Elektronik Devreler Ders Notlari

ELEKTRONİK DEVRELER DERS NOTLARI Kaynaklar: 1- Adel S. Sedra, Kenneth C. Smith, "Microelectronic Circuits", 4th ed., Oxford University Press, 1997. 2- M. Sait Türköz, "Elektronik", Birsen Yayınevi, 2004. 3- Robert Boylestad, Louis Nashelsky, Prentice-Hall Int, , "Elektronik Elemanlar ve Devre Teorisi", Çeviri: MEB basımevi, 2004. 4- Halit Pastacı, “Çözümlü Elektronik Devre Problemleri”, Yıldız Üniversitesi Basımevi, 1991. 5- Mersin Üniversitesi Meslek Yüksekokulu “Güç Kaynakları” ders notları.

Doç. Dr. Bülent ÇAKMAK

Ders içeriği: I. YÜKSELTEÇLERİN FREKANS CEVABI 

Desibel kavramı



Yükselteçlerin frekans-kazanç eğrileri (Bode diyagramları)

 Yükselteçlerin alçak ve yüksek frekans cevabı 

Çok katlı yükselteçlerde frekans cevabı

II. REGÜLATÖRLER VE GÜÇ KAYNAKLARI 

Zener diyot ve transistör ile regülasyon



Gerilim regülasyonlu güç kaynağı



IC gerilim regülatörleri



Anahtarlamalı (Switch-mode) güç kaynakları

III. AKTİF FİLTRELER (ACTIVE FILTERS) 

Pasif ve aktif filtreler



İkinci dereceden alçak ve yüksek geçiren filtreler



Band geçiren ve band durduran aktif filtreler

IV. GERİLİM KONTROLLÜ OSİLATÖRLER VE FAZ KİLİTLEMELİ ÇEVRİM 

Op-Amp’lı gerilim kontrollü osilatörler (kare ve üçgen dalga üreteçler)



566 fonksiyon üreteci



Faz kilitlemeli Çevrim (Phase Locked Loop-PLL) ve uygulamaları

V. GERİ-BESLEMELİ (FEED-BACK) YÜKSELTEÇLER 

Geri-besleme kavramları



Geri-besleme bağlantı türleri



Pratik geri-besleme devreleri

VI. YÜKSELTEÇLERDE OSİLASYON KAVRAMI 

RC osilatörler



Wien köprü osilatörler



Colpits ve Hartley osilatörler



Kristalli osilatörler

I. YÜKSELTEÇLERİN FREKANS CEVABI BJT ve FET’lerin frekans cevabına konusuna grimeden önce bu devrelerin frekans analizlerinde sıkça karşımıza çıkacak olan desibel kavramı üzerinde öncelikle duralım. 1.1 DESİBEL: Telefon kullanılmaya başlandığında ilgili kurumlar bir iletim birimi bulmak/kullanmak sorunu ile karşılaşmışlardı. Doğal olarak o zaman iletim ya da haberleşme denince akla çoğunlukla telefon gelmekte idi. Bu konudaki ilk öneri, Alexander Graham Bell tarafından telefonun bulunmasından iki yıl sonra 1887’de W. H. Pierce tarafından ortaya atılmıştı. O zaman Amerika ve Avrupa’da kullanılmaya başlanan telefon standartları arasında bir uyum yoktu. Amerikalı ve Avrupalı telefon şirketlerinin kendi kıtaları için daha uygun olacağını düşündükleri ve ısrar ettikleri birkaç birim üzerinde uzlaşmalar oldu. Eylül 1927'de İtalya'da tam olarak bir uzlaşma sağlanamasa da iki adet birim üzerinde karar verildi. Birinci birimde "e" doğal logaritmanın tabanını ve üst kuvvetleri oranını temel alan birim ile 10 sayısının güçleri oranını temel alan birim kaldı. Birinci birimde doğal logaritma kullanıldığı için bulucusu John NAIPER onuruna "neper" denmesi önerildi. İkinci birimde ondalık logaritma kullanılıyordu ve bu birime de telefonu bulmuş olan Alexander Graham BELL onuruna "Bell" denilmesi önerildi. İşte desibel sözcüğü buradan doğmuş oldu. Bir sinyal bir noktadan başka bir noktaya iletilirken bir çok işlemden geçebilir.Bu sinyal kimi zaman kat kat amplifikasyona tabi tutulur kimi zamanda zayıflamalara uğrar. Bu iletişim hattı üzerinde bulunan katların (amplifikatörler, filtreler, kablolar vs.) bir kazançları ve kayıpları vardır. Bu kazanç ve kayıplar Desibel (dB) ile ifade edilir. Desibel iki güç arasındaki oranın logaritmik ifadesidir. Daha belirgin bir ifadeyle çıkış gücünün giriş gücüne oranının 10 tabanına göre logaritmasının 10 ile çarpımıdır.

Örnek : Bir amplifikatörün girişine 50 W uyguladığımızda çıkışından 250W güç alırsak kazancımız: Gain ( dB ) =10xlog 250/50 =10xlog 5

=10x0.698

=7 dB kazanç olur.

Örnek : Şayet bir filtremizin girişine 50 W uyguladığımızda çıkışından 45W güç alıyorsak kaybımız: Gain ( dB ) =10xlog 45/50 =10xlog 0.9 =10x0.045 = -0.45 dB kayıp olur.

Sonuç olarak çıkışın girişe olan oranında çıkan desibel değeri pozitif ise kazanç vardır. Sonuç negatif olduğunda ise ise kayıp vardır denilir. Kazanç birimi olarak desibel amplifikatörlerde ve filtrelerde kullanıldığı gibi elektronik gürültü ölçümlerinde, ses şiddetinde, iki ayrı sinyalin izalosyon ölçümlerinde vs. kullanılır. Anlaşılacağı gibi bu değer mutlak bir ölçüm değeri değil logaritmik oransal bir ölçüdür. Örnek: Bir amplifikatörün girişine uygulanan güç, çıkıştan 4 kat kuvvetlendirildiğini varsayarsak kazancımız ne olur? Gain ( dB ) =10xlog (Pçıkış/Pgiriş) =10xlog 4 =10x0.6 = 6 dB kazanç olur. Örnek: Peşpeşe 3 ayrı amplifikatör ile bir amplifikasyon yapılıyorsa toplam kazanç ne olur?

Pçıkış

Pgiriş a katı

b katı

c katı

Toplam kazancı bulmak için her katın çıkışları dB cinsinden toplanır. Bu arada her bir katın belli bir kazançları olduğunu farz edersek, Örneğin: a = 2 dB, b= 8 dB ve c= 4 dB Toplam kazanç= a+b+c = 2+8+4 = 10 dB olur Örnek: Bir filtrenin girişine 40 W güç uygulandığında filtrenin insertion loss’u (araya girme kaybı) 1 dB ise filtre çıkışından kaç watt elde edilir ?

Örnek: Bir amplifikatör çıkışı spectrum analizör ile ölçülmek isteniyor. Analizörün girişine max.100 mW. müsaade edililiyor. Amp.çıkış gücü =10 W. Bu amplifikatörü ölçmek için araya min. kaç desibel bir zayıflatma koymamız gerekiyor?

dBm kavramı: dBm telekominikasyon sistemlerinde, radyo frekans katlarında kullanılan bir seviye ölçü birimidir.( +) ve ( - ) seviyeler ile ifade edilir. 1 miliwat’a oranlanmış desibel (dBm) miliwatt cinsinden bir gücün ondalık logaritmasının 10 katıdır.

veya

dBm= 10*log (Pçıkış/1 mW)

Formülden anlaşılacağı gibi ( dBm ) mutlak bir güç ifadesi olup oran değildir.( dB ) kazanç ve kaybı ifade ettiği halde ( dBm ) düzeyi, seviyeyi ifade eder. Örnek : 100 W.lık bir verici çıkışı kaç dBm eder ? dbm = 10*log P dbm = 10*log 100000 = 10*5 = 50 dBm Örnek : 40 dBm kaç watt eder ? dbm = 10*log P 40 = 10*logP 4 = log.P (4 antilog = 10000 ) = 10000 mWatt = 10 Watt Örnek: Bir UHF modülatörün çıkışı -12 dBm dir. Bu modülatörün çıkışına 20 dB kuvetlendirici konulduğunda çıkış gücü ne olur ? Çıkış gücü = modülatör çıkışı + ampl.gain = -12 +20 = +8 dBm 8dbm = 10*log P(mW) 0.8 = log. P ( 08. Antilog = 6.3 ) = 6.3 mWatt. Gerilim Kazancı : Buraya kadar güç kazancı ve güç kaybını inceledik. Ayrıca AC devrelerde (ses frekans vs.) gerilim kazancı ve kaybı söz konusudur. Bir devrenin çıkış geriliminin giriş gerilime oranının 10 tabanınına göre Logaritmasının 20 ile çarpımı gerilim kazancı ve kaybını belirler. Çıkış direncinin giriş direncine eşit olması durumunda:

veya diğer bir deyişle; Gv  10 log

2

Pç Pg

 10 log

Vç / Ri 2

V g / Ri

2

 Vç 

 10 log

 V   g



 Vç 

 20 log



 V   g

Örnek: Bir cihazın giriş gücü 1000 V’da 10 kW’dır. Çıkış gücü ise, çıkış empedansı 20  iken 500 W’tır. Buna göre; a) dB cinsinden güç kazancını bulunuz. b) dB cinsinden gerilim kazancını bulunuz c) (a) ve (b) şıkkındaki sonuçların neden uyuşup uyuşmadığını bulunuz. Çözüm: a) GdB=10log(Pç/Pg)=10log(500/10000) = -13.01 dB (kayıp var)    20 log    Vg    Vç 

b) Gv  20 log

Pç Rç  Vg 



  20 log  

500.20  1    20 log   20 dB 1000  10  

c) Ri=Vg2/Pg = 106/104 = 100  Görüldüğü gibi giriş direnci 100  olup 20 ’luk çıkış direncinden farklıdır. Bu nedenle a) ve b) şıkkındaki sonuçlar uyuşmamaktadır. ÖDEV: 40 W çıkışlı bir yükselteç 10 ’luk bir hoparlöre bağlanmıştır. a) Güç kazancı 25 dB ise tam güç sağlamak için gereken giriş gücünü bulunuz. b) Yükseltecin gerilim kazancı 40 dB ise nominal çıkış için giriş gerilimini hesaplayınız.

1.2 Yükselteçlerin Frekans Cevabı Analog elektronik dersinde yükselteçlerin orta frekans bandı civarındaki çalışmaları incelenmişti. Bu frekans bandında kuplaj ve köprüleme kondansatörleri AC çalışmada kısa devre edilmişti. Öte yandan, düşük bu kapasitörlerin reaktansında meydana gelen değişme nedeniyle artık kısa devre yaklaşımı kullanılamaz. Yüksek frekanslarda ise aktif elemana (transistöre) ve devreye bağlı kaçak kapasitif etkiler sistemin yüksek frekans tepkisini sınırlayacaktır. Ardışık (kaskat) bağlı bir sistemin kat sayısındaki artış hem alçak hem de yüksek frekans tepkisini sınırlayacktır. RC kuplajlı, doğrudan-kuplajlı ve transformatör-kuplajlı bir yükseltecin genlik kazanç eğrileri, diğer bir deyişle Bode eğrileri, Şekil 1.1’de verilmektedir. Yatay ölçekte, alçak frekans bölgelerinden yüksek frekans bölgelerine uzanan bir grafik çizebilmek için logaritmik ölçekte verilmektedir.

Şekil 1.1 Yükseltecin frekans kazanç eğrileri (Bode eğrileri); a) RC kuplajlı, b) transformatör kuplajlı, c) Doğrudan kuplajlı.

RC kuplajlı bir yükselteçte düşük frekanslardaki düşüşün nedeni, CC, CS veya CE’nin artan reaktansıdır. RC kuplajlı devrenin yüksek frekans sınırı ise transistörün parazitik kapasitif etkileri ile belirlenir. Transformatör kuplajlı devrede ise düşük frekanslarda oluşan frekans tepkisi, endüktif reaktansın (XL=2fL) kısa devre etkisinden kaynaklanmaktadır. Yüksek ferakans tepkisi ise, primer ve sekonder sargıları arasındaki kaçak kapasitans tarafından oluşturulmaktadır. Doğrudan kuplajlı yükselteçte, herhangi bir kondansatör elemanı olmadığı için düşük frekanslarda düşüşe neden olabilecek bir etki de sözkonusu olmayacaktır. Yüksek frekanslarda ise transistörün parazitik kapasitans etkileri bir düşüne neden olmaktadır. Şekil 1.1’deki devrede nispeten yüksek olan kazancın frekans sınırlarını sabitleştirmek için kazanç kesim seviyesi olarak 0.707*Aorta seçilmiştir. Bunlara karşılık gelen f1 ve f2 frekansları ise kesim (cut-off) frekansları olarak adlandırılır. 0.707 çarpanının seçilme nedeni, bu seviyede çıkış gücünün, orta band güç çıkışının yarısı kadar olmasıdır. Şöyle ki, P0 orta 

V02 R0



AVorta Vi

2

R0

Yarım-güç frekansında (Half-Power Frequency / HPF): P0 HPF 

0.707 AVorta Vi

2

R0

 0.5

AVorta Vi R0

2

 0.5 P0 orta

Sistemlerin band genişliği f1 ve f2 frekansları ile belirlenir. Buna göre; Band genişliği (BW) = f2-f1 Haberleşme alanındaki uygulamalarda kazancın frekansa göre desibel olarak grafiği daha kullanışlıdır. Normalize edilmiş kazanç eğrisi, denklem 1’de gösterildiği gibi formülüze edilmiş ve Şekil 1.2’deki gibi gösterilmiştir. AV AVorta

 20 log10 dB

AV AVorta

.................................. denklem (1)

Şekil 1.2 Normalize edilmiş kazanç (Bode) eğrisi Orta band frekanslarında 20 log10 (1)  0 ve kesim frekanslarında 20 log 10 1 / 2   3 dB’dir. Bu durum Şekil 1.3’deki dB eğrisinde gösterilmiştir.

