elektronik deneyleri ı

Transkript

ELEKTRONİK
DENEYLERİ
I
Prof. Dr. Avni Morgül
İstanbul, 2015
Yazar:
Prof. Dr. Avni MORGÜL
Mühendislik Mimarlık Fakültesi
Biyomedikal Mühendisliği Bölümü
“ELEKTRONİK DENEYLERİ”
1. Baskı, İstanbul 2016
FSM Vakıf Üniversitesi Yayınları, No.
Baskı:
ISBN No:
Sertifika No:
Anahtar kelimeler:
Elektronik Elemanlar, Kuvvetlendiriciler, Elektronik Ölçme
Kitabın bazı bölümleri veya tamamı FSM Vakıf Üniversitesi ve yazarın yazılı izni
olmaksızın hiçbir şekilde çoğaltılamaz.
Copyright © 2016
İÇİNDEKİLER
İÇİNDEKİLER ...................................................................................................................................iii
Önsöz .................................................................................................................................................. iv
Laboratuvar Kuralları ........................................................................................................................ v
1. Deney: DİYOT ÖZEĞRİLERİ...................................................................................................... 7
2. Deney: DİYOT DOĞRULTUCU DEVRELERİ ....................................................................... 13
3. Deney: BESLEME DEVRELERİ ................................................................................................. 21
4. Deney: MOSFET ÖZEĞRİLERİ ................................................................................................. 29
5. Deney: MOS TRANSİSTÖRLÜ KUVVETLENDİRİCİ ........................................................... 35
6. Deney: TRANSİSTÖRLÜ ANAHTAR DEVRELERİ .............................................................. 43
7. Deney: LOJİK KAPI DEVRELERİ ............................................................................................. 51
8. Deney: SAYISAL/ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜLER (D/A) ................................................. 59
9. Ekler ............................................................................................................................................... 66
iii
ÖNSÖZ
Bu deney kitabı elektronik elemanlar dersinin laboratuvar deneyleri için hazırlanmıştır. Bu
deneylerde standart ölçme aletleri yanında National Instrument (NI) firmasının LabView
yazılımına bağlı olarak çalışan ELVIS donanımı ve sanal aletler (VI) de kullanılmaktadır.
Her deneyin başında deneyle ilgili temel teorik ve pratik bilgiler verilmiştir. Öğrencinin
konu ile ilgili daha detaylı bilgileri kitaplardan ve ders notlarından öğrenmesi ve
“Deneyden Önce Yapılacak Hesaplar” kısmında istenen hesapları yaparak laboratuvara
gelmesi beklenmektedir. Hazırlıksız gelen öğrencilerin laboratuvar notları kırılacaktır.
Her öğrenci deney esnasında gördüğü şekilleri, ölçtüğü değerleri “Deney Ön Raporu”na
yazarak bir kopyasını laboratuvar görevlisine bırakacak, bir kopyasını kendisi alacaktır.
Daha sonra bunlara dayanarak deney raporlarını hazırlayacaktır. Deney raporlarında
şekillerin düzgün ve ölçekli olarak çizilmesi, ölçülen değerlerin teorik değerlerle
karşılaştırılması ve en önemlisi bulunan sonuçların yorumlanmasına göre rapor notu
verilecektir. Şekiller elle veya bilgisayardaki herhangi bir çizim programı ile çizilebilir.
Ekrandan çekilen resimleri yorumsuz olarak vermenin hiç bir anlamı yoktur! Bunlara
puan verilmez. Bu şekillerdeki detaylar sadece yorumları desteklemek için kullanılabilir.
Deneylerden bir şeyler öğrenebilmek için mutlaka konu ile ilgili ön çalışma yapmak
gerektiği akıldan çıkarılmamalıdır.
Her öğrenci programda görülen bütün deneyleri yapmak zorundadır. Geçerli
mazeretinden dolayı bazı deneyleri kaçıran öğrenciler son deney haftasında
yapamadıkları deneyleri telafi ederler. İki deneyden fazla deneyi yapmayan öğrenci
devamsızlıktan sınıfta kalır.
Bütün öğrencilerime faydalı ve yardımcı olması dileklerimle,
Avni Morgül
Ocak 2014
iv
LABORATUVAR KURALLARI
1. Her öğrenci dönem başında ilan edilen bütün deneyleri yapmak zorundadır.
2. Geçerli bir mazereti yüzünden en çok iki deneyi kaçıran öğrenciler dönem sonunda
bu deneyleri yaparak telafi ederler.
3. İkiden fazla deneyi kaçıran öğrenci devamsızlık nedeniyle sınıfta kalır.
4. Bir guruptaki bütün öğrenciler gelmeden deneye başlanmaz.
5. Deney başlama saatinden sonra 15 dakika geçtiği halde laboratuvara gelmeyen
öğrenci yok sayılır ve diğer gurup üyeleri deneye başlar.
6. Her deneyin raporu bir öğrenci tarafından hazırlanır. Gurup üyeleri deney
raporlarını sırayla yaparlar. Hangi öğrencinin hangi deneyin raporunu yapacağı
dönem başında ilan edilir.
7. Öğrenciler laboratuvara gelmeden önce yapacakları deneyle ilgili bölümü okumak
ve konuyla ilgili diğer kaynakları ve ders notlarını incelemekle yükümlüdür. Her
deneyden önce öğrencilerin deneye hazırlanıp hazırlanmadığı kısa sınavlar veya
sözlü olarak kontrol edilecek ve not verilecektir.
8. Öğrenciler laboratuvara gelmeden önce “Deneyden önce yapılacak hesaplar”ı
yapmakla yükümlüdür.
9. Her gurup deneye gelmeden önce ilgili “Deney Ön Raporu” sayfasının 2 nüsha
fotokopisini çekerek deney sırasında bu sayfaları dolduracaktır. Sayfalardan biri
öğretim görevlisine teslim edilecek, diğer nüsha deney raporunu hazırlayacak olan
öğrencide kalacaktır.
10. Deney raporları izleyen hafta deney başlamadan önce teslim edilecektir.
Zamanında teslim edilmeyen raporlardan her gün için 5 puan kırılır. Bir haftadan
daha fazla geciken raporlar kabul edilmez.
v
vi
1. DENEY:
1.1
DİYOT ÖZEĞRİLERİ
DENEYİN GAYESİ
Çeşitli diyotların akım-gerilim davranışlarının incelenmesi ve özeğrilerinin çıkarılması.
1.2
KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER
Multimetre (2 tane)
Doğrultucu diyot (1N4001 veya 1N4002)
Küçük işaret diyodu (1N4148)
Zener Diyot (5,6V)
Dirençler (330/2W)
1.3
TEMEL BİLGİLER
Diyotlar elektrik akımını tek yönde ileten devre elemanlarıdır. Diyot sembolündeki ok
akım yönünü gösterir.
Şekil 1-1 Yarı iletken diyotun yapısı ve sembolü
Yarı iletken diyot, bir p-tipi yarıiletkenle n-tipi yarıiletkenin birbirine değmesi ile oluşan
bir eklemdir (jonksiyon). Bir diyotun özellikleri p ve n tipi bölgelerin katkı yoğunlukları ve
eklem yüzeyinin alanına bağlı olarak değişir. Büyük akım taşıması gereken doğrultucu
diyotlarda eklem alanı büyük, hızlı ve küçük işaret diyotlarında ise bu alan küçük yapılır.
Bir yarıiletken diyodun akım-gerilim bağıntısı aşağıda verilmiştir:
I D  I 0 (e
VD
VT
(1-1)
 1)
Burada VD diyotun iki ucu arasındaki gerilimi, ID diyottan geçen akımı göstermekte olup
290°K oda sıcaklığında VT =kT/q≈26mV dur. I0 Diyotun ters doyma akımı olup diyotun
yapısına ve sıcaklığına göre 10-12A ile 10-15A arasında değişir.
7
Tipik bir silisyum diyot için bu eğri çizildiğinde yaklaşık VD  0,6V civarında akımın mA
mertebelerine yükseldiği görülür. Pratikte bu gerilimin altında diyot akımı sıfır kabul
edilir (açık devre). Şekil 1.2’de diyotun gerçek öz eğrisi ile 1. 2. ve 3. dereceden
idealleştirilmiş diyot öz eğrileri ve bunların devre eşdeğerleri verilmiştir. Elle yapılan
diyot devresi hesaplarında bu eşdeğer devrelerden biri kullanılır. Gerçek özeğri doğrusal
olmadığından basit doğrusal devre analizi yöntemlerinde kullanılamaz. Ancak “SPICE”
gibi bilgisayar destekli doğrusal olmayan analiz programları ile kullanılabilir.
Şekil 1-2 Silisyum diyotun gerçek, doğrusallaştrılmış ve ideal akım-gerilim eğrileri ve eşdeğer
devreleri
Yarıiletken diyotlar ters yönde kutuplandığında ihmal edilebilecek kadar küçük bir
negatif akım (-I0) akıtır. Fakat ters gerilim arttırıldığında, “belverme gerilimi”, VB ,
değerine ulaşınca ters diyot akımı çığ ve/veya zener olayları nedeniyle birden bire
artmaya başlar. Belverme gerilimi diyotların yapısına bağlıdır. Normal diyotlarda 100
voltlar mertebesindedir ve diyot bu gerilimin altında çalıştığı sürece diyottan ters akım
akmaz.
Şekil 1-3 Zener diyot sembolü, akım-gerilim eğrisi ve zenerin sabit gerilim kaynağı olarak
kullanılması
“Zener diyot” adı verilen özel diyotlarda belverme gerimi 2-3 voltlara kadar düşer. Akımgerilim eğrisi Şekil 1-3’de verilen bu diyotlar sabit gerilim kaynağı olarak kullanılır.
8
1.4
DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR
1. Formül (1.1)’i kullanarak ve I0=2,710-14 alarak çeşitli gerilim değerlerine karşı düşen
diyot akımlarını hesaplayıp “Ön Rapor”daki Tablo 1-1’e yazınız. Akım-gerilim eğrisini
çiziniz.
2. Şekil 1-5’deki devrede VZ =5,6V’luk zener diyot kullanıldığında, V=12V ve R=330 için
devreden geçecek akımı hesaplayınız.
I = ...........................................
1.5
SORULAR
1. Diyot modellerinden hangisinin hangi şartlarda kullanılabileceğini sebepleri ile
açıklayınız.
2. Normal diyotlar neden zener diyot olarak kullanılmaz? Açıklayınız.
3. Zener diyotu hangi fiziksel olaya dayanır? Alçak ve yüksek gerilimli zener diyotları
için çalışma mekanizmasını açıklayınız.
1.6 DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 1-4’deki devreyi kurunuz. Tablo 1-1’deki diyot gerilimi değerlerini elde edecek
şekilde Vk giriş gerilimini ayarlayınız. Her gerilim için devreden geçen akımı okuyup
tabloyu doldurunuz ve diyotun deneysel akım-gerilim eğrisini teorik eğrinin
bulunduğu grafiğe çiziniz.
Şekil 1-4 Diyot özeğrisinin çıkarılması
9
2. Bulduğunuz değerlere göre kullandığınız diyotun ters doyma akımı I0 ne olmalıdır?
Hesaplayınız.
3. 1N4002 doğrultucu diyot yerine 1N4148 küçük işaret diyotu koyarak 1. Deneyi
tekrarlayınız. Sonuçları Tablo 1-2’ye yazınız. Bu diyotun akım-gerilim eğrisini aynı
grafik üzerine çiziniz.
4. 5,6V’luk bir zener diyot kullanarak Şekil 1-5’daki devreyi kurunuz. Tablo 1-3’deki
diyot akımı değerlerini elde edecek şekilde giriş gerilimini ayarlayınız ve diyot
gerilimini okuyarak tabloya kaydediniz. Negatif akım-gerilim bölgesine geldiğinizde
gerilim kaynağının uçlarını ters çeviriniz. Elde ettiğiniz değerlere göre deneysel akımgerilim eğrisini çiziniz. Belverme gerilimi civarında daha fazla nokta alarak bu bölgeyi
detaylı olarak çiziniz. Zener akımı ve geriliminin diyot akımı ve geriliminin ters
yönünde olduğunu unutmayınız.
Şekil 1-5 Zener diyot özeğrisinin çıkarılması
5. Bilgisayarda NI ELVIS Instrument Launcher
programını çalıştırınız. Sanal aletlerden “2Wire” olarak gösterilen akım-gerilim eğrisi
görüntüleme aletini kullanarak diyotların akım-gerilim eğrisini çizdiriniz. Diyotun
anod tarafını ELVIS plaketinin sol alt köşesinde ´DUT+´, katot tarafını ´DUT-´
deliklerine bağladıktan sonra sanal aletin ayarlarını Normal diyot için START=0V,
INCREMENT=0,05V, STOP=0,9V değerlerine ayarlayınız. Zener için START=-5,7V
yapınız.
10
Deney Ön Raporu
Deney No 1 – Diyot Özeğrileri
Raporu yazan
:.............................................................................
Deney Tarihi
:....................................
1.
Gurup: …………
Tablo 1-1
0
VD(V)
0.2
0.4
0.5
0.6
0.65
0.70
0.73
ID(mA) teori
ID(mA) deney
2.
I0 = ..............................
3.
VD(V)
ID(mA)
0
0.2
0.4
4.
Tablo 1-2
0.5
0.6
0.65
0.70
0.73
-1
-5
-10
-15
Tablo 1-3
VD(V)
ID(mA)
15
5
0
0
-0,1
5.
11
12
2. DENEY:
2.1
DİYOT DOĞRULTUCU DEVRELERİ
DENEYİN GAYESİ
Diyotlarla yapılan doğrultucu devrelerin incelenmesi
2.2
Multimetre (2 tane)
Osiloskop
220V/2x12V Transformatör
Doğrultucu diyot (4x1N4001 veya 1N4002)
Elektrolitik Kondansatörler (10F, 100F)
Dirençler (330/2W,1k5, 10k)
2.3
TEMEL BİLGİLER
Diyotların en önemli uygulama alanı doğrultucu devrelerdir. Doğrultucular alternatif
akımı doğru akıma çevirmeye yarar.
2.3.1
YARIM DALGA (TEK YOLLU) DOĞRULTUCU
En basit doğrultucu tek bir diyot kullanılarak şekil 2.1’deki devre ile gerçekleştirilebilir.
Şekil 2-1 (a) Yarım dalga doğrultucu (b) Yarım dalga süzgeçli doğrultucu ve dalga şekilleri
13
Şekil 2-1a’daki devrede diyot sinüs biçimli v1 alternatif geriliminin sadece sıfırdan büyük
değerleri için iletimde olacağından çıkıştaki v2 gerilimi şekildeki kalın çizgili dalga
şeklinde olur. Yani çıkış gerilimi her zaman artı değerlidir. Bu gerilimin doğru akım (DA)
bileşeni dalga şeklinin ortalamasına eşittir.
VDA (YD)  V0 
1
T
T/2
1

