2013-2014 Bahar ULUDAĞ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELN2104 Elektrik Devreleri Laboratuarı II –2013-2014 Bahar DENEY 1 İşlemsel Kuvvetlendiricili (OP-AMP) Devrelerin AC Uygulamaları Deneyi Yapanın Adı – Soyadı Numarası Deney Grubu Deney Tarihi İmza Değerlendirme : Ön Hazırlık ve Deney Bilgisi (20 / 100) : / 100 Deney Düzeneği Kurulumu (15 / 100) : / 100 Ölçü Aletlerinin Kullanımı (20 / 100) : / 100 Deney Sonuçları (30 / 100) : / 100 Zamanında Tamamlama (15 / 100) : / 100 DENEY NOTU (100 / 100) : / 100 Sonuçların Yorumlanması (90 / 100) : / 100 Rapor Düzeni (10 / 100) : / 100 RAPOR NOTU (100 / 100) : / 100 : : : : Değerlendiren : Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar Deney 1: İşlemsel Kuvvetlendiricili (OP-AMP) Devrelerin AC Uygulamaları AMAÇLAR 1. Op-amplı devrelerde besleme gerilimi ve yük direncinin çıkış gerilimine etkisinin incelenmesi 2. Op-amplı devrelerin giriş ve çıkış işaretleri arasındaki kazanç ve faz farklarının ölçülmesi 3. İstenilen değerde kazanç ve faz farkına sahip op-amplı devre tasarımının yapılması ÖNBİLGİ 1. Op-amp bacak (pin) bağlantıları 1 8 VCC 2 Vref _ Vin 3 Ro 7 6 A + 1 Vo Vref 4 Vin VEE VEE 2 7 _ A 3 6 + 4 VCC Vo 5 (a) Vref Vin VEE + 2 7 A.Vi Ri 3 8 6 Vi _ 4 (b) VCC Vo 5 (c) Şekil 1. LM741 tümdevresinin bacak bağlantıları 2. Çıkış gerilimi maksimum değerinin sınırlanması Op-amplı bir devrenin girişine sinüzoidal bir işaret uygulandığında çıkış gerilimi de VEE<V0<VCC şartını sağlayacak şekilde sinüzoidal bir işaret olur (Şekil 2a). Eğer giriş gerilimi tepe değeri (V2)’nin kazançla çarpılmasıyla elde edilen çıkış gerilimi tepe değeri (K·V2) yukarıda belirtilen şartı sağlamazsa, çıkış işaretinde kırpılma meydana gelir (Şekil 2b). Vin Vo K.V1 V1 Vin Vo VCC V2 Vo K.V2 p-p t t t t VEE (a) (b) Şekil 2. Evirmeyen kuvvetlendiricide a) kırpılmasız b) kırpılmalı durumda giriş ve çıkış işaretlerinin değişimi Şekil 1c’deki op-amp eşdeğeri göz önüne alınırsa, op-amplı devrenin çıkışına bir yük direnci bağlanarak op-amptan akım çekildiğinde, çıkış direnci (R0) üzerinde bir gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda çıkış gerilimi maksimum değeri VEE+VRo<V0<VCC-VRo şartıyla sınırlanır. Bu nedenle kırpılmasız durumda elde edilebilecek maksimum “tepeden tepeye çıkış gerilimi ( V0( p  p ) )” değeri küçülür. Vp-p (p-p: peak to peak, tepeden tepeye) değeri, işaretin maksimum ve minimum değerleri arasındaki farktır. Tarih ve İmza: 1 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar Şekil 3b’de evirmeyen bir kuvvetlendiriciye ait çıkış geriliminin, giriş gerilimi ile değişimini ifade eden grafik görülmektedir. Bu grafik, osiloskobun XY modunda ölçüm yapılarak elde edilebilir. R2 Vo <VCC Vo max VCC R1 _ Vin Vo Vin + + VEE Vo >VEE min (a) (b) Şekil 3. Evirmeyen kuvvetlendiricide çıkış işaretinin giriş işareti ile değişimi XY modunda çalışan osiloskopta CH1 (kanal 1) girişine uygulanan işaret düşey (y) ekseni, CH2 (kanal 2) girişine uygulanan işaret ise yatay (x) ekseni tarar. Bu sayede çıkış işaretinin giriş işaretine göre değişimi ekranda görüntülenir. 