Fizik Elektronik Laboratuvarı II deney Kitapçığı GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ FİZ-252 ELEKTRONİK LABORATUARI-II DENEY KİTAPÇIĞI Saime Şebnem ÇETİN Adem TATAROĞLU Nefise DİLEK Selim ACAR Öğrencinin Adı-Soyadı: Numarası: Grup: 1 Bölüm Kurulumuz 20.12.2005 tarihinde toplanarak aşağıdaki kararları almıştır: Karar No 20.12.05-2: Bölümümüz lisans programında bulunan tüm laboratuar derslerinin G.Ü. Eğitim-Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin 13. Maddesinde tarif edilen “Özel Değerlendirmeli Ders” statüsünde okutulması ve bu derslerle ilgili uygulamanın Ek.2’de belirtilen kurallarla yürütülmesine, karar verildi. Karar No 20.12.05-2: Ek2 FİZİK BÖLÜMÜ ÖZEL DEĞERLENDİRMELİ DERS OLARAK LİSANS LABORATUVARLARI UYGULAMA KURALLARI Bölümümüz lisans programında bulunan tüm laboratuarlar derslerinde devam ve değerlendirme için geçerli olan esaslar aşağıdaki gibidir. Ön Sınav: Yapılacak deneyler ile ilgili olarak öğrencinin deneye hazırlılığını belirlemeye yönelik, deneye başlayabilmenin ön şartı olan teorik bir sınavdır. 100 puan üzerinden değerlenir ve 40 puandan daha az alan öğrenciler deneye alınmaz. Bu öğrenciler telafiye kalır. Bir öğrencinin telafiye kalabileceği maksimum deney sayısı 2’dir. Ön Çalışma: Öğrenciler yapılacak deneyle ilgili devre vb sistemleri kurabilecek ön bilgiye sahip olmalıdırlar. Ayrıca rapor yazmak için gerekli olan ön çalışmayı yapıp gelmeleri gerekir. Ön çalışmayı yapmayan öğrenci, hazırlıksız gelmiş olduğundan deneye alınmayabilir. Rapor: Her deney sonunda yazılacak olan rapor, yapılan deneyi bütünleştiren bir çalışmadır ve deney saati içinde yazılmalıdır. Raporlar her deney sonunda hazırlanır ve 100 üzerinden değerlenir. Telafi: Öğrencinin ön hazırlıksız olduğundan dolayı yapamadığı bir deneydir. Telafi deneyi öğrencinin deneyin yapılışını öğrenmesi için yapılır. Telafi deneylerinde ön sınav ve raporlara not verilmez. Ancak öğrenci deney sonunda rapor hazırlamalıdır. Telafi deneyine katılmayan öğrenci, ilgili deneyden devamsız sayılır. Devamsız olduğundan dolayı yapılamayan deneylerin telafisi yapılmaz. 2 Ara Sınavı: Dönem içinde teorik olarak yapılan bir sınavdır. Sınavda genel olarak rapor hazırlar gibi deney verileri verilerek öğrencinin deneyin yapılışı ve önemi üzerinde bilgisi yoklanır. 100 üzerinden değerlenir. Dönem sonu sınavı: İki aşamadan oluşur. İlk aşamada öğrencilerin hepsine aynı anda 45 dak.-1 saat’lik teorik bir sınav yapılır. 100 üzerinden değerlenir. İkinci aşamada öğrenciler tek tek alınarak kura sonucu herhangi bir deneyi yapması ve bu deney ile ilgili bir işlem yapması istenir 100 üzerinden değerlenir. Yapılan teorik sınavın %40’ı, uygulamalı sınavın %60’ı toplanarak final notu 100 puan üzerinden hesaplanır. Başarı notu: G.Ü Eğitim-öğretim sınav yönetmeliğinin 13. maddesinde “Özel Değerlendirmeli Dersler” başlığı altında ifade edildiği şekliyle başarı notu; dönem içi çalışmaların (ön sınav +rapor notlarının) %30’u, vize notunun %30’u ile dönem sonu sınavının %40’ının toplamı sonucu belirlenir. Devamsızlık Durumu: Dersle ilgili deney sayısının % 30’una gelmeyen öğrenci devamsız sayılır ve sonraki deneylere katılamaz. 3 GİRİ Ş Elektronik laboratuarlarının ilk amacı, sizlere derslerde incelenen konularla ilgili doğrudan deneyimler kazandırmaktır. Buna ek olarak, herhangi bir laboratuar çalışmasında çok önemli ve değerli olan ölçme ve çözümleme yöntemlerini de öğretir. Bu laboratuar, doğru bir laboratuar çalışmasını gerçekleştirme ve teoride öğretilenlerin gerçekliğini sınama yeteneğinizi geliştirecektir. Laboratuara gelmeden önce yapacağınız deneyi okuyunuz. Deneysel işlemleri ayrıntılı olarak anlamanız gerekmez, fakat deneyin içerdiği kurallar ve izlenecek deneysel yaklaşım hakkında genel bir bilginiz olmalıdır. Bunun için kitapçığınızın ‘‘teorik bilgi’’ kısımlarında aşırı teori içermeyen deneyle ilgili bilgileri bulabilirsiniz. Burada sizin anlayamadığınız bazı noktaların başka kaynaklardan yararlanarak konu hakkındaki bilginizi artırmak amaçlanmaktadır. Laboratuara gelmeden önce öğrenci deneyin ‘deneyin adı’, ‘deneyin amacı’, ‘teorik bilgi’ kısmı hazırlanarak (deney kitapçığının aynısı olmayacaktır) ve ‘ön çalışma’ kısmını cevaplayarak rapor olarak A4 kağıdına hazırlayıp gelecektir. Laboratuar süresi içinde ölçümlerinizi not alınız. Verilerinizi yazdıktan sonra hesapları yapınız. Daha sonra raporunuza ‘deney’ başlığı altında bunları ekleyiniz. Eğer deneyinizde grafik varsa ‘‘grafik kağıdına’’ çizerek raporunuza yapıştırınız ya da grafik kağıdında veriniz. Yorumunuzu da rapora ekleyerek değerlendirilmesi için raporunuzu teslim ediniz. Elektronik laboratuarında her hafta bütün gruplar tarafından aynı deney yapılacaktır. Bu yüzden grubunuzla beraber size verilen deney seti ve içerdiği cihazlar masa değiştirmeden dönem sonuna kadar kullanılacaktır. Deneye başlamadan önce bu cihazların tam ve sağlam olup olmadığını kontrol ediniz. Deney sonunda, deney masanızı deneye başladığınız şekilde teslim ediniz. Kullandığınız devre elemanlarını ve kabloları düzgün bir şekilde bırakınız. Ayrıca deney masanızı temiz olarak teslim etmeyi ihmal etmeyiniz. 4 İÇİNDEKİLER DENEY.1 - Direkt Kuplaj ..................................................................................................... 1 DENEY.2 - IF (ara frekans) Yükselteci ............................................................................... 6 DENEY.3 - Darlington Yükselteç ......................................................................................... 9 DENEY.4 - A- Tipi Güç Yükselteç ....................................................................................... 14 DENEY.5 - B-Tipi Güç Yükselteç ......................................................................................... 19 DENEY.6 - Eviren Yükselteç ................................................................................................ 22 DENEY.7 - Toplama Ve Çıkartma Yapan Op-Amp Devreleri ......................................... 