiş JFET devresi için yük doğrusu denklemidir. Şekil 6.1 b'de Şekil 5'te yer alan gerilim bölücülü ön gerilimlendirilmiş devrenin transfer ve yük doğrusu denklemleri gözükmektedir. Bu devrede VP ve IDSS değerlerindeki değişimler bir önceki devrede olduğunun tersine, ID akımının fazla değişimine sebep olmamaktadır.Şekil 6.1’de sırasıyla hem n-kanallı FET için hem de p-kanallı FET için Vgs = -1V ve +1V’a karşılık gelen geçit- kaynak karakteristik eğrisi gösterilmiştir. Vgs belirli bir değere ulaştığında geçit akımı (Id) sıfıra düşer ve

32

Vds değerinden bağımsız hale gelir. Bu andaki geçit-kaynak gerilimi kısılma gerilimi olarak adlandırılır ve Vd veya Vgs (kesim) ile gösterilir.

(a) (b)

Şekil 6.1 (a) N kanallı (b) P kanallı FET geçit-kaynak karakteristik eğrisi

6.2.2 FET’li KuvvetlendiricilerŞekil 6.5’te kaynağı (source) ortak bağlı bir JFET kuvvetlendirici devresi gözükmektedir. JFET kapı teminali (gate) bir gerilim bölücü kombinasyonu ile, kaynak devresi de RS direnci ile kendiliğinden ön gerilimlendirilmiştir. RS direnci direk şaseye bağlanmıştır.AC çıkış akımının giriş gerilimine oranı olan gm değeri geçişkenlik olarak adlandırılır ve aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Kaynağı ortak veya drain ortak düzenlemelerde gm değeri bilinmiyorsa, gerilim kazancı hesaplanamaz. Ayrıca gm değeri drain ortak devrede çıkış direncinin hesaplanmasında da kullanılır. Kaynağı ortak devrede giriş direnci aşağıdaki yaklaşım kullanılarak hesaplanır.

Rin=R1//R2 (R1 ve R2 gerilim bölücü dirençlerdir.)Bu formülde FET’in kendi direncinin ihmal edildiğini görebilirsiniz. Çünkü burada yer alan PN bileşimi ters kutuplanmıştır. Dolayısıyla PN bileşimi çok büyük bir direnç göstermektedir. Bu direnç zaten R1 ve R2 direçlerinin değerinden çok büyük olduğundan, her iki direnci paralel kabul ettiğimizde sonuçta ortaya yeni çıkacak değer de R1//R2 değerine yaklaşık eşit çıkacaktır.Kaynağı ortak düzenlenmiş kuvvetlendiricide, kaynaktan yüke gerilim kazancı aşağıdaki formülle hesaplanır.

( işaret üretecinin iç direnci, JFET’in drain iç direnci, harici drain direnci, ise yük direncidir.)Emiteri ortak BJT kuvvetlendiriciler gibi, kaynağı ortak JFET kuvvetlendiriciler de, eviren kuvvetlendiricilerdir. Çıkış direnci aşağıdaki yaklaşımla hesaplanır.

Yukarıdaki yaklaşım değerinin değerinden çok büyük olduğu durumlarda geçerlidir.

Şekil 6.6’da JFET drain ortak olarak düzenlenmiş kuvvetlendirici devresi gözükmektedir. Bu tip düzenlenmiş devreler kaynak takipçisi olarak da adlandırılır. Kaynak takipçisi kuvvetlendiricilerde kazanç 1’den küçük, giriş direnci yüksek ve çıkış direnci de düşüktür. Giriş direnci bir önceki kuvvetlendirici devrede (kaynağı ortak) olduğu gibi hesaplanır.Drain ortak devrenin küçük-işaret eşdeğer devresini analiz edersek, kaynaktan yüke olan gerilim kazancının aşağıdaki formülle hesaplandığını görebilirsiniz.

Çıkış direnci ro aşağıdaki gibi hesaplanır.

Yukarıdaki yaklaşım gm RS >> 1 olduğu durumlarda geçerlidir.

33


6.3.1 FET Karakteristikleri1- IDSS ve VP değerlerini bulabilmek için Şekil devreyi kurunuz.2- VGS = 0 V (gate şaseye bağlanacak) iken VRD gerilimini ölçünüz. IDSS akımını hesaplayınız. (

)

3- VRD gerilimi 0V (RD direnci üzerinden geçen akım 0 olacak şekilde) olacak şekilde VGS gerilimini ayarlayınız. (Negatifliğini artırınız) ID akımı 0 iken ölçülen VGS gerilimi Vp’ye eşittir.