V
 v(t)dt  2  Vp sin( )d  p
0
(2-1)
 0
Fakat bu gerilim girişin eksi değerde olduğu yarı periyot boyunca sıfırda kaldığından bir
doğru
 gerilim olarak kullanılamaz. Bu yüzden devreye Şekil 2-1b’de görüldüğü gibi bir
kondansatör eklemek gerekir. Giriş gerilimi yükselirken vD= v2-v1 diyot gerilimi artı
değerde olduğundan diyot iletimdedir ve kondansatör dolar, çıkış gerilimi yaklaşık olarak
giriş gerilimine eşit olur (gerçekte çıkış gerilimi girişten yaklaşık bir diyot iletim gerilimi,
yani 0,6...0,8V kadar düşüktür). Giriş gerilimi tepe değerine ulaşıp düşmeye başlayınca,
kondansatörün uçlarındaki gerilim aniden değişemeyeceği için çıkış gerilimi girişten daha
yüksek kalır ve diyot tıkanır. Bu durumda kondansatör R direnci üzerinden üstel olarak
=RC zaman sabiti ile boşalır.
t
RC
v2 (t)  Vpe
(2-2)
Burada Vp giriş geriliminin tepe değeridir. v2(t)<v1(t) olduğunda diyot tekrar iletime geçer
ve 
kondansatör yeniden dolmaya başlar. Böylece çıkışta değeri V kadar dalgalanan bir
doğru gerilim elde edilmiş olur.
RC yeterince büyük seçilerek dalgalanma gerilimi istendiği kadar azaltılabilir. Girişteki
sinüs biçimli gerilim genelde 50Hz’lik şehir şebeke geriliminden elde edildiği için sinüsün
periyodu T=1/50=20ms olduğuna göre RC’nin büyük değerleri için tT=20ms ve üstel
fonksiyon da düz bir doğru parçası kabul edilirse;
V  V p
T
1
I
 Vp

RC
f RC f C
(2-3)
eşitliği elde edilir. Burada f giriş geriliminin frekansını, I ise yük direnci R’den geçen akımı
göstermektedir.
Tek yollu doğrultucuda f=50Hz alınır. Kondansatör kullanıldığında

çıkıştaki doğru gerilimi
VDA  V p 

V
1 
 V p 1

2
 2 f RC 
(2-4)
olur.

14
2.3.2
TAM DALGA (ÇİFT YOLLU) DOĞRULTUCU
Hem dalgalanmayı azaltmak hem de doğrultucunun çıkış gücünü arttırmak için iki yollu
doğrultucu kullanılır. İki yollu doğrultucuda giriş geriliminin eksi değerleri de kullanılır.
Bunu yapmak için ya orta uçlu bir transformatör ve iki diyot veya 4 diyotlu köprü
doğrultucu kullanılır. Her iki devrenin çıkış gerilimi de Şekil 2-2b’deki gibidir. Bu
gerilimin DA bileşeni:
VDA (TD) 
2V
2 T/2
1 
v(t)dt   V p sin( )d  p

T 0
  0

(2-5)
Süzgeç kondansatörü, C, eklendiğinde çıkış dalga Şekil 2-2d’deki gibi olur. Çift yollu
doğrultucu kullanıldığında çıkış frekansı iki kat arttığı için çıkıştaki dalgalanma yarıya
düşer. Bu durumda (2-3) ve 2-4) eşitliğinde f yerine 2f konulmalıdır.
Kondansatör konduğunda çıkışta elde edilen doğru gerilimin ortalama değeri;
VDA  V p 

V
1 
 V p 1

2
 4 f RC 
(2-6)

Şekil 2-2 Çift yollu doğrultucu devreler ve dalga şekilleri (a) Orta uçlu transformatörlü devre.
(b) Köprü diyotlu devre. (c) Kondansatörsüz devrenin çıkış gerilimi. (d) Kondansatörlü
devrenin çıkış dalga şekli
15
2.4
V1=15V(RMS) alarak giriş gerilimin tepe değerini hesaplayınız. R=1,5k ve R=10k,
C=10F ve C=100F değerlerine karşı düşen dalgalanma gerilimlerini ve ortalama çıkış
gerilimlerini hesaplayınız.
Vp= .............
Tablo 2-1 Hesaplanan gerilim değerleri
Tek yollu
R
330/2W
C
10F
100F
Çift yollu
1,5 k
10F
330/2W
100F
10F
100F
1,5 k
10F
100F
V (V)
V2(V)
2.5
SORULAR
1. Bir tam dalga (çift yollu) doğrultucu yapmak için Şekil 2-2a ve b’deki devrelerden
hangisi daha ekonomiktir? Internet’ten fiyat araştırması yaparak karşılaştırınız.
2. Çıkış özellikleri aşağıdaki değerleri sağlayacak şekilde tek yollu bir doğrultucu
devresi tasarlayınız. Kullanılacak elemanların (Transformatör, Diyot, Kondansatör)
özelliklerini belirleyiniz.
Vy= VDA = 6V
 Vy<0,1V
(Iy=0,1A için)
3. Bir doğrultucu devrede çıkış gerilimi giriş geriliminin tepe değerinden daha yüksek
 yapılabilir mi? Böyle bir devre nasıl yapılabilir? Araştırınız.
16
2.6
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 2-3’deki devreyi R=10k, C=0 (yok) için kurunuz. Multimetreyi “AC-volt”
konumuna getirerek A-B uçlarına bağlayın ve alternatif geriliminin etkin değerini
ölçüp tepe değerini hesaplayınız. Osiloskobu aynı noktalara bağlayarak gerilimin tepe
değerini ölçünüz. Giriş ve çıkış dalga şekillerini üst üste çiziniz.
Şekil 2-3 Tek yollu doğrultucu
2. Ölçtüğünüz V1 geriliminin tepe değerini kullanarak Tablo 2-1‘deki değerleri yeniden
hesaplayıp Tablo 2-2’ye yazınız.
3. R=330/2W yapınız. Multimetreyi “DC-volt” konumuna alıp osiloskopla birlikte C-D
uçlarına bağlayarak çıkış geriliminin ortalama değerini (voltmetre ile) tepe değerini ve
dalgalanma geriliminin tepeden tepeye değerini (osiloskopla) ölçünüz. Dalga
şekillerini çiziniz.
4. R direncinin uçlarına paralel olarak 10F kondansatör bağlayarak 3. adımı tekrar
yapınız.
5. R direncinin uçlarına paralel olarak 100F kondansatör bağlayarak 3. adımı tekrar
yapınız.
6. R=1,5k yaparak 3-4 ve 5. Maddeleri tekrar yapınız. Bulduğunuz değerleri Tablo 2-2’ye
yazınız, dalga şekillerini çiziniz.
7. Madde 1…6’deki deneyleri Şekil 2-2a’daki çift yollu doğrultucu için tekrarlayınız.
Şekil 2-4 Çift yollu doğrultucu
17
18
Deney Ön Raporu
Deney No 2 – Diyotlu doğrultucu devreler
Raporu yazan :........................................................................................
Deney Tarihi
Gurup: …………
:....................................
1. V1(RMS) = ............... V1p(hesap) = ................... V1p(ölçüm) = ...................
Tek yollu (Yarım Dalga)doğrultucu
Çift yollu (Tam Dalga) doğrultucu
v(t)
(V)
v(t)
10
10
5
5
0
0
-5
-5
-10
-10
-15
-15
0
(V)
5
10
15
20
25
30
t(ms)
0
5
10
2. Kondansatörsüz doğrultucu
a. Tek yollu doğrultucu V2(DA) teorik = ...................
b. Çift yollu doğrultucu V2(DA) teorik = ...................
15
20
25
30
t(ms)
V2(DA)ölçme = ...................
V2(DA)ölçme = ...................
3. Kondansatörlü doğrultucu
Tablo 2-2
Tek yollu
R
C
330/2W
10F
100F
Çift yollu
1,5 k
10F
100F
V (V) deney
V2DA(V) teorik
V2DA(V) deney
19
330/2W
10F
100F
1,5 k
10F
100F
20
3. DENEY: BESLEME DEVRELERİ
3.1
DENEYİN GAYESİ
Elektronik devrelerin beslenmesinde kullanılan doğru gerilim kaynaklarının incelenmesi
3.2
Multimetre
Osiloskop
Diyot (1N4001 veya 1N4002)
Zener Diyot (5,6V)
Dirençler (330/2W, 330, 560, 1k, 1k5)
Kondansatörler (100n, 10)
Bobin (10mH)
Transistör (2N7000)
Tümdevre (LM317)
3.3
TEMEL BİLGİLER
Doğrultucu devrelerden elde edilen doğru gerilim üzerindeki dalgalanma ve çıkış
geriliminin yüke bağlı olarak değişmesi yüzünden elektronik devrelerin beslenmesinde
kullanılmaya uygun değildir. Bu yüzden doğrultucunun arkasına bir gerilim regülatörü
devresi eklenmelidir. Bu durumda genel amaçlı bir besleme devresi Şekil 3-1’deki gibi
gerçekleştirilebilir.
Şekil 3-1 Elektronik doğru gerilim besleme devresi
21
Bir gerilim kaynağının kalitesi hat regülasyonu ve yük regülasyonu ile çıkış direnci
tarafından belirlenir. Hat regülasyonu, 220V’luk giriş gerilimindeki değişimlerin, yük
regülasyonu ise yük akımındaki değişimin çıkış gerilimine etkisini gösterir.
(Vç /Vç )
Hat Regülasyonu (%) =
Yük Regülasyonu (%) =
(Vg /Vg )
Vç (yüksüz) Vç (yüklü)