32 DENEY.8 - Türev Ve İntegral Alan Op-Amp Devreleri .................................................... 36 DENEY.9 - Kıyaslayıcı (Comparator) Devresi .................................................................... 43 EK - Direnç Renk Kodları ..................................................................................................... 46 1 DENEYİN AMACI: Kuplaj yöntemlerinden direkt kuplaj’ı incelemek. TEORİK BİLGİ: Birden fazla transistörü doğrudan birbirleri ile bağlayarak çok transistörlü yükselteçler oluşturmak mümkündür. Şekil 1.1’de bu tip bir yükselteç görülmektedir. Birinci katın kollektörü (çıkışı) ikinci katın bazına (girişine) doğrudan uygulanmıştır. Bu tip bağlantıya direkt kuplaj denir. Bu devrenin diğer kuplaj devrelerine olan üstünlüğü daha az devre elemanına gerek göstermesi ve DC’ e varan bir banda sahip olmasıdır. Bu tip yükselteçlerde ikinci katın emiter direnci AC bakımdan kısa devre edilmemiş olduğundan, bu katın birinci katı yüklemesi (hem DC hem AC bakımdan) söz konusu olmamaktadır. Şekil 1.1’deki gibi direkt kuplajlı yükselteçte gerilim kazancı ilk katta sağlanır. İkinci katın gerilim kazancı (emiter direncine paralel kondansatör olmadığından ve bu direnç büyükçe seçildiğinden) oldukça düşüktür. Şekil 1.1 DENEY NO: 1 DİREKT KUPLAJ 2 Emiteri ortak bağlı transistörlü devreler gerilim yükseltici olarak görev yaparlar. Girişe uygulanan sinyal, çıkıştan yükseltilmiş olarak alınır. Böyle bir devrenin gerilim kazancı iki yolla bulunabilir: ? Çıkış geriliminin, giriş gerilimine oranı gerilim kazancını verir. CE V BE V A V ? () () çıkış V giri ş V tepe tepe A V tepe tepe ?? ? ? ?? ? ?? ?? . ? Kollektör direncinin emiter direncine oranı gerilim kazancını verir. C V E R A R ? Şekil 1.1’deki direkt kuplajlı yükselteç devresinde, her katın ve tüm yükseltecin kazançları direnç değerlerinden yararlanılarak aşağıdaki gibi bulunur: Birinci katın gerilim kazancı, A V1 = R C1 / R E1 İkinci katın gerilim kazancı, A V2 = R C2 / R E2 Devrenin toplam gerilim kazancı, A VT = A V1 . A V2 3 ÖN ÇALIŞMA: 1. a) Şekil 1.2’deki kuplaj devresinin girişine, V giriş (tepe-tepe) =200 mV ve f=2 kHz olan sinüzoidal sinyal uygulanıyor. Her katın gerilim kazançlarını, devrenin toplam gerilim kazancını ve her katın çıkış gerilimlerini hesaplayınız. b) Devrenin çıkış gerilimini aşağıdaki osiloskop ekranına orantılı olarak çiziniz (Volt/div ve Time/div düğmelerine gerekli çarpanları belirtiniz). Şekil 1.2 Time / Div Volt / Div 4 EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. DENEY: 1. Devreyi Şekil 1.3’deki gibi kurunuz. 2. İşaret üretecinin çıkışını genliği 200 mV (tepe-tepe), frekansı 10 KHz olacak şekilde ayarlayınız. Ama girişe henüz uygulamayınız. 3. Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra girişe AC sinyalinizi uygulayınız. Şekil 1.3 4. Şekil 1.3’de X ile gösterilen kısa devre elemanını çıkararak 1. ve 2. katları birbirinden ayırınız. 5. P potansiyometresi ile T 1 transistörünün kollektörü ile toprak arasındaki gerilimi 2.7 volta ayarlayınız. 6. X kısa devre çubuğunu tekrar yerine takınız. Aşağıdaki gerilimleri ölçerek not ediniz. Değerler normal midir? V RC2 = V RE2 = V CE2 = 5 7. İşaret üretecini devre girişine, osiloskobu da devre çıkışına bağlayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini osiloskopta gözleyip, milimetrik kağıda şeklini çiziniz. a) Çıkışın genliğini ölçüp not ediniz. Devrenin gerilim kazancı ne kadardır? V çıkış (tepe-tepe) = A VT = V çıkış (tepe-tepe) / V giriş (tepe-tepe) = b) Osiloskop kullanarak her katın ayrı ayrı gerilim kazançlarını bulunuz. Katların gerilim kazançlarının çarpımı devrenin kazancını veriyor mu? Sonuçları ön çalışmada bulduğunuz sonuçlarla karşılaştırınız. ? 1. katın giriş gerilimi, V BE1 (tepe-tepe) = V giriş (tepe-tepe) = ? 1. katın çıkış gerilimi, V CE1 (tepe-tepe) = ? 2. katın giriş gerilimi, V BE2 (tepe-tepe) = V CE1 (tepe-tepe) = ? 2. katın çıkış gerilimi, V CE2 (tepe-tepe) = V çıkış (tepe-tepe) = ? 1.katın gerilim kazancı, A V1 = ? 2. katın gerilim kazancı, A V2 = ? Devrenin toplam gerilim kazancı, A VT = 8. Giriş işaretinin genliğini değiştirmeden frekansını sırasıyla 1KHz, 100Hz, 10Hz, yapıp her defasında devrenin kazancını bularak, Tablo 1’de yerine yazınız. Tablo 1 Frekans 10 KHz 1 KHz 100 Hz 10 Hz 100 KHz V çıkış (tepe-tepe) (V) A V Bulduğunuz sonuçlara göre DC kuplajlı yükseltecin bant genişliği hakkında ne gibi sonuçlara vardınız? Açıklayınız. 9. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 6 DENEYİN AMACI: IF (ara frekans) yükseltecinin çalışmasını ve özelliklerini incelemek. TEORİK BİLGİ: Şekil 2.1 Anten alıcılarında antene gelen RF (radyo-frekans) işaret, çeviricide IF (ara frekans) işaretine çevrilmektedir. Antene gelen değişik RF değerlerine, standart bir tek IF karşılık gelir. Örneğin genlik modüleli radyolarda IF 455 KHz, frekans modüleli radyolarda 10.7 MHz, 1800 kanal mikrodalga alıcılarında 70 MHz’ dir. Örnekler çoğaltılabilir. IF işaretlerin kuvvetlendirilmesi için IF yükselteçler kullanılır. Şekil 2.1’de bir IF yükselteç görülmektedir. Aslında bu devre bir “emiteri ortak bağlı yükselteç” dir. Kollektörüne bağlı tank nedeniyle bu yükselteç seçici özellik taşır. Genlik modüleli radyo alıcılarında ara frekans (IF) yükseltecinin seçici olduğu frekans bölgesi, 455KHz merkez frekanslı, 10 KHz genişlikli bir banttır. Şekil 2.2’de tipik bir genlik modüleli radyo alıcısına ait IF yükseltecin kazanç-frekans eğrisi görülmektedir. IF yükseltecinin 10 KHz’lik band genişliği, “3 dB band genişliği” olarak tanımlanır. DENEY NO: 2 IF (ARA FREKANS) YÜKSELTECİ 7 Şekil 2.2 Şekil 2.3 IF yükseltecin seçiciliğini sağlayan tank devresi ayrı ayrı L ve C elemanlarından yapılmaktadır. Bu elemanlar “ara frekans süzgeci” adı altında toplu halde bulunmaktadır. Bu süzgeçlerin üstten görünüşü ve iç bağlantısı Şekil 2.3’de görülüyor. Küp şeklinde olan süzgeçlerin üzerindeki vida, L T bobini içindeki nüveyi aşağı yukarı hareket ettirmektedir. Dolayısıyla tank devresinin rezonans frekansı L T C T 455 KHz’den farklı değerlere de ayarlanabilmektedir. Şekil 2.1 ve Şekil 2.3 incelenirse süzgecin devreye bağlantı şekli anlaşılabilir. IF süzgecinin yapısında bulunan L 1 bobini çıkışın yükselmesini önlemek içindir. Üç tip ara frekans süzgeci vardır. Üçü de 455 KHz ara frekansı etrafında rezonans frekansa ayarlanabilir tiptedir. Farklılıklar bobin ve kondansatör değerlerindedir. Birbirlerinden ayar vidası renkleri ile ayrılırlar. Ayar vidası sarı, beyaz ve siyah renkte olabilir. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 2.2 ’deki grafiğe göre, IF süzgecin rezonans frekansı ne kadardır? 2. IF yükseltecinin kazanç-frekans eğrisini çizerek kısaca açıklayınız. EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. 8 DENEY: I. Tek kat IF yükseltecin frekans bandının incelenmesi: Şekil 2.4 1. Devreyi Şekil 2.4’deki gibi kurunuz. 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra besleme gerilimini uygulayınız. 3. İşaret üretecini 200 mV (tepe-tepe) genlikli ve 455 KHz frekanslı bir sinüzoidal işarete ayarlayıp devre girişine bağlayınız. 4. Osiloskobu frekansı 455 KHz civarında olan bir işareti gösterecek şekilde hazırlayıp, devre çıkışına bağlayınız. 5. Osiloskop ekranını gözleyiniz. Siyah IF bobininin nüvesini yavaşça değiştirerek çıkışı maksimum yapınız. DİKKAT: AYAR SIRASINDA BOBİNİN NÜVESİNİ ZORLAMAYINIZ. 6. İşaret üretecinin frekansını yavaş yavaş artırınız ve azaltınız. a) Çıkış işaretinin genliği de artıyor mu? b) Çıkış işaretinin genliği, giriş işaretinin hangi frekans değerinde maksimum olmaktadır? Bu sırada devrenin kazancı nedir? Hesaplayınız. f giriş = V çıkış (tepe-tepe) = A V = c) IF yükseltecin 3 dB band genişliğini bulunuz. 7. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 9 DENEYİN AMACI: Darlington bağlı yükselteci incelemek. TEORİK BİLGİ: Darlington bağlı yükselteçler ''Darlington Çifti'' olarak da bilinirler. Şekil 3.1'de böyle bir devre görülmektedir. Burada dikdörtgen kutu içerisinde gösterilen çift, Darlington çiftidir ve akım kazancı her iki transistörün kazançları çarpımına eşit tek bir transistör gibi düşünülebilir. Örneğin, T 1 transistörünün akım kazancı ? 1 , T 2 transistörünün akım kazancı ? 2 ise, darlington çiftinin kazancı, ? D = ? 1 . ? 2 olmaktadır. Eğer ? 1 = ? 2 = 100 ise ? D = 10000 olur. Görüldüğü gibi, iki transistör darlington tipi bağlandıklarında çok büyük akım kazancına ulaşılabilir. Ancak, burada şu noktaya dikkat etmek gerekir: Çiftin ilk transistörü doğal olarak çok düşük kollektör akımında çalışmak zorundadır. Bu durumda ilk transistörün akım kazancı oldukça küçük olacaktır. Çünkü bir transistörde akım kazancı, kollektör akımı azaldıkça azalır. Bu nedenle çiftin toplam akım kazancı beklenildiği kadar yüksek olmayacaktır. Bu bakımdan herhangi iki npn (veya pnp) transistörü Şekil 3.1'deki gibi bağlanmakla gerçek bir darlington çifti elde edilmiş olmaz. Darlington çiftindeki ilk transistör düşük kollektör akımında bile yüksek akım kazancı sağlayacak şekilde özel imal edilirler. Şekil 3.1'deki devrenin bir diğer özelliği de R B1 ve R B2 dirençlerinin yüksek değerli seçilebilmesidir. Şekil 3.1 DENEY NO: 3 DARLİNGTON YÜKSELTEÇ 10 Darlington bağlantıda, R B2 direncinin yüksek değerde seçilmesi devrenin kararlılığını kötüleştirmez. Bu durum, darlington bağlantıda giriş empedansının yüksek düzeyde oluşturulabilmesine imkan sağlar. Darlington bağlantı yüksek akım kazancı ve yüksek giriş empedansı istenildiğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Şekil 3.1’deki devrede darlingtonun giriş empedansı şu şekilde verilir: Z darlington = ? . (R E //R Y ) 1 11 darlington EY Z RR ? ? ?? ?? ?? ?? Devrenin toplam giriş empedansı ise, Z giriş = R B1 //R B2 // Z darlington darlington 2 B 1 B giri ş Z 1 R 1 R 1 Z 1 ? ? ? 1 12 1 1 1 giri ş B B darlington Z R R Z ? ?? ? ? ? ?? ?? ?? şeklinde hesaplanır. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 3.2’deki devrede T 1 ve T 2 transistörlerinin akım kazançları ? 1 = ? 2 =300'dür. Transistörler silisyumdur. Devrenin, a) Toplam akım kazancını, b)T 1 'in bazından görülecek giriş empedansını (darlingtonun giriş empedansını), c)Devrenin toplam giriş empedansını hesaplayınız. Şekil 3.2 11 EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. DENEY: I. Darlington çiftinin DC bakımından incelenmesi: 1. Devreyi Şekil 3.3’deki gibi kurunuz. 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra +12V DC gerilimi devreye uygulayınız. Şekil 3.3 3. Multimetreyi kullanarak T 1 transistörünün DC baz akımını ölçüp not ediniz. I B1 = 4. T2 transistörünün DC emiter akımını ölçüp not ediniz. I E2 = 5. Yaptığınız ölçümlere göre, darlington çiftinin akım kazancını hesaplayınız. Bu tür bağlantıda çok yüksek akım kazancı elde ediliyor mu? ? = 6. Multimetreyi T 1 transistörünün emiteri ile T 2 transistörünün bazı arasına bağlayınız. T 1 transistörünün DC emiter akımını ölçüp not ediniz. I E1 = a) T 1 ve T 2 transistörlerinin akım kazançlarını ayrı ayrı hesaplayınız. ? 1 = ? 2 = 68 K 12 b) Hangisinin akım kazancı daha düşüktür? 7. Multimetre ile her iki transistöründe V CE gerilimlerini ölçünüz. Transistörlerin her ikisi de uygun çalışma noktasında mıdır? V CE1 = V CE2 = II. Darlington çiftinin AC bakımından incelenmesi: 1. Devreyi Şekil 3.4’deki konuma getiriniz. 2. Devre girişine uygulayacağınız işaret, 2 V(tepe-tepe) genlikli ve 1 KHz frekanslı bir sinüzoidal olacaktır. İşaret üretecini buna göre hazırlayınız. 3.Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra +12V DC gerilimi (devrenin doğru beslenmesi için) devreye uygulayınız. Şekil 3.4 4. Osiloskobun bir kanalını devrenin girişine, diğer kanalını da devrenin çıkışına bağlayınız. Çıkış işaretinin genliğini ölçerek devrenin gerilim kazancını bulunuz. Devre gerilim yükseltmesi yapmış mıdır? V çıkış (tepe-tepe) = A V = 5. Multimetreyi kullanarak, T 1 transistörüne ait I B akımını ölçüp, not ediniz Bu akımın RMS değerli olduğunu unutmayınız. I B1 (RMS) = 68 K 13 6. V çıkış geriliminin RMS değerini hesaplayınız. V çıkış (RMS) = 7. V çıkış gerilimi ve bu gerilimin üzerinde oluştuğu direnç (R E // R Y ) bilindiğine göre T 2 transistörünün AC emiter akımının (I E ) RMS değerini hesaplayınız. I E2 (RMS) = NOT: (I E ) akımını multimetre kullanarak da bulabilirsiniz. Ancak burada (R E // R Y ) değeri oldukça küçük olduğundan ölçüm aletinin iç direnci, ölçülecek değeri çok etkiler. Bu nedenle sağlıklı bir ölçüm yapmak zordur ve yukarıdaki yöntemi tercih etmeniz daha doğru olur. 8. Giriş ve çıkış AC akımları bilindiğine göre, a) Darlington çiftinin akım kazancını bulup not ediniz. ? = b) Deneysel olarak bulduğunuz akım kazancını kullanarak darlington çiftinin giriş empedansını hesaplayınız. Z darlington = 9. R B1 // R B2 // Z darlington (Darlington) olduğuna göre devrenin giriş empedansını hesaplayınız. Z giriş = 10. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 14 DENEYİN AMACI: A- tipi güç yükselteçlerin incelenmesi. TEORİK BİLGİ: Bu tip yükselteçlerde güç transistörü A-tipi çalışır. Bir başka deyişle, girişe uygulanan işaretin tüm periyodu boyunca transistör içinden akım akar. A-tipi yükselteçlerde kayıp fazladır. Bu yüzden verim düşüktür (%25 civarında). Güç transistörü en az, yüke iletilecek gücün iki katına dayanabilecek güçte olmalıdır. Buna göre yüke 1W iletilmek isteniyorsa, güç transistörünün 2W güçte olması gerekir. A-tipi güç yükselteçlerini en fazla 1-2 W çıkışa kadar kullanmak uygundur. Daha yüksek güçlü bir yükselteç isteniliyorsa, B ve AB-tipi bir devre oluşturmak daha yerinde olur. Genellikle, A-tipi yükselteç denildiğinde akla hemen transformatör kuplajlı yükselteçler gelmektedir. Ancak, bu tip yükselteçlerde yükseltecin çalışması ve özellikleri tamamen kullanılan transformatöre bağlı olduğundan herhangi bir devre esnekliği söz konusu değildir. Bunun yanı sıra, yükseltecin yeterli genişlikte bir frekans bandına sahip olabilmesi için kullanılacak ses frekans transformatörün çok kaliteli olması gerekir. Transformatörlü A-tipi yükselteçler gücü 1W’ tan az yükselteç uygulamalarında kullanılır. Bu deneyde daha modern bir A-tipi güç yükselteci incelenecektir. Bu deneyde incelenecek olan A-tipi yükselteç, direkt kuplajlı emiter izleyicidir. Şekil 4.1’de bu devrenin basit hali görülmektedir. A-tipi güç yükselteci olarak kollektörü ortak bağlantının kullanılma nedenleri şunlardır: ? Emiteri ortak ( veya bazı ortak) bağlantı kullanılmış olsa idi, akım geri beslemesi için emiter ucuna bir direnç bağlamak gerekirdi. Bu durum ilave güç kaybına yol açardı. ? Ayrıca emiterdeki direnci AC açıdan kısa devre etmek için kullanılacak kondansatörün kaliteli olma gereğinden dolayı maliyet artacaktı. Yukarıda belirtilen nedenlerden dolayı, kollektörü ortak bağlantı (emiter izleyici) A-tipi direkt kuplajlı güç yükselteçlerinde yaygın olarak kullanılan bağlantı tipidir. Ancak devre, Şekil 4.1’deki durumu ile yeterli değildir. Çünkü devrenin gerilim kazancı 1’dir. Bu yüzden devreye bir transistör ilavesi yapılarak güç transistörüne uygulanmadan önce işaretin gerilim DENEY NO : 4 A- TİPİ GÜÇ YÜKSELTEÇ 15 düzeyi yükseltilir (Şekil 4.2). Bu ilave transistöre “sürücü” transistör denilir. Bu devrede T 1 transistörü, girişine uygulanan işaretin genliğini yükseltir. T2 transistörü ise, gerilim kazancı 1 olduğundan akımı yükseltir. Böylece güç kazancı sağlanmış olur. Devreye işaret uygulanmadığı zamanlarda T 1 transistöründe V CE = V CC /2 ve I C =0,4?I C(max) olacak şekilde devre tasarlanır. Burada I C(max) , T 2 transistöründen çekilebilecek maksimum kollektör akımıdır. Normal bir uygulamada kollektör akımı, giriş işaretine bağlı olarak, DC değeri etrafında 0 ile 0,8 ?I C(max) arasında salınım yapar. Bu oldukça geniş bir çalışma alanıdır. Şekil 4.1 Şekil 4.2 Şekil 4.3 Şekil 4.4 16 Bu yüzden doğrusallık bozularak çıkış işaretinde bozulma (distorsiyon) görülebilir. Bozulma miktarı R Y ’nin kendisi tarafından yapılan akım geri beslemesi ile azaltılmış olmakla birlikte, oldukça büyük miktarlarda oluşabilir. Çünkü, T 2 transistörü geniş bir çalışma bölgesine sahiptir. Bu bozulmayı azaltmak için, hem güç hem de sürücü katlarını içeren bir gerilim geri beslemesi yapılır (Şekil 4.3). Ancak, bu tip bir geri beslemede giriş empedansı çok düşeceğinden sakınca yaratır. Bu yüzden devreyi Şekil 4.4’deki gibi oluşturmak daha uygundur. Görüldüğü gibi, R GB direnci R GB1 ve R GB2 olmak üzere iki parçaya bölünmüştür. C E kondansatörü AC bakımdan R GB1 ve R GB2 dirençlerinin ortak uçlarını toprağa bağlar. Böylece, AC geri besleme sonucu düşen giriş empedansı yükseltilmiş olur. R 1 direnci baz akımını bölerek transistörün doyuma girmesini engeller. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 4.4’deki devrede C E kondansatörü yerinden çıkarılırsa, yük üzerine düşen DC gerilim genliğinde azalma olur mu? Niçin? 2. Aynı soruyu yük üzerine düşen AC gerilim genliği açısından cevaplayınız. 3. Aynı devredeki R Y direncinin oldukça küçük olması ne gibi sorunlar oluşturur? 4. Söz konusu devrenin giriş empedansı hakkında ne söyleyebilirsiniz? Açıklayınız. EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. 17 DENEY: I. A-tipi güç yükseltecinin DC bakımdan incelenmesi: 1. Devreyi Şekil 4.5’deki gibi kurunuz. Şekil 4.5 2. DC güç kaynağını +3V ayarlayınız. 3. Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra gerilim uygulayınız. Eğer, güç kaynağı üzerindeki kırmızı lamba yanıyorsa, akım sınırı düğmesini saat yönünde yeşil ışık yanana kadar yavaşça çeviriniz. 4. Multimetreyi DC gerilim ölçümüne hazırlayınız. Sırasıyla, V BE (T 1 ), V CE (T 1 ), V E (T 2 ) (yük üzerindeki gerilim) gerilimlerini ölçüp not ediniz. Ölçtüğünüz değerlerin normal olup olmadığını tartışınız. V BE (T 1 ) = V CE (T 1 ) = V E (T 2 ) = 5. Multimetreyi DC akım ölçümüne hazırlayınız. Devrenin kaynaktan çektiği akımı ölçüp, not ediniz. I = 4.7 ?F 18 II. A- tipi güç yükseltecinin AC bakımından incelenmesi: 1. İşaret üretecinin çıkışını 200 mV (tepe-tepe) genlikli ve 1 KHz frekanslı bir sinüzoidal sinyale ayarlayınız. 2. Osiloskobun bir kanalını Şekil 4.5’deki devre girişine, diğer kanalını da devre çıkışına bağlayınız. 3. Sinüzoidal AC sinyali devrenin girişine uygulayınız. Hoparlörden ses net olarak geliyor mu? Çıkış işareti düzgün bir sinüzoidal mı? Eğer çıkışta bozulma varsa giriş seviyesini azaltınız. Çıkış gücünü hesaplayınız. V çıkış (tepe-tepe) = V çıkış (RMS) = P çıkış (RMS) = 4. Devre girişi ile çıkışını birlikte gözleyerek; devrenin gerilim kazancını bulunuz. A V = 5. C E kondansatörünü yerinden çıkarınız. Çıkış işaretinin seviyesi düştü mü? Niçin? 6. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 19 DENEYİN AMACI: Tümler simetrik (komplementer) B-tipi güç yükseltecinin çalışmasını incelemek. TEORİK BİLGİ: Tümler simetrik B tipi güç yükseltecinin genel yapısı Şekil 5.1’de görülmektedir. Burada, T 1 transistörü A tipi çalışır. Çıkış transistörlerini (T 2 , T 3 ) sürme görevi yapar. Genellikle emiteri ortak bağlantı tipindedir. Tüm devrenin gerilim kazancı burada sağlanır. Şekil 5.1 T 2 ve T 3 transistörleri B-tipi çalışırlar. Tümler simetrik (komplementer) özelliktedirler. Kollektörü ortak bağlantı (emiter izleyici) tipinde olduklarından, bu katta gerilim kazancı olmaz. Yalnızca akım kazancı sağlanır. R E2 ve R E3 dirençleri çıkış katına kararlılık vermek için konulmuşlardır. R B1 direnci çıkış katından sürücü girişine doğru gerilim geri beslemesi sağlamaktadır. Ancak devre bu hali ile kullanılmaya pek uygun sayılmaz. Çünkü T 1 çıkışı T 2 ve T 3 transistörlerini bütün bir yarı peryot boyunca süremez. Bu yüzden geçiş bozulması (crossover distortion) oluşur. Bu bozulmayı önlemek için T 2 ve T 3 transistörlerinde az bir polarma akımı dolaştırılır. Böylece çıkış katı, AB-tipi çalıştırılmış, söz konusu bozulma da önlenmiş olur. ÖN ÇALIŞMA: 1. B-tipi güç yükseltecinde çıkış işaretinde neden bozulma gözlenir? Açıklayınız. DENEY NO : 5 B-TİPİ GÜÇ YÜKSELTEÇ 20 EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. DENEY: Şekil 5.3 1. Devreyi Şekil 5.3`deki gibi kurunuz. 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettirdikten sonra devreye 12 V DC gerilim uygulayınız. İşaret üretecini henüz devre girişine bağlamayınız. 3. Multimetreyi DC gerilim ölçmeye hazırlayınız. a) Multimetre ile V CE (T 1 ), V CE (T 2 ) ve V CE (T 3 ) gerilimlerini ölçüp not ediniz. V CE (T 1 ) = V CE (T 2 ) = V CE (T 3 ) = b) V CE (T 2 ) = V CE (T 3 ) = V CC /2 oluyor mu? Olmuyorsa sebebi ne olabilir? c) X noktasının toprağa göre bulunduğu gerilim düzeyi (V X ) ne kadardır? Ölçüp, not ediniz. Bu gerilim, kaynak geriliminin yaklaşık yarısı oluyor mu? V X = 4. İşaret üretecini 1 KHz frekanslı ve 200 mV (tepe-tepe) genlikli sinüzoidal işarete ayarlayınız ve devre girişine uygulayınız. 5. Osiloskobu devrenin çıkışına bağlayıp, çıkıştaki işareti gözleyiniz. Çıkış işaretindeki geçiş bozulmasını (crossover distortion) gözlediniz mi? Bu bozulmanın nedenini açıklayınız. 4.7 ? 4.7 ? 21 6. a) Çıkış işaretinin genliğini ölçüp, not ediniz. V çıkış (tepe-tepe) = b) Devrenin gerilim kazancını hesaplayınız. A V = c) R Y =8 ? olduğuna göre devrenin yüke ilettiği gücü (çıkış gücünü) hesaplayınız. V çıkış (RMS) = P çıkış (RMS) = 7. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 22 DENEYİN AMACI: Op-amp uygulaması olarak eviren yükselteci (inverting amplifier) incelemek. TEORİK BİLGİ: OP-AMP: İşlemsel yükselteçler (kısaca op-amp) 1940’lı yıllardan beri bilinmekle beraber, asıl yaygın kullanım alanına, 1960’ lı yılların sonlarına doğru, tümleşik devre teknolojisi ile üretilmeye başlandığı zaman kavuşmuştur. Bugün artık op-amp denildiğinde tümleşik devre durumunda olanlar akla gelir. Genel olarak op-amp, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir. Çeşitli özellikleri, devreye dışarıdan bağlanan devre elemanları ve bunların sağladığı geri besleme ile kontrol altına alınabilir. Op-amp devresi tek başına düşünüldüğünde beş önemli özelliğe sahiptir. Bunlar: ? Kazancı çok fazladır (örneğin, 200 000). ? Giriş empedansı çok yüksektir (5 M?) ? Çıkış empedansı sıfıra yakındır. ? Band genişliği fazladır (1 MHz gibi). ? Girişe 0 V uygulandığında, çıkışta yaklaşık 0 V elde edilir. Şekil 6.1 Op-amp devresinin Şekil 6.1’deki gibi iki tür sembolik gösterilişi vardır. Şekil 6.1-a genellikle kullanılan sembolik şekildir. DENEY NO: 6 EVİREN YÜKSELTEÇ 23 Op-amp devrelerinde, genel olarak birbirine ters polaritede iki kaynak kullanılır.Bu kaynaklar devre şemalarında her zaman gösterilmezler. Daha ziyade girişler ve çıkış belirtilir. Şekil 6.1’ de görüldüğü gibi op-amp devresinin biri (+), diğeri (-) ile işaretlenmiş iki girişi vardır. (+) girişe uygulanan işaret çıkışa aynı fazda, (-) girişe uygulanan işaret ise çıkışa 180 ° ters fazda aktarılır. İki girişe birden uygulanan aynı işaret çıkışa aktarılmaz. (-) giriş ‘‘eviren (inverting)’’, (+) giriş ise ‘‘evirmeyen (non-inverting)’’ giriş olarak adlandırılır. Devrenin özellikleri giriş ucu olarak hangi ucun kullanıldığına ve çıkıştan girişe yapılan geri beslemenin miktarına bağlıdır. Şekil 6.2-a’ da giriş ucu olarak (+) uç kullanılmıştır. Bu devreye ‘‘evirmeyen yükselteç’’ denir. Şekil 6.2-b’ de ise giriş (-) uçtan yapılmıştır ve devre ‘‘eviren yükselteç’’ olarak bilinir. Burada yükselteç kazançlarının farklı olduğuna dikkat ediniz. Şekil 6.2 Op-amp Devresinin Önemli Parametreleri: ? Giriş ofset gerilimi (V io ) : Op-amp’ ın (+) ve (-) girişleri arasında ideal olarak 0 volt olması gerekir. Ancak pratikte, giriş uçlarının bağlı oldukları transistörlerin tam uyum içinde olmamaları nedeni ile giriş uçları arasında, çok küçük de olsa, bir ofset gerilimi oluşur. Bu gerilim op-amp’ ın kazancı ile çarpılarak çıkışana aktarılır ve çıkışta V o çıkış ofset gerilimi meydana gelir. V o gerilimi devrenin kazancına bağlı olduğu halde, V io gerilimi sabittir. V o ölçüldüğünde, V io giriş ofset gerilimi, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 R 2 R 1 io V o V formülünden bulunur. Bu formül, op-amp devresinin eviren veya evirmeyen yükselteç olarak çalışmasına bağlı değildir. Her iki durum için de geçerlidir (Şekil 6.2’ e bakınız). Op-amp devresinin kazancı