Şekil 1.3 Normalize edilmiş frekans-kazanç (Bode) eğrisinin dB cinsinden grafiği. 2.2.1 RC tepkisi: Evvela uygulanan frekansın temel bir RC devresi üzerindeki etkisini inceleyelim. XC 

1 olduğundan çok yüksek frekanslarda kondansatörün reaktansı 0 (sıfır) olurken, çok 2f 1C

düşük frekanslarda ise, örneğin f=0 Hz’de,  (sonsuz) olacaktır (Şekil 1.4).

(a)

(b)

(c)

Şekil 1.4 (a) Temel RC devresi, (b) Çok yüksek frekanslarda yaklaşık eşdeğer, (c) Çok düşük frekanslarda yaklaşık eşdeğer. Kazanç, Av=V0/Vi oranı Şekil 1.5’deki gibi olacaktır.

Şekil 1.5 RC devresinin kazanç eğrisi. Çıkış ve giriş gerilimleri arasında şu şekilde bir ilişki vardır: V0 

RVi  R  XC

RVi R 2  X C2

Xc=R olduğu zaman: V0 1   0.707 Vi 2 2 Diğer bir deyişle, Xc=R’yi sağlayan frekansta çıkış, Şekil 1.5’de gösterildiği gibi girişin %70.7’si olacaktır. V0 

1

Vi  AV 

XC  R 

1 1  f1  2f 1C 2RC

f1 frekansı BJT transistöründe alçak frekans kesim frekansını göstermektedir. Eğer kazanç denklemi aşağıdaki gibi yazılırsa: AV 

V0 R 1 1    Vi R  jX 1  j  X / R)  1  j 1 / 2fCR   AV 

1 1  j f1 / f 

Genlik ve faz terimleriyle; AV 

V0 1   tan 1  f1 / f  2 Vi 1   f1 / f  Av’nin genliği

V0 ile Vi arasındaki faz açısı

f=f1 olduğu zaman; AV 

1 1   0.707  3 dB 11 2

dB cinsinden kazanç: AV |dB  20 log10



1 1   f1 / f 

2

 f   20 log10  1   1    f 

2 1/ 2







  f    10 log10  1   1     f   2

f<>1 olan frekanslar için yukarıdaki denklem şu şekilde yazılabilir: AV |dB  20 log10

f1 f

Yukarıda verilen değerleri kullanarak dB cinsinden kazanç-frekans eğrisi Şekil 1.6’daki çizilebilir.

Şekil 1.6 dB cinsinden kazanç-frekans (Bode) eğrisi. Logaritmik ölçekte çizildiği zaman eğrinin düz bir çizgi şeklinde çıktığı görülmektedir. Bu düz çizgili parçalar asimptotlar olarak adlandırılır. Bununla birlikte f=f1 olduğu zaman orta banda seviyesinden 3 dB’lik bir düşüş olduğu daha önce söylenmişti. Böylece, grafikte gösterildiği gibi çizgi çizgi ile gösterilen gerçek frekans eğrisi elde edilir. Bu tip eğriler, Bode eğrisi olarak adlandırılır ve Bode eğrisi bir yükseltecin frekans cevabını gösterir. Grafikten, frekansta 1 oktavlık (2 kat daha az) değişmenin kazançta 6 dB’lik bir değişmeye neden olduğu görülmektedir. Frekansta 10 katlık (dekad) bir azalma ise kazançta 20 dB’lik bir değişime neden olmaktadır. 1.2.2 Düşük frekanslarda yükselteç (BJT) cevabı Şimdi de CS, CC ve CE kondansatörlü bir BJT’nin alçak frekans tepkisini inceleyelim. Şekil 1.7’de böyle bir yükselteç devresi görülmektedir.

Şekil 1.7 Kuplaj ve köprüleme kondansatörlü yükselteç devresi. CS’nin etkisi: Yukarıdaki devrede giriş direnci: Z i  R1 // R2 // hie Cs tarafından belirlenen düşük kesim frekansı: f Ls 

1 2 ( Rs  Z i )C s

Vi gerilimi ile Vs gerilim arasında şu ilişki vardır: Vi 

Z iVs Rs  Z i  jX CS

Orta ve yüksek frekanslarda XCS’nin reaktansı çok küçük olduğundan: Vi |orta 

Z iVs Rs  Z i

CC’nin etkisi: CC için ac eşdeğer devre;

Şekil 1.8 CC için ac eşdeğer devresi. Bu durumda kesim frekansı şu formülle ifade edilir. f LC 

1 2 ( RC  RL )CC

CE’nin etkisi: CE kondansatörünün harici eşdeğer devresi;

Şekil 1.9 CE için ac eşdeğer devre.

 R's  Re  RE //   re   X CE   

Burada; RS'  RS // R1 // R2

Yukarıdaki Re formülü emetör köprüleme kondansatörü ile belirlenen kesim frekansını tanımlar. f LE 

1 2Re C E

CS, CC ve CE kondansatörlerinin belirledikleri kesim frekanslarının alçak frekanslar için olduğu unutulmamalıdır. Orta frekans bandında bu kondansatörlerin ac eşdeğer devre bulunurken kısa devre edildiği unutulmamalıdır. ÖRNEK: Yandaki devrede; VCC=20 V, =100, R1=40 k, R2=10 k, RC=4 k, RE=2 k, RL=2.2 k, RS=1 k, CS=10 F, CC=1 F ve CE=20 F olduğuna göre alçak kesim frekansını belirleyiniz ve Bode eğrisini çiziniz. Frekans eğrisine karşı gerçek akzanç hesabını yapınız. ÇÖZÜM: Thevenin eşdeğerinden düğüm noktasındaki gerilim: VB 

R2VCC 200  4 V R1  R2 50

Buradan; V 4  0.7 IE  E   1.65 mA RE 2 re 

26 mV  15.76  1.65 mA

hie   .re  100 * 15.76  1.576 k

Orta band kazancı şu şekilde verilebilir: AVorta 

Kazanç,

V0 V0 Vi  VS Vi VS

AV 

V0  ( RC // R L )    90 Vi hie

Zi = R1 // R2 // hie = 1.32 k Vi Ri 1.32    0.569 VS Ri  RS 1.32  1

Böylece; AVorta 

V0 V0 Vi   (90)(0.569)  51.21 VS Vi VS

CS’nin belirlediği kesim frekansı: f Ls 

1 1   6.86 Hz 2 ( Rs  Z i )C s 2 (1k  1.32k )(10 *10 6 )

CC’nin belirlediği kesim frekansı: f LC 

1 1   25.68 Hz 2 ( RC  RL )CC 2 (4k  2.2k )(1 *10 6 )

CE’nin belirlediği kesim frekansı: RS'  RS // R1 // R2 =1 k // 40 k // 10 k = 1 k

 R's   1k  Re  RE //   re   2k //   15.76   25.76   100     f LE 

1 1   309.1 Hz 2ReCE 2 ( 25.76)( 20 * 10 6 )

fLE’nin diğerlerinden oldukça büyük olması, bunun tüm sistemin alçak frekans tepkisinin belirlenmesinde daha ağırlıklı olduğunu göstermektedir. Diğer bir deyişle C C ve CS, yalnızca 100 Hz’in altındaki frekanslarda etkili olacaktır. Şimdi dB cinsinden kazanç-frekans eğrisini (Bode eğrisi) çizelim.

Orta band kazancı -51.21 bulunmuştu. Orta band bölgesinde |A v/Avorta|dB = 1 olacaktır. Şekil 1.10’da gösterildiği gibi 20log10(51.21/51.21) = 0 dB olacaktır. Kesim frekansında, |Av/Avorta| =0.707*51.21=36.21 olacaktır.

Şekil 1.10 Örnek devre için elde edilen kazanç-frekans (Bode) eğrisi. Şekil 1.10’da gösterilen Bode eğrisi, herbir kesim frekansında -6 dB/oktav’lık ya da -20 dB/dekad’lık bir asimptot çizerek elde edilir. CE ile tanımlanan kesim frekansının genellikle devre band genişliğini tanımlamak için kullanılan -3 dB noktasını belirleyeceği açıktır. Band genişliği içinde kalan freknaslar için mevcut maksimum gücün en azından yarısı yüke ulaşacaktır. VS=0.707*Vmax olduğundan; PL 

V L2 (0.707 * Vmax ) 2   0.5 Pmax RL RL

Gerçek frekans tepkisini çizmek için kullanılan asimptot eğimi -12 dB’e düşmektedir. 2.2.3. FET’lerin alçak frekans cevabı FET’lerde de BJT’lere benzer bir durum sözkonusudur.

Şekil 1.11 JFET’li yükselteç devresi CG tarafından belirlenen kesim frekansı:

Burada Ri=RG CC tarafından belirlenen kesim frekansı:

Burada,

CS tarafından belirlenen kesim frekansı: Req  Rs //

1 |r   gm d

FET yükselteçlerde de BJT’ler için elde edilen Bode eğrileri geçerlidir.

1.2.4 Yükselteçlerin yüksek frekans cevabı:

1.2.4.1 Miller kapasitansı p-n ekleminin bir kapasitansı olduğu bilinmektedir. Bir ortak emetörlü (common emitter-CE) BJT yükselteçte, bu kapasitans yüksek frekanslarda baz-kollektör ekleminde etkin olmaktadır. Ortak kaynaklı (Common source-CS) FET’lerde ise, yine yüksek frekanslarda Geçit-Savak (gate-drain) ekleminde etkin olmaktadır. İşte bu kapasitif etkiye Miller kapasitansı denilmektedir. Bu etki, giriş ve çıkış devrelerini etkilemektedir. Böylece, bu etkiler Miller giriş ve çıkış kapasitansı olarak adlandırılmaktadır. Miller giriş kapasitansının (CMİ) etkisi, Şekil 1.12’de gösterilmiştir.

Şekil 1.12 Miller giriş kapasitansı

CMİ = (1+|AV|)Cf Miller giriş kapasitansının miktarı, giriş ile çıkış araındaki içelektrot (interelectrode) kapasitansına ve kazanca (AV) bağlıdır. Miller çıkış kapasitansı ise Şekil 1.13’de gösterilmektedir.

Şekil 1.13 Miller çıkış kapasitansının gösterimi  1   C f : Miller çıkış kapasitansı C MO   1  AV  

Şayet kazanç (AV) 1’den çok büyükse, CMO  Cf alınabilir.

1.2.4.2 BJT’li yükselteçlerin yüksek frekans cevabı Yüksek frekans durumunda BJT’lerde -3 dB noktasını belirleyen iki faktör vardır: (1) Devre kapasitansı (parazitik ve bağlantı kablolarından dolayı oluşan, (2) hfe ()’nın frekans bağımlılığı. Şekil 1.14’de BJT’nin parazitik kapasitansları (Cbe, Cbc, Cce) ile bağlantı kablolarının kapasitansları (CW1 ve CW2) gösterilmektedir.

Şekil 1.14 Ortak emetörlü yükseltecin yüksek-frekans cevabı Şekil 1.15’deki devrenin yüksek frekans modeli Şekil 1.16’da verilmektedir.

Şekil 1.16 BJT’li yükseltecin yüksek frekans modeli Bu modelde CS, CE ve CC kondansatörleri bulunmamaktadır. Çünkü yüksek frekansta bunların kısa devre olduğu varsayılmıştır.

Giriş devresi için -3 dB kesim frekansı:

Burada,

RTh1 = RS // RB1 // RB2 // Ri Ci = CW1 + Cbe + CMİ = CW1 + Cbe + (1+|Av|) Cbc Son deklemdeki,

CW1 : Giriş kablolama kapasitansı, CMİ : Miller giriş kapasitansı

Şekil 1.16’da gösterildiği gibi, yüksek frekanslarda C i azalacağından; RB1, RB2, Ri ve Ci paralel birleşiminin toplam empedansı da azalacaktır. Sonuçta, Ci uçlarındaki gerilim ve Ib akımı azalır. Net sonuç, sistemin toplam kazancının düşmesidir. Çıkış devresi için kesim frekansı;

Burada,

RTh2 = Rc // RL C0 = CW2 + Cce + CM0 = CW2 + Cce +Cbc Çok yüksek frekanslarda C0 kapasitansı azalacağından, çıkış devresindeki empedans da azalacaktır. Sonuç olarak, V0 da sıfıra doğru azalacaktır. hfe ya da ’nın frekansa bağımlılığı: Yükseltecin yüksek kesim frekansının belirlenebilmesi için, hfe ()’nın frekansa bağımlılığını ele almak gerekir. ’nın frekansla değişmesi yaklaşık olarak aşağıdaki ifade ile verilebilir: f   f h fe 

g be gm  2 (C be  C bc )  orta 2 (C be  C bc )

Burada, g be  gm 

1 hib

1 : Baz ve emetör arasındaki iletkenlik rbe

olarak da alınabilir.

Yüksek frekans bölgesinde frekansa bağlı hfe ve hfb değişimleri Şekil 1.17’de gösterilmektedir.

Şekil 1.17 Yüksek frekans bölgesinde frekansa bağlı hfe ve hfb değişimleri. ÖRNEK:

Yukarıdaki devrede gbe=10-3 S olduğuna göre, a) fHi, fHO, f değerlerini hesaplayınız. b) Alçak ve yüksek frekans için Bode eğrisini çiziniz. c) Sistemin kazanç band genişliğini bulunuz. ÇÖZÜM:

a)

RTh1  RS // RB1 // RB 2 // Ri  1 k // 40 k // 10 k // 1.576 k

Ci  CW 1  Cbe  (1 | AV |)Cbc = 4

pF + 48 pF + (1+90).(1.5 pF)

= 188.5 pF Burada kullanılan Av değeri Miller kapasitansındaki kazanç değeri ile ilgili olduğundan daha önceki örneğimizde bulduğumuz kazanç değerini kullandık.

RTh2 = Rc // RL = 4 k // 2.2 k = 1.419 k C0 = CW2 + Cce + CM0 = CW2 + Cce +Cbc = 8 pF + 6 pF + 1.5 pF =15.5 pF

fH0  

1 2RTH 2 C 0



1 6.28(1.419 * 10 3 )(15.5 * 10 12 )

10 9  7.24 MHz 138.12

f   f h fe 

g be 10 3  2 (Cbe  Cbc ) 2 (49.5 * 10 12 )

 f=3.217 MHz

b) Aşağıdaki şekilde Bode eğrisi verilmektedir. Alçak, orta ve yüksek ferkans bölgelerinde herbir kesim frekansının -6 dB/oktav’lık bir asimptot tanımlamakta ve eğim, kesim frekansından her geçişde -6 dB/oktav artmaktadır.

c) Band genişliği (BW) = fHi – fLE  fhi = 1.49 MHz. Daha önce fLE = 309.1 Hz bulunmuştu.