rç =
Vç (yüksüz)
Vç (yüksüz) Vç (max . yüklü)
(3-1)
100
(3-2)
(3-3)
I ç,max

3.3.1
100
ZENER DİYOTLU REGÜLATÖR
Çıkış
 direnci, rç , ne kadar küçükse yük regülasyonu o kadar iyi olur. Yani kaynak, iç
direnci sıfır olan ideal gerilim kaynağına o kadar yaklaşır.
En basit gerilim regülatörü bir zener diyot kullanılarak yapılabilir. Bu devre sadece küçük
akımlı devrelerde kullanılabilir. Çıkış akımı zener diyottan geçebilecek en yüksek
akımdan küçük olmak zorundadır. Çıkış gerilimi zener gerilimine eşittir ve akıma bağlı
olarak çok az değişir. Bu değişim Iz,min= 1...2 mA değerinden sonra Iz,max değerine kadar sabit
kabul edilebilir. Gerçekte değişim V=Ird kadardır. Burada rd zener diyotun dinamik
eşdeğer direnci olup değeri standart zener diyotlar için 1...5 civarındadır. Devrenin
çalışabilmesi için zenerden en az Iz,min kadar, en çok Iz,max kadar akım geçmelidir. Bunun
sağlanması için seri direnç aşağıdaki sınırlar içinde seçilmelidir.
Vg,max VZ
I Z,max
 R 
Vg,min VZ
(3-4)
I Z,min
Yük tarafından çekilebilecek en yüksek akım:

I y,max 
Vg,min VZ
 I Z,min
(3-5)
R VZ
Vg,min VZ  RI Z,min
(3-6)
R
olur. Bunu sağlamak için:

Ry 
VZ
I y,max

olmalıdır. Devrenin çıkışına bir transistörlü emetör çıkışlı devre eklenerek çıkıştan
alınabilecek akım  F kadar arttırılabilir (Şekil 3-2b). Bu durumda:

I y,max  (
Vg,min VZ
R
 I Z,min ) F
(3-7)
Vy  VZ VBE  VZ  0,7
(3-8)


22
Şekil 3-2(a) Zener diyotlu ve (b) Transistörlü regülatör devresi
3.3.2
TÜM DEVRE REGÜLATÖRLER
Zener diyotlu ve tek transistörlü regülatörlerin çıkış gerilimleri az da olsa yük akımına ve
sıcaklığa bağlı olarak değişir. İdeal gerilim kaynağına yakın bir kaynak yapabilmek için
çıkış gerilimini sabit tutan geri beslemeli daha karmaşık devreler yapmak gerekir. Bugün
tüm devre olarak bu tür devreler kolayca bulunabilmektedir. Tüm devre regülatörler sabit
ve ayarlı olarak yapılabilirler. 5V, 9V, 12V değerlerinde sabit çıkışlı ve 0-30V ayarlanabilen
gerilim regülatörleri en çok kullanılanlardır.
Şekil 3-3 Tüm devreli gerilim regülatörü
LM317 ayarlı gerilim regülatörünün çıkış gerilimi dirençler ayarlanarak 1,25V ile (Vg–3V)
arası ayarlanabilir.
Vy 1,25  (1
3.3.3

R2
)
R1
(3-9)
ANAHTAR MODLU BESLEME DEVRELERİ
(SWİTCH MODE POWER SUPPLY,SMPS)
Doğrusal regülatör devreleri çok düzgün doğru gerilim vermelerine rağmen verimleri
düşüktür. Çünkü giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasınadaki gerilim farkı ile çıkış akımının
çarpımı kadar güç çıkış transistöründe harcanarak ısıya dönüşür.
PD  (V2 Vç )  Iç

(3-10)
23
Devrede harcanan gücü azaltıp verimi arttırmak için çıkış transistörünün anahtar olarak
(ya kesimde ya da doymada olacak şekilde) kullanılması gerekir. Bu durumda transistör
kesimde iken ID=0, doymada iken VDS=0 olduğundan transistörde harcanan güç PD=VDS×ID
her zaman sıfır olur.
Transistörün anahtar olarak kullanıldığı devrelere “anahtar modlu” devreler denir. Anahtar
modlu devrelerle doğru gerilimi yükseltmek veya düşürmek mümkündür.
Şekil 3-4 Anahtar modlu gerilim düşürücü besleme devresi (Buck converter)
Anahtar modlu devrelere bir örnek Şekil 3-4’de görülmektedir. Burada CMOS transistör
anahtar olarak kullanılmaktadır. M1 transistörünün şekildeki kare dalga ile sürüldüğünü
yani transistörün periyodik olarak açılıp kapandığını, RC zaman sabitinin yeterince büyük
olduğunu ve çıkış geriliminin bir açma-kapama periyodu boyunca değişmediğini kabul
edelim. Transistör kapatıldığında diyot tıkamada olduğundan kaynaktan gelen bütün
akım bobinden akar. 0 ... tk zaman aralığında akımın değeri:
iL,k 
1
L
 0 (V1  V2 ) dt  IL (0) 
t
(V1  V2 )
t  IL (0)
L
(3-11)
olarak doğrusal olarak artar. Bu zaman aralığı sonunda bobin akımı,

I L,max 
V1 V2  t
L
k
 I L,min
(3-12)
değerine ulaşır. Bu esnada anahtar açılır, bobinden geçen akım diyot üzerinden azalarak
akmaya
devam eder.

iL,a  IL,max 
1
L
 0 Vç dt  IL,max 
ta
Vç
L
ta
(3-13)
Periyot tamamlandığında;

IL,min  iL (0)  IL,max 
(Vg  Vç )
Vg
V2
ta 
t k  iL (0)  t a
L
L
L
akımı elde edilir. Buradan,

(Vg  Vç )
L
tk 
Vç
L
ta  0
24

(3-14)
(Vg  Vç )
Vç

ta
tk
(3-15)
Anahtar açma kapama periyodu T = tk+ta olduğuna göre anahtarın kapalı olduğu sürenin periyoda
oranına D denilirse,

t
t
D k  k
T tk  ta
(3-16)

Vç 
tk
V  D  Vg
tk  ta g
(3-17)
olur. Bu durumda çıkış geriliminin anahtarı açıp kapayan darbe şeklindeki kontrol
işaretinin darbe/boşluk oranı ayarlanarak kolayca değiştirilebileceği görülür. Çıkıştan

alınmak istenen güce bağlı olarak bobin değeri ve anahtarlama frekansı ayarlanır. Bobinde
depolanan enerji E = ½ L×I 2 olduğuna göre çıkıştan alınabilecek en yüksek güç
Py,max 
E max
1 2
 E max f  L IL,max
f
T
2
(3-18)
olur. Giriş gerilimi değiştiğinde çıkış geriliminin sabit kalabilmesi için darbe/boşluk
oranını
otomatik olarak ayarlayan ek elektronik kontrol devrelerine gerek vardır.

3.4 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR
1. VZ=5,6V,Vg,min=9V, Vg,max=15V, Iz,max=100mA, Iz,min=2mA
regülatördeki R direncinin sınır değerlerini hesaplayınız.
alarak
zener
diyotlu
............< R <.............
2. R=330 seçilirse, regülasyonun bozulmaması için Iy yük akımının en büyük değeri ve Ry
yük direncinin en küçük değeri ne olabilir?
Iy,max=.............
Ry,min=.............
3. V1=12V, V2=5V, L=10mH ve f=10kHz için gerekli (D=darbe/periyot) oranını, bobinden
geçen akım değerlerini ve çıkıştan alınabilecek en yüksek akımı hesaplayınız.
25
3.5
SORULAR
1. İyi bir besleme devresinin temel özellikleri nelerdir? Sıralayınız.
2. Şekil 3-2b’deki bipolar transistörlü gerilim regülatörü devresi MOSFET kullanılarak
yapılabilir mi? Neden? Açıklayınız.
3. MOSFET kullanılarak yapılmış bir gerilim regülatörü devresinin şemasını çiziniz.
Çalışmasını açıklayınız.
3.6
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 3-2a’daki devreyi , Vg=10V, R=330/2W için kurunuz.
2. Multimetreyi “DC-volt” konumuna getiriniz. Çıkış uçları açık devre iken (Ry=∞), çıkışa
Ry=1,5k, 560 ve Ry=330 yük dirençleri bağlı iken çıkış gerilimlerini ölçerek Tablo
3-1’e yazınız.
3. Bu değerlerden yararlanarak devrenin çıkış regülasyonu ve çıkış direncini
hesaplayınız.
4. Çıkış geriliminin çıkış akımıyla değişimini çiziniz. Akımın değerini Iy=Vy/Ry
formülüyle hesaplayabilirsiniz.
5. Şekil 3-3’deki tüm devreli regülatörü kurarak yüksüz (Ry=∞), Ry=1,5k ve Ry=330
dirençle yüklü durumda çıkış gerilimlerini ölçerek Tablo 3-1’e yazınız.
6. V1=12V, L=10mH, C2=10µF, ve Ry=1,5k için Şekil 3-4’deki anahtar modlu gerilim
dönüştürücü devresini kurunuz. İşaret üretecini (vs) 10kHz frekanslı, 0-10V arası
değişen darbe (Pulse) üretecek şekilde ayarlayınız. “Pulse Parameter Menu”den “Duty”
düğmesine basarak “Darbe/Boşluk Oranı”nı %40 olarak seçiniz. Çıkış gerilimini
voltmetre ile ölçünüz ve transistörün ”S” ucundaki dalga şeklini osiloskopla izleyerek
çiziniz. Darbe/boşluk oranını %20 ve yük direncini Ry=330 yaparak çıkış gerilimlerini
tekrar ölçünüz. Ry=330 için dalga şeklini inceleyerek çiziniz.
26
Deney Ön Raporu
Deney No 3 – Besleme Devreleri
Raporu yazan :........................................................................................
Deney Tarihi
:....................................
Tablo 3-1
Zener Diyotlu
Tüm Devreli
Ry
Gurup: …………

1,5k 560
330

1,5k 330
Anahtar Modlu
1,5 k 1,5k 330
(%40) (%20) (%40)
Vç (V)
Yük
regülasyonu
Çıkış direnci
%................ (560 için)
%............. (330 için)
Geriliminin çıkış akımıyla değişimi (Zener)
(Transistör/Tümdevre)
Anahtar Modlu Regülatör
(Ry=1,5kΩ)
(Ry=330Ω)
27
28
4. DENEY: MOSFET ÖZEĞRİLERİ
4.1
DENEYİN GAYESİ
MOS Transistörün giriş/çıkış özeğrilerinin incelenmesi
4.2
Multimetre
2xDoğru Gerilim Kaynağı (5V, 15V ayarlı)
MOS transistör (2N7000 veya BS170)
Dirençler (1k)
4.3
4.3.1
TEMEL BİLGİLER
MOSFET GİRİŞ-ÇIKIŞ ÖZEĞRİLERİ
MOS transistörün savak akımının giriş gerilimi ile değişimi çıkış gerilimine bağlı olarak iki
ayrı formülle hesaplanır.