Şekil 6.24- JFET kendinden ön gerilimlendirilmiş devreyi incelemek için şekil ‘deki devreyi kurunuz.5- VGS, VDS, VRD değerlerini ölçüp tablo 6.1’e kaydediniz. VRD değeri ID akımının hesaplanması için

kullanılacaktır.

Şekil 6.36- JFET gerilim bölücülü ön gerilimlendirilmiş devreyi incelemek için Şekil ‘deki devreyi kurunuz.7- VGS, VDS ve VRD değerlerini ölçüp, tablo 6.2’ye kaydediniz.

Şekil 6.4

6.3.2 FET’li Kuvvetlendirici

34

1- Kaynağı ortak devreyi incelemek için Şekil 6.5‘te verilen devreyi kurunuz.2- =0 iken, ve gerilimlerinin dc değerlerini ölçünüz. Bu değerleri kullanarak, ve gm

değerlerini hesaplayınız.3- İşaret üretecinin çıkışından 200 mVt-t ve 1 KHz’lik bir sinyal elde ediniz ve bunu devreye bağlayınız.4- Çift ışınlı bir osiloskop kullanarak giriş (VS) ve çıkışı (VL) aynı anda gözlemleyiniz. Her iki gerilimin

tepeden tepeye değerlerini ölçüp, aralarında faz farkı olup olmadığını belirleyiniz.5- kondansatörünü devreden çıkarıp, gerilimini tekrar ölçünüz.6- kondansatörünü tekrar devreye bağlayınız. Kaynağı ortak kuvvetlendiricinin giriş direncini ölçmek

için 50 KΩ’luk bir potansiyometreyi giriş aktarım kondansatörü ile işaret üretecinin arasına seri bağlayınız.

7- Potansiyometreyi, gerilimi maksimum oluncaya dek ayarlayınız. Daha sonra potansiyometreyi ’nin yarısını elde edecek şekilde ayarlayınız. Potansiyometreyi devreden çıkarıp, değerini ölçünüz. Gerilim bölme kuralından yola çıkarak, bu direncin kaynağı ortak (common source) bağlantının giriş direncine eşit olduğu söylenir.

8- Giriş direncini tablo 6.3’e kaydedin.9- Çıkış direncini ölçmek için 10 KΩ’luk bir potansiyometreyi çıkış aktarım kondansatörü ile şase arasına

bağlayınız. (22 KΩ’luk yük direncini çıkardıktan sonra) 10- İşlem basamağı 7’dekine benzer bir teknikle çıkış direncini ölçünüz ve tablo 6.3’e kaydedin.

Şekil 6.511- Drain ortak devreyi incelemek için, şekil 6.6’daki devreyi kurunuz.12- = 0 iken ve gerilimlerini ölçüp, kaydediniz. Ölçtüğünüz bu değerler ve gm

değerlerinin hesaplanmasında kullanılacaktır.13- Kaynak ortak devre örneğindeki gibi, Drain ortak devre için Ri ve ro’ ı bularak değerlerini tablo 6.3’e

kaydedin.

Şekil 6.6

35



Deney 6.3.1 IDSS=…………….VP=………………..

Tablo 6.1

(Volt) Ölçüm Sonuçlarına

Göre

Hesaplamalara Göre

VGSVDSVRD

Tablo 6.2

(Volt) Ölçüm Sonuçlarına

Göre

Hesaplamalara Göre

VGSVDSVRD

Deney 6.3.2Tablo 6.3

Kaynağı ortak Drain i ortakIdgmRiro

36

7. DENEY

KUVVETLENDİRİCİLERDE ALT VE ÜST KESİM FREKANSI

7.1 Amaç - Emiteri ortak kuvvetlendiricinin alt kesim frekansını ve aktarım ve bypass kondansatörlerinden kaynaklanan alt kesim frekanslarını; üst kesim frekansını ve şönt kapasitanslardan kaynaklanan üst kesim frekanslarını belirlemek. Miller kapasitansının üst kesim frekansı üzerindeki etkisini incelemek.

7.2 Ön Bilgi

7.2.1 Alt Kesim FrekansıFrekans azaldıkça aktarım kondansatörlerinin empedansı artar. Dolayısıyla BJT kuvvetlendiricinin gerilim kazancı frekans azaldıkça azalır. Çok düşük frekanslarda aktarım kondansatörlerinin kapasitif reaktansı, giriş ve çıkış gerilimlerinin bir kısmını düşürmek için yeterli büyüklükte olabilir. Aynı zamanda emiter bypass kondansatörü de çok düşük frekanslarda emiter direncini kısa devre etmeyecek büyüklüğe ulaşabilir.(Frekans azaldıkça XC değeri büyüdüğünden artık CE kondansatörü kısa devre kabul edilemez büyüklüğe ulaşmış olacaktır.)Şekil 7.1’de bir BJT kuvvetlendirici üzerindeki kapasitörleri inceleyiniz.Aşağıdaki denklemler gerilim kazancının ortaband değerinden 3dB düştüğü yani ortaband gerilim kazancının (Av) 0.707 katı olduğu andaki alt kesim frekansını hesaplamak için kullanılır.