1.2.4.3 FET’li yükselteçlerin yüksek frekans cevabı BJT’li yükselteçlerin yüksek frekans cevabı için geliştirilen model FET’li yükselteçlere de uygulanabilir.

CW2 CW1

Cgd : Savak (akaç) ile geçit arasındaki kapasitans CW1 : Giriş kablolama kapasitansı Cgs : Geçit ile kaynak arasındaki kapasitans CW2 : Çıkış kablolama kapasitansı Cds : Savak (akaç) ile kaynak arasındaki kapasitans Giriş devresi için: Çıkış devresi için:

1.2.5 Çok katlı (Multistage) frekans etkileri Çok katlı yükselteçlerde, her kat kendi frekans cevabına sahip olacaktır. Fakat, bir katın çıkışı bir sonraki katın kapasitansları tarafından etkilenecektir. Bu durum, özellikle yüksek frekanslarda söz konusudur. Örneğin, çıkış kapasitansının (C0) bir sonraki katın giriş Miller kapasitansını (CMİ), bağlantı kapasitansını (CW1) ve parazitik kapasitansı (Cbc) içermesi gerekir. Ayrıca, ikinci kat nedeniyle ilave alçak frekans kesim seviyeleri olacaktır; bu da bu bölgedeki sistemin toplam kazancını daha da azaltacaktır. Bu durum, 3 katlı bir yükselteç sistemi için Şekil 2.18’de gösterilmiştir.

Şekil 1.18 Çok katlı bir sistemin frekans cevabı

2. DC GÜÇ KAYNAKLARI Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, bilgisayar v.b gibi) çalışmak için bir DC enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. Bu oldukça pahalı bir çözümdür. DC enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir şebekesinden alınan ac gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan ac formdaki sinüsoidal gerilim, DC gerilime dönüştürülür. Bu işlem için DC güç kaynakları kullanılır. Temel bir DC güç kaynağının blok şeması Şekil 2.1’de görülmektedir. Sistem; doğrultucu, filtre ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır. Sistem girişine uygulanan ac gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), bir transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüştürülür. Transformatör çıkışından alınan bu ac gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da olsa dalgalanmalar (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sırasıyla inceleyelim. Transformatör

Doğrultmaç

Filtre

Regülatör

RL Şekil 2.1 AC gerilimin DC gerilime dönüştürülmesi

2.1 Transformatör Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir ac gerilim değerine dönüştürülmesinde transformatörler kullanılır. Bir transformatör silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken iki ayrı sargıdan oluşur. Bu sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısıdır. Primer ile sekonder sargıları arasında fiziksel bir bağlantı yoktur. Bu özellik, kullanıcıyı ve sistemi şehir şebekesinden yalıtarak güvenli bir çalışma sağlar. Üreticiler çeşitli güç değerlerinde transformatör üreterek kullanıcının tüketimine sunarlar. Bir trafonun gücü artıkça boyutu ve fiyatı da artmaktadır. Enerji kayıpları az olduğundan primerden uygulanan güç, çok az kayıpla sekondere aktarılır. Primer sargıları genellikle 220 Vrms’dir. Sekonder sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilmektedir. Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Transformatör seçiminde; primer ve sekonder gerilimleri ile birlikte gücüne de dikkat edilmelidir. Bir güç kaynağının tasarımında kullanılacak transformatörün toplam gücü; trafo üzerinde ve diğer devre elemanlarında harcanan güç ile yükte harcanan gücün toplamı kadardır. Transformatör her durumda istenen akımı vermelidir. Fakat bir transformatörden uzun süre yüksek akım çekilirse, çekirdeğin doyma bölgesine girme tehlikesi vardır. Bu nedenle transformatör seçimine dikkat edilmeli, tasarlanacak DC kaynağının gücüne uygun transformatör seçimi yapılmalıdır. Şekil-2.2’de örnek olarak farklı güçlerdeki bazı transformatör görüntüleri verilmiştir.

Şekil 2.2 Çeşitli güçlerde transformatörler

2.2 Doğrultmaç Devreleri Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmek için ilk adım doğrultmaç devresi kullanmaktır. Doğrultmaç devreleri, yarım dalga ve tam dalga olmak üzere iki tiptir. Yarım dalga doğrultmaç devresi kaliteli bir güç kaynağı tasarımı için yeterli değildir. Çıkış gerilimi düşük ve darbelidir. İyi bir güç kaynağı tasarımında mutlaka tamdalga doğrultmaç devresi kullanılmalıdır. Köprü tipi ve orta

uçlu olmak üzere iki tip tamdalga doğrultmaç devresi tasarlanabilir. Tipik bir köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresi ve çıkışından alınan dalga biçimi Şekil-2.3’de verilmiştir.

Şekil-2.3 Köprü tipi ve orta uçlu tam dalga doğrultmaç devreleri Doğrultmaç çıkışından alınan işaretin dalga biçimi, DC işaretten uzaktır ve çeşitli dalgalanmalar (ripple) barındırmaktadır. İşaret üzerindeki dalgalanmaları minimum düzeye indirip tam bir DC gerilim elde etmek amacı ile filtre devreleri kullanılır. Çeşitli tip filtre devreleri (RC, C, LC, π v.b) vardır. En pratik ve ekonomik filtre işlemi kondansatörlerle yapılır. Şekil-2.4’de tamdalga doğrultmaç çıkışından alınan işaret ve filtre işlemi grafiksel olarak gösterilmiştir. Doğrultmaç ve filtre devrelerinin çalışmaları ve özellikleri üzerinde fazla durmayacağız. Bu konuların detayları için analog elektronik ders notlarına müracaat edilebilir.

Şekil-2.4 Köprü tipi ve orta uçlu tam dalga doğrultmaç devreleri

2.3 Filtre Devreleri Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışlarından alınan doğrultmuş sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzaktır. Doğrultucu devrelerin çıkışından alınan bu sinyal darbelidir ve bir çok AC bileşen barındırır. Elektronik devre elemanlarının tasarımında ve günlük hayatta kullandığımız DC sinyal ise ideal veya ideale yakın olmalıdır. AC bileşenler ve darbeler barındırmamalıdır. Şehir şebekesinden elde edilen doğrultulmuş sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir. Filtreleme eleman tipleri şunlardır: • RC filtreler • LC filtre • Π ve T tipi filtreler En ideal filtreleme elemanları kondansatör ve bobinlerdir.

a-) RC filtre Şekil-2.5’de komple bir DC güç kaynağı devresi, çıkış işaretinin dalga biçimi ve alabileceği DC değer verilmiştir. Çıkışta filtre amacıyla kullanılan kondansatörün kapasite değeri önemlidir. Büyük değerli kapasiteye sahip kondansatör daha iyi sonuç verir.

Şekil-2.5 Köprü doğrultucu ve RC filtre devreleri

b-) LC Filtre Doğrultmaç devrelerinde ripıl faktörünü minimuma indirmek için bir diğer alternatif, bobin ve kondansatörden oluşan LC filtre devresi kullanmaktır. Şekil-2.6’da LC filtre devresi görülmektedir.

Şekil-2.6 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktansı (XL) ve kondansatörün kapasitif reaktansından (XC) yararlanılarak filtre işlemi gerçekleştirilir. Böyle bir filtre devresinde giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri Şekil-2.7 üzerinde gösterilmiştir. Çıkış geriliminin alacağı değer ve dalgalılık miktarı aşağıda formüle edilmiştir.

Şekil-2.7 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre c) π ve T Tipi Filtre LC tipi filtre devreleri geliştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri oluşturulmuştur. Π ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. Rıpıl faktörünün minimuma indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullanılabilir. Şekil-2.8’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmiştir.

(a) Şekil-2.8 (a) π ve (b) T tipi filtre devreleri

(b)

2.4 Gerilim Regülasyonu ve önemi Kaliteli bir güç kaynağının yapımında son aşama regülasyon işlemidir. Regülesiz bir güç kaynağı özellikle hassas cihazların beslenmesinde tercih edilmez. Regülesiz bir DC güç kaynağının sakıncaları aşağıda özetlenmiştir.  Regülesiz bir güç kaynağından çekilen akım miktarı değiştikçe (ya da) çıkış yükü değiştikçe çıkış gerilimi sabit kalamayarak değişmektedir.  Regülesiz kaynağın girişindeki AC gerilimin değişmesi, çıkış DC gerilimin de değişmesine neden olur  Regülesiz kaynakta doğrultma işleminde kullanılan yarıiletkenler ısıdan etkilenirler. Dolayısıyla ısıdaki değişimler çıkış DC gerilimini de değiştirebilir. Belirtilen bu üç kusuru ortadan kaldırmak ve çıkıştaki dalgalanma oranını azaltmak amacıyla gerilim regülasyonu yapılır. Her hangi bir güç kaynağının gerilim regülasyonu (G.R) aşağıdaki gibi formüle edilebilir:

Örnek: Bir DC güç kaynağının çıkış gerilimi boşta (yüksüz: IL=0 A) 12 V ölçülmüştür. Güç kaynağının çıkış gerilimi 10 mA’lik tam yükte ise 11.9 V ölçülmüştür. Kaynağın gerilim regülasyonunu bulunuz?

2.5 TRANSİSTÖRLÜ GERİLİM REGÜLATÖRLERİ Kararlı ve düzenli bir DC gerilim elde etmede ilk adım gerilim regülasyonudur. Gerilim regülasyonu, gerilim regülatörü devreleri kullanarak yapılmaktadır. İlk gerilim regülatörleri zener diyot-transistör ikilisinin kullanılması ile geliştirilmiştir. Regüle işleminin amacı belli bir elektriksel büyüklüğü dış etkilerden bağımsız olarak sabit tutabilmektir. Bunun için regüle edilecek büyüklük (gerilim veya akım) sürekli olarak ölçülmek zorundadır. Ölçülen bu değer (o andaki değer), olması istenen gerçek değerle karşılaştırılarak regüle işlemi yapılır. Regüle devrelerinde; olması istenen değer için bir referans gerilimi gereklidir. Bu değer zener diyotlarla sağlanır. Bununla birlikte, zener diyot regüle işlemi için tek başına yeterli değildir. Zener diyotla alınan referans değer, diğer bir takım elektronik devre elemanları ile geliştirilerek regüle işlemi yapılır. Regüle işlemi gerilim için yapıldığı gibi akım içinde yapılabilir. Gerilim regülatörünün karakteristikleri, transistör gibi aktif elemanlar kullanarak önemli ölçüde iyileştirilebilir (dc akım yükseltmesi sağlanması). Transistörlü gerilim regülatörleri seri ve paralel gerilim regülatörleri olarak ikiye ayrılmışlardır. Paralel regülatörde yüke paralel gerilim kontrolü yapılır. Seri regülatörde ise gerilim kontrolü yük ile seri olup akım yolu üzerindedir.

2.5.1 Paralel Gerilim Regülatörleri Paralel bir standart bir gerilim regülatörü devresi Şekil-2.9’da verilmiştir. Bu devrede; RP direnci ve Q transistörü yardımı ile regüle edilmeye uygun bir gerilim bölücü oluşturulur. Çıkış gerilimi VL=V0, zener geriliminden transistörün V BE eşik gerilimi kadar daha büyüktür. Yani V0=VZ+VBE olur. RP ön direnci, transistörün maksimum akımı ve transistörde harcanmasına izin verilen maksimum güç kaybı aşılmayacak biçimde seçilmelidir.

Şekil-2.9 Paralel Gerilim Regülatörü Devresi Örneğin zener gerilimi VZ=5.6 Volt, Regülesiz giriş gerilimi VİN=16 Volt değerinde ise,

transistörden izin verilen maksimum IC=1A’lik akması halinde Rp direncinin değeri;

olarak elde edilir. Transistörün emiter ile kollektörü kısa devre edilirse, bu durumda giriş geriliminin toplamı Rp direnci üzerinde düşer. Rp direncinde harcanan toplam güç ise;

olarak bulunur. O halde Rp direnci, 25W’lık bir güçle yüklenebilecek şekilde seçilmelidir. Devredeki IK kısa devre akımı ise;

olarak bulunur. Çıkış gerilimi V0, Rp direncindeki gerilimin Vi-VZ farkından büyük oluncaya kadar ve benzer şekilde yüksüz halde IL akımı IC akımından büyük oluncaya kadar kararlı kalır. Daha sonra zener diyotundan akan akım değeri, zener kırılma akımı IZmin değerinden daha küçük olursa kararlılık yok olur. Bu durum aynı zaman da V 0 çıkış gerilimi, Vi- (VZ+VBE) olduğunda söz konusudur. Zener akımı IZ=0.02 amper olan bir zener diyodu kullanıldığında RLmin değeri; = 30  olur. Burada dikkat edilmesi gereken husus, IZmax değerine transistörün beyz akımının da ekleneceğidir. Bu anda zener diyottan akacak gerçek akım değeri;

olur. Düşük güçlü bir transistörde ß değeri örneğin 50 ise;

olur ve zener gücü; PZ =VZ·IZ

PZ =5.6Vx0.04A

PZ =224 mW

elde edilir. Paralel gerilim regülatörleri uygulamalarda pek kullanılmazlar. Çünkü bu tür gerilim regülatörlerinde yüksüz durumda dahi bir güç harcanması söz konusudur. Bu durum önemli bir dezavantajdır. Uygulamalarda bundan dolayı genellikle seri gerilim regülatörleri tercih edilir.

2.5.2 Seri Gerilim Regülatörleri Seri gerilim regülatörlerinde, regülasyon transistörü yüke seri bağlanır. Çıkış gerilimi V 0, zener gerilimi (VZ) ile transistörün beyz-emiter gerilimi (VBE) farkına eşittir. Şekil-2.10'da seri regülatör devresi görülmektedir. Buna göre çıkış gerilimi; V0=VZ+(-VBE) olur. Çıkış yük akımı ise, seçilen transistörün beyz akımını sağlayabilmesi şartı ile; I0max=ß(IZmax-IZmin) değerinde olur. Burada transistörün kaldırabileceği maksimum güç kaybı da dikkate alınmalıdır. , transistörün akım kazancıdır. RS direncinin bu durumda değeri;

ifadesinden bulunur. Burada IBMAX;

değerine eşittir.