1 2
ID  K[(VGS  Vt )VDS  VDS
]
2
VDS  VGS  Vt
Direnç Bölgesi
(4-1)
1
ID  K (VGS  Vt ) 2 (1 VDS )
2
VDS  (VGS  Vt )
Kısılma Bölgesi
(4-2)
VDS’nin küçük olduğu direnç bölgesinde MOSFET VGS gerilimi ile değeri ayarlanan bir
direnç gibi davranır. Buna karşılık kısılma bölgesinde savak akımı, ID , VDS ile çok az

değişir, sadece VGS geçit geriliminin fonksiyonudur.
29
MOS transistörün savak akımının giriş gerilimi ve çıkış gerilimine bağlı olarak nasıl
değişeceği eğrilerle de gösterilebilir. Bu eğrilere transistörün giriş-çıkış özeğrileri veya
karakteristikleri denir.
Şekil 4-1 MOSFET giriş ve çıkış özeğrileri
Bu eğrilerden yararlanarak MOSFET’in büyük ve küçük işaretler için davranışları
incelenebilir. Küçük işaretler için analitik çözümler bulunmakla beraber transistörlerin
büyük işaretlerdeki davranışları ancak grafik yolla veya bilgisayar yardımı ile doğrusal
olmayan denklemleri çözerek bulunabilir.
Büyük VDS gerilimleri (kısılma bölgesi) için giriş eğrisi karesel bir eğridir. Yani savak akımı
geçit geriliminin karesi ile orantılı olarak artar.
Küçük VDS gerilimleri için ise (direnç bölgesi) çıkış eğrileri doğrusal kabul edilebilir. Bu
eğrilerin eğimi VGS ile değişir. Yani MOSFET’in D-S uçları ayarlı bir direnç gibi
kullanılabilir. Yüksek VGS gerilimleri için D-S uçları arasında çok küçük bir direnç
göründüğünden transistör kısa devre gibi, VGS<Vt için ise bu direnç çok büyük
olduğundan açık devre gibi davranır.
Şekil 4-2 Çalışma noktasının giriş ve çıkış eğrileri üzerindeki yeri
MOS transistörlerin yaygın kullanım alanlarında biri de doğrusal küçük işaret
kuvvetlendirici devreleridir. Küçük değerli bir gerilim transistörün geçidine doğrudan
bağlanırsa transistör kesimde kalacağından hiç akım akıtmaz ve çıkışında bir gerilim
değişikliği olmaz. Küçük işaretin kuvvetlendirilebilmesi için transistörden sürekli bir
doğru akım akması, bunun için de geçitle kaynak arasına bir öngerilim, VGSQ, uygulanması
gerekir. VGSQ ve VDSQ gerilimleri uygulandığında transistörden sürekli bir IDQ doğru akımı
30
akar ve transistörün çalışma noktası (Q) belirlenmiş olur. Bu noktada devrenin küçük
işaret kazancı, gm (geçiş iletkenliği), giriş eğrisinin Q noktasındaki eğimi olup
gm 
ID
I
 D
VGS VGS
=K(VGSQ-Vt )(1+VDS)  K(VGSQ-Vt )=
2KI DQ
(4-3)
VDS VDSQ
formülü ile hesaplanabilir.


4.4
Şekil 4-3’deki devre için Tablo 4-1’deki savak akım değerlerini verecek VGS geçit
gerilimlerini hesaplayınız. (Hesaplar için Vt =2,1V, Kn= 1,7A/V2 , =0,03 kabul ediniz).
Tablo 4-1
VDS=1V
ID (mA)
VGS (V)
4.5
0,1
5
10
40
0,1
VDS=12V
5
10
40
SORULAR
1. MOSFET’in karasel giriş akım-gerilim karakteristiği hangi şartlarda yaklaşık olarak
doğrusal kabul edilebilir? Doğrusal bir kuvvetlendirici yapmak için nasıl bir şalışma
noktası seçilmelidir?
2. Geçiş iletkenliğinin yüksek olması için hangi parametreler nasıl seçilmelidir? Bu
parametrelerin seçiminde bir sınırlama var mıdır?
3. Tek bir gerilim kaynağı kullanılarak VDSQ, VGSQ gerilimleri ve Q çalışma noktası
istenildiği gibi seçilebilirmi? Nasıl? Önek bir devre çeması çiziniz.
31
4.6
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 4-3’deki devreyi kurunuz. VDD besleme kaynağının akım sınırını 100mA
değerine ayarlayınız. Bu değeri deney boyunca değiştirmeyiniz. Aksi halde
transistör yanabilir!
2. VDS geriliminin 5V ve 12V değerleri için tablodaki ID akımlarını üreten VGS
gerilimlerini bularak Tablo 4-2’yi doldurunuz.
3. VDS=12V için ölçülen VGS1, VGS2, VGS3, VGS4 giriş gerilimlerinin her bir değeri için, VDS
geriliminin verilen değerlerinde elde edilen savak akımlarını ölçerek Tablo 4-2’yi
doldurunuz.
4. Tablodaki değerlerden yararlanarak transistörün giriş ve çıkış eğrilerini çiziniz.
5. Çıkış eğrilerinden yararlanarak  katsayısını hesaplayınız.
Şekil 4-3
32
Deney Ön Raporu
Deney No 4 – MOSFET Karakteristikleri
Raporu yazan :..................................................................
Deney Tarihi
Gurup: …………
:....................................
Tablo 4-2
ID (mA)
VGS (V)
VDS=5V
0,1
VDS (V)
ID (mA)
VDS (V)
ID (mA)
3.
5
10
40
1
VGS1=………V
2
5
10
1
VGS3=……….V
2
5
10
VDS=12V
0,1
VGS1=….
12
12
Giriş özeğrisi
Çıkış özeğrisi
 = ......................
33
5
VGS2=….
10
VGS3=….
40
VGS4=….
1
VGS2=………V
2
5
10
12
1
VGS4=……..V
2
5
10
12
34
5. DENEY: MOS TRANSİSTÖRLÜ KUVVETLENDİRİCİ
5.1
DENEYİN GAYESİ
MOS Transistörlü kuvvetlendirici devrelerin incelenmesi
5.2
Multimetre
Osiloskop
MOS transistör (2N7000 veya BS170)
Kondansatörler (100nF, 10F, 470F)
Dirençler (820, 2x1k5, 10k, 470k, 1M)
5.3
5.3.1
TEMEL BİLGİLER
MOS KUTUPLAMA DEVRESİ
MOS transistörde çalışma noktasını yani giriş işareti sıfırken transistörden akması istenen
akımı ve VDS gerilimini belirlemek için transistöre bir öngerilim uygulamak gerekir. Bu
işleme transistörün kutuplanması denilir. Kutuplama için öncelikle IDQ akımına bağlı
olarak VGS geriliminin hesaplanması gerekir. MOS kısılma bölgesinde çalışacağından
savak akımı:
1
IDQ  K n (VGS  Vt ) 2
2

(5-1)
35
formülüyle hesaplanır. Buradan VGS çözülürse:
VGS 
2I DQ
Kn
 VT
(5-2)

Şekil 5-1 MOS Kuvvetlendirici devresi
VGS, VDQ, IDQ ve VSQ bilindiğine göre direnç değerleri kolayca hesaplanır. VSQ gerilimi
normal transistörlerde olduğu gibi VDD kaynak geriliminin onda biri civarında seçilir.
RD 
RS 
VDD  VDQ
(5-3)
IDQ
VSQ
(5-4)
IDQ

MOS’un DA giriş direnci sonsuz kabul edilebileceğinden R1 ve R2 den geçen akım, I, çok
küçük alınabilir (A mertebesinde). I akımı R1, R2 dirençleri 100k ile 1M arası olacak

şekilde seçilir.
VDD  VGS  VS
I
VGS  VS
R2 
I
R1 
(5-5)
(5-6)

Şekil 5-1’deki MOS Kuvvetlendiricinin gerilim kazancı:

v2
 gm (RD //Ry)
v1
gm  K n (VGS - VT )
KV 
(5-7)
Devrenin giriş ve çıkış dirençleri;

Rg  R1 //R2

Rç  RD //rds


(5-8)
(5-9)
36
1
(5-10)
ID
emetör köprüleme kondansatörü kullanılmazsa gerilim kazancı düşer. Bu
rds 
Eğer CE
durumda;

KV 
v2
g (R //Ry)
 m D
v1
1 gm RS
(5-11)
Kuvvetlendiricinin doğrusal bölgede kalabilmesi için çıkıştaki işaretin tepeden tepeye
geriliminin VDD-VDQ ve VDSQ değerlerinden küçük olması lazımdır. Aksi halde çıkış işareti

alt veya üst kısmından kırpılır. En yüksek kırpılmasız çıkış geriliminin alınabilmesi için
VDQ geriliminin VDD ile VSQ gerilimlerinin tam ortasında seçilmesi gerekir.
MOS kuvvetlendiricinin alçak frekanslardaki giriş direnci R1, R2 dirençlerinin paralel
eşdeğerinden ibarettir. Çıkış direnci ise rds direnci ile RD direncinin paralel eşdeğerine
eşittir. Fakat rds>>RD olduğundan çıkış direnci yaklaşık olarak RD’ye eşit kabul edilebilir.
Rg 
R1R2
R1  R2
(5-12)
Rç  RD
(5-13)