( ‘den kaynaklanan alt kesim frekansı, giriş aktarım kondansatörü, kuvvetlendiricinin giriş

direnci ve kaynak direncidir.)

( ‘den kaynaklanan alt kesim frekansı, çıkış aktarım kondansatörü, kuvvetlendiricinin

çıkış direnci ve yük direncidir.)

( ’den kaynaklanan alt kesim frekansı, emetör bypass kondansatörü ve kondansatöre parelel olan Thevenin direncidir.)

(RB= giriş ön gerilimlendirme direçlerinin paralel eşdeğeri)

, , ve frekansları değer olarak birbirine yakın değildir. Gerçek alt kesim frekansı yaklaşık olarak bu üç değerin en büyüğüne eşittir.

5.2.2 Üst Kesim FrekansıFrekans artarsa, kondansatörün kapasitif reaktansı azalır. Bu olay, kuvvetlendirici yüksek frekansta kullanıldığında bazı problemler yaratabilir. Transistörler, uçlarının her çifti arasında kendi iç yapısında var olan şönt kapasitanslara sahiptir. Bu kapasitanslar yüksek frekanslarda ac sinyal gerilimini büyük ölçüde kısa devreeder. Bundan dolayı, yüksek frekans kuvvetlendiricilerinde şönt kapasitanslar oldukça küçük olmalıdır.Bu deneyde, kuvvetlendirici devresinde yapay şönt kondansatörler kullanılacaktır. Çünkü transistörün iç yapısındaki asıl kapasitansların ölçülmesi çok zordur. Devrenin tasarımında kullanılan tellerden kaynaklanan kapasitansı da ölçmek aynı derecede zordur.Yapay kondansatörlerin değeri az önce bahsedilen, asıl kapasitansın değerinden çok daha fazla büyük olduğu için bunların paralel kombinasyonu yaklaşık olarak yapay kondansatörlerin değerine eşittir. Amaç, kuvvetlendiricilerde şönt kapasitanstan kaynaklanan problemler hakkında bilgi kazanmak için yüksek frekans cevabını incelemek ve bir kuvvetlendiricinin üst kesim frekansı ile ilgili pratik ölçmeler yapmaktır.

37

Üst kesim frekansı, kuvvetlendiricinin gerilim kazancının –3 dB düştüğü noktadaki veya orta band değerinin 0.707 katı olduğu andaki iki frekanstan (çünkü bir kuvvetlendiricinin kazancı hem alt kesim frekansında hem de üst kesim frekansı anında 3dB düşer) büyüğüne eşittir. Şekil 7.2’deki devre için, giriş şönt kapasitansı CA ‘dan kaynaklanan üst kesim frekansı f2(CA) aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanabilir:

= + Miller kapasitans olarak adlandırılır ve (1- ) faktörü ile iç kapasitans ‘nin çarpımına eşittir.= (1- )

Burada girişten yüke gerilim kazancıdır. Miller kapasitansı, transistörün diğer şönt kapasitanslarından daha büyüktür. Bununla birlikte Miller kapasitansı hesaplama denklemi sadece eviren kuvvetlendirici için geçerlidir. Evirmeyen kuvvetlendiriciler, Miller kapasitanstan etkilenmez. Bundan dolayı, bu genellikle çok yüksek frekanslardaki kuvvetlendirme işlemlerinde kullanılır. , işaret üretecinin iç direncini ve kuvvetlendiricinin giriş direnci arasındaki gerilim bölücüyü

hesaba katmaz. Bundan dolayı ‘nin değeri kaynaktan yüke doğru olan tüm kazanca ‘ye eşit değildir.

Şekil 1’deki devre için, çıkış kondansatöründen kaynaklanan üst kesim frekansı aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanabilir:

=

ve birbirine değer olarak yakın olmasalar bile, kuvvetlendiricinin asıl üst kesim frekansı yaklaşık olarak bu iki frekansın küçük olanına eşittir.