Şekil-2.10 Seri Gerilim Regülatörü Devresi Önceki bölümlerde anlatılan gerilim regülatörleri uygulama da bu halleri ile yeterli değillerdir. Bu devrelerde çıkış geriliminin değeri kullanılan elemanların toleranslarına bağlıdır. Bu ise bir dezavantajdır. Uygulamada; çıkış geriliminin istenilen değere ayarlanabilmesi, yüksek akım verebilmesi ve aşırı akım koruması iyi bir güç kaynağından istenilen özelliklerdir.

Şekil-2.11'de, yukarıda sıralanan bazı özelliklere cevap verebilen bir regülatör devresi çizilmiştir. Görüldüğü gibi bu devrede üç adet transistör kullanılmıştır. Çıkış yük akımı Q3 transistörü üzerinden alınmaktadır. Q2 transistörü ise Q3'ü sürmek amacı ile kullanılarak (Darlington montajı) ß'ya aşırı bağımlılık yok edilmiştir. Devrenin analizine gelince; toprağa göre Q1 transistörünün kollektöründeki gerilim VCEQ1; VCEQ1=V0-Vz+VBEQ3+VBEQ2 VCEQ1 geriliminin değeri, VZ gerilimine bağlı olarak en az 2 volt olmalıdır. Böylece en küçük çıkış gerilimi belirlenmiştir. Örneğin Vz=5.6 volt kullanılırsa; V0min=Vz+VCEQ1-(VBEQ2+VBEQ3) V0min=5.6+2-(0.6+0.6) =6.4 Volt. Dolayısıyla bu devreden en az 6.4 V çıkış gerilimi elde ederiz. Daha küçük çıkış gerilimi elde etmemiz mümkün değildir. Q3

Q1

Şekil-2.11 Çıkışı Ayarlanabilen Kararlı Gerilim Regülatörü Q3 transistöründe harcanabilecek maksimum güç PQ3;

değerindedir. Devrede giriş gerilimi Vi, ayarlanabilecek çıkış gerilimi V0'dan daha büyük olmalıdır. Örneğin çıkış geriliminin maksimum değeri 24 volt, minimum değeri 6 V ve akımı ise 0.5 Amper olsun. Bu durumda PQ3 transistöründe harcanacak maksimum güç;

= (24-6).0,5 = 9 W elde ederiz. Kullanılacak transistör, bu güce dayanabilecek güçte seçilmelidir. Devredeki diğer elemanların analizine gelince: Önce devrede kullanılan R3, R4, R5 gerilim bölücü dirençlerinin

değerlerini bulalım. Bunun için önce Q1'in beyz akımını bulmamız gerekir. BC107 transistörü kullanalım. Katologdan bu transistörün beyz akımı IBmax=100μA bulunur. Devredeki direnç değerleri, ilgili akım ve gerilim denklemleri kurulduğunda şu şekilde elde edilir: R1max=20 k, R2=680 , R3=560 , R4=620 .

2.5.3 Aşırı Akım Koruması Regüleli gerilim kaynaklarından istenen bir diğer özellik ise aşırı akım korumasıdır. Regüleli bir akım kaynağının çıkışından aşırı akım çekildiğinde veya kısa devre olduğunda regüle devresinin ve güç kaynağının zarar görmemesi için aşırı akım koruma devresi eklenir. Şekil-2.12'de böyle bir devre verilmiştir. Bu devrede, Şekil 2.11'deki devreye ilave olarak R6 ve Q4 transistörü ilave edilmiştir. Devrenin diğer kısımları aynıdır. Bu yeni elemanlar bize iki seçenek sunarlar: 1) Çıkış akımı IL, önceden belirlenen bir akım değerinde sınırlanır. 2) Çıkış akımı IL, önceden belirlenen bir değeri aşarsa çıkış gerilimi sıfıra indirilir. Devrenin çalışması kısaca şöyledir: Çıkıştan alınan I L (I0) akımı, R6 direnci ve Q3 transistörü üzerinden geçer. Bu anda IL akımı R6 direnci üzerinde bir gerilim düşümüne neden olur. R 6 üzerine düşen gerilim, Q4 transistörünün beyz-emiter gerilimine ulaştığında Q4 iletime geçer ve Q3 transistörünün beyz gerilimini sınırlar. Böylece akım sabit bir değerde kalır ve aşağıdaki gibi hesaplanır. I 0 max 

V BE 4 0.6 V  R6 R6

Böylece R6 direncini istediğimiz değere ayarlayarak akım sınırlaması yapabiliriz. Aşırı akım ve kısa devre korumasında diğer elektronik devre elemanlarından da yararlanılabilir (SCR, Opamp, Flipflop gibi). Bu tercihe bağlıdır. Q3

Q1

Şekil-2.12 Aşırı Akım Korumasının Gerçekleştirilmesi 2.5.4 Komple güç kaynağı: Bir komple güç kaynağı devresi Şekil 2.13’de gösterilmektedir.

Şekil 2.13 Komple güç kaynağı devresi Regülatörün VL’deki değişmelere karşı duyarlılığını artırmak için Darlington devresi konmuştur. Şekilde gösterildiği gibi güç kaynağının bir bölümü önregülatör devresi gibi davranmaktadır. IC3 

VZ 1 R3

Regülatörün VL’deki değişmelere karşı duyarlılığını daha da artırmak için bir fark yükselteç devresi kullanılmıştır. Çıkıştaki 10 F’lık kapasite besleme gerilimini daha iyi filtrelemek amacıyla kullanılmıştır. 2.6 LİNEER TÜMDEVRE GERİLİM REGÜLATÖRLERİ Lineer tümdevre gerilim regülatörleri; ayrık elemanlarla oluşturulan regülatörlere göre hem daha ekonomik, hem de daha işlevseldirler. Bu tür regülatörler genellikle seri gerilim regülatörü gibi düşünebilir. Lineer tümdevre gerilim regülatörleri; genellikle çıkış gerilimleri (sabit/ayarlı) kutuplama yönleri (pozitif/negatif) dikkate alınarak kendi aralarında sınıflandırılabilir.  

Sabit gerilim çıkışlı (pozitif/negatif) Ayarlanabilir gerilim çıkışlı (pozitif/negatif)

DC gerilimi, tüm etkilere karşı kararlı (regüleli) hale getirebilmek için regüle işleminin önemli olduğunu biliyoruz. Regüle işlemi ise regülatör devreleri kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Bir önceki bölümde; aktif ve pasif devre elemanları kullanarak regülatör yapımını gerçekleştirdik. Gelişen elektronik teknolojisi tek bir tümdevre (chip, ICs)

içerisinde gerilim regülatörü üretimine imkan sağlamıştır. Günümüzde tek bir tümdevre içerisinde yüzlerce farklı tip ve özellikte gerilim regülatörü üretimi yapılmaktadır. Bu bölümde elektronik piyasasında yaygın olarak kullanılan birkaç farklı tip tümdevre gerilim regülatörünün tanıtımı yapılacak ve uygulama örnekleri verilecektir.

2.6.1 Sabit Gerilim Çıkışlı Lineer Tümdevreler Tümdevre imalatçıları, çeşitli sabit gerilim değerlerinde regüleli çıkış gerilimi verebilen tip tümdevreler üreterek kullanıcıya sunmuşlardır. Sabit gerilim regülatörleri genellikle üç uçlu imal edilirler. Küçük boyutlu, kolay kullanımlı ve oldukça ucuzdurlar. Bu tür gerilim regülatörleri kendi aralarında pozitif ve negatif olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Tablo-2.1’de oldukça sık kullanılan; üç terminalli, sabit çıkışlı pozitif gerilim regülatörlerinin bazı önemli özellikleri verilmiştir. 78’li sayılarla kodlanan gerilim regülatörlerinde ilk iki rakam (78) regülatör tipini sonraki harf çıkış akımını, son rakamlar ise çıkış gerilimi değerini verir. Örneğin 7805 ile kodlanmış bir regülatör; +5V çıkış gerilimi ve 1A çıkış akımına sahiptir.

Tablo-2.1 Tümdevreli Pozitif Gerilim Regülatörleri 78M15 şeklinde kodlanmış bir gerilim regülatörü ise +15V çıkış gerilimine ve 500 mA çıkış akımına sahiptir. Pozitif veya negatif sabit gerilim regülatörleri kullanarak regülatör yapmak için Tablo 5.1’de belirtilen sınır değerlere uymak gerekir. Örneğin; tümdevre gerilim regülatörünün girişine uygulanacak regülesiz gerilim değeri, regülatör geriliminden en az 2V daha büyük olmalıdır. Tümdevre gerilim regülatörlerinin pek çoğunun çıkışları ısıl korumalıdır. Çıkıştan aşırı akım çekildiğinde ısıl duyarlı koruma devresi etkinleşerek tümdevreyi aşırı akıma karşı korur. Pozitif sabit gerilim regülatörlerinin terminal bağlantıları ve kılıf tipleri ise Şekil-2.14’de verilmiştir.

Şekil-2.14 Tümdevre pozitif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve pin bağlantıları Negatif çıkışlı sabit gerilim regülatörleri ise 79’lu sayılarla (7912, 79L15, 79M09 v.b gibi) kodlanırlar. Tablo-2.2’de ise negatif gerilim regülatörleri özellikleri ile birlikte verilmiştir. Tümdevreli negatif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve terminal bağlantıları Şekil- 2.15’de verilmiştir. Negatif gerilim regülatörlerinin terminal bağlantıları, pozitif regülatörlerden farklıdır. Bu duruma devre tasarımı ve montajında dikkat edilmelidir.

Tablo 2.2 Tümdevreli Pozitif Gerilim Regülatörleri

Şekil-2.15 Tümdevre negatif gerilim regülatörlerinin kılıf tipleri ve pin bağlantıları

2.7 PRATİK REGÜLELİ ve TÜM DEVRELİ GÜÇ KAYNAKLARI:

Üç uçlu sabit pozitif gerilim regülatörü ile yapılan temel uygulama devresi Şekil-2.16’da çizilmiştir. Bu bağlantı tipiyle yapılan devre montajında; doğrultucu, regülatör ve beslenecek devre birbirlerine yakın iseler, C1 ve C2 kondansatörlerine gereksinim olmaz. Ancak bağlantı kablolarının boyları birkaç santimin dışına çıktığında yüksek frekanslarda titreşimi önlemek için bu kondansatörler mutlaka kullanılır. C2 kondansatörü ayrıca çıkış geriliminin kararlılığını sağlamada ve regülasyon hızını iyileştirmede kullanılmaktadır.

- Sabit gerilim regülatörleri:

Şekil-2.16 Üç uçlu pozitif gerilim regülatörünün temel bağlantı şeması

ÖRNEK: Aşağıdaki devrede LM7805 entegresi kullanılarak 5 V’luk sabit çıkış gerilimi elde edilmektedir. Buna göre, bu DC güç kaynağı devresinin çalışmasını a) 150 mA ve b) 300 mA’lik yük akımlarında inceleyiniz. 7805 elemanının özelliklerinde, şebeke regülasyonunu korumak için kabul edilebilir giriş gerilimi 7.3 V olarak verilmiştir.

ÇÖZÜM:

Vr (p-p)

Tam dalga ve küçük yüklerde dalgalılık gerilimi (Vr) aşağıdaki formülle verilebilir: Vr ( rms ) 

I dc 4 3 fC

f=50 Hz alınarak: Vr (rms ) 

2.88I dc 2.88Vdc  C RL C

Burada IDC miliamper, C mikrofarad ve RL kiloohm’dur. Buna göre yukarıdaki örneğimize dönecek olursak:

a) Vr (tepe)  3 Vr (rms)  3.

2.88I dc 2.88(150)  3.  2.99 V C 250

250 F’lık filtreleme kapasitesi üzerindeki DC gerilim: VDC=Vm-Vr(tepe)=15 V – 2.99 V = 12 V Giriş, bu DC gerilim civarında dalgalanacağı için minimum giriş gerilimi aşağıdaki değere kadar düşebilir: Vgiriş(min)= Vm-2Vr(tepe)=15 V – 2(2.99) V = 9.02 V Bu değer 7.3 V anma değerinin üzerinde olduğu için çıkış gerilimi +5 V düzeyinde kalacaktır.

b) Yukarıdaki hesaplamalar IL=300 mA için yapıldığı zaman : Vgiriş(min)= Vm-2Vr(tepe)=15 V – 2(6) V = 3 V bulunacaktır. Bu ise kabul edilebilir minimum giriş gerilimi olan 7.3 V’un çok altındadır. Regülasyon, 150 mA’in altındaki yük akımlarında korunurken, 300 mA’in üstündeki yük akımlarında gerçekleşmez.

- Aşırı akım korumalı yüksek çıkış akımlı regülatör devresi: Sabit gerilim regülatörlerinin çıkış akımları istenirse yükseltilebilir (Şekil 2.17). Bu devrede regülatörün çıkış akımını artırmak için tümdevreye bir PNP güç transistörü (Q1) bağlanmıştır. Devrede R1 direnci ve LM78XX’den akan yük akımı (IL), R1 üzerinde Q1 transistörünü süren bir gerilim düşümü oluşturur. LM..’den akan akım ne kadar büyükse R1’deki gerilim düşümü ve T1’den akan akım da o kadar büyük olur. Bu durumda I L akımı, LM.. ve transistör üzerinde ikiye bölünür. Böylece, devrenin çıkış akımı LM..’ye zarar vermeden yükseltilmiş olur. Devre çıkışından transistörün gücüne bağlı olarak yüksek akımlar alınabilir. Çıkış gerilimi sabittir. LM.. entegresi içten aşırı akıma karşı korumalı olmakla birlikte Q1 transistörünü de aşırı akıma karşı korumak için devreye Q2 transistörü ile R2 direnci bağlanmıştır. Devrede R2 üzerinden geçen yük akımı (IL), R2 üzerinde bir gerilim düşümüne neden olur. Bu gerilim değeri Q2 transistörünün

eşik gerilimi (VBE=0.6 V) değerine ulaştığında Q2 iletime geçer, Q1 ise kesime gider. Dolayısıyla LM entegresi ve Q1 transistörü aşırı akımdan korunmuş olur. Devrede aşırı akım koruması R2 direnci ile sağlandığından değeri uygun bir biçimde seçilmelidir.