yüksek tutulduğunda (R 2 /R 1 oranı büyük seçilerek) çıkışta oluşacak ofset gerilimi istenmeyen boyutlarda olabilir. Bu nedenle, op-amp’ ların çoğunda 24 dışardan ofset sıfırlama uçları bulunur. Bu uçlar arasına Şekil 6.3’ deki gibi bağlanacak bir potansiyometre ile çıkış ofset gerilimini sıfırlamak mümkündür. Sıcaklığın giriş ofset gerilimi üzerinde etkisi vardır. Transistör tekniği ile imal edilen op- amp’ larda her bir santigrad derece artışında, giriş ofset gerilimi 5 ila 10 µV artış gösterir. Şekil 6.3 ? Giriş polarma akımı (I b ) : Her iki girişten op-amp devresine akan akımların ortalama değeridir. V io gerilimi gibi, çıkışta istenmeyen DC seviye oluşumuna yol açar. Şekil 6.3’ deki devrede V giriş = 0 iken akım yönleri görülmektedir. Burada I b = I 1 + I 2 olmaktadır. I b = [ V b / R 1 ] + [ (V çıkış – V b ) / R 2 ] olur. V b ’ nin çok küçük olduğu göz önüne alınırsa, V çıkış = I b R 2 olur. Polarma akımının çıkış ofset gerilimine katkısı bu şekilde bulunabilir. Giriş polarma akımının çıkışta yol açacağı ofset gerilimi oluşumunu minimum düzeye indirmek için Şekil 6.4.a ve b’ deki yöntemler kullanılabilir. Şekil 6.4 ? Giriş ofset akımı (I io ) : V çıkış = 0 V olduğunda her iki giriş polarma akımı arasındaki farktır ve çıkışta, V çıkış = R 2 I io kadar ilave bir ofset geriliminin oluşmasına yol açar. ? Giriş empedansı (Z i ) : Girişlerden birinden bakıldığında diğeri topraklanmış durumda iken görülen empedanstır. Çok yüksektir. 25 ? Çıkış empedansı (Z o ) : Çıkıştan bakıldığında görülen empedanstır. Oldukça düşüktür. ? Çıkış kısa devre akımı (I osc ) : Op-amp devresinden çekilebilecek maksimum akımdır. ? Geri besleme yok iken gerilim kazancı (A vo ) : Op-amp devresine dışarıdan herhangi bir geri besleme sağlanmadığında, çıkış geriliminin giriş gerilimine oranıdır. ? Ortak mod tepki oranı (common mode rejection ratio-CMRR) : Op-amp devresinin, her iki girişine de ortak olan işareti kabul etmeme özelliğidir. Her iki girişe aynı anda uygulanan işaretin, çıkış işaretine oranına (dB cinsinden) eşittir. ? Kanal ayırımı: Bazı tümleşik op-amp devrelerinde birden fazla op-amp bir arada bulunabilir. Örneğin, deneylerde kullanılacak 747 nolu op-amp bünyesinde 2 adet birbirinden bağımsız op-amp vardır. Bu tür bağımsız op-amp devrelerinde, op-amp’ lardan birinin girişine uygulanan işaret, diğerinin çıkışında çok düşük de olsa bir işaret oluşturur. Bu işaret ne kadar küçük ise kanal ayırımı o kadar iyidir. Genellikle dB cinsinden oran ifadesi kullanılır. ? Algılama Hızı (Slew rate) : Op-amp’ ın band genişliği ile ilgili bir parametredir. Bu parametre, V/µs cinsinden ifade edilir. Op-amp’ ın ne kadar çabuk durum değiştireceği hakkında bilgi verir. Bu değer ne kadar büyük ise, op-amp o kadar geniş banda sahiptir ve girişine uygulanan çabuk değişen işaretleri bozmadan yükselterek çıkışına aktarır. Örnek olarak, söz konusu parametrelerin 747 op-amp’ ı için tipik değerleri Tablo 1’ de verilmiştir. Tablo 1. 747 Op-amp için parametreler V io I b I io Z i Z o I osc A vo CMRR Kanal Ayırımı Slew rate 1mV 30 nA 7 nA 2 M? 75 ? 25 mA 200.000 90 dB 120 dB 0.5 V/µs 26 Daha önce op-amp devresine dışarıdan geri besleme sağlamak suretiyle devrenin özelliklerini kontrol altına alma olanağı olduğu belirtilmişti. Şekil 6.5’ de op-amp devresinin çıkışından (-) girişe R 2 direnci ile geri besleme yapılmıştır. Bu durumda devrenin kazancı artık A vo değildir. Yeni kazanç, Av = 1 R 2 R şeklindedir. R 2 ve R 1 direnç oranını ayarlamak suretiyle kazanç kontrol altına alınır. A v daima A vo ’ dan küçüktür. Örneğin, R 2 = 1 M? ve R 1 = 10 K? ise A v = 100 olur. A v0 = 200 000 sayısı yanında bu değer oldukça küçük kalmaktadır. Şekil 6.5 Burada üzerinde durulması gereken bir diğer önemli nokta da op-amp devresinin DC ve DC’ e yakın frekanslarda yüksek kazanç göstermesidir. A vo = 200 000 sayısı sadece DC ve çok düşük frekanslardaki işaret uygulamaları için geçerlidir. Op-amp devresine uygulanan işaretin frekansı yükseldikçe A v0 düşer. Şekil 6.6’ da bu durum 741 op-amp’ ı için grafiksel olarak gösterilmiştir. Dikkat edilecek olursa; Kazanç ? Band Genişliği = Sabit olmaktadır. Bu sabit 1 MHz dir. Yine Şekil 6.6’ dan görüleceği gibi, 5-6 Hz’ e kadar A vo 200 000 civarındadır. Bu frekanstan sonra hemen hemen doğrusal bir şekilde azalmakta ve 1 MHz civarına A vo = 1 olmaktadır. Bu frekans f T ile gösterilir ve ‘‘1 kazanç frekansı’’ olarak tanımlanır. Şekil 6.6 27 Deneylerde 747 op-amp tümleşik devresi kullanılacaktır. Bu devrenin yapısında 2 adet birbirinden bağımsız op-amp vardır. Şekil 6.7’ de 747 op-amp tümleşik devresinin bacak tanımlaması görülmektedir. Şekil 6.7 Şekil 6.8 Tablo 2 741 op-amp devresi, deneylerimizde kullanılmakta beraber, çok sık olarak rastlanır. Bu nedenle, Şekil 6.8’ de bu devrenin bacak tanımlaması da verilmiştir. 747 op-amp devresindeki her op-amp’ ın özellikleri Tablo 2’de verilmiştir. Paremetre Koşullar Minimum Tipik Maksimum Birim Giriş ofset gerilimi 1 7.5 mV Giriş ofset akımı 7 300 nA Giriş polarma akımı 0.03 0.8 µA CMRR 70 90 dB Besleme akımı 2 3.3 mA Çıkış kısa devre akımı 25 mA Giriş empedansı 0.3 2 M? Çıkış empedansı 7.5 ? Kanal ayırımı 120 dB Slew rate R y ? 2K 0.5 V/µs Güç harcaması 50 85 mW Geri beslemsiz gerilim kazancı R y ? 2K 25.000 2x10 5 28 OP-AMP’IN EVİREN YÜKSELTEÇ OLARAK KULLANIMI: Şekil 6.9 Şekil 6.9’da op-amp devresinin eviren yükselteç olarak kullanımı görülmektedir. Burada işaret (-) girişe uygulanmıştır. R 1 giriş direnci, R 2 ise geri besleme direncidir. Op-amp devresinin özelliğinden dolayı X noktasındaki gerilim 0 V’ a yakındır. Bu nedenle, V giriş = i giriş R 1 yazılabilir. Benzer şekilde, V çıkış = -i f R 2 olur. i f =i giriş olduğundan, V çıkış = -i giriş R 2 = - 2 R 1 R giri ş V ? ? ? ? ? ? ? ? yazılabilir. Sonuç olarak, A V = V çıkış /V giriş = - R 2 /R 1 olur. Bu durumda, eviren yükseltecin gerilim kazancı (-R 2 /R 1 ) oranına eşit olmaktadır. İfadenin önündeki (-) işareti eviren yükseltecin giriş ve çıkışı arasında 180° faz farkı olduğunu göstermektedir. Eviren yükseltecin giriş empedansı R 1 direnç değerine eşittir. Çıkış empedansı ise çok küçüktür ve A v ile ters orantılıdır. R 2 = R 1 olarak seçildiğinde devrenin kazancı 1 olur. Böyle bir devre, genellikle bir işaretin polaritesi değiştirilmek istendiğinde kullanılır. 29 Şekil 6.10 Şekil 6.10’da görüldüğü gibi R 2 direnci değiştirilerek, kazancı kontrol edilebilir bir yükselteç oluşturulmuştur. K komütatörünün bulunduğu konuma göre devre kazancı değişik değerler alacaktır. Op-amp geri beslemesiz olarak kullanıldığında kazancının, DC ve DC’e yakın frekanslarda çok yüksek olduğu, frekans arttıkça kazancın 1’e yaklaştığı daha önce belirtilmişti (Şekil 6.6). Genellikle, op-amp devrelerinin A V (geri besleme varken ki kazanç) gerilim kazançlarının ne olması gerektiği şu şekilde belirlenir: istenilen band genişliğinde A vo ’nun değeri (Şekil 6.4’den veya benzer grafiklerden) bulunur. Emniyet payı düşünülerek, A v = A vo /10 olarak saptanır. Örneğin, band genişliğinin 10 KHz olması isteniyorsa (741 veya 747 op-amp kullanılarak) Şekil 6.6’dan A vo = 100 bulunur. Buna göre, A v = 100/10 = 10 olur. Bu durumda 741 (veya 747) kullanılarak 10 KHz band genişlikli bir yükselteç yapılacak ise, bu yükseltecin gerilim kazancı 10 olacak şekilde R 1 ve R 2 dirençleri seçilmelidir. Kazanç daha büyük olacak şekilde yapılacak R 1 ve R 2 seçimi bandı daraltacaktır. 30 ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 6.11’deki devrenin DC gerilim kazancını, a) R 2 = 10 K, b) R 2 = 33 K ve c) R 2 = 100 K değerleri için bulunuz. Şekil 6.11 Şekil 6.12 2. Şekil 6.12’deki devrenin kazancını ve band genişliğini hesaplayınız. EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. DENEY: Şekil 6.13 1. Devreyi Şekil 6.13’deki gibi kurunuz. R 2 = 10 K ? 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettiriniz. 3. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 V ve -12 V ’ a ayarlayınız. 4. ? 12 V besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 31 5. İşaret üretecini, frekansı 1 KHz ve genliği V giriş (tepe-tepe) = 1V olan bir sinüzoidal dalga verecek şekilde ayarlayınız. 6. İşaret üreteci çıkışını, devre girişine uygulayınız. a) V giriş ve V çıkış işaretlerini osiloskop ekranında bir arada gözleyip, milimetrik kağıda şeklini çiziniz. Aralarında faz farkı var mı? Varsa ne kadardır? b) Devrenin gerilim kazancını bulunuz. 7. R 2 direncini 33 K ? yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulunuz. 8. R 2 direncini 100 K ? yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulunuz. Bulduğunuz değeri Tablo 1’ de ayrılan yere yazınız. 9. Bu kazancı bir de formülle hesaplayınız ve Tablo 1’ de ayrılan yere yazınız. 10. Tablo 1’ deki giriş sinyalleri ve direnç değerleri için ölçüm alarak tabloyu doldurunuz. Tablo 1. 11. Tablo 1’ in incelenmesi sonucu: a) 1 R 2 R v A ? oluyor mu? b) Deneysel olarak bulduğunuz sonuçları ön çalışma 1’de bulduklarınız ile karşılaştırınız. 12. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. Giriş Sinyali (tepe-tepe): 100mV Giriş Sinyali: 500mV Giriş Sinyali: 1V R 2 (K ?) (A v ) ölçülen (A v ) hesaplanan (A v ) ölçülen (A v ) hesaplanan (A v ) ölçülen (A v ) hesaplanan 10 33 100 32 DENEYİN AMACI: Op-amp uygulaması olarak toplar yükselteç (summing amplifier) ve çıkartma yapan devreleri (difference amplifier) incelemek. TEORİK BİLGİ: Şekil 7.1’de, op-amp devresinin toplar yükselteç olarak kullanımı görülmektedir. Burada op- amp eviren yükselteç olarak çalışmakta olup çıkış; V çıkış = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 giri ş V 2 R F R 1 giri ş V 1 R F R olarak yazılabilir. Eğer R F = R 1 = R 2 seçilirse, V çıkış = - (V girişl + V giriş2 ) olur. Burada (-) işaret op-amp’ ın eviren yükselteç olarak çalışmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 7.1 Şekil 7.2 Şekil 7.2’ de op-amp devresinin, çıkartma işlemini nasıl yaptığına ait devre görülmektedir. Devreye süperpozisyon yöntemi uygulandığında; ? V giriş1 ’den dolayı çıkış (V' çıkış ) , V' çıkış = 1 giri ş V 1 R F R ? olur. ? V giriş2 ’den dolayı çıkış (V'' çıkış ), V'' çıkış = ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 R F R 1 3 R 2 R 2 gr V 3 R = 2 giri ş V 3 R 2 R 3 R 1 R F R 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? olur. DENEY NO: 7 TOPLAMA VE ÇIKARTMA YAPAN OP-AMP DEVRELERİ 33 ? V çıkış = V' çıkış + V'' çıkış = 1 giri ş V 1 R F R ? + 2 giri ş V 3 R 2 R 3 R 1 R F R 1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? olarak çıkış gerilimi bulunur. Eğer, R 1 = R 2 = R 3 = R F ise; V çıkış = V giriş2 - V giriş1 olur. Görüldüğü gibi, bu devre, girişine uygulanan gerilimlerin farkını almaktadır. R 3 = R F ve R 1 = R 2 olarak seçerek, devreyi fark yükselteci haline getirmek mümkündür. Örneğin; R 3 = R F = 100 K ? ve R 1 = R 2 = 10 K ? ise, devre çıkışında, giriş sinyalleri arasındaki farkın 10 katı görülecektir. ÖN ÇALIŞMA: Şekil 7.3 Şekil 7.4 1. Şekil 7.3’deki devrenin çıkışında kaç volt gözlenir? Hesaplayınız. 2. Aynı soruyu şekil 7.4’deki devre için de cevaplayınız. 3. Şekil 7.5’deki devre çıkışı kaç volttur? Hesaplayınız. 4. Aynı soruyu Şekil 7.6’deki devre için cevaplayınız. Şekil 7.5 Şekil 7.6 0,7 V 2,4 V 34 EK TEORİK BİLGİ: Araştırmalarınız sonucu bu deney ile ilgili elde ettiğiniz bilgileri yazınız. DENEY: I.Op-amp uygulaması olarak toplar yükseltecin incelenmesi: Şekil 7.7 1. Devreyi Şekil 7.7’deki gibi kurunuz. 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettiriniz. 3. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla, +12 volta ve –12 volta ayarlayınız. 4. Multimetre kullanarak; V giriş1 , V giriş2, V çıkış gerilimlerini ölçüp, not ediniz. V çıkış = - ( V giriş1 + V giriş2 ) oluyor mu? V giriş1 = V giriş2 = V çıkış = 5. R F = 33 K yapınız. 6. Multimetre kullanarak; V giriş1 , V giriş2 ve V çıkış gerilimlerini ölçüp, not ediniz. V çıkış = - ( V giriş1 + V giriş2 ) eşitliği yine geçerli mi? Değil ise niçin? Açıklayınız. V giriş1 = V giriş2 = V çıkış = 35 II. Op-amp uygulaması olarak çıkartma yapan devrenin incelenmesi: 1. Devreyi Şekil 7.8’ deki gibi kurunuz. 2. Kurduğunuz devreyi kontrol ettiriniz. 3. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 V ’a ve -12 V ’a ayarlayınız. 4. ±12 V besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. Şekil 7.8 5. Multimetreyi kullanarak; a) V giriş1 , V giriş2, V çıkış gerilimlerini ölçüp, not ediniz. V çıkış = V giriş2 - V giriş1 oluyor mu? V giriş1 = V giriş2 = V çıkış = 6. R 3 = R F = 33 K ? yapınız. 7. Multimetreyi kullanarak; a) V giriş1 , V giriş2, V çıkış gerilimlerini ölçüp, not ediniz. V çıkış = V giriş2 - V giriş1 eşitliği hala geçerli mi? Değil ise niçin? Açıklayınız. V giriş1 = V giriş2 = V çıkış = b) Devre fark yükseltici olarak çalışıyor mu? 8. Deneyden elde ettiğiniz sonuçları yorumlayınız. 36 DENEYİN AMACI: Op-amp uygulaması olarak türevleyici (differantiator) ve integratör devresini incelemek. TEORİK BİLGİ: ? Türevleyici devresi, genel olarak bir eviren yükselteç özelliğindedir (Şekil 8.1). Fark olarak, girişte direnç üzerinde kondansatör (C giriş ) bulunmaktadır. Şekil 8.1 Bu tip bir devre, devre girişine uygulanan periyodik işaretin türevini alarak çıkışa aktarır. Bu işlem, formüllerle şu şekilde açıklanır: Op-amp devresinin giriş empedansı çok yüksek olduğundan X noktasındaki gerilim, yaklaşık olarak 0 volt ( + uçtaki gerilim ) civarındadır. Buna göre; C giriş kondansatörü üzerinden alınacak akım şöyle verilir: dt giri ş dV giri ş C giri ş i ? x noktası yaklaşık 0 volt olduğu için, çıkış gerilimi; V çıkış = -R F .i f olarak yazılabilir. i f ? i giriş olduğundan dolayı; V çıkış = dt giri ş dV giri ş C F R - olacaktır. Görüldüğü gibi, Şekil 8.1’ deki devre, girişine uygulanan V giriş işaretinin türevini alıp ( dt giri ş dV ), belirli bir sabit ile ( R F C giriş ) çarparak çıkışına aktarmaktadır. Şekil 8.1 ’deki devre, uygulamalarda bu haliyle yeterli değildir. Çünkü C giriş kondansatörü yüksek frekanslardaki işaretlere karşı, kısa devre gibi davranacağından dolayı yükseltecin DENEY NO: 8 TÜREV VE İNTEGRAL ALAN OP-AMP DEVRELERİ 37 kazancı artar ve çıkış, bu frekanslar için yüksek değerlere ulaşır. V giriş işaretinin frekansı yüksek olmasa bile, beraberinde gürültü mevcut olabilir. Gürültü işareti, çok geniş bir frekans spektrumuna sahip olduğundan, Şekil 8.1deki devre, gürültünün yüksek frekans bölümünü olduğu gibi yükseltebilir. Bu ise istenmeyen bir durumdur. Bu nedenle, op-amp devresinin kazancına, yüksek frekanslar için bir sınır koymak gerekir. Bu işlem, Şekil 8.2’de görüldüğü gibi, bir R giriş direncinin eklenmesiyle sağlanabilir. Artık devrenin maksimum kazancı R F / R giriş olarak sınırlandırılmıştır. Şekil 8.2 Bu devrenin türevleyici olarak çalışabilmesi için iki koşulun gerçekleşmesi gerekir : 1. Giriş işaret frekansı ; c f giri ş C giri ş R 2 1 giri ş f ? ? ? olmalıdır. Bu değerden büyük frekansa sahip işaretler için, devre türevleyici olarak çalışamaz. 2. Devrede, R F ?C giriş çarpımı " zaman sabiti " olarak isimlendirilir. Giriş işaretinin (sinyalinin) periyodu, yaklaşık bu değer civarında olmalıdır. Örnek: Şekil 8.3’deki devre, frekansı 1 KHz olan bir sinüzoidal sinyal (işaret) için, türevleyici olarak çalışır mı? Şekil 8.3 38 2 1 giri ş C giri ş R c f ? ? 2 4 10 6 10 . 1 , 0 x 3 10 x 2 1 c f ? ? ? ? ? ? Bu durumda f giriş ? c f olur. Devrenin zaman sabiti; C giriş .R F = ( 0,1.10 -6 ? 10.10 3 )s = 1 ms Giriş işaretinin periyodu; T giriş = ms 1 KHz 1 1 giri ş f 1 ? ? Görüldüğü gibi, giriş işaretinin periyodu, devrenin zaman sabitine eşittir. Şu halde bu devre, 1 KHz frekanslı bir işaret için türevleyici olarak çalışabilir. Şekil 8.3 ’deki devrenin söz konusu işaret için türevleyici olarak çalışabileceğini gösterdikten sonra, devrenin girişine 0.5 V genlikli ve 1 KHz frekanslı bir sinüsoidal sinyal uygulandığı zaman, çıkışta ne tip bir sinyal görüleceğini araştıralım: Giriş işaretini, V giriş = 0.5?sin2 ?ft V giriş = 0.5 ?sin[2?(1000)t] olarak formül şeklinde gösterebiliriz. Çıkış gerilimini, dt giri ş dV giri ş C F R - çııkı V ? olarak ifade etmiştik. Buna göre çıkış gerilimini bulalım: V çıkış = -(10 K ?) ? (0.1 ?F) ? dt d {0.5 sin[2?(1000)t]} V çıkış = -(10 K ?) ? (0.1 ?F) ? (0.5 x 2 ? x 1000) ? {cos[2?(1000)t]} V çıkış = -3.14 ? cos[2 ?(1000)t] Buna göre, çıkış sinyali 3.14 Volt genlikli ve 1 KHz frekanslı bir cosinüs eğrisi olarak görülür. NOT: dt d sin(2 ?ft) = 2 ?f cos(2 ?ft) 39 ? İntegratör devresi, genelde, girişine uygulanan işaretin integralini alır ve çıkışa aktarır. Bu işlemi yapan bir op-amp devresi Şekil 8.4’de görülmektedir. Dikkat edilecek olursa, türevleyici devresindeki direnç ve kondansatörlerin yerlerini değiştirmek suretiyle integratör devresi elde edilmektedir. Bu devrede de X noktasındaki gerilim, bir op-amp giriş özelliğinden dolayı, 0 volt civarındadır. Şekil 8.4 Bu durumda; ? ? ? ? ? ? ? ? ? giri ş R giri ş V giri ş i yazılabilir. V çıkış = giri ş i - ? ? f i ve t 0 dt f i F C 1 olduğuna göre, V çıkış = dt t 0 giri ş R giri ş V F C 1 - ? ? ? f i ve t 0 dt f i F C 1 V çıkış = ? t o dt giri ş V giri ş R F C 1 - olarak bulunur. Bilindiği gibi integral, anlam olarak, bir eğrinin altında kalan alana karşılık gelmektedir. Op-amp devresindeki giriş ofset geriliminin giderek op-amp’ı doyuma götürmesini önlemek için Şekil 8.4’ deki devrede değişiklik yapmak gerekir. Bu değişiklik C F kondansatörüne paralel bir R 1 direnci bağlanarak yapılır (Şekil 8.5). Şekil 8.5 Şekil 8.6 40 Giriş polarma akımlarının eşit olmayışından doğacak ofset gerilimini ve dolayısıyla bu gerilimin etkilerini gidermek amacıyla, Şekil 8.6’da görüldüğü üzere, R 2 direnci kullanılır. Bu direncin değeri, giri ş R 1 R giri ş R 1 R 2 R , giri ş R // 1 R 2 R ? ? ? olmalıdır. Devrenin bir integratör olarak görev yapabilmesi için girişine uygulanan işaretin frekansı F C 1 R 2 1 c f giri ş f ? ? ? olmalıdır. Ayrıca devrenin zaman sabiti ) F C giri ş R 1 ( ile girişe uygulanan işaretin periyodu birbirlerine yakın değerde olmalıdırlar. f giriş V REF olduğunda V çıkış = +V (yaklaşık), V giriş V REF olduğunda V çıkış ? V(zener diyot) , V giriş