7.3.1 Alt Kesim Frekansını Belirleme1- Emiteri ortak kuvvetlendiricinin alt kesim frekansa tepkisini ölçmek için, şekil 7.1’deki devreyi

kurunuz.2- İşaret üretecini Vs = 50mVt-t ve 10kHz‘e ayarlayarak gerilimini ölçünüz ve kaydediniz. Bu değer

orta band gerilim kazancı ‘nin hesaplanmasında kullanılacaktır.

3- İşaret üretecinin frekansını Tablo 7.1‘de verilen her frekans değerine düşürerek, her bir frekanstaki gerilimini ölçünüz. İşaret üretecinin çıkış geriliminin sabit olduğundan emin olunuz. Bu değerler

kuvvetlendiricinin düşük frekanslara olan tepkisinin grafiğe aktarılmasında kullanılacaktır.4- İki kondansatörün değeri çok yüksek seçilerek, bu kondansatörlerin alt kesim frekansı üzerindeki

etkileri ihmal edilebilir. Bundan sonra üçüncü kondansatörden kaynaklanan kesim frekansı daha rahat ölçülebilir. Bunun için Şekil 7.1 ‘deki devreyi aşağıdaki kondansatör değerlerine göre tekrar kurunuz. (Şekil 7.1 ‘de gösterilen polaritelere dikkat ediniz.) C1 =0.1μF , C2 =100μF , CE =100μF

5- Vs’nin 50mVt-t değerde olduğundan emin olduktan sonra, işaret üretecinin frekansını, çıkış gerilimi ( yani dolayısıyla gerilim kazancı ) 2. işlem basamağında ölçülen gerilimin 0.707 katına eşit oluncaya kadar ayarlayınız. Bu olayın meydana geldiği frekans f1(C1) değeridir. Bulduğunuz frekans değerini tablo 7.2’ye kaydedin.

6- Aşağıda verilen kondansatör değerlerini kullanarak f1(C2) frekansını bulmak için 5 ve 6 nolu işlem basamaklarını tekrarlayınız ve bulduğunuz frekans değerini tablo 7.2’ye kaydedin.

C1 =100μF , C2 =0.22μF , CE =100μF 7- Aşağıda verilen kondansatör değerlerini kullanarak f1(CE) frekansını bulmak için 5 ve 6 nolu işlem

basamaklarını tekrarlayınız ve bulduğunuz frekans değerini tablo 7.2’ye kaydedin. C1 =100μF , C2 =100μF , CE =4.7μF

38

Şekil 7.1 BJT kuvvetlendiricinin alt kesim frekansını belirleme

7.3.2 Üst Kesim Frekansını Belirleme1- Emiteri ortak kuvvetlendiricinin yüksek frekans cevabını incelemek için, şekil 7.2’deki devreyi

kurunuz. Devrede gösterilen , ve kondansatörleri interelektrod kondansatörlere karşılık gelmektedir. Kasıtlı olarak çok daha büyük yapılmıştır.

2- İşaret üretecini Vs= 50mV t-t ve 500 Hz ‘e ayarlayıp, gerilimini ölçerek kaydediniz. Bu değer orta band gerilim kazancı ’ nin hesaplanmasında kullanılacaktır.

3- İşaret üretecinin çıkışını Tablo 7.3‘te verilen her frekans değerine ayarlayarak, her frekanstaki gerilimini ölçünüz. İşaret üretecinin frekans değişmelerine karşılık 50 mV t-t ‘te sabit kaldığından emin olmak için periyodik olarak işaret üretecini devreden söküp, çıkış gerilimini ölçünüz.. değerleri kuvvetlendiricinin yüksek frekans cevabının çizilmesinde kullanılacaktır.

4- Çıkış kondansatörü ‘den kaynaklanan üst kesim frekansını saptamak için, diğer iki şönt kapasitansı ve ‘yi devreden çıkartınız. İşaret üretecinin frekansını, çıkış gerilimi 2. işlem basamağında ölçülen değerin 0.707 katı oluncaya kadar ayarlayınız. Bu frekansın meydana geldiği değer veya dir.

5- Giriş kapasitansları ve ’den kaynaklanan üst kesim frekansını hesaplayabilmek için çıkış şönt kondansatörü ‘yi kaldırın. Giriş kondansatörleri ve yi tekrar devre bağlayın. İşlem basamağı 4’ü tekrarlayın. Bu kesim frekansı, den kaynaklanan ’nin olduğu andaki

veya ’dir.

6- Giriş kondansatörü ’yi kaldırın ve işlem basamağı 4’ü tekrarlayın. Bu ’den kaynaklanan Miller kapasitansın etkisini, giriş kondansatörü ile ilişkili olarak kanıtlayacaktır.

Şekil 7.2


39




FREKANS (VOLT)

10 kHz7.5 kHz5 kHz2 kHz

1.5 kHz1 kHz900 Hz750 Hz500 Hz250 Hz200 Hz100 Hz50 Hz

Tablo 7.2

ÖLÇÜLEN DEĞER HESAPLANAN DEĞER


FREKANS (VOLT)

500 Hz1 kHz5 kHz10 kHz15 kHz17 kHz20 kHz40 kHz42 kHz45 kHz50 kHz75 kHz100 kHz

Tablo 7.4

ÖLÇÜLEN DEĞER HESAPLANAN DEĞER

40

8. DENEY

KUVVETLENDİRİCİLERDE GERİ BESLEME

41

8.1 Amaç

Kuvvetlendiricinin açık ve kapalı çevrim kazancını, geri-besleme varken ve yokken bant-genişliğini ölçmek. Geri-beslemenin kuvvetlendiricinin bant-genişliği üzerindeki etkisini incelemek.

8.2 Ön Bilgi

Aktif elemanlar, tam olarak belirlenmemiş veya sıcaklığa bağlı bazı parametrelerle ifade edilen bir karakteristik gösterirler. Örneğin transistörlerde kollektörden beyze doğru oluşan akım kazancı, aynı eleman numarasına sahip olmasına rağmen, bir transistorden diğerine farklılık göstermektedir. Bu akım kazancı, elemanın kendi parametrelerine ve ortam sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. FET için de aynı şeyleri söylemek mümkündür.Bunlardan ötürü, bu elemanları kullanarak yapılan kuvvetlendiricilerin tasarımı sırasında, çıkışta istenen kazancı elde etmek için, transistör parametrelerinin kazanç üzerindeki etkisini azaltacak bir yönteme başvurulmalıdır. Bunun yanında direnç, kondansatör, bobin gibi pasif devre elemanlarını içinde bulunduran devreler, sabit bir değerde kalacak hassasiyette üretilmektedirler.Fakat diğer taraftan bu söz konusu pasif devreler, kazanç sağlama yeteneğine sahip değildirler. Sabit bir kazanç elde edebileceğimiz kuvvetlendiricilerin tasarımında, pasif devre elemanlarının hassasiyeti ile aktif devre elemanlarının kazanç oluşturma özelliklerini birleştirilerek istenen sonuca varabiliriz. Bu sebepten geri besleme bir çok devrede kullanılır. İdeal bir geri beslemeli kuvvetlendirici devresi için Şekil 8.1’e bakınız.

Şekil 8.1

Hassasiyeti yakalamanın yanında kuvvetlendiricilerde geri beslemenin daha önemli yararları vardır. Örneğin, negatif geri besleme bant-genişliğini artırır; giriş ve çıkış direncini kontrol eder; çıkış işaretindeki bozulmaları azaltır. Şekil 8.1’deki negatif geri beslemeli kuvvetlendiricinin blok diyagramında, çıkışta 1 ve 2 nolu girişlerin farkı alınmaktadır. Eğer 2 nolu giriş toprağa bağlanırsa, kuvvetlendiricinin çıkışından girişine ulaşan işaret aşağıdaki gibidir:

= – 0 = Açık çevrim kazancı , A kazancına sahip ideal bir kuvvetlendirici için aşağıdaki formülle bulunur:

Geri besleme devresi ile fark devresi arasındaki anahtar kapatılırsa, çıkış işaretinin bir kısmı giriş işaretinden çıkarılır. Geri-besleme devresinin kazancı F, normalde 1’den küçüktür. İdeal olarak kabul edilen kuvvetlendiricide olaşan işaret bundan dolayı azalmış olacaktır.

= – Çıkış gerilimi, açık çevrim değerinden daha küçük olacaktır. Çıkış gerilimi aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:

= A( – ) = G Kapalı çevrim kazancı ise aşağıdaki gibi hesaplanır.

………………………………………………………………………….(1)

Negatif geri beslemede, kapalı çevrim kazancı G her zaman açık çevrim kazancı ’dan daha küçüktür.

42

Açık çevrimde işareti işaretine eşittir ve çıkış işaretine bakmaksızın sabit kalır. Çıkış, A ile doğru orantılı olarak değişir. Bu yüzden sıcaklık değişimleri veya elektronik malzemenin değişimi, çıkış gerilimini oldukça etkiler. Kapalı çevrimde ise, ideal kuvvetlendiricinin girişinde ulaşan işareti aşağıdaki gibi hesaplanır:

= - Çıkış gerilimi yine A cinsinden yazılır. Eğer kazanç artarsa, çıkış gerilimi de artacaktır. Ancak arttıkça

azalmaktadır.Bant Genişliğinin ArtmasıGeri besleme, açık çevrim kuvvetlendiricisine göre geri beslemeli kuvvetlendiricinin bant genişliğini artırmaktadır. Şekil 8.1’deki negatif geri beslemeli kuvvetlendiricide, ideal kuvvetlendiricinin W' bant genişliğine sahip olduğunu var sayalım.