3. Op-amplı fazör devreler Şekil 4’de op-amplı eviren ve evirmeyen kuvvetlendirici devreleri ve transfer fonksiyonları görülmektedir. Devreler Z1 ve Z2 empedanslarını içermektedir. Burada Vin ve Vo ifadeleri, sinüzoidal giriş ve çıkış gerilimlerinin fazör gösterimleridir. Z2 Z2 VCC VCC Vin _ Z1 _ Z1 Vo + Vo Vin Vo Z  2 Vin Z1 VEE + Vo Z  1 2 Vin Z1 VEE (a) (b) Şekil 4. Op-amplı a) eviren b) evirmeyen kuvvetlendirici devreleri 4. Op-amplı türev alıcı devre Şekil 4a’da görülen eviren kuvvetlendirici devresinde Z1 empedansı bir C kondansatöründen ve Z2 empedansı bir R direncinden oluştuğunda, devre bir türev alıcı olarak davranır (Şekil 5a). R R VCC C Rs _ Vin Vin C VCC _ Vo Vo + + VEE VEE (a) (b) Şekil 5. a) Basit bir türev alıcı devre b) seri direnç eklenmiş türev alıcı devre Tarih ve İmza: 2 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar Basit bir türev alıcı devrede karşılaşılan en temel problem, artan frekansla kapasitif reaktansın azalması ve bunun da devrenin kazancının artmasına neden olmasıdır. Reaktanstaki bu değişiklikten dolayı devre yüksek frekans gürültülerine karşı çok hassastır. Bu durumda yüksek frekans kazancına bir limit koymak için Şekil 5b’deki gibi kondansatöre seri bir direnç (Rs) eklenir. Rs direncinin eklenmesi, kazanç ve faz farkının değişmesine neden olur. 5. Op-amplı integral alıcı devre Şekil 4a’da görülen eviren kuvvetlendirici devresinde Z1 empedansı bir R direncinden ve Z2 empedansı bir C kondansatöründen oluştuğunda devre bir integral alıcı olarak davranır (Şekil 6a). C C R Vin Rp VCC _ VCC R _ Vin Vo Vo + + VEE VEE (a) (b) Şekil 6. a) Basit bir integral alıcı devre b) paralel direnç eklenmiş integral alıcı devre Türev alıcıdakine benzer bir problem, integral alıcı devre için de geçerlidir. Kondansatörün reaktansı azalan frekansla birlikte artar ve dolayısıyla DC kazancı aşırı derecede yüksek olur. DC kazancı sınırlamak için Şekil 6b’de görüldüğü gibi, C kondansatörüne paralel olarak bir direnç (Rp) yerleştirilir. Devre, DC’de (sıfır frekans) eviren kuvvetlendirici gibi davranır. R p direncinin eklenmesi, kazanç ve faz farkının değişmesine neden olur. 6. İki işaret arasındaki faz farkının ölçümü İki işaret arasındaki faz farkı, osiloskop kullanılarak iki farklı yöntemle ölçülebilir. Osiloskop normal tarama modunda çalıştırılırken, her iki işaretin zamana bağlı değişimi ekranda gözlenir. İşaretlerin sıfırdan geçiş anları arasındaki zaman farkı, işaretlerin periyotlarına oranlanarak faz farkı bulunur. (Şekil 7a). Diğer yöntemde ise osiloskobun XY modunda ölçüm yapılır. Şekil 7b’de görülen eğri yardımıyla sin = B/A formülünden faz farkı hesaplanır. Düşey ve yatay eksenlerin belirlenebilmesi için kanallardan biri kapatılarak, tek bir kanalın ekranı taraması sağlanır. y V B t1 y A t t   1 360 T T B A x sin (180 -)  B / A sin   B / A (a) x (b) Şekil 7. İki işaret arasındaki faz farkının a) normal tarama modunda b) XY modunda ölçümü Tarih ve İmza: 3 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar ÖN HAZIRLIK 1. Şekil 4a ve 4b’deki devrelerde Z1 = R1 + jX1 ve Z2 = R2 + jX2 olarak alıp her bir devre için Vo/Vin ifadelerini en sade biçimde (a+jb formunda) bulunuz. Şekil 4a: Vo  Vin Şekil 4b: Vo  Vin 2. Ön hazırlık 1'de bulduğunuz V0/Vin ifadelerini kullanarak Şekil 5a, 5b, 6a ve 6b’deki devrelere ait V0/Vin ifadelerinin fazör gösterimlerini (genlik ve faz farkı biçiminde) bulunuz. Ör: Şekil 5a: R1=0 X1=  1 wC R2=R X2=0 V0 R wC j   jwRC  wRC  90 Vin 1 w2C 2 Şekil 5b: R1 = X1= R2 = X2= R1 = X1= R2 = X2= R1 = X1= R2 = X2= V0  Vin Şekil 6a: V0  Vin Şekil 6b: V0  Vin 3. Şekil 6b’deki devrenin girişine Vin (t )  sin(2  1000t ) işareti uygulandığında çıkış işaretinin V0 (t )  3,1  sin(2  1000t  121 ) olması için gerekli olan R ve Rp değerlerini ön hazırlık 2'de bulduğunuz formüller yardımıyla hesaplayınız (C=22nF alınız). 4. Ön hazırlık 3'de incelediğiniz devrede Rp direnci kaldırıldığında elde edilecek V0(t) işaretini bulunuz. Tarih ve İmza: 4 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar Öneri: Deneyde kullanılacak devreleri laboratuvar öncesinde kurarak (Workbench veya laboratuvar ortamında) çalıştırmanız, deney sırasında hızlı ve doğru sonuçlar elde etmenize yardımcı olabilir. DENEYDE KULLANILACAKLAR  Çift kanallı osiloskop (osiloskobun tanıtım dokümanını fotokopiden alabilirsiniz),  Sinyal jeneratörü, BNC konnektör,  LM741 op-amp tümdevresi,  Kondansatör: 22nF,  Dirençler: 330, 2k 10k, 12k270k DENEYİN YAPILIŞI 1. Op-amplı evirmeyen kuvvetlendiricide kırpılmasız maksimum çıkış geriliminin ölçümü 1.1. Şekil 8’deki op-amplı evirmeyen kuvvetlendirici devresini kurunuz. Şekil 8. Op-amplı evirmeyen kuvvetlendirici devresi 1.2. Sinyal jeneratörünü kullanarak devrenin girişine (sinyal jeneratörünün 50 ’luk çıkışından Board’un BNC girişine) 1kHz frekansında sinüzoidal işaret uygulayınız. Çift kanallı osiloskop yardımıyla giriş ve çıkış (Vin ve V0) işaretlerini aynı anda gözleyiniz. 1.3. Giriş işaretinin genliğini, çıkış işaretinin negatif veya pozitif tepe değerinde kırpılmanın oluşmaya başladığı değere ayarlayınız. 1.4. Çıkış işaretinde kırpılma olmadan (sinüzoidal formu bozulmadan) elde edilebilecek maksimum “tepeden tepeye çıkış gerilimi ( V0( p  p ) )” değerini osiloskoptan okuyunuz. VCC ve VEE değerlerini de voltmetre yardımıyla ölçerek Tablo 1’e kaydediniz (yük direnci yok). VCC VEE Tablo 1. Maksimum çıkış gerilimi ölçümü VCC - VEE V0( p  p ) (max), yük direnci yok V0( p  p ) (max), Ry = 330 1.5. Devrenin çıkışına (V0 ile toprak arasına) bir Ry = 330 yük direnci bağlayıp, ölçümleri tekrarlayarak, bulduğunuz V0( p  p ) (max) değerlerini Tablo 1’e kaydediniz. Yorum 1: Yük direnci yok iken V0( p  p ) (max) neden VCC-VEE’den küçük çıkmıştır? Yorum 2: Yük direncinin eklenmesi V0( p  p ) (max)’ı neden düşürmüştür? Tarih ve İmza: 5 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar 2. Op-amplı evirmeyen kuvvetlendiricide gerilim kazancı ölçümü ve giriş-çıkış grafiğinin elde edilmesi 2.1. Şekil 8’deki devrede (yük direnci yok iken) girişe Vin( p  p )  0.4V ve f=1kHz değerinde sinüzoidal işaret uygulayınız. Çıkış işaretinin genliğini ölçerek devrenin kazancını hesaplayınız ve elde ettiğiniz değerleri Tablo 2’ye kaydediniz. V0( p  p ) Tablo 2. Gerilim kazancı ölçümleri R V (ölçülen) V0( p  p ) (ölçülen) Av  0 (ölçülen) A v  1  2 (hesaplanan) R1 Vin 0.4V 28 Yorum 3: Kullandığınız dirençlerin toleranslarını göz önünde bulundurarak en büyük ve en küçük kazanç değerinin ne olarak ölçülebileceğini hesaplayınız. Ölçtüğünüz değer bu aralıkta mı? 2.2. Osiloskobu XY modunda çalıştırarak giriş ve çıkış işaretlerinin birbirlerine bağlı değişimini ifade eden grafiği elde ediniz. Düşey eksenin çıkış, yatay eksenin ise giriş işareti ile taranıyor olmasına dikkat ediniz. Giriş işaretinin genliğini değiştirerek kırpılma öncesi ve sonrası durum için elde edilen grafikleri Şekil 9’da gösteriniz. CH1= V/div CH2= a) Kırpılmasız durum CH1= V/div V/div CH2= V/div b) Kırpılmalı durum Şekil 9. XY modu dalga şekilleri Yorum 4: Şekil 9’da elde ettiğiniz grafikleri yorumlayınız. Bu grafiklerden hangi bilgiler elde edilebilir? Tarih ve İmza: 6 Doç. Dr. Figen ERTAŞ 2013-2014 Bahar 3. Op-amplı eviren kuvvetlendiricide gerilim kazancı ölçümü ve giriş-çıkış grafiğinin elde edilmesi Şekil 10. Op-amplı eviren kuvvetlendirici devresi 3.1. Şekil 10’daki devrede girişe Vin( p  p )  0.4V ve f=1kHz değerinde işaret uygulayınız. Çıkış işaretinin genliğini ölçerek devrenin kazancını hesaplayınız ve elde ettiğiniz değerleri Tablo 3’e kaydediniz. Vin ( p  p ) (ölçülen) Tablo 3. Gerilim kazancı ölçümleri R V A v   2 (hesaplanan) V0( p  p ) (ölçülen) Av   0 (ölçülen) R1 Vin 0.4V -27 3.2. Osiloskobu XY modunda çalıştırarak giriş ve çıkış işaretlerinin birbirlerine bağlı değişimini ifade eden grafiği elde ediniz. Düşey eksenin çıkış, yatay eksenin ise giriş işareti ile taranıyor olmasına dikkat ediniz. Giriş işaretinin genliğini değiştirerek kırpılma öncesi ve sonrası durum için elde edilen grafikleri Şekil 11’de gösteriniz. CH1= V/div CH2= V/div CH1= V/div CH2= V/div a) Kırpılmasız durum b) Kırpılmalı durum Şekil 11. XY modu dalga şekilleri Yorum 5: Şekil 11'de elde ettiğiniz grafikleri yorumlayınız. Tarih ve İmza: ERTAŞ 7 Doç. Dr. Figen 2013-2014 Bahar 4. Op-amplı integral alıcı devresinin giriş ve çıkış işaretleri arasındaki ilişkinin (kazanç ve faz farkının) incelenmesi 4.1. Ön hazırlık 3'te bulduğunuz R=2k, Rp=12k ve C=22nF değerlerini kullanarak Şekil 12'deki devreyi kurunuz. C Rp R Vin VCC _ Vo + VEE Şekil 12. Paralel direnç eklenmiş integral alıcı devre 4.2. Devrenin girişine Vin( p  p )  1V ve f=1kHz değerinde sinüzoidal işaret uygulayınız. 4.3. Rp'nin devrede bulunduğu ve bulunmadığı durumlara ait kazanç ve faz farkı değerlerini bulup Tablo 5'e kaydediniz. Vin p  p Tablo 5. İntegral alıcı devre için kazanç ve faz farkı ölçümleri  V0 Faz eğrisinden ölçülen V0 p  p Av  p  p Av B 180  sin 1 Vin p  p (ön hazırlık) A A değeri B değeri  (ön hazırlık) (ölçülen) Rp var Rp yok 1V 3,1 121º 1V 3,6 90º Yorum 6: Rp direncinin bulunduğu ve bulunmadığı durumlar için, hangi devrenin gerçek integral alıcı devre olduğunu nedeni ile belirtiniz. Yorum 7: Yaptığınız deneylerde, ölçümlerle teorik sonuçlar arasında oluşan farka aşağıda verilenlerden hangileri neden olabilir? Her birinin önemini belirtiniz.  Kullanılan elemanların (direnç ve kondansatörün) toleransları  Op-amp çıkış direncinin çıkış gerilimini sınırlaması  Besleme geriliminin tam olarak verilememesi  Kullanılan bağlantı tellerinin dirençleri  Op-ampın girişinden akım çekmesi Tarih ve İmza: ERTAŞ 8 Doç. Dr. Figen