5.4
 DENEYDEN ÖNCE YAPILACAK HESAPLAR
1. Şekil 5-2 devresi için MOS transistörün çalışma noktasını hesaplayınız (Vt=2V, =0,04V-1
Kn=100x10-3A/V2, alınız).
VGSQ =.............
VSQ =.............
ISQ  IDQ = ............
VDQ = .............
VDSQ = .............
2. Devrenin gerilim kazancı ile giriş ve çıkış dirençlerini CS varken hesaplayınız.
KV =.............
Rg=.............
Rç=.............
3. Devrenin gerilim kazancını CS yokken hesaplayınız.
K’V=.............
4. Çıkıştan alınabilecek gerilimin tepe değerini hesaplayınız.
V2(max)=...............
37
5.5
SORULAR
1. Şekil 5-1’deki devrede kaynak direnci neden konmuştur? Bu direnç olmazsa ne olur?
Çeşitli açılardan (Çalışma noktasının kararlılığı, Kazanç, Çıkıştan alınabilecek en
yüksek gerilim, v.b.) inceleyiniz.
2. MOSFET Kuvvetlendiricide gerilim kazancıyla savak akımı (IDQ) arasında nasıl bir ilişki
vardır? Kazancı en yüksek yapmak için ne yapmak gerekir?
3. Şekil 5-1’deki devrenin akım kazancı ne kadardır? Hesaplayınız.
(a)
(b)
Şekil 5-2 MOS kuvvetlendirici (a) Kutuplama, (b) Kuvvetlendirici deneyi devreleri
38
5.6
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şekil 5-2a’daki devreyi kurunuz. Kaynak gerilimini uygulayarak devreyi çalıştırınız.
2. MOS Transistörün çalışma noktasını (VGSQ, VDSQ, VSQ, IDQ) ölçünüz.
3. Şekil 5-2b’deki devreyi kurunuz. Devrenin girişine 1kHz frekanslı sinüs biçimli bir
işaret uygulayınız. v2 geriliminin tepelerinin kırpılmaya başladığı noktaya kadar giriş
gerilimini arttırınız. Bu noktada giriş ve çıkış geriliminin tepe değerini kaydediniz.
4. Giriş gerilimini yarıya düşürünüz.
5. Giriş ve çıkış geriliminin tepe değerini kaydediniz. Gerilim kazancını hesaplayınız.
6. CS kondansatörünü çıkarınız. Madde 3,4 ve 5’i tekrarlayınız.
Şekil 5-3 Çıkış direncinin ölçülmesi
7. Çıkış direncini ölçmek için Şekil 5-3’de görüldüğü gibi sinyal üretecini devrenin
girişinden ayırıp seri direnç üzerinden çıkış terminallerine bağlayınız. Giriş
terminallerini kısa devre ediniz. vk ve v2 gerilimlerini osiloskopla ölçerek, çıkış akımını
ve devrenin çıkış direncini hesaplayınız.
i2 

vk  v2
= ................................
Rk
v
Rç  2 = ..................................
i2
8. Giriş ve çıkış geriliminin dalga şekillerini kırpılmış ve kırpılmamış durumda alt alta
çiziniz.

39
40
Deney Ön Raporu
Deney No 5 – MOS Transistörlü Kuvvetlendirici
Raporu yazan :..................................................
Deney Tarihi
Gurup: …………
:....................................
2.
VGSQ
VDSQ
VSQ
ID
Hesap
Deney
3.
V2 (max) = ...................
V1 (max) = ...................
5-6.
Kondansatör var
V1
V2
Kondansatör yok
KV
V1
7.
Vk p= ...............
V2p= ................
I2p = ..................
Rç = ..................
8.
41
V2
KV
42
6. DENEY: TRANSİSTÖRLÜ ANAHTAR DEVRELERİ
6.1 DENEYİN GAYESİ
Anahtar devrelerinin tasarımı ve davranışlarının incelenmesi
6.2 KULLANILACAK ALETLER VE MALZEMELER
İşaret Üreteci
Osiloskop
Transistör (2N7000 veya BS170)
Bobin (10mH)
Diyot (2N4002)
Dirençler (100, 100k)
6.3 TEMEL BİLGİLER
Elektriksel anlamda bir anahtar, elektrik akımını kesen veya ileten bir elemandır. İdeal
anahtar kapalı iken (ing. ON) kısa devre olup direnci sıfırdır. Yani akımı hiç
zayıflatmadan iletir. Açık iken (ing. OFF) ise açık devre olup elektrik akımını hiç iletmez.
Böyle bir anahtarı fiziksel olarak gerçekleştirmek çok zor hatta imkansızdır. Ama ideal
anahtara yakın anahtarlar yapılabilir.
Şekil 6-1 MOS anahtar devresi ve dalga şekilleri
Sayısal devrelerdeki anahtarlama işlemleri veya kapı devreleri en yaygın olarak CMOS
transistörler kullanılarak gerçeklenir. Bir MOS transistörün girişine yeterince büyük bir
43
gerilim uygulandığında D-S uçları kısa devre edilmiş gibi davranır ve bu kısa devrenin
direnci transistörün kanal kesidine bağlı olarak 0,01Ω ile 10Ω değerleri arasında olabilir.
Giriş gerilimi eşik geriliminden küçük ise transistör kesimdedir ve şıkıştan görülen direnç
10 kΩ ... 100 kΩ mertebelerine çıkar. Daha ideal bir anahtar gerekiyorsa ve hız önemli
değilse MOS anahtar bir röleye bağlanarak rölenin kontakları kullanılabilir.
Anahtarın iki konumu vardır:
1. Anahtar açık → Transistör kesimde → ID=0
2. Anahtar kapalı → Transistör doymada (aşırı iletimde) → VDS  0
Gerçek devrelerde bu ideal durum tam olarak sağlanmaz. Yani transistör kesimde iken de
çok az bir akım (ID=ID0) akabilir ve transistör doymada iken D-S arasında VDS = VDS(on) ≈
0,1...1V gibi çok küçük bir gerilim kalabilir. Ancak her zaman için ID0<<IDmax ve VDS(on)<<VDD
şartları sağlandığından bu küçük akım ve gerilim ihmal edilebilir. İletim halinde transistör
rds 
VDS(on )
(6-1)
ID
değerinde çok küçük bir direnç olarak davranır.
 Şekil 6-1’de herhangi bir yük devresine (bir ampul olabilir) doğru gerilim uygulamak için
kullanılabilecek bir NMOS anahtar devresi görülmektedir.
Yükün direnci Ry ise
I
VDD
Ry
(6-2)
kadar bir akım akar. Bu akımı akıtmak için gerekli geçit gerilimi

VGS 
2I
Vt
K
(6-3)
olduğuna göre transistörün garantili bir şekilde doymaya girmasi için

V1 
2I
2VDD
Vt 
Vt
K
KRy
(6-4)
olmalıdır. Veya V1 giriş gerilimi uygulandığında transistörden akması beklenen akım:

ID 
1
K n (VGS Vt ) 2  I
2
(6-5)
şartını sağlamalıdır.
 Anahtar devrelerinde yükler her zaman rezistif değildir. Eğer röle gibi endüktif bir yük
kullanılıyorsa anahtar açıldığında bobin akımı aniden sıfıra düşmek isteyeceği için
VL  L

di
dt
(6-6)
44
bağıntısı gereği bobin uçlarında negatif bir gerilim oluşur ve transistörün savak gerilimi
çok yüksek bir değere çıkar.
Bu gerilimin transistöre zarar vermemesi için bobin uçlarına D diyotu konulur. (v2)
Gerilimi VDD kaynak geriliminin üzerine çıkınca diyot iletime geçer ve bobinden gelen
akım diyot üzerinden kaynağa geri döner. Böylece savak gerilimi kaynak geriliminin
üzerine çıkamaz. Transistör iletime geçtiği bobin uşlarına VDD gerilimi uygulanmış olur.
Bu durumda savak akımı doğrusal olarak artar.
i L (t) 
1
L
t

v L (t)dt 
0
VDD
L
t
 dt 
0
VDD
t  I L (0)
L
(6-7)

Şekil 6-2 MOS anahtar devresi ve dalga şekilleri
Eğer devrede direnç yoksa darbe süresi sonunda bu akım
I L,max 
VDD
td  I L (0)
L
(11-8)
Eğer darbe süresi çok uzunsa veya girişe bir doğru gerilim uygulanmişsa akım teorik
olarak sonsuza gider. Fakat pratikte bu akım genellikle bobinin tel direnci (rL ) tarafından
veya dışardan bağlanan ek bir direnç (RD) tarafından sınırlanır.
I D,max 
V DD
rL  R D
(6-9)
45
1. RD=100Ω, R1=1kΩ, VDD=5V olduğuna göre Şekil 6-1’deki devrede aşağıdaki büyüklükleri
hesaplayınız (Vt =2,1V, Kn=0,15A/V2 alınız).
2. ID(on) = VDD/RD = ……………
ID (VGS=5V) = ……………
6.5 SORULAR
1. Bazı anahtarlama devrelerinde neden röle kullanmak gereklidir? Rölenin transistörlü
bir anahtara göre avantajı var mıdır?
2. MOSFET Anahtar açık ve kapalı konumda iken transistörde güç harcanır mı? Bu güç ne
kadardır? Her iki durum için formülünü çıkarınız.
3. Yüksek güçlü anahtar devrelerinde kullanılan MOSFET’leri korumak için Şekil 6-2’deki
devrede görülen diyot dışında başka ne türlü tedbirler alınır. Araştırınız.
46
1. RD=100Ω, R1=100kΩ, C=560nF, VDD=5V olacak şekilde Şekil 6-1’deki devreyi kurunuz. C
kondansatörünü transistörün S ucu ile direncin kaynağa bağlı olan ucu arasına tel
kullanmadan doğrudan bağlayınız. Bu kondansatör devrede kullanılan tellerin
endüktansından dolayı darbelerin kenarlarında oluşacak dalgalanmaları keser.
Devrenin girişine 0-5V arası değişen bir doğru gerilim kaynağı bağlayınız. Giriş
gerilimini sıfır yaparak çıkış gerilimini ölçünüz (VOH).
2. Giriş gerilimini arttırarak çıkış geriliminin sırasıyla 4-3-2-1 ve yaklaşık olarak 0 yapan
giriş gerilimi değerlerini ölçerek tabloya kaydediniz.
3. Giriş gerilimini 5V yaparak çıkış gerilimini [VDS(on)] tam olarak ölçünüz.
4. İletimdeki transistörün anahtarlama direncini (rds) hesaplayınız.
5. Devrenin girişine 100kHz/5V kare dalga uygulayarak çıkıştaki dalga şeklini
osiloskopta inceleyerek çiziniz. Yükselme, düşme ve gecikme sürelerini ölçünüz.
6. R1=1kΩ, L=10mH, C=560nF değerlerini kullanarak Şekil 6-2’deki devreyi kurunuz.
7. Devrenin girişine 1kHz/0-5V kare dalga uygulayarak çıkıştaki dalga şeklini osiloskopta
inceleyiniz ve çiziniz. Çıkış geriliminin en yüksek değerini (Vmax) ölçünüz.
8. Diyodu kaldırarak devrenin çıkışındaki dalga şeklini yeniden çiziniz. Çıkış geriliminin
en yüksek değerini (Vmax) ölçünüz.
9.
Kare dalga üretecinde “Pulse” düğmesine basınız. Kare dalganın düşme ve yükselme
(Leading/Trailing) sürelerini 100s değerine ayarlayınız. Diyotlu ve diyotsuz devreler
için dalga şekillerini tekrar çiziniz. Çıkış geriliminin en yüksek değerini ölçünüz. Bu
gerilimi VL  L
di
gerilimi ile karşılaştırınız. Bu formülde di=ID,max alınacaktır. dt süresi
dt
Şekil 6-2’de gösterilmiştir. Bobinin direncini (rL) ohmmetre ile ölçünüz. (6-9) formülü ile
ID,max akımını hesaplayınız.

10. Şekil 6-2’deki devrede bobin yerine bir röle koyarak ve kare dalganın frekansını 10Hz
yaparak rölenin çalışma sesini dinleyiniz. Dalga şekillerini inceleyiniz.
47
48
Deney Ön Raporu
Deney No: 6 – Anahtar devreleri
Raporu Yazan : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gurup: . . . . . . . . .
Deney Tarihi : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Yüksek çıkış gerilimi VOH = …………………………….
2.
Tablo 6-1
VD(V)
VG(V)
5
0
4
3
2
1
0
3. Anahtar kapanma gerilimi VDS(on) =………… ID(on)=VDD/RD= …………, VGS = ……………
4. Anatar kapanma direnci rds = ………………
6.
tr = ………………… tf = ………………… td = …………………
7-8.
Diyotlu devre
VD(max) = …………
v(t)
(V)
Diyotsuz devre
VD(max) = …………
v(t)
(V)
v1(t)
0
0
t(µs)
9. -
v1(t)
t(µs)
Diyotlu devre
VD(max) = …………
v(t)
(V)
Diyotsuz devre
VD(max) = …………
v(t)
(V)
v1(t)
0
0
t(µs)
rL =..........
di= I D,max 
VDD
= ............
rL
v1(t)
dt = ……..
t(µs)
VL  L
di
= ……… VL(ölçülen) = …………
dt
10. Yorum: ………………………………………………………………………………………………….


49
50
7. DENEY: LOJİK KAPI DEVRELERİ
Lojik kapı devrelerinin temel özelliklerinin incelenmesi
Osiloskop
İşaret Üreteci
Lojik kapı devrleri: 74HC04, CD4069 (Hex inverter)
En karmaşik sayısal sistemler iki temel kapı devresi, VE (AND), VEYA (OR), ile evirici
(inverter) devrelerinden oluşur. Bu devreler imalat teknolojilerine çalışma prensiplerine
göre değişik aileler halinde sınıflanırlar.
İlk lojik devreler olan DTL, RTL ve TTL devreler artık üretilmemekte ve
kullanılmamaktadır. Bunların hızlı versiyonları olan S, LS ve ALS devreler halen
bulunmakla beraber CMOS devrelerin artık GHz frekanslarda çalışacak şekilde gelişmesi
sonunda bu devreler de terk edilmiş olup hızlı ve düşük gerilimde çalışan AC ve ACT
serisi CMOS kapı devreleri bu gün standart olarak kullanılan kapı devreleri haline
gelmiştir.
7.3.1
LOJİK SEVİYELER
İkili lojikte lojik seviyeler 0 ve 1 olarak gösterilir. Bu seviyeler kapı devrelerinin giriş ve
çıkış gerilimlerine karşı düşer. Gerilim değerleri her lojik aile için farklı gerilim bölgelerine
51
karşı düşer. Lojik 0 değerine karşı düşen gerilim (pozitif lojik için) “alçak gerilim (VL)”, 1
değerine karşı düşen gerilim ise “yüksek gerilim (VH)” olarak adlandırılır.
Bir kapı devresinin giriş ve çıkış gerilimi sıfır ile VDD kaynak gerilimi arasında herhangi bir
değer alabilir. Bu durumda belli bir gerilim değerinin altındaki gerilimleri lojik 0, belli bir
gerilim değerinin üstündeki değerleri ise lojik 1 olarak kabul etmek gerekir. Lojik devrenin
doğru olarak çalışabilmesi için bu iki bölge arasında bir yasak bölge bulunması gerekir.
Böylece herhangi bir istenmeyen gerilim değişikliği (gürültü ve diğer sebeplerden oluşan)
yüzünden lojik seviye değişmemiş olur.
Tablo 10-1 Lojik devre aileleri
Lojik
Aile
Adı
Yayılım
Gecikm
esi (ns)
Saat
Hızı
(MHz)
1MHz’de
kapı başına
haranan
güç (mW)
Besleme
gerilimi
(V)
Üretim
yılı
10
5
1962
Signetics ve Fairchild tarafından
imal edildi. 1964’de standartlaştı.
Açıklama
DTL
Diode–transistor Logik
25
RTL
Resistor–transistor
Logik
500
4
10
3.3
1963
Apollo uzay aracında kullanılan
ilk kontrol bilgisayarında
kullanıldı.
TTL
Transistor-Transistor
Lojik
10
25
10
5 (4.755.25)
1964
Orijinal TTL
LTTL
Low Power TTL
33
3
1
5 (4.755.25)
1964
Düşük güçlü TTL
HTTL
High Speed TTL
6
43
22
5 (4.755.25)
1964
Yüksek Hızlı TTL
STTL
Schottky TTL
19
5 (4.755.25)
1969
Schottky TTL
LSTTL
Low Power Schottky
2
5 (4.755.25)
1976
Düşük güçlü Schottky TTL
ASTTL
Advanced Schottky
8
5 (4.5-5.5)
1980
Gelişmiş Schottky TTL
GTTL
GHz TTL
1.65 - 3.6
2004
GHz hızlarda çalışan TTL
ECL
Emitter Coupled Logic
ECL III
ECL
Advanced ECL
ECL100K
3
10
100
40
2
105
1.5
1125
1
500
60
-5.2 (-5.19 -5.21)
1968
Emiter bağlamalı Lojik
0.75
350
40
-4.5 (-4.2 5.2)
1981
Gelişmiş ECL
CMOS
Comlementary MOS
4000B/74C
30
5
1.2
10V (3-18)
1970
İlk CMOS lojik devreler
HC/HCT
CMOS
High Speed
Compatible CMOS
9
50
0.5
5 (2-6 veya
4.5-5.5)
1982
Hızlı ve TTL uyumlu CMOS
AC/ACT
CMOS
Advanced Compatible
CMOS
3
125
0.5
3.3 veya 5
(2-6)
1985
Gelişmiş TTL uyumlu CMOS
52
Şekil 7-1 (a) Lojik gerilim seviyeleri. (b) Gürültü marjları
7.3.2
GÜRÜLTÜ MARJI
İki kapı devresi ard arda bağlandığı zaman devrenin normal çalışması için birinci
devrenin en düşük yüksek gerilim seviyesi ikinci devrenin yüksek giriş gerilim
seviyesinden yüksek, birinci devrenin en yüksek alçak gerilim seviyesi ise ikinci devrenin
alçak giriş gerilim seviyesinden daha alçak olmalıdır. Çıkış gerilimine VO, giriş gerilimine
Vi dersek;
VOH > ViH ve VOL < ViL
Uygulamada kapı devrelerinin girişindeki gerilimin üzerinde istenmeyen gürültü
gerilimleri eklenir. Bu gürültü eğer belli bir değerden büyük olursa giriş işareti yanlış
olarak (0 yerine 1 veya 1 yerine 0 olarak) algılanabilir. Bu da devrenin yanlış çalışması
sonucunu doğurur. Devrenin doğru çalışacağını garanti etmek için her kapının doğru
çalışacağı en büyük gürültünün yani “GÜRÜLTÜ MARJI”nın belirlenmesi gerekir.
Gürültü marjı her lojik aile için ve alçak ve yüksek gerilim seviyeleri için farklı değerler
alır. Bu değerler imalatçı firma tarafından tümdevrenin kataloğunda (data sheet) verilir.
Bu değerler kullanılarak alçak gerilim (lojik 0) ve yüksek gerilim (lojik 1) seviyeleri için
gürültü marjları hesaplanabilir.
NMH = VOH  ViH
yüksek gerilim gürültü marjı
NML = ViL  VOL
alçak gerilim gürültü marjı
Şekil 7-2 (a) Yüksek gerilim seviyesi, (b) Alçak gerilim seviyesi için gürültünün etkisi
53
Herhangi bir lojik devrenin doğru olarak çalışabilmesi için devrede oluşabilecek
gürültünün en büyük değeri (VN,max) alçak ve yüksek seviyelerdeki gürültü marjından
daha az olmalıdır. Bu yüzden gürültü marjının mümkün olduğu kadar yüksek olması
istenir.
VN,max < NMH
7.3.3
VN,max < NML
ÇALIŞMA HIZI VE GECİKME
Bir kapı devresinin girişine uygulanan lojik işaret değer değiştirdiğinde çıkışın da aynı
anda değerini değiştirmesi beklenir. Ancak fiziksel dünyada her değişim sonlu bir zaman
alır. Yani kapı devresi çıkışının 0 konumundan 1 konumuna çıkması veya 1 konumundan
0 konumuna inmesi belli bir sürede olur. Bu sürelere sırasıyla yükselme süresi (tr) veya
alçaktan yükseğe geçiş süresi (ttLH) ve düşme süresi (tf) veya yüksekten alçağa geçiş süresi (ttHL)
denir.
Şekil 10-3’de giriş ve çıkış işaretleri arasındaki ilişki görülmektedir. Giriş ve çıkış
işaretlerinin %50 leri arasındaki zaman farkına gecikme süresi (td) denir.
t
t
td  dHL dLH
2

Şekil 7-3 Kapı devresinin çıkış dalga şekli
Bu süreler kapı devrelerinin yapısına (lojik ailesine) ve kapı devresinin çıkışına bağlı olan
diğer kapıların sayısına bağlıdır. Çünkü her kapının girişi ek bir kapasiteyi çıkışa bağlamış
olur. Yükselme ve düşme zamanları ise toplam kapasiteye (CL ) bağlıdır.
54
1. 74HC04 Evirici devresinin katalog bilgilerini (data sheet) internetten indirerek yüksek
ve alçak gerilim seviyeleri için gürültü marjlarını hesaplayınız.
2. Ayni tümdevre için gecikme ve geçiş sürelerini bulunuz.
7.5 SORULAR
1. Çeşitli lojik aileler için (en az üç tane) geçiş sürelerini ve gecikme sürelerini
kataloglardan (data sheet) bularak bunları karşılaştırın. Her biri için kullanılabilecek en
yüksek saat frekansı nedir? Hesaplayınız.
2. Bir kapı devresinin çıkışına bağlanabilecek kapı sayısına “çıkış yelpazesi (Fanout)”
denir. 74HC... serisi tümdevrelerde kataloogda verilen sürelerin sağlanması için bir
kapı çıkışına en fazla kaç kapı bağlanabilir? Bu sınır nasıl belirlenir? Araştırınız.
55
1. 74HC04 tümdevresindeki birinci eviricinin girişine 0-5V arası ayarlanabilen bir doğru
gerilim kaynağı, çıkışına da DC voltmetre bağlayınız. Voltmetreyi “Manual Range”
konumuna alıp kademeyi virgülden sonra 3 hane gösterecek şekilde ayarlayınız. Tüm
devreyi VDD=5V DC gerilimle besleyiniz. Giriş gerilimini sıfır yaparak çıkış gerilimini
ölçünüz (VOH).
2. Giriş gerilimini 5V yaparak çıkış gerilimini ölçünüz (VOL).
3. Giriş gerilimini tekrar sıfır yapınız. Gerilimi yavaş yavaş arttırarak çıkış geriliminin
düştüğü andaki giriş gerilimini ölçünüz (ViL).
4. Giriş gerilimini 5V yapınız. Gerilimi yavaş yavaş azaltarak çıkış geriliminin yükseldiği
andaki giriş gerilimini ölçünüz (ViH).
5. Bu değerleri kullanarak yüksek ve alçak gerilim seviyeleri için gürültü marjını
hesaplayınız.
6. 74HC04 Evirici devresindeki iki eviriciyi ard arda bağlayınız. Birinci eviricinin girişine
100kHz frekanslı 0 ila 5V arası değişen bir kare dalga uygulayınız. Birinci eviricinin
giriş/çıkış dalga şekillerini osilioskopta üst üste görüntüleyerek Şekil-3’deki bütün
süreleri kürsor kullanarak ölçünüz ve kaydediniz.
7. Ölçtüğünüz değerleri kullanarak gecikme süresini ve geçiş sürelerini bulunuz.
8. 74HC08 yerine CD4069 tümdevresini koyarak 6. adımı tekrarlayınız.
9. CD4069 tümdevresinin birinci eviricisinin çıkışını diğer dört tane eviricinin girişine
bağlayınız. İkinci eviricilerden birinin çıkışını kullanılmamış olan başka bir eviricinin
girişine bağlayınız (Şekil 7-4). Bu eviricinin çıkışındaki vo(t) gerilimini osiloskola
izleyiniz ve giriş/çıkış işaretlerini üst üste çiziniz. Giriş işaretinin frekansını arttınız.
Çıkış işareti frekans arttıkça nasıl değişmektedir? Çıkış işaretindeki değişmenin 2V’un
altına indiği andaki giriş işaret frekansını (fmax) kaydediniz. Bu frekans için v1(t) ve v2(t)
gerilimlerini çiziniz.
Şekil 7-4
56
Deney Ön Raporu
Deney No 7 – Lojik Kapı Devreleri
Raporu Yazan :. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Gurup: . . . . . . . . .
Deney Tarihi : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74HC04
1. VOH = ........................
2. VOL = ........................
3. ViL = ........................
4. ViH = ........................
5. NMH = ........................
NML = ........................
6. tdHL = ........................ tdLH = ........................
7. td = ........................
ttLH = tr =........................
ttHL = tf =........................
8. CD4069
tdHL = ........................ tdLH = ........................
td = ........................
ttLH = tr =........................
ttHL = tf =........................
9.
f = 100kHz
f =fmax = .....................
57
58
SAYISAL/ANALOG DÖNÜŞTÜRÜCÜLER (D/A)
8.
Basit D/A Dönüştürücü devrelerin incelenmesi
DA Besleme Kaynağı ±15V, 5V
Voltmetre
Tümdevre İşlem Kuvvetlendiricisi (LM741)
Dirençler (12x1k)
Anahtarlar (3x iki kutuplu)
Modern haberleşme ve ölçme sistemleri 21. yüzyılda artık tamamen sayısal devrelerle
gerçekleştirilmektedir. Sayısal devrelerin önemli avantajları şöylece sıralanabilir:








Daha güvenlidirler. Gürültü, sinyal karışması gibi dış etkilere dayanıklıdırlar.
Daha ucuzdurlar.
Ortam değişimlerinden daha az etkilenirler.
Kullanılan elemanların parameter değişimlerinden etkilenmezler.
Doğruluk ve işaret kaliteleri istenildiği gibi ayarlanabilirler.
Seri imalatta her devre aynı şekilde çalışır.
Sayısal olarak kopyalanan işaretlerde kopyalar original işaretle tamamen aynıdır.
Çok Geniş Çaplı Tümdevrelerle (VLSI:Very Large Scale Integration)
gerçekleştirilebilirler.
59
Bu ve daha pek çok avantajlarına rağman tabiattaki fiziksel büyüklükler ve insanın
algılama sistemleri analog olduğundan bu işaretler doğrudan sayısal sistemlere
uygulanamazlar. Giriş işaretlerinin analogdan sayısala ve çıkış işaretlerinin de sayısaldan
analog büyüklüğe dönüştürülmesi gerekir. Bu işi yapmak için de Analog’dan Sayısal’a
(A/D) ve Sayısal’dan Analog’a (D/A) dönüştürücü devrelere gerek vardır.
8.4 SAYISAL/ANALOG (D/A) DÖNÜŞTÜRÜCÜLER
D/A dönüştürme için kullanılan pek çok devre vardır. Bu deneyde sadece en basit iki
yöntem ele alınacaktır:
• Ağırlıklı Direnç Yöntemi
• R-2R Merdiven Devresi
8.4.1
AĞIRLIKLI DİRENÇ YÖNTEMİ
Ağırlıklı direnç devresinde en etkili bit’ten başlayarak her direnç bir öncekinin tam iki
katı seçilir. Örnek olarak Şekil 12-1’deki 4-bitlik devrede R3=R, R2=2R, R1=4R ve R0=8R
olarak seçilmelidir. Eğer b0 en az etkili bit (LSB) ve b3 en etkili bit (MSB) olmak üzere, b0
… b3 4-bit’lik 2 tabanında yazılmış giriş sayısının bit’leri ise, bu bitler lojik-1 ise anahtar
sola, lojik-0 isa sağa bağlanacaktır. Bu durumda devrenin çıkışında elde edilen toplam
akım (IT) ve buna karşı gelen çıkış gerilimi (Vo) aşağıdaki gibi hesaplanabilir.
IT = I3+ I2+ I1+ I0
(8-1)
Şekil 8-1 Ağırlıklı Direnç kullanan D/A çevirici devresi
burada:
I i  VR
1
bi
R
olduğu göz önüne alınırsa

IT = VR (
1
1
1
1
1
1
1
1
b3 
b2  b1 
b0 )  VR ( b3 
b2 
b1 
b0 )
R3
R2
R1
R0
R
2R
4R
8R
IT = VREF (1/8R) [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
elde
 edilir. Bu durumda çıkış gerilimi:
60
(8-2)
Vo= - RIT = - RVREF (1/8R) [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
(8-3)
Vo = - (VREF /8) [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
Vo= K[ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
(8-4)
olur. Tabii ki bu eşitliğin doğru olması için direnç değerlerinin tam olarak doğru olması
gerekir. Aksi halde direnç toleranslarından ötürü bir hata oluşur. Dirençlerin toleransı
i=(Ri)/Ri ise akımdaki bağıl hata aşağıdaki formülle hesaplanabilir.
I T
1
 n
(2 n1n1bn1  ....  21b1  0 b0 )
I max 2 1
(8-5)
Bu değere referans gerilim kaynağındaki bağıl hata da eklenirse toplam hata bulunur.
I T
1
V

(2 n1n1bn1  ... 21b1  0 b0 )  REF
I max 2 n 1
VREF

(8-6)
4-bitlik bir dönüştürücüde bu hatanın değeri:
I T
1
V
 (2 33b3  2 2 2 b2  211b1  2 0 0 b0 )  REF
I max 15
VREF

(8-7)
Formülden görüldüğü gibi en etkili bit (MSB) direncinin hatası en az etkili bit (LSB)
direncinin n katı etkili olur. Eğer bit sayısı büyükse, MSB direncin hatası LSB’nin

etkisinden
daha fazla olur ve bu biti kullanmak anlamsız olur. Örnek olarak n=6 bitlik bir
çeviricide direnç toleransları %10 ise, en etkili bit direncinin toleransından ötürü toplam
akım ±%5 değişir. Buna karşılık LSB bitinin değişmesi toplam akımda 1/64=0,016=%1,6
bir değişiklik, ondan sonraki bit ise 1/32=0,032=%3,2 bir değişiklik yapar. Dolayısı ile son
iki bit’i kullanmak anlamsız olur. Yani %10 toleranslı dirençlerle en çok 4 bit’lik D/A
çevirici yapılabilir. Toleransları aynı olan dirençlerden n-bitlik bir çevirici yapılacaksa
dirençlerin toleransı 1/(2n-1)’den küçük olmalıdır.
 IT  I 0 (2 n1  2 n2  ... 21  2 0  )  I 0 (2 n 1)  I 0


8.4.2
1
2 1
(8-8)
n
R-2R MERDİVEN DEVRESİ
Yukarda bahsedilen mahzurları ortadan kaldırmak farklı yöntemler geliştirilmiştir. Bu
yöntemlerden en kolay olanı R-2R Merdiven Devresi yöntemidir.
Bu devrenin yapısı Şekil 8-2’de verilmiştir. Devrenin özelliği bütün direnç değerlerinin R
veya 2R değerinde eşit olmasıdır. Bu yüzden dirençlerden kaynaklanan hatalar bütün
bitler için aynı oranda etkili olur. Bu devre aslında gerilim bölme prensibine dayanır.
Merdivenin her basamağındaki gerilim bir öncekinin yarısı kadar olur. Çünkü her
basamaktan sağa doğru bakıldığında görülen direnç anahtarın konumundan bağımsız
olarak R değerine eşittir (İşlem kuvvetlendiricisinin giriş noktasının geriliminin sıfır
olduğu unutulmamalıdır).
61
Şekil 8-2 R-2R D/A çevirici devresi
Bu durumda toplam akım;
IT 
VR
V
V
V
b3  R b2  R b1  R b0
2R
4R
8R
16R
= VR (1/16R) [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
(8-9)
ve çıkış gerilimi;
Vo = - (VR /16) [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
= K [ 23 b3 + 22 b2+ 21 b1 + 20 b0 ]
(8-10)
olur.
8.5
1. R=1k ve VREF=5V değerlerini ile 3-bitlik ağırlıklı direnç ve R-2R Merdiven devresi
yöntemlerini kullanan D/A dönüştürücü devreleri tasarlayınız ve şemalarını aşağıdaki
boşluğa çiziniz.
2. Sayısal giriş işaretinin mümkün olan her değeri için çıkış gerilimini hesaplayarak Tablo
12-1’deki “Teorik Değer” satırına yazınız.
8.6
SORULAR
1. Şekil 12-1’de verilen “Ağırlıklı Direnç D/A Dönüştürücü” devresinde (8-6) eşitliğinde
belirtilmeyen başka hata kaynakları olabilir mi? Varsa nelerdir? Araştırınız.
2. Burada anlatılanların dışında başka ne tür D/A dönüştürücüler vardır? Adlarını
yazarak her birinin çalışma ilkesini kısaca anlatınız.
62
DENEYİN YAPILIŞI
1. Şemasını çizmii olduğunuz 3-bitlik “Ağırlıklı Direnç” tipi D/A dönüştürücü
devresini kurunuz. Devreyi gerçekleştirirken 2k direnci iki tane 1k, 4k direnci
ise 4 tane 1k direnci seri bağlayarak gerçekleştiriniz. işlem kuvvetlendiricisini
±15V ile besleyiniz.
2. Giriş sayısına karşı düşen anahtarların bütün kombinasyonları için çıkış gerilimini
ölçerek Tablo8-1’deki “Deneysel Değerler” satırına yazınız. Her giriş sayısı için
hatayı hesaplayarak “Hata” satırına yazınız.
3. Bu değerlerden yararlanarak devrenin Giriş-Çıkış transfer eğrisini çiziniz.
4. Şemasını çizmiş olduğunuz 3-bitlik “R-2R Merdiven” tipi D/A dönüştürücü
devresini kurunuz. Devreyi gerçekleştirirken 2k direnci iki tane 1k direnci seri
bağlayarak gerçekleştiriniz. İşlem kuvvetlendiricisini ±15V ile besleyiniz.
5. Her basamaktaki gerilimi (V0, V1 ve V2) ölçerek kaydediniz.
6. Giriş sayısına karşı düşen anahtarların bütün kombinasyonları için çıkış gerilimini
ölçerek Tablo 8-2’deki “Deneysel Değerler” satırına yazınız. Her giriş sayısı için
hatayı hesaplayarak “Hata” satırına yazınız.
7. Bu değerlerden yararlanarak devrenin Giriş-Çıkış transfer eğrisini çiziniz.
8. Bulduğunuz en büyük hata en etkisiz bit’in (LSB) sebep olduğu değişimden küçük
müdür? Değil ise bu ne anlama gelir?
Şekil 8-3 Tipik bir D/A dönüştürücüde Giriş-Çıkış transfer eğrisi
63
Deney Ön Raporu
Deney No 8 – D/A Dönüştürücüler
Raporu Yazan
: ..............................................................
Deney Tarihi
: ................................
Gurup: .........
2.
Tabl0 12-1
2-Tabanında Giriş Sayısı
000
001
010
011
100
101
110
111
101
110
111
Ondalık Eşdeğer Sayı
Teorik Çıkış Gerilimi
Deneysel Çıkış Gerilimi
Hata
5.
V0 = ........................ V1 = ........................ V2 = ........................
6.
Tabl0 12-2
2-Tabanında Giriş Sayısı
000
001
010
011
100
Ondalık Eşdeğer Sayı
Teorik Çıkış Gerilimi
Deneysel Çıkış Gerilimi
Hata
8.
max= ………………
VLSB= ………………
Yorum:……………………………………………….………………………………………………
64
65
Ekler
9.
EKLER
EK2: OSİLOSKOP
20
19
18 17 16 15 14 13 12 11 10
9
8
20
0
1
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
2
3
4
5
6
7
Ekran
Flaş bellek çıkışı. Ekrandaki bilgileri belleğe aktarır.
Prob kalibrasyon çıkışı. Probları ayarlamakta kullanılır.
Y1-Y2 girişleri
Genlik ayarı (V/cm). Ekrandaki görüntünün büyüklüğünü ayarlar.
Dış eşzamanlama girişi. Görüntüyü durdurmak için dış sinyal girişi.
Zaman ekseni ayarı (s/cm)
Tetikleme seviye ayarı. Görüntüyü durdurmaya yarar.
Otomatik Ayarlama düğmesi. Giriş işaretleri uygulandıktan sonra bu düğmeye basılırsa bütün ayarlar otomatik
olarak yapılır.
Yatay konum ayarı. Görüntüyü sağa sola kaydırır.
İmleç (cursor) açma kapama. Ekranda ölçme noktasını gösteren imlecin görünmesini sağlar.
Ölçme düğmesi. Ekrandaki işaretlerin çeşitli büyüklüklerini ölçerek rakamsal olarak gösterir.
Düşey konum ayarı. Görüntüyü aşağı yukarı hareket ettirir.
Oto kademe düğmesi. Görüntüyü en iyi görünecek şekilde ayarlar.
Matematik düğmesi. İki kanal işaretleri arasında matematiksel işlemler yapar.
Genel amaçlı ayar düğmesi
Bellek düğmesi. Ekrandaki görüntüyü belleğe aktarır.
Kanal seçme düğmesi. Y1 ve Y2 kanallarını seçerek bu kanalların ayarlarının yazılım düğmeleri ile
ayarlanmasını sağlar.
Yazılım düğmeleri (Soft Buttons). O esnada ekranda görünen fonksiyonları yerine getirir.
Açma kapama düğmesi. Cihazın üst tarafında yer alır.
Osiloskop gerilimin zamanla değişimini gösteren ölçme aletidir. Akım ve diğer elektriksel
büyüklükleri doğrudan ölçmez.
Ölçme yaparken dikkat edilecek noktalar:
Özellikle yüksek frekanslarda ölçme yaparken mutlaka özel bağlantı kabloları (problar) kullanılmalıdır.
Eğer ekranda uygun bir şekil göremiyorsanız, probları devreye bağladıktan sonra”AUTOSET [9]”düğmesine basınız.
Şekil elde ettikten sonra ince ayar yapabilirsiniz.
Ekrandaki şeklin çeşitli büyüklüklerini ölçmek için “MEASURE [12]” düğmesine bastıktan sonra ekran kenarındaki
menüden istediğiniz büyüklüğü seçiniz.
Şekil durmuyorsa “TRIG MENU” düğmesine basarak ekrandaki menuden tetikleme kanalını (1 veya 2) olarak seçiniz
ve “TRIGGER LEVEL [8]” düğmesi ile ayar yapınız.
66
Ekler
EK3: MÜLTİMETRE
1. Gerilim direnç ölçme girişi. Gerilim ve direnç ölçmek + prob bu uca bağlanır.
2. 4-Uçlu Direç ölçümü için “SENSE” giriş uçları
3. Ölçülen değerin ayarlanan sınırlar içinde olup olmadığını gösteren “COMP” göstergesi
4. 6 Adet TEST konfigürasyonunu saklama ve çağırma tuşları
5. Kalibrasyon Düğmesi. Aleti kalibre eder.
6. Açma/Kapama (STANDBY) Düğmesi
7. Düğmelerin 2. Fonksiyonlarını seçme düğmesi.
8. Yazdırma düğmesi (2. Fonksiyonu RS232 Parametrelerini ayarlama).
9. Ölçme hız ayarı (2. Fonksiyonu Tetikleme kaynağını seçer).
10. Durdurma düğmesi.
11. Bağıl Değer Okuma; Önceden ayarlanan referans değerle okunan değerin farkını gösterir (2. Fonksiyon:
Referans değeri ayarlar).
12. dB Birimi ile bağıl ölçme yapar. (2. Fonksiyonu dB için referans empedans değerini ayarlar).
13. Max ve Min ölçme değerlerini saklar.
14. Ölçülecek büyüklüğü seçer.
15. Ölçme kademesini (Otomatik veya elle) seçer.
16. 10A AC/DC akım giriş terminalleri.
17. 200mA AC/DC akım giriş terminalleri.
TEKNİK ÖZELLİKLER:
DC Gerilim (200mV-1000V) Belirsizlik:%0,015 (%Okuma+%Kademe)
AC Gerilim (200mV-1000V) Belirsizlik: %0,5 (45Hz-20kHz), %0,3 (20kHz-50kHz), %0,8 (50Hz-100kHz),
Direnç (200-100M)
Belirsizlik: %0,03 (200), %0,02 (2k-200k), %0,04(2M), %0,25 (20M), %1,75
DC Akım
(200uA-10A) Belirsizlik: %0,03 (200uA), %0,02 (2mA), %0,03 (200mA), %0,08 (2A), %0,2
(10A)
AC Akım
(20mA-10A)
Belirsizlik: %0,25(20mA-2A; 45Hz-2kHz), %1 (0A)
Mültimetre akım-gerilim-direnç ve diğer temel elektriksel büyüklükleri ölçen üniversal ölçü aletidir.
Kullanırken dikkat edilmesi gereken noktalar:
 Aleti devreye bağlamadan önce ölçülecek büyülüğe göre ölçme kablolarının (prob) ölçeceğiniz büyüklüğe uygun
girişe bağlı olduğundan emin olunuz.
 Fonksiyon Anahtarını [14]ölçeceğiniz büyüklüğe göre seçiniz.
 Eğer alet otomatik kademe seçmeli değilse ve ölçeceğiniz büyüklüğün ne kadar olduğunu tahmin edemiyorsanız
mümkün olan en yüksek ölçme kademesini seçiniz.
 Alet akım ölçme konumunda iken kesinlikle gerilim kaynaklarına bağlamayınız! Bu durumda alet hasar görecektir.
 Yüksek gerilim ölçerken (220VAC gibi) kesinlikle probun metal kısımlarına değmeyiniz. Ciddi yaralanmalar ve ölüm
tehlikesi olabilir.
67
Ekler
Ek 4: ELVIS II Donanımı
NI ELVIS® National Instruments firmasının “LabView” yazılımı ile birlikte çalışan bir
donanım arayüzüdür. Bu donanım üstünde kurulacak devrelerin elektriksel
büyüklüklükleri “LabView” yazılımında bulunan “Sanal Ölçü Aletleri (Virtual Instruments,
VI)” kullanılarak ölçülebilir.
ELVIS
ana açma-kapama
anahtarı
İşaret üreteci
çıkışı
KART
açma-kapama
anahtarı
Ayarlı gerilim
kaynağı
kontrolleri
Osiloskop
girişleri
İşaret üreteci
kontrolleri
Mültimetre
girişleri
Kart giriş
çıkışları
Deney kartı
Breadboard
Üzerine Deney kartı (Breadboard) takılmış NI ELVIS kutusu
Mültimetre
Osiloskop
İşaret
üreteci
Frekans cevabı
ölçme aleti
Gerilim
kaynağı
Dalga
üreteci
Spektrum
analizörü
Sayısal çıkış
Sayısal giriş
Empedans
ölçme
ELVIS Sanal aletler (“Instrument Launcher”) paneli
68
V-I
karakteristiği
Ekler
Ek5: Deneme kartı (Breadboard)
+5V
R1
Devre şeması
R2
C1
Deneme kartı (breadboard) elektronik elemanların lehimlemeden
birbirine bağlanmasını sağlayan bir yapıdır. Her yatay sırada
birbirine bağlı 5 delik bulunur. Bu deliklere takılan 5 eleman veya
kablo birbirine bağlanmış olur. Sağda ve solda bulunan düşey sıralı
deliklerin her sırası kendi arasında bağlanmıştır. Bu sıralar
genellikle besleme kaynağının (+) ve (-) uçlarına bağlanarak
besleme ve toprak terminalleri olarak kullanılır.
Devre gerçeklemesi
+5V
Toprak
Yatay olarak birbirine bağlı
R1
R2
Düşey olarak
birbirine
bağlı
C1
Üstten Görünüş
Alttan Görünüş
69
Ekler
Ek 6: Deney Raporu Formatı
ELEKTRONİK LABORATUVARI
DENEY RAPORU
Deney No:
Deney
Adı:
Raporu Hazırlayan:
Deneyi yapanlar:
Deney tarihi:
Raporun teslim edildiği tarih:
Gecikme:
Rapor Notu
70
Ekler
Raporda Yer alması gereken başlıklar ve puanlama:
1. DENEYDE KULLANILAN ALETLER
Bu deneyde kullandığınız aletleri marka ve modelini belirterek yazınız.(5p)
2. DENEY SONUÇLARI
Deneyden önce yaptığınız hesap sonuçlarını(varsa) ve deneydeki ölçme sonuçlarını tablo halinde veriniz. Grafiklerini
(varsa) çiziniz. Tabloların başlıklarını ve grafiklerde eksenlerin ölçeklerini ve birimlerini koymayı unutmayınız.
Deneysel sonuçlardaki hata kaynaklarını belirtiniz ve hata analizi yaparak sonuçları uygun sayıda rakam vererek
yazınız. (30p)
3. YORUM
Deney sonuçlarını teorik değerlerle ve bilgilerle karşılaştırınız. Aradaki farkların nedenlerini açıklayınız. (30p)
4. DENEYDE ÖĞRENİLENLER
Bu deney sonunda öğrendiğiniz bilgi ve deneyimleri (olumlu-olumsuz) 1-2 paragrafta anlatınız. (15p)
5. SORULAR
Bu deneyle ilgili bölümün sonundaki bütün soruların cevaplarını yazınız. (15p)
Rapor Düzeni.(5p)
Not: Raporlar bilgisayarda yazılacaktır. Şekiller ölçekli milimetrik kağıtlara elle veya bilgisayarda çizilebilir.
71

elektronik deneyleri ı

Transkript

Benzer belgeler

Lab 1 On-Calisma

BMM212 Elektronik 1 Lab. Deney#2

4.Aşırı gerilimler

SMA STP 15000TL - Krannich Solar