………………………………………………………………………………..(2)

orta bant gerilim kazancıdır. Öyleyse kazanç-bant genişliği çarpımı, .W' ye eşit olacaktır.Kapalı çevrim için 1 nolu eşitlikte, 2 nolu eşitliği yerine koyarsak; sonuçta G’yi frekansa bağımlı olarak buluruz.

Ara işlemlerden sonra,

elde edilir.Geri besleme varken bant genişliği, açık çevrime göre oranında artmakta; fakat bunun yanında yine aynı oranda kazanç azalmaktadır. Kazanç-bant genişliği çarpımı sabit olduğuna göre, kazanç ve bant genişliği ters orantılı olarak değişmektedir. Şekil 8.2 ‘de açık ve kapalı çevrim frekans cevapları gösterilmiştir.

Şekil 8.2


1- Şekil 8.3’deki devreyi kurunuz.2- S anahtarı açıkken çıkış gerilimini ölçüp, kuvvetlendiricinin açık-çevrim kazancını hesaplayınız.3- S anahtarını kapatınız. Çıkış gerilimini ölçüp, kuvvetlendiricinin kapalı-çevrim kazancını hesaplayınız.

43

4- Geri besleme direncini RF = 47 KΩ yapınız ve T1 transistörünü β’sı çok farklı olan bir başka transistör ile yer değiştiriniz. İşlem basamakları 2 ve 3’ü tekrarlayınız.

5- Geri besleme yokken, kuvvetlendiricinin üst kesim frekansını belirleyiniz.6- Geri besleme direncini devreye tekrar takınız ve kuvvetlendiricinin üst kesim frekansını belirleyiniz..

RF = 47 KΩ ve RF = 22 KΩ için işlemi tekrarlayınız.7- T1 transistörünü bir havyayla transistöre değmeden ısıtınız. Isıtma işlemini açık ve kapalı çevrim için

tekrarlayıp; açık ve kapalı çevrim çıkış gerilimlerindeki değişimleri gözlemleyiniz. Kapalı çevrim ölçümlerini RF = 47 KΩ ve RF = 22 KΩ için ayrı ayrı gerçekleştirip, değerleri Tablo 8.1 ‘e kaydediniz.

Şekil 8.3


Ad- Soyad :Numara:

44

Amaç:


Deney 8.3.1

Tablo 8.1

9. DENEY

KARARLILIK VE OSİLATÖRLER

9.1 Amaç

45

Geribesleme devrelerinde kararlılık kriterlerinin incelenmesi, Wien köprü osilatörü ve RC faz kaymalı osilatörünün gerçekleştirilmesi.

9.2 Ön Bilgi

9.2.1 Kararlılık KriterleriBirçok uygulamada parametrelerini istediğimiz gibi seçebileceğimiz veya ayarlayabileceğimiz işaret üreteçlerine (kaynaklarına, osilatörlerine) gerek duyarız. En sık kullanılanları sinüsoidal ve darbe dizisi gerilim üreteçleridir. Bu tür kaynaklar her zaman pozitif geribeslemeli devrelerdir. Geribeslemeli bir sistemin kazancı

……………………………………………………………………….…….(1)

dir. Sistemin kararlı olabilmesi için 1+β (s)K(s) paydasının sıfırları (ki bunlar Kf’nin kutuplarıdır) s düzleminin sol yarısında bulunmalıdırlar. |1+ β (w)K(w)| > 1 olduğu sürece geribesleme negatif ve |1+ β (w)K(w)| < 1 olduğunda pozitiftir. Geribesleme pozitif olduğunda Kf > K olacağına dikkat ediniz. |1+ β (w)K(w)| = 0 dolayısıyla β (w)K(w) = -1 kosulu sağlandığında Kf = ∞ olur. Bu, devrenin (sistemin) osilasyon (salınım) yapması koşuludur. Olguyu daha fiziksel olarak kavramak isterseniz, şekil-9.1’de verilen sistemi göz önüne alınız.

Şekil 9.1

Görüldüğü gibi geribesleme yolu kapatılmamıştır. Şekilden; ………………………………………………………………………………(2)

Uf = -β. = - β.K. …………………………………………………………….…..(3)yazılabilir. Sayet

-β(w)K(w)=1koşulu sağlanırsa

Uf = Ug ………………………………………………………………..…………………(5)olur. Dolayısıyla bu koşul sağlandığında, kuvvetlendiricinin girişine uygulanan Ug işaretini kaldırıp, geribesleme yolunun çıkışını (Uf işaretini) kuvvetlendiricinin girişine bağlayacak olursak girişine işaret uygulanmasa da çıkıştaki işaret Uo olmaya devam edecektir. Girişine uygulanan bir işaret olmadan devre istenen çıkış işareti için gereken giriş işaretini kendisi üretmektedir ve devre bir işaret kaynağı olarak çalışmaktadır. Bu işin sürüp gidebilmesi için (5) eşitliğinin tüm zamanlarda sağlanması gerekir. (4) koşulu çevrim kazancının 1’e eşit olması anlamına gelir. -1 işaretinden ötürü, eşitliğin sağlanabilmesi için β veya K’nın 1800 faz döndürerek bir negatif ön işaret daha getirmesi gerekir. Bu ise β, K veya her ikisinin toplam 1800 daha faz farkına sahip olmasının gerektiği demektir.

Hem β, hem de K devresi doğrusal ise, kuvvetlendiricinin Uo çıkış işareti sinüsoidal olacaktır, zira doğrusal devrelerden şekli bozulmadan geçebilen tek işaret sinüsoidal işarettir. Diğer taraftan gerçek sistemlerin ancak belirli bir çalışma aralığında doğrusal sayılabileceklerini biliyorsunuz. İşin doğrusu, işaret üreteçlerinde kullanılan tüm devreler doğrusal olsalardı, bu tür kaynakları yapmak olanaksız olurdu. Zira –β.K=1 koşulu, olsa olsa yaklaşık olarak sağlanabilir. Fakat hiçbir zaman tam tamına gerçeklenemez. |1+βK|’nın, 1’den ε kadar büyük olduğunu varsayalım. ε’u ne kadar küçük yaparsanız yapın, işaret β.K yolu üzerinden her geçişinde biraz kuvvetlenecektir. Bu nedenle ki Uo genliği sürekli olarak artacaktır. Tersine , |1+βK|=1-ε olacak olursa işaret çıkıştan girişe her gelişinde biraz zayıflayacağından salınımlar yavaş yavaş sönüp gideceklerdir.

Çıkış genliği zamanla değişmeyen (buna kararsızlığın kararlı olması da diyebilirsiniz) kaynaklar yapabilmemizi devre elemanlarının doğrusal olmamalarına borçluyuz. Osilatörler her zaman |1+βK|, 1’den biraz küçük olacak şekilde (pozitif geribeslemeli) tasarlanırlar. Devreye gerilim uygulanmasından sonra, çıkışta bir işaret doğar ve genliği yavaş yavaş artmaya başlar. Sistem doğrusal olmadığından genlik artıkça kuvvetlendiricinin kazancı azalır. (4) koşulunun sağlandığı genliğe (veya bu genliği sağlayan çalışma noktasına) ulaşıldığında genlik sabit kalır.

46

İşaretin girişten başlayıp kuvvetlendirici ve geribesleme yolu üzerinden yeniden girişe gelen yolculuğundaki toplam faz farkı, 2π veya bunun tam katları olmalıdır ki girişteki işaret geribesleme yolundan gelen işarete eş olsun. Osilasyonlar ancak bu sayede sürekli olurlar. Hem kuvvetlendiricinin hem de geribesleme devresinin fazı, frekansa bağlı olduğundan yukarıdaki koşul tek bir frekansta sağlanır. Bu koşulun sağlandığı frekans devrenin salınım frekansıdır. Fakat bu frekansta aynı anda ikinci bir koşulun daha sağlanması gerekir. Osilasyonların sönmeden devam edebilmesi için çevrim kazancının (yani |βK|) genliği 1’e eş olmalıdır. Her iki koşulu kapsayan matematiksel ifadeβK=-1……………………… (6)olup, Barkhausen kriteri olarak bilinir.

9.2.2 OsilatörlerDC gerilimi istenilen frekansta işaretlere dönüştüren devrelere osilatör denir. Osilatörler DC gerilim kaynakları ile beslenirler. Bir osilatör devresi; osilasyonu başlatan rezonans devresi, kuvvetlendirici ve geribesleme katlarından oluşmaktadır. Temel osilatör devrelerinden sinüsoidal çıkış alınır. Fakat çıkışlarında kare, üçgen v.b dalga biçimleri elde edilebilen osilatör tasarımı da yapılabilir. Osilatörler; kullanım amaçları ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilirler. Osilasyonun başlamasını sağlayan rezonans devreleri genellikle; R-C veya R-L pasif devre elemanlarından oluşur. Aşağıda popüler ve yaygın kullanım alanları bulunan bazı osilatör tipleri sıralanmıştır.• RC Faz kaymalı osilatör• Wien Köprü osilatör• Kolpits osilatörü• Hartley osilatör• Kristal osilatör• Schmitt Tetikleyicili OsilatörOsilatörler, dijital devreler, alıcı ve verici devreleri, anahtarlamalı güç kaynakları gibi yerlerde çoğunlukla kullanılırlar.Bir osilatör devresinin oluşturulabilmesi için önce tank devresi (rezonans devresi) ve kuvvetlendirici devresine gereksinim vardır. Ayrıca osilasyonun sürekliliğini sağlamak için kuvvetlendirici devresinde pozitif geribesleme yapılmalıdır. Şekil 9.2’de ortak emetörlü bir kuvvetlendirici devresi görülmektedir. Bu kuvvetlendirici devresini geliştirerek bir osilatör devresine dönüştürebiliriz. Ortak emetörlü kuvvetlendirici devresinde; kuvvetlendirici girişine uygulanan işaret ile çıkışından alınan işaret arasında 1800 faz farkı olduğunu biliyoruz. Ortak emetörlü kuvvetlendirici devresini bir osilatör haline dönüştürmek için; kuvvetlendirici çıkışından alınacak işaretin bir kısmı, pozitif geribesleme ile kuvvetlendirici girişine uygulanmalıdır. Bu osilasyonun sürekliliği için gereklidir.

Şekil 9.2 OE’li kuvvetlendirici

Faz Kaymalı RC OsilatörKuvvetlendirici çıkış gerilimini; girişe geri besleyerek osilasyon elde edebilmek için, çıkış işaretini 1800 faz kaydırmak gerekmektedir. RC faz kaymalı osilatör devresinin temel prensibi bu koşula dayanmaktadır. Şekil 9.3’te RC faz kaymalı osilatör devresi verilmiştir. Devre dikkatlice incelendiğinde çıkış işaretinin bir kısmının RC geri besleme elemanları ile girişe geri besleme yapıldığı görülmektedir. Her bir RC hücresi; çıkış işaretini 600 faz kaydırmaktadır. Çıkış ile giriş arasında 3 adet faz kaydırma devresi kullanılmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin fazı 1800 kaydırılarak girişe pozitif geribesleme yapılmıştır.

47

Şekil 9.3 RC faz kaymalı osilatör devresi

Her bir RC devresinin 600 faz kaydırması istenirse R1=R2=Rg ve C1=C2=C3 olarak seçilmelidir. Rg, ortak emetörlü kuvvetlendiricinin giriş empedansıdır. Giriş empedansının R1 ve R2'ye eşit olması gerekmektedir. Bu koşullar sağlandığı zaman, çıkış işaretinin frekansı aşağıdaki formül yardımı ile bulunur.

Osilasyonların genliği, geri besleme oranına ve kuvvetlendiricinin kazancına bağlıdır. Geri besleme oranı seri RC devrelerinin toplam empedansına bağlıdır. Bu empedans arttıkça geri besleme oranı düşecek ve çıkış işaretinin (osilasyonun) genliği azalacaktır.


9.3.1 RC Faz Kaymalı Osilatör Devresi1- RC faz kaymalı osilatör için Şekil 9.4’teki devreyi kurun.2- Vo çıkışına bir osiloskop bağlayın ve Vo’ı izleyebilmek için osiloskobu ac aktarma moduna alın. 3- R1 = R2 = R3 = 1KΩ ve C1 = C2 = C3 = 220 nF iken, çıkış dalga şekli düzgün bir sinüs olacak

şekilde, 500KΩ potansiyometre ile dikkatlice ayarlayınız.4- Bu dalga şeklinin frekansını ölçüp, sonuç sayfasına kaydediniz.5- C1, C2 ve C3 kondansatörlerini 470 nF ile değiştirip adım 2-4’ü tekrarlayın.6- R1, R2 ve R3 dirençlerini 560 Ω ile değiştirip adım 2-5‘i tekrarlayın.

Şekil 9.4 RC Faz Kaymalı Osilatör Devresi


48



Deney 9.3.1

Fsalınım=……………

49

Documents

T · Web viewSol taraftaki denklem transistörün transfer denklemidir. Sağ taraftaki ise kendinden ön gerilimlendirilmiş JFET devresi için yük doğrusu denklemidir. Şekil 6.1