Şekil 2.17 Aşırı akım korumalı yüksek çıkış akımlı regülatör devresi

- Ayarlı gerilim regülatörleri Sabit gerilim regülatörlerinin çıkış gerilimleri istenirse ayarlanarak istenilen değerlerde çıkış gerilimi vermesi sağlanabilir. Çıkış gerilimi istenilen bir değere ayarlanabilen bir devre örneği Şekil-2.18'de verilmiştir.

Şekil-2.18 Çıkış Gerilimi Ayarlanabilen Regülatör Devresi Bu devrede tümdevre çıkışına R1 ve R2 dirençleri bağlanmıştır. Bundan dolayı regülatörün şase ucu 0 volttan farklı bir gerilimdedir. Regülatörün çıkış gerilimi V0; V0  V REG  R2 I Q

formülü ile bulunur. Formülde kullanılan IQ akımı, tümdevrenin R2 direncinden akan sükünet akımıdır ve değeri 5mA ile 10mA arasında değişir. Devrenin çıkış geriliminin dalgalılık oranı

oldukça büyüktür. Dalgalılık oranını azaltmak amacı ile çıkışa 100µF’lık bir kondansatör bağlanmıştır. Çıkış dalgalılık oranı buna rağmen ancak 20mV’a kadar düşürülebilmiştir. Şekil-2.19’da ayarlanabilir çıkış veren pozitif ve negatif gerilim regülatörleri verilmiştir. Her iki devrede de çıkış gerilimi R2 ayarlı direnci tarafından ayarlanmaktadır. R2 değerine bağlı olarak çıkış geriliminin alabileceği gerilim değerleri ise tablo olarak verilmiştir.

Şekil 2.19 Ayarlanabilir pozitif ve negatif gerilim regülatörleri

NOT: LM 79... serisi ile gerçekleştirilen negatif gerilim regülatörlerinin de devre bağlantı şemaları pozitif gerilim regülatörleri ile aynıdır.

- Simetrik çıkışlı sabit gerilim regülatörleri Pozitif ve negatif gerilim regülatörleri birlikte kullanılarak simetrik çıkışlı sabit gerilim regülatörleri yapılabilir. Şekil 2.20’de böyle bir devre verilmektedir. Bu tip regüleli gerilim kaynakları yapılırken kondansatörlerin polaritelerine ve tümdevre bacak bağlantılarına dikkat edilmelidir.

Şekil-2.20 Sabit Simetrik çıkışlı regüleli güç kaynağı

2.8 ANAHTARLAMALI GERİLİM REGÜLATÖRLERİ (SWITCHING VOLTAGE REGULATORS) Kullanım alanı ve önemine bağlı olarak çeşitli tiplerde güç kaynağı ya da dc besleme kaynaklarının tasarımı yapılmaktadır. DC güç kaynakları genel olarak; regülesiz, regüleli ve anahtarlamalı olarak başlıca üç ana kategoride sınıflandırılır. Düşük güçlü dc güç kaynaklarının tasarımında genellikle lineer (doğrusal) tümdevre gerilim regülatörleri tercih edilmektedir. Tercih nedeni olarak; basit yapıları, yük değişimlerine hızlı cevap vermeleri, gürültüsüz çalışmaları ve düşük maliyetleri gibi etkenleri sıralayabiliriz. Fakat bu tip regülatörlerde verim çok düşük ve güç kaybı fazladır. Yüksek güçlü dc kaynaklarının tasarımında verimleri çok daha fazla olan anahtarlamalı gerilim regülatörleri (switching regulators) kullanılmaktadır. Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin kullanım alanları teknolojik gelişmelere paralel olarak son yıllarda oldukça artmıştır. Birkaç farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılmaktadır. Güç kaynaklarının tasarımında dikkat edilmesi gereken önemli faktörlerden birisi verimliliktir. Doğrusal (lineer) tümdevre gerilim regülatörlerinde verimlilik oldukça düşüktür ve yaklaşık olarak %25 ile %60’lar seviyesindedir. Bu durumda ac’den dc’ye dönüştürme işleminde yaklaşık olarak %50’ler seviyesinde bir enerji kaybı söz konusudur. Düşük güçlü (10W altı) dc güç kaynaklarının tasarımında önemsenmeyecek boyutlarda olan bu kayıp özellikle yüksek güçlerde sorunlara neden olmaktadır. Doğrusal (lineer) bir regülatörde güç kaybı yaklaşık olarak; PREG = (Vİ −V0 ) ⋅ IL ≅ ≅ VCE ⋅ IC olarak ifade edilmektedir. Dolayısıyla kayıpların tümüne yakını kontrol elemanı olarak kullanılan ve aktif bölgede çalıştırılan transistör üzerinde oluşmaktadır. Anahtarlamalı Gerilim Regülatörlerinin avantajları: 

Anahtarlamalı güç kaynaklarının verimleri diğer güç kaynaklarına nazaran oldukça yüksektir.

  

Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin çalışma frekansları şehir şebekesinden çok yüksektir (kHz). Bu nedenle tasarımlarında kullanılan bobin ve transformatör v.b gibi. devre elemanlarının fiziksel boyutları oldukça küçüktür. Doğrusal regülatörlerde; regülesiz giriş gerilimi daima çıkış geriliminden büyük olmalıdır. Anahtarlamalı regülatörlerde ise çıkış gerilimi girişten büyük yapılabilmektedir. Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde birden fazla çıkış elde edilebilmekte ve çıkış geriliminin kutupları değiştirilebilmektedir. Bu özellik doğrusal regülatörlerde söz konusu değildir.

Anahtarlamalı Gerilim Regülatörlerinin dezavantajları: 

Yapıları doğrusal (lineer) regülatörlere göre daha karmaşıktır. Bu nedenle tasarımları zor ve maliyetleri yüksektir. Bu nedenle düşük güçler için kullanımı ve tasarımı pek tercih edilmez. Yüksek güçlü dc kaynakların tasarımında ise anahtarlamalı gerilim regülatörü kullanmak neredeyse zorunluluktur.



Çıkış gürültü seviyeleri ve dalgalılık oranları daha yüksektir. İlave filtre devreleri kullanımına gereksinim duyulur. Bu durum maliyeti artırır.



Yük akımlarında ve giriş gerilimlerinde meydana gelen değişimleri algılama ve tepki verme süreleri daha uzundur.



Anahtarlamalı gerilim regülatörleri yapılarından dolayı, elektromanyetik ve radyo frekanslı (EMI-RFI) girişimlere sebep olurlar.Bu nedenle özel filtre devrelerine ve ekranlama işlemine gereksinim duyarlar.

2.8.1 Anahtarlamalı Gerilim Regülatörünün çalışma prensibi: Anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma prensibi, girişine uygulanan dc işaretin yüksek frekanslarda anahtarlanarak çıkışa aktarılmasına dayanmaktadır. Bu işlem için giriş gerilimi kıyılmakta ve darbe-periyot oranı değiştirilmektedir. Kısaca darbe genişliği modülasyonu (Pulse Widh Modulation=PWM) yapılmaktadır. Bu işlem; regülatör çıkışını yük ve giriş geriliminde oluşan değişimlerden bağımsız hale getirir. Ayrıca devrede kullanılan elemanlar (yarıiletkenler) kesim/doyum modunda anahtarlamalı olarak çalıştıkları için güç kayıpları minimumdur. Anahtarlamalı bir güç kaynağının blok olarak temel yapısı Şekil-2.21’de verilmiştir.

Şekil 2.21 Anahtarlamalı DC gerilim regülatörünün blok diyagramı Blok diyagramı verilen anahtarlamalı gerilim regülatörünün temel çalışma ilkelerinden olan darbe genişliği modülasyonunun (PWM) temel prensibi ise Şekil-2.22’de gösterilmiştir.

Şekil 2.22 Anahtarlamalı dc gerilim regülatöründe dalga biçimleri Anahtarlamalı gerilim regülatörünün blok diyagramının da görüldüğü gibi hata amplifikatörünün eviren girişindeki gerilim (VM), geri beslemeden dolayı;

Opamp’ın ideal olduğu kabul edilirse (eviren ve evirmeyen girişleri arasında gerilim farkı yoktur), evirmeyen girişteki VREF değeri; 

Elde edilen çıkış geriliminin devre giriş gerilimi Vİ’den ve yük akımı IL’den bağımsız olduğu görülmektedir. Devrede R2=2·R1 ve VREF=10V olarak seçilirse, devrenin çıkış gerilimi V0;

olarak bulunur. Dolayısı ile çıkış geriliminin maksimum değeri Vİ kadar olduğundan bu devre V0
Görüldüğü gibi darbe periyot oranını (D); VA geriliminin periyodu (T) belirlemektedir. VA gerilimi ise Şekil-2.21’de görüldüğü gibi karşılaştırıcı girişine verilen VM değerine bağlıdır. Dolayısıyla sistemin lineer bir darbe periyot modülatörü (PWM) gibi çalıştığını söyleyebiliriz.

Devrede (Şekil-2.21) PWM modülatörü çıkışından alınan VA gerilimi kare dalgadır. Bu gerilimin gücü, bir güç anahtarından geçirilerek yükseltilmektedir. Dolayısıyla güç anahtarı çıkışından alınan VB gerilimi de kare dalgadır. Bu gerilimde bulunabilecek yüksek frekanslı harmonik bileşenleri zayıflatmak için bir LC alçak geçiren filtre devresi kullanılır. Bu işlem için X L>>XC seçilmelidir. Bu durumda devre çıkışından alınacak V0 çıkış gerilimi, VB’nin ortalama değerine eşittir. Anahtarlamalı regülatör devresinde kullanılan güç anahtarı ise (power switch) bir grup transistörle gerçekleştirilen özel bir anahtardır. Bu devrede transistörler aktif bölgede çalıştırılmaz. Kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar gibi çalıştırılır. Bu yüzden güç kayıpları çok azdır. Güç anahtarı devresinde verimliliği artırmak amacıyla kollektör-emiter doyum gerilimi (V CE(SAT)) düşük ve anahtarlama hızı yüksek transistörler tercih edilir.

2.8.2 Anahtarlamalı Gerilim Regülatör Çeşitleri: Günümüzde pek çok farklı tip anahtarlamalı gerilim regülatörü tasarımı yapılabilmektedir. Bunların içerisinde en yaygın olarak kullanılanlar ise genellikle 3 tiptir. Bunlar;

• Aşağıya doğru (step-down veya buck) anahtarlamalı regülatör • Yukarıya doğru (step-up veya boast) anahtarlamalı regülatör • Yön çeviren (inverting veya boast) anahtarlamalı regülatör a) Aşağıya doğru (step-down veya buck) anahtarlamalı regülatör: Aşağı doğru anahtarlamalı regülatörlerin çıkışından alınan regüleli gerilim, regülesiz giriş geriliminden daha küçüktür. Şekil-2.23’de anahtarlamalı gerilim regülatörünün geliştirilmiş devresi ve devrede kullanılan transtörün kesim-doyum (on-off) aralıkları gösterilmiştir. Devrede kullanılan C kondansatörünün şarjı süresi tON, deşarj süresi ise tOFF olarak şekil üzerinde tanımlanmıştır. Şekilden de görüldüğü gibi tON süresinin artırılması V0 çıkış gerilimini artırmakta, tOFF süresinin artırılması ise çıkış gerilimini azaltmaktadır. Transistör kesim veya doyum modunda anahtarlamalı çalıştırılarak tON ve tOFF süreleri kontrol edilmektedir. Bu devrenin çıkış gerilimini formüle edersek;

Şekil 2.23 Aşağı doğru anahtarlamalı gerilim regülatörü ve gerilim dalga biçimleri

Devrede regülasyon işleminin nasıl gerçekleştirildiğini kısaca anlatalım. Regülatör çıkış geriliminin (V0) herhangi bir sebeple azalması, R3 direncinde oluşan gerilimin azalmasına dolayısıyla opamp’ın eviren girişindeki gerilimin azalmasına neden olur. Bu durumda opamp’ın çıkışı yükseleceğinden PWM bloğu vasıtasıyla tON süresi de artar ve regülatör çıkış gerilimdeki azalmaya izin verilmez. Devrede gerilim regülasyonu bu şekilde sağlanmış olur.

ÖDEV: Yukarıya doğru (step-up veya boast) anahtarlamalı ve yön çeviren (inverting veya boast) anahtarlamalı regülatör devrelerini araştırınız ve devre örnekleri veriniz. 2.8.1 Anahtarlamalı Tümdevre Gerilim Regülatör Devreleri Anahtarlamalı gerilim regülatörlerinin tasarımının oldukça zor ve karmaşık olduğu belirtilmişti. Bu durumu dikkate alan pek çok tümdevre üreticisi firma, anahtarlamalı gerilim regülatörlerinde

kullanılan bir veya birkaç bloğu tek bir tümdevre içerisinde kullanıcıya sunmuştur. Örneğin National Semiconductor firmasının geliştirmiş olduğu LM78S40 (Şekil 2.24) tümdevre bunlardan birisidir.

Şekil 2.24 Genel amaçlı anahtarlı gerilim regülatörünün iç yapısı ve pin bağlantıları Şekil 2.24’de görüldüğü gibi bu tümdevre, anahtarlamalı regülatör sistemleri için gerekli olan aktif yapı bloklarını barındırmaktadır. Bu blokları kısaca; sıcaklık kompanzeli gerilim referansı, Aktif akım sınırlayıcılı ve darbe-peryot oranını kontrol eden osilatör devresi, hata kuvvetlendiricisi, yüksek akım-yüksek gerilim çıkış anahtarı, bir güç diyodu ve genel amaçlı bir opamp’dan oluşmaktadır. Bu tümdevrenin bazı önemli özellikleri aşağıda sıralanmıştır. • Yukarı doğru, aşağı doğru ve yön çeviren anahtarlama regülatörü olarak kullanılabilir. • Çıkış gerilimi 1.25V ile 40V aralığında istenilen bir değere ayarlanabilir. • Tümdevre tek başına ve harici güç transistorü kullanmadan 1.5A’e kadar tepe akımı verebilir. • Düşük geçiş (standby) akımı düşüktür. • 80dB civarında yük ve hat regülasyonuna sahiptir. LM78S40 entegresi ile gerçekleştirilmiş step-up (yukarı) ve step-down tip anahtarlamalı gerilim regülatörü devreleri Şekil 2.25 ve Şekil 2.26’da verilmektedir. Üretici firma katologları kullanılarak gereksinimine uygun anahtarlamalı gerilim regülatörleri tasarlanabilir.

Şekil 2.25 Step-Up Anahtarlamalı gerilim Regülatörü (15V/70V)

Şekil 2.26 Step-down Anahtarlamalı Gerilim Regülatörü (15V/70V)

Bir LM 317K entegresi ile gerçekleştirilmiş basit bir anahtarlamalı regülatör devresi Şekil 2.27’de gösterilmektedir.

Şekil 2.27 LM 317K entegresi ile gerçekleştirilmiş bir anahtarlamalı regülatör devresi

ÖDEV: Şekil 2.27’deki devrenin çalışmasını anlatarak, ne tür bir anahtarlamalı regülatör devresi (devrenin bölümlerini şekil üzerinde göstererek) olduğunu belirtiniz.

3. AKTİF SÜZGEÇLER/FİLTRELER (ACTIVE FILTERS) Filtrelerin başlıca işlevi, belirli bir frekans bandını geçirip diğerlerini zayıflatmasıdır. Pasif ve Aktif olmak üzere iki tip filtre tasarımı yapılabilir. Pasif filtre tasarımında; direnç, kondansatör ve bobin (self) gibi pasif devre elemanları kullanılır. Aktif filtrelerde ise pasif devre elemanlarına ilaveten transistör ve tümdevre gibi yarıiletken devre elemanları da kullanılır. Aktif filtrelerin pasif filtrelere nazaran bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Bunlar aşağıda sıralanmıştır: Aktif filtreler

Pasif filtreler

Aktif filtre devrelerinde tümdevre üretim teknolojisinden kaynaklanan sınırlamalar nedeniyle self (bobin) elemanı kullanılamaz. Bu eleman yerine negatif empedans dönüştürücülerden yararlanılarak kondansatörden self elde edilebilir.

Pasif filtre tasarımında bobin (self) elemanı kullanılır, bir sınırlama yoktur.

Aktif filtrelerde, filtrenin geçirgen olduğu Pasif filtrede filtrenin geçirgen frekanslarda herhangi bir zayıflatma olmaz. frekaslarda zayıflatma olur. Çünkü aktif filtre tasarımında kullanılan opamp, filtre edilen işaretleri yükselterek

olduğu

çıkışına aktarabilir. Aktif filtre devrelerinin çıkış empedansı çok Böyle bir durum pasif filtrelerde sözkonusu düşük, giriş empedansı ise oldukça yüksektir. değildir. Bu nedenle, aktif filtrelerin girişlerine veya çıkışlarına bağlanacak devre veya devre elemanlarının etkilenmesi söz konusu değildir Aktif filtrelerin her zaman besleme gerilimine Pasif filtreler herhangi bir gereksinimleri vardır. gerilimine gereksinim duymazlar.

besleme

Aktif filtre tasarımında kullanılan opampların Frekans bandı kullanılan bobin ve kapasite band genişlikleri sınırlı olduğunda her frekansta değerleri ile ayarlanabilir. aktif filtre tasarlamak oldukça zordur Pek çok endüstriyel uygulamada sıkça kullanılan filtreler başlıca dört tiptir. Bunlar; - A  lçak Geçiren (Low Pass)  - Y  üksek Geçiren (High Pass) - Band Geçiren (Band Pass)  - Band Söndüren (Notch Filters) Belirtilen dört tip filtrenin frekans tepkileri (cevapları) Şekil-4.1’de ayrıntılı olarak çizilmiştir. Örneğin alçak geçiren filtre, belirlenen bir frekansın altındaki frekansları geçiren, üstündekileri ise zayıflatan bir devredir. Belirlenen bu frekans değerine “Köşe frekansı” olarak adlandırılır ve “Fc” ile ifade edilir. denir. Fc, aynı zamanda; “0.707 frekansı”, “-3dB frekansı” veya “kesim frekansı” olarak da isimlendirilir.

Şekil 4.1 Filtrelerin frekans tepkileri Filtre devrelerinde iletilen frekans aralığına geçen band, zayıflatılan frekans aralığına ise durdurulan veya söndürülen band adı verilir. Alçak geçiren filtre; kesim frekansının (FC) altındaki frekansları geçirir, üstündekileri ise durdurur veya zayıflatır. Alçak geçiren filtre devresinde köşe frekansına kadar çıkış gerilim Vo sabittir ve zayıflama yoktur. Köşe frekansı değerinden sonra çıkış işareti belirli bir eğimle zayıflar. Bu durum Şekil-4.1’deki karakteristikte kesik çizgi ile gösterilmiştir. Düz çizgi ise ideal filtreyi temsil etmektedir. Yüksek geçiren filtre; kesim frekansının (FC) üstündeki frekansları geçirir, altındakileri ise durdurur veya zayıflatır. Band geçiren filtre ise, sadece belirlenen band içerisindeki frekansları geçirir, diğerlerini zayıflatır.

4.1 Pasif filtreler I- R-C ile yapılan alçak frekansları geçiren pasif filtreler: Bu devre sadece alçak frekansları geçirir. Yüksek frekanslarý þaseye verir. Frekans yükseldikçe kondansatörün kapasitif reaktansý küçülür. Çünkü XC = 1/ 2.pi.f.C [W ]'dur. Reaktansýn küçülmesi sinyallerin diðer yükselteç katýna geçmesini engeller. Şekil 4.2'de R-C'li alçak frekanslarý çıkışa ulaştıran (geçiren) pasif filtre verilmiştir. II- R-L ile yapılan alçak frekansları geçiren pasif filtreler: Bu filtrede kullanılan bobinin endüktif reaktansı XL=2.pi.f.L denklemine göre frekans yükseldikçe büyür. Bu nedenle yüksek frekanslı sinyaller bobinden geçemez. Şekil 4.2'de R-L'li alçak frekanslarý çýkýþa ulaþtýran (geçiren) pasif filtre verilmiþtir.

Şekil 4.2 R-C ve R-L’li alçak geçiren filtreler III- R-C ile yapılan yüksek frekanslarý geçiren pasif filtreler: Düşük frekanslarda kondansatörün kapasitif reaktansı büyük olduğundan alçak frekanslı sinyaller diğer kata geçemez. Şekil 4.3'de RC'li yüksek frekansları çıkışa ulaştıran (geçiren) pasif filtre verilmiþtir. IV- R-L ile yapılan yüksek frekansları geçiren pasif filtreler: Alçak frekanslı sinyallerde bobinin endüktif reaktansı küçük olduğundan sadece yüksek frekanslý iþaretler diðer kata geçebilir. Şekil 4.3'de R-L'li yüksek frekanslarý çıkışa ulaştıran (geçiren) pasif filtre verilmiştir.

Şekil 4.3 R-C ve R-L’li yüksek geçiren filtre

4.2 Aktif filtreler Filtre devreleri zayıflatma eğimine veya kalitesine bağlı olarak; 1. derece veya -20 dB/dekad, 2.derece veya -40 dB/dekad ve 3. derece -60 dB/dekad olmak üzere tasarlanabilirler.

4.2.1 Alçak geçiren aktif filtre Belirlenen kesim frekansının altındaki frekansları olduğu gibi geçirip, üzerindeki frekansları zayıflatan filtrelere alçak geçiren filtre denir.

- Birinci dereceden alçak geçiren aktif filtre devresi Uygulamalarda sıkça kullanılan 1. derece veya -20 deb/dekad’lık filtre devresi ve frekans cevabı Şekil 4.4’de verilmiştir.

Şekil 4.4 Birinci dereceden alçak geçiren aktif filtre devresi ve frekans cevabı

Devrede filtre işlemi R ve C elemanlarından oluşmaktadır. Op-Amp ise birim kazanç yükselteci olarak çalışmaktadır. Opamp’ın eviren ve evirmeyen girişleri arasında potansiyel fark olmadığından (0 V), çıkış gerilimi C kondansatörü uçlarındaki gerilime eşittir. Devrenin kazancı: 1

AV 

Rof

Ro1 1  jC R1C1

Burada, Op-Amp’ın DC kazancı: Ao  1 

R0 f R01

Ve a1  C R1C1 a1 , Bessel filtre sabiti olarak adlandırılır ve birinci, ikinci, üçüncü derece filtre devrelerinde değeri

farklılık arzeder. Kesim frekansı, fC 

a1 2R1C1

Örnek: R1=1.2 k, C1=0.02 F olduğuna göre birinci dereceden alçak geçiren filtrenin kesim frekansını hesaplayınız ( a1 =1). fC 

a1 2R1C1

= 6.63 kHz SORU: Birinci dereceden alçak geçiren aktif filtre devresinde kesim frekansının 2 kHz olması isteniyor. Buna göre göre C1 kapasitesini bulunuz. ÇÖZÜM: fC 

a1 2R1C1

1

1

 C1  2f R  2 .2000.10.10 3  0.008 F C 1 Filtre devrelerinde kesim frekansından sonra zayıflama eğiminin artması, filtrenin ideale yaklaştığını gösterir. Pek çok uygulamada -20 dB/dekad’lık birinci dereceden bir filtre devresi yeterli olmayabilir. Bu amaçla -40 dB/dekad’lık ve -60 dB/dekad’lık filtre devreleri geliştirilmiştir. Alçak geçiren filtre devresi için 20, 40 ve 60 dB/dekad’lık üç tip filtre devresi için frekans cevabı (frekans/kazanç eğrileri) Şekil 4.5’de çizilmiştir.

Şekil 4.5 Alçak geçiren filtre devrelerinin frekans tepkesi Filtrenin iki bölümünün Şekil 4.6’daki gibi bağlanması 40 dB/dekad’lık kesim frekanslı ikinci dereceden bir aktif alçak geçiren filtre oluşturur.

- İkinci dereceden alçak geçiren aktif filtre:

Şekil 4.6 İkinci dereceden alçak geçiren aktif filtre devresi ve frekans cevabı Devrenin düzenlenmesi ve analizi için aşağıda belirtilen adımlar sırayla izlenmelidir. 1. İlk adım kesim frekansı fC’nin belirlenmesi veya seçilmesidir. 2. Analiz kolaylığı için R1=R2=R olmalı ve değeri 10 kΩ ile 100 kΩ arasında seçilmelidir. ROf değeri ise 2·R olarak seçilmelidir. 3.

C1 kondansatörünün değeri; C1 

0.707  C .R

seçilmelidir.

4. C2 kondansatörü ise C2=2.C1 olacak şekilde seçilmelidir. ÖRNEK: İkinci dereceden alçak geçiren aktif filtre devresinde R=10 kΩ, wc = 30 krad/s için C1 ve C2 değerleri ne olmalıdır? ÇÖZÜM: C1 

0.707 0.707   2.4 nF C .R 30.103.10.103

C2 = 2.C1 = 4.8 nF

Üçüncü dereceden alçak geçiren bir aktif filtre devresi, -40 dB/dekad ve -20 dB/dekad’lık alçak geçiren aktif filtre devrelerinin ardarda bağlanması ile gerçekleştirilir.

4.2.2 Yüksek geçiren aktif filtre Yüksek geçiren filtre; belirlenen kesim frekansının üstündeki frekansları olduğu gibi geçirip, altındaki frekansları zayıflatan filtre devresidir. -20 dB/dekad, -40 dB/dekad ve -60 dB/dekad olmak üzere üç tip yüksek geçiren filtre devresi vardır. Bu üç tip filtre devresinin frekans cevapları (kazanç/frekans) eğrileri Şekil 4.7’de gösterilmiştir.

Şekil 4.7 Yüksek geçiren aktif filtre frekans eğrileri - Birinci ve ikinci dereceden yüksek geçiren aktif filtreler: Birinci ve ikinci dereceden yüksek geçiren aktif filtre devreleri ve frekans karakteristiği Şekil 4.8’de gösterilmiştir. -20 dB/dekad’lık filtrenin yeterli olmadığı durumlarda (yani birinci dereceden filtrelemenin yeterli olmadığı durumlarda) -40 dB/dekad’lık (ikinci mertebeden) filtreler kullanılır. Kesim frekansı; f C  f o ,L 

1 2R1C1

R1=R2 ve C1=C2 olan ikinci derece filtre de aynı kesim frekansını verir.

Şekil 4.8 Birinci (a) ve ikinci (b) mertebeden yüksek geçiren aktif filtre devreleri ve frekans eğrisi (c). ÖRNEK: R1=R2=2.1 k, C1=C2=0.05 F ve Ro1=10 k, Rof= 50 k olduğuna göre ikinci dereceden yüksek geçiren aktif filtre için kazancı ve kesim frekansını hesaplayınız (a1=1.3617). ÇÖZÜM: Ao  1 

R0 f R01

 1

50 6 10

Kesim frekansı, fC 

a1 1.3617   2.04 kHz 2R1C1 2 .2100.50.10 9

4.2.3 Band geçiren aktif filtre Şekil 4.9’da iki katlı bir bant geçiren filtre devresi ve frekans eğrisi verilmiştir. İlk katı bir yüksek geççiren filtre olup ikinci katı ise alçak geçiren bir filtredir.

Şekil 4.9 Bant geçiren aktif filtre devresi ve frekans eğrileri. Dar ve geniş bant olmak üzere iki tip band geçiren filtre vardır. Dar bant filtrelerde band genişliği rezonans frekansının 1/10’nundan daha küçüktür. Geniş band filtrelerde ise daha büyüktür. Rezonans frekansının (wr), band genişliğine (B) oranına filre devresinin kalite faktörü (Q) denir. Kalite Faktörü, Q=wr/B formülü ile belirlenir. Q’nun alacağa değere göre filtre devresinin kalitesi ve seçiciliği değişir. Q değeri yüksek ise seçicilikte fazladır. Dar bantlı filtrelerde

seçicilik daha fazladır çünkü Q>10’dur. Geniş bantlı da ise Q<10’dur. Band geçiren filtre tasarımında iki yöntem vardır. Birinci yöntemde wr ve B değerleri seçilir, Q değeri ise hesaplanır. İkinci yöntemde ise wr ve Q değerleri seçilir, B değeri ise hesaplanır. Hesaplamayı kolaylaştırmak ve devreyi sadeleştirmek için C 1=C2=C olarak seçilir ve B hesaplanır. R değerleri ise aşağıdaki formüllerlehesaplanır: Ro1=Ro2=R alınarak; R

2 B.C

,

R1 

R 2. Ar

,

R2 

R 4.Q  2. Ar 2

ÖRNEK: Band geçiren filtre devresinde wr=10 krad/s, Ar=40, Q=20 ve C1=C2=C=0.01 F olduğuna göre B, R1, R2 ve R3 değerlerini hesaplayınız. ÇÖZÜM:

ÖRNEK: R1=R2=10 k, C1=0.1 F, C2=0.002 F alarak band geçiren aktif filtrenin alt ve üst kesim frekanslarını hesaplayınız. ÇÖZÜM: f o ,L 

1  159.15 Hz 2R1C1

f o ,H 

1  7.96 kHz 2R2C2

4.2.3 Band durduran (söndüren) aktif filtre Belirli bir frekans aralığındaki işaretleri geçirmeyip, diğerlerini geçireren veya zayıflatan bir filtre tipidir. Band söndüren filtre genellikle istenmeyen ve sistemler üzerinde parazit (gürültü) etkisi yapan işaretlerin azaltılmasında kullanılır. Örneğin elektronik cihazların çevresinde çalışan motor, jeneratör, transformatör v.b elektromekaniksel cihazlar çevrelerinde ve şebekede elektriksel gürültü oluşmasına sebep olurlar. Belirtilen bu parazitleri yok etmek amacı ile elektronik cihazların pek çoğunda band söndüren filtre devreleri kullanılır. Şekil 4.10’da bir band söndüren filtre devresi ve frekans eğrisi verilmektedir. Band söndüren filtre devresinin düzenlenmesinde; rezonans frekansı, band genişliği (B) veya kalite faktörü (Q)’nün bilinmesi gerekir.

Şekil 4.10 Band durduran (söndüren) filtre devresi ve frekans cevabı

5. GERİLİM KONTROLLÜ OSCILLATOR- VCO)

OSİLATÖR

(VOLTAGE

KONTROLLED

Osilatörler ve çeşitleri konusu ayrı bir bölüm altında incelenecek olmakla birlikte gerilim kontrollü osilatörler faz kilitlemeli çevrim (PLL) gibi bazı elektronik devrelerde kullanıldıklarından PLL konusuna geçmeden önce VCO’ların çalışma prensiplerine öğrenmekte fayda vardır. Gerilim kontrollü osilatör (VCO), frekansı DC gerilimle belli değerler arasında ayarlanabilen bir osilasyon çıkış sinyali (kare veya üçgen dalga) üreten devredir. Diğer bir deyişle, VCO devresinin girişi DC, çıkışı ise periyodik kare ya da üçgen dalgadır. Ayrıca VCO nun birde kontrol gerilimi vardır. Bu gerilim VCO nun frekansını değiştirir. Kontrol gerilimi sıfır olduğunda osilatör normal frekansla salınır, kontrol gerilimi değiştikçe VCO’nun frekansı artar veya azalır. VCO, maksimum frekansı ile minimum frekans arasında kontrol gerilimine bağlı olarak salınabilen bir osilatördür. Aksi taktirde VCO nun istenilen frekans bölgesine ulaşması mümkün olmayacaktır. Bir UHF TV vericisinde kullanılması gereken VCO, eğer verici sentezörde değişiklik yapmadan UHF kanalında çalıştırılması isteniyorsa 510.15MHz ile 894.15MHz arasında salınım yapması gerekmektedir. VCO’lar Op-Amp’lar veya 566 IC entegre devre elemanlarıyla gerçekleştirilebilirler. Şimdi sırasıyla bunları inceleyelim.

5.1 Op-Amp’ın gerilim kontrollü osilatör olarak kullanılması: Şekil 5.1 'deki devre, Vi giriş voltajı ile frekansı kontrol edilebilir bir testere dişi jeneratördür. Temel olarak bu devre integral alıcı bir devredir. Negatif geri besleme hattında bir kondansatör ve ona paralel bağlı bir tristör (SCR-Silicon Controlled Rectifier) kullanılmıştır. Tristör ON-OFF anahtarlamayı gerçekleştirir. Tristörde, anod-katod ve gate olmak üzere üç terminal bulunur.

Gate voltajı ( VG ) belli bir eşik gerilimini aştıktan sonra iletime geçer. Gate voltajı, eşik geriliminin altında bir tristör yalıtımdadır. Çıkış voltajının pozitif olması için Vi gerilimi negatiftir. DC bataryanın negatif kutbu OP-AMP 'ın faz çeviren (-) girişine uygulandığı zaman çıkıştan pozitif bir rampa darbesi elde edilir. Çıkışta meydana gelen pozitif darbe, tristörün eşik gerilimini aşarsa tristör iletime geçer ve kondansatör tristör üzerinden deşarj olur. Bu kez çıkış negatif yönde inmeye başlar. Çıkışın negatif yönde inmesi, tristörü yalıtıma sokacağından kondansatör tekrar şarj olur. Bu kez çıkışındaki rampa darbesi tekrar pozitif yönde artmaya başlar. Kondansatörün şarj ve deşarjı ile tristörün iletime ve yatılıma geçmesiyle devrenin çıkışından testere dişi biçimindeki dalga elde edilir.

Şekil 5.1 OP-AMP 'lı Gerilim Kontrollü Osilatör

Vi giriş voltajı sabit olduğundan çıkıştan elde edilen testere dişi dalganın eğimi; dVo / dt = Vi / RC 'dir.

Çıkışta meydana gelen testere dişi dalganın periyodu; T=Vg / (Vi / RC) = (Vg / 1).(RC / Vi) =(Vg / Vi).RC 'dir. Testere dişi dalganın frekansı ise f = 1 / T 'den bulanabilir. Şekil 5.2’de simülasyon programı kullanılarak elde edilmiş voltaj kontrollü devresinin çıkış dalga şekli osilaskopta görülmektedir. Osilaskoptaki dalga şekli testere dişi biçiminde olduğundan adı testere dişi dalgadır.

Şekil 5.2 VCO devresinin çıkış dalga şekli

5.2 IC 566 entegresi ile gerçekleştirilen VCO: 566 IC VCO’ya bir örnek teşkil eder; bu entegre frekansı dış direnç ve kondansatör ile belirlenen ve uygulanan DC gerilimle değiştirilebilen kare dalga ve üçgen dalga sinyalleri üreten

devreler içerir. Şekil 5.3’de gösterilen 566 entegresinin C1 dış kondansatörünü R1 dış direnciyle belirlenen bir hızda doldurmak ve boşaltmak için kullanılan akım kaynaklarına ve DC modülasyon giriş gerilimine sahip olduğu gösterilmiştir. Kondansatörün doldurulması ve boşaltılması için akım kaynaklarını anahtarlamak amacıyla bir Schmitt tetikleyici devresi kullanılmıştır. Kondansatörün üzerinde oluşan üçgen dalga gerilimi ile Schmitt tetikleyiciden gelen kare dalga tampon yükselteçler üzerinden çıkışa verilir.

Şekil 5.3 566 fonksiyon üretecinin blok diyagramı 566 entegresinin bacak bağlantıları ile formülleri Şekil 5.4’de gösterilmiştir. Uygun bir dış direnç ve kondansatör seçimiyle osilatör, 10 Hz – 1 MHz frekans aralığı arasında düzenlenebilir ve sonra Vc kontrol gerilimiyle 10 Hz – 1 MHz aralığında modüle edilebilir.

Şekil 5.4 566 entegresinin bacak bağlantıları ve formülleri

-

566 fonksiyon üreteci (gerilim kontrollü osilatörü) uygulama devresine bir örnek:

Kare ve üçgen dalga üreten 566 için pratik bir devre örneği Şekil 5.5’de verilmiştir. Bu pratik devredeki parametrelerin seçimi şu şekildedir:

Şekil 5.5 566 VCO pratik devresi R2 ve R3 direnç bölücü, aşağıdaki sabit değere sahip DC modülasyon gerilimini bellirler.

Burada V+=12 V iken 0.75V+=9 V’dur.

olarak hesaplanır.

-

Vc kontrol geriliminin değiştirilmesine örnek bir pratik devre:

Çıkış kare dalga sinyalinin frekansını ayarlamak üzere Vc giriş geriliminin nasıl kullanılabileceğine (değiştirilebileceğine) örnek bir devre Şekil 5.6’da verilmiştir.

Şekil 5.6 566 entegresinin Vc kontrol gerilimi ile frekans ayarı R3 potansiyometresi Vc’nin 9’tan 12 V’a ayarlanmasını mümkün kılar. Bu da 10 Hz ile 1 MHz frekans aralığına karşılık gelmektedir. R3 potunun ucu en üst noktada iken:

Buradan alt çıkış frekansı: f0 

2  12  11.74    19.7 kHz 12  12 (10 x10 )( 220 x10 )   3

R3 ayar ucu en alt noktaya getirildiği zaman;

Buradan üst çıkış frekansı:

olarak bulunur.

6. FAZ KİLİTLEMELİ DÖNGÜ (PHASE LOCHED LOOP – PLL) Faz kilitleme devresi (PLL : Phase–Locked Loop) geri besleme işaretinin frekans ve fazının, giriş işaretinin fazına ve frekansına kilitlenme ilkesine dayanan bir sistemdir. Giriş işaretinin dalga şekline ilişkin bir sınırlama yoktur. Faz kilitleme çevrimlerinin ilk uygulaması, 1932 yılında radyo işaretlerinin aranması amacıyla kullanım alanı bulmuştur. 1960’larda ise, NASA uydu programları için faz kilitlemeli devre tekniğinden yararlanılmıştır. Tümdevre teknolojisinin hızlandığı ve büyük gelişme gösterdiği 1960’lı yıllara kadar, faz kilitlemeli çevrim sistemlerinin gerçekleştirilmesi hem pahalı hem de karmaşık olmaktaydı. Tümdevre teknolojisinin gelişmesi ile “tektaş (monolitik) tümleştirmenin” getirdiği ekonomik avantaj, faz kilitlemeli çevrim tekniğini özellikle endüstriyel elektronik ve tüketici elektroniği alanlarında çok büyük uygulama çeşitliliği ile karşı karşıya getirmiştir.

6.1 Kullanım Alanları Günümüzde monolitik (tektaş) faz kilitlemeli çevrim tekniği, FM dedektörlerin, stereo demodülatörlerin, ton kod çözücülerin, frekans sentezleyicilerin temel yapı bloku olmuştur. Süzgeçleme, işaret dedektörü olarak kullanılma ve motor hız kontrolü de faz kilitlemeli çevrimin diğer uygulama alanları arasında sayılabilir. Faz kilitlemeli çevrim sistemlerinde analog ve sayısal elemanların birlikte kullanılması yoluna gidilmektedir. PLL’in başka yaygın kullanım alanları arasında; 1- Bir referans sinyal frekansının katlarını üreten frekans sentezleyici 2- Giriş sinyal frekansı ile PLL çıkış gerilimi arasında mükemmel bir doğrusallığa sahip FM demodülasyon devreleri 3- Frekans kaydırmalı anahtarlama (FSK) çalışmasında kullanılan sayısal veri iletimindeki taşıyıcı frekanslarının veya iki veri iletiminin demodülasyonu 4- Modemler, telemetre alıcı ve vericileri, ton kod çözücülerini, genlik modülasyonu dedektörleri ve izleme filtreleri de dahil olmak üzere çok çeşitli uygulama alanları.

6.2 Faz Kilitlemeli çevrimin yapısı Günümüzde haberleşme tekniği,ölçü ve kontrol düzenleri gibi yerlerde geniş çapta kullanılan faz kilitlemeli çevrim devresinin ilkesel şeması Şekil 6.1’de gösterilmiştir. Bu devrede bir gerilim kontrollü osilatör (VCO – Voltage Controlled Oscillator), bir faz karşılaştırma devresi, bir alçak geçiren filtre ve bir kuvvetlendirici bulunur ve bunlar bir çevrim oluşturur. Sisteme V i giriş işaretinin uygulanmaması durumunda, gerilim kontrollü osilatör fo serbest salınım frekansında çalışır.

Bir faz kilitlenmeli çevrim devresinin davranışını karakterize eden iki bölge vardır. Bunlar, kilitlenme ve kilitli kalabilme bölgeleridir. Bu bölgeleri tanımlayabilmek üzere, incelemeyi a-artan giriş frekansı, b-azalan giriş frekansı için iki bölgede yürütmek gerekir.

Giriş

Faz dedektörü

Ve fi+fo fi-fo

Alçak geçiren filtre

Vo

VCO

yükselteç fi-fo

Çıkış

VC

Şekil 6.1 Faz kilitlemeli çevrim ilkesi Döngü kilitlendiği zaman (giriş sinyal frekansı ile VCO’nun frekansı aynıdır), çıkış olarak alınan Vd gerilimi VCO’yu giriş sinyali ile kilitli tutmak için gereken gerilimdir. Ardından VCO, çıkışından giriş frekansında sabit genlikli kare dalga sinyali üretir. En iyi çalışma, VCO merkez frekansının (fo) kendi doğrusal çalışma aralığının ortasındaki DC öngerilim noktasına ayarlanmasıyla elde edilir. Döngü kilitli olduğu zaman faz dedektörüne uygulanan iki sinyal aynı faz da olmasa da aynı frekanstadır. Faz dedektörüne uygulanan iki sinyal arasındaki sabit faz farkı, VCO için sabir bir DC gerilim oluşturur. Bu durumda giriş sinyalinin frekansındaki değişmeler, VCO’ya uygulanan DC gerilimin değişmesine neden olur. Yakalama ve kilitleme frekans aralığında DC gerilim, VCO frekansını sürerek giriş frekansıyla eşitlenmesini sağlar. Faz karşılaştırma devresi, aynı frekanstaki iki giriş işaretin (V 0 ve Vi ) arasındaki faz farkına bağlı bir çıkış gerilimi (Ve) üretir. Çıkışı sinyallerin toplam ve fark frekans bileşnlerini içerir. Alçak geçiren süzgeç (AGS), sinyalin sadece alçak frekans bileşenlerini geçirir. Giriş işaretinin frekansının düşük frekanslardan itibaren arttırıldığını düşünelim. Çıkış işareti frekansının giriş işareti frekansına doğru değişmeye zorlandığı bölge olan çekme bölgesinin alt ucuna ulaşıldığında, VC kontrol gerilimi, devrenin yapısına bağlı olarak negatif veya pozitif bir değere sıçrar. Giriş işareti frekansının buradan, yani f 1 frekansından daha da arttırılması halinde, VC kontrol gerilimi Şekil 6.2’deki değişimi ve çıkış işareti frekansı da giriş işaretinin frekansını izler. f 2

frekansında kilitli kalabilme bölgesinin üst sınırına ulaşılır. Kontrol gerilimi sıfıra düşer ve osilatör de salınım frekansında çalışmaya devam eder.

VC f1

fo

f4

f2

fo

f3

kilitlenme bölgesi kilitli kalabilme böl. Şekil 6.2 Kilitlenme ve Kilitli kalabilme bölgeleri Giriş işaretinin frekansının yüksek frekanslardan itibaren azaltıldığı varsayılsın. Aynı olay bu yönde de kendini gösterir. f3 frekansında kilitlenme olur. Frekansın daha da düşürülmesi durumunda VC kontrol gerilimi yine Şekil 6.2’deki değişimi izler. f4 frekansında kilitli kalabilme bölgesinin ait ucuna ulaşır,kontrol gerilimi tekrar sıfıra, çıkış işaretinin frekansı da serbest salınım frekansına sıçrar. Bütün bunlardan fark edileceği gibi, sistemin bir giriş frekansına kilitli kalabildiği frekans bölgesine “kilitli kalabilme bölgesi” (lock range), gelen işarete kilitlenebildiği frekans bölgesine de “kilitlenme bölgesi”(capture range) isimleri verilebilir. Kilitlenme olduktan sonra f i giriş frekansının değişmesi ile çıkış işareti frekansının bunu izleyebildiği bölge olan kilitli kalabilme bölgesi, daima kilitlenme bölgesinden daha büyüktür. Kilitli kalabilme bölgesi band genişliği sisteminin açık çevrim kazancına, kilitlenme bölgesi band genişliği ise alçak geçiren süzgeç karakteristiğine bağlıdır. f1, f2, f3, f4 frekanslarından yararlanılırsa, kilitlenme bölgesi band genişliği 2 . fC = f3-f1 kilitli kalabilme bölgesi band genişliği de 2 . fL = f2-f4 şeklinde tanımlanabilir. döngü, giriş frekans değişikliklerini takip etmek üzere dinamik bir şekilde kendini ayarlar.

6.3 PLL Uygulaması (frekans demodülatörü) PLL’in en önemli uygulama alanlarından biri frekans demodülasyonudur. FM demodülasyonu doğrudan PLL devresi kullanılarak gerçekleştirilebilir. PLL merkez frekansının FM taşıyıcı frekansında seçilmesi durumunda Şekil 6.1’deki PLL blok diyagramındaki filrelenmiş gerilim ya da çıkış gerilimi, değeri sinyal frekansındaki değişmeyle orantılı olarak değişen demodülasyonlu gerilimdir. Şekil 6.3’de 565 PLL biriminin blok diyagramı gösteriliyor.

Şekil 6.3 565 PLL biriminin blok diyagramı Şekil 6.4’de PLL’in FM demodülatörü olarak kullanılışı gösterilmektedir. R1 direnci ve C1 kondansatörü fo serbest çalışma frekansını belirler. C2 ile gösterilen ikinci bir dış kondansatör, alçak geçiren filtrenin geçirme bandını ayarlamak için ayarlamak için kullanılır. Burada ayrıca PLL döngüsünü kapatmak için VCO çıkışı, geriye faz dedektörürünün girişine bağlanmıştır. 565 tipik PLL entegresinde V+ ve V- kullanılır.

: Kilitleme aralığı frekansı 181.8 kHz’lik kilitleme aralığındaki bir giriş, 7 nolu bacak üzerinde bir çıkış gerilimi oluşturacaktır. Bu gerilim fo’a ayarlanmış giriş sinyaliyle belirlenen DC gerilim düzeyi civarında değişecektir. 7 nolu bacaktaki sinyalin frekansa bağlı değişimi Şekil 6.4’de verilmektedir. 7 nolu bacak üzerindeki DC gerilim ile 181.8 kHz frekans aralığındaki (136.6 kHz’lik orta frekans civarında) giriş frekansı arasında doğrusal bir ilişki vardır. Çıkış gerilimi, belirlenen çalışma aralığında frekanslarla değişen demodülasyonlu sinyaldir.

Şekil 6.4 565 PLL entegresinin FM demodülatörü olarak bağlantısı ve çıkış gerilimi-frekans ilişkisi

7. Geri beslemeli Yükselteçler: Geri beslemenin ne işe yaradığını bir örnekle açıklayalım: Şimdi ayarlı bir adaptör yaptığınızı düşünün. Bu adaptörün ucuna da bir DC motor bağladığımızı varsayalım. Ne olur? Motor dönmeye başlar. Şimdi motorun milini elimizle yavaşça tutalım. Motor yavaşlayacaktır. Motorun devrinin aynı kalmasını istersek adaptörün voltajını yükseltmemiz gerekir. Motorun milini daha da sıkarsak voltajı daha da arttırmamız gerekir. Mili bıraktığımız zaman motor çok yüksek hıza çıkacaktır. Bu kez adaptörün voltajını hemen düşürmemiz gerekecektir. Bu örnekteki davranışımızı düşünecek olursak motorun devrini sabit tutmamız için sanki biz devrenin bir parçasıymış gibi davranıp adaptörün voltajını ayarlıyoruz. Bir geri besleme devresi de aynı işi yapar. Bu tür geri besleme devrelerine NEGATİF geri beslemeli devreler denir. Negatif sözcüğünün anlamı çıkışın genliğini azaltmak için girişi azaltan anlamındadır yani yükseltecin toplam kazancı negatif geri besleme ile azaltılır. Buradaki azaltma işlemi aslında zararlı bir şey değildir. Örnekte de gördüğünüz gibi devrede bir takım kararlılıklar sağlar. Bu sonucu elde etmek içinde bir şeyler kaybederiz. Kaybettiğimiz kazancın bir kısmıdır. Negatif geri beslemenin faydalarını elektronik için özetleyecek olursak; 1- Doğrusal bir çalışma 2- Az gürültü 3- Kararlı kazanç 4- Doğrusal frekans tepkisi 5- Yüksek giriş empedansı ve düşük çıkış empedansıdır. Negatif geri besleme her türlü regülatörde, hız kontrollerinde yükselteçlerde her zaman kullanılmaktadır. Geri beslemenin negatif olması gibi bir de pozitif geri besleme vardır. Bunu da basit bir örnekle açıklayalım. Hepimiz bir sebeple düğün salonu yada gazino gibi bir yere gitmişizdir. (Gitmeyenler TV de canlı bir konser seyretmişlerdir.) Buralarda bana göre 1 trilyon wattlık yükselteçler kullanıyorlar. Buralarda hoparlörleri sahnenin etrafına sıralarlar. Bazı sanatçılarda halkla yakın temas kurmak için mikrofonla beraber sahnenin ön tarafına çıkınca etrafı İİİİİİİiiiiiiiiiİİİİİiKKK benzeri bir ses kaplar. Bu ses sanatçıyı geri kaçırmak için özel olarak üretilmeyip () hoparlörden çıkan sesin tekrar mikrofondan alınarak yükseltece verilmesi, yükseltilip yeniden hoparlörden çıkması sonra tekrar mikrofon tarafından alınıp yükseltece verilmesi yeniden hoparlörden çıkması sonra yeniden mikrofon.... Buna kısaca POZİTİF geri besleme denir. Pozitif geri besleme de faydalıdır. Yukarıdaki örnekte açıkladığım gibi insanları kaçırtır ve daha önemli olarak OSİLATÖR yapımında kullanılır. Şimdi NEGATİF ve POZİTİF geri beslemeyi biraz daha detaylı inceleyelim.

7.1 Negatif Geri Besleme (Negative Feed-Back): Aşağıdaki şekilde genel bir geri besleme devresi görülmektedir.

Devrenin girişinde bir karıştırıcı yada toplayıcı da diyebileceğimiz bir bağlantı vardır. Bu devre genellikle ve özel bir durum yoksa dirençlerden yapılır. Devrenin girişine Vs sinyali uygulanmıştır. Devrenin çıkışından alınan Vo sinyalinin (küçük) bir kısmı yada ß (beta) kadarı alınarak Vf olarak geri verilir. Devredeki ß kutusu aslında geri besleme devresini temsil etmektedir. Geri besleme devresinde bir kazanç olmayıp aslında bir zayıflatma söz konusudur. Burada en önemli nokta geri besleme devresinden gelen Vf sinyali ile devrenin girişine bağlanan Vs sinyalinin fazları birbirine ters olmalıdır. Yani birbirlerini zayıflatmaları gerekir. Bu durumu sağlamak için ya devredeki yükselteç "eviren" cinsten olmalı yada geri besleme devresi çıkış sinyalinin işaretini ters çevirmelidir. Genellikle yükseltecin eviren cinsten olması tercih edilir. Yükseltecin girişine uygulana sinyal Vi, Vs ve Vf sinyallerinin farkıdır. Buda devrenin toplam kazancının azalmasına yol açar. Bu azalma bir kayıptan ziyade bir iyileşme olarak düşünülmelidir. Negatif geri beslemenin sonuçları yukarıda belirttiğimiz beş maddeden oluşur.

7.1.1 Negatif geribesleme türleri Negatif geri besleme bağlantı türlerine göre dörde ayrılır. Bunlar; - Seri gerilim beslemesi,

- Paralel gerilim beslemesi, - Seri akım beslemesi ve - Paralel akım beslemesidir. Bu bağlantı türlerinin değişik anlam ve özellikleri vardır. Seri sözcüğü geri besleme sinyalinin giriş sinyali ile seri bağlandığını, paralel sözcüğü geri besleme sinyalinin giriş sinyali ile paralel

bağlandığını, gerilim sözcüğü geri besleme devresinin girişine çıkış geriliminin bağlandığını, akım sözcüğü ise geri besleme devresinin girişine çıkış akımının bir kısmının girdiğini gösterir. Paralel geri beslemeli devrelerde giriş empedansı düşük, akım geri beslemeli devrelerde çıkış empedansı yüksek, seri geri beslemeli devrelerde giriş direnci yüksek ve gerilim beslemeli devrelerde çıkış empedansı düşük özellikler gösterir. Yükselteçlerde genellikle giriş empedansının yüksek, çıkış empedansının düşük olması istenir. Bu denenle seri ve gerilim geri besleme kullanılarak sağlanır. Aşağıdaki şekilde geri besleme devreleri görülmektedir.

Seri Gerilim Geri Besleme: Aşağıdaki şekil bir seri gerilim geri besleme devresidir.

Bu devrenin geri besleme yokken kazancı:

Ya da

olur. Geri besleme sinyalinin varlığı durumunda:

Geri besleme devresinin katsayısını da kullanırsak geribeslemeli toplam kazanç:

bulunur. Görüldüğü gibi yükseltecin kazancı (1+A) kadar azalır. Aynı devrenin giriş empedansı ise:

olarak yazılır. Görüldüğü gibi geri beslemesiz giriş empedansını değeri ile çarpılması ile bulunur ki buda yüksek değerlerdir. Devrenin çıkış empedansı ise: Vs=0 V yapılarak I akımı akacak şekilde V gerilimi uygulanarak bulunur.

olarak bulunur. Görüldüğü gibi devrenin çıkış empedansı geri beslemesiz çıkış empedansının kadar azalmış halidir.

Paralel Gerilim Geri Besleme: Aşağıdaki şekil bir paralel gerilim geri besleme devresidir.

Bu devrenin geri beslemeli kazancı:

bulunur. Devrenin giriş empedansı ise:

olarak yazılır. Görüldüğü gibi geri beslemesiz giriş empedansının değerine bölünmesi ile bulunur. Buda düşük değerlerdir. Devrenin çıkış empedansı ise:

olarak bulunur. Görüldüğü gibi devrenin çıkış empedansı geri beslemesiz çıkış empedansını halidir.

Seri Akım Geri Besleme: Aşağıdaki şekil bir seri akım geri besleme devresidir.

Bu devrenin geri beslemeli kazancı:

kadar azalmış

Devrenin giriş empedansı ise: olarak yazılır.Görüldüğü gibi geri beslemesiz giriş empedansının değeri ile çarpılması ile bulunur. Bu da yüksek değerlerdir. Devrenin çıkış empedansı ise:

I

V V V  AVi   AV f   AI Z0 Z0 Z0

 Z 0 (1  A) I  V  Z of 

V  Z 0 (1  A) I

Görüldüğü gibi,

empedansını

olarak bulunur. Görüldüğü gibi devrenin çıkış empedansı geri beslemesiz çıkış kadar artmış halidir. Çıkış empedansı yükselmektedir.

Paralel Akım Geri Besleme: Aşağıdaki şekil bir paralel akım besleme devresidir.

Bu devrenin geri beslemeli kazancı:

bulunur. Devrenin giriş empedansı ise:

olarak yazılır. Görüldüğü gibi geri beslemesiz giriş empedansının değerine bölünmesi ile bulunur. Buda düşük bir değerlerdir. Devrenin çıkış empedansı ise: olarak bulunur. Görüldüğü gibi devrenin çıkış empedansı geri beslemesiz çıkış empedansını halidir.

kadar artmış

Geribeslemenin giriş ve çıkış empedanslarına etkisi aşağıdaki tabloda özetlenmiştir:

Z 0 (1   A)

(azalır)

( artar )

Z0 1  A

Z 0 (1   A) ( artar )

(azalır)

ÖRNEK: a) = -0.1 ve b) = -0.5 geribeslemesi için A=-100, Ri=100 k, Ro=20 k değerlerine sahip seri gerilim geri beslemeli gerilim kazancını, giriş ve çıkış empedanslarını hesaplayınız. ÇÖZÜM: İlgili denklemleri kullanarak;

Buradaki çözümden daha iyi bir giriş ve çıkış empedansı için kazançtan özveride bulunulduğu görülmektedir. Kazancın 11’de 1 oranında azaltılmasına karşılık çıkış direnci de aynı oranda azalmış ve giriş direnci artmıştır. Geribesleme ile diğer devre özelliklerini iyileştirmek adına mevcut gerilim kazancının bir kısmından vazgeçilmektedir.

Negatif geribeslemenin sonuçları: 1- Frekans bozulmasının azaltılması: A>>1 olan bir yükselteçte geribeslemeli kazanç Af=1/’dır. Buradan, geribesleme devresinin tamamen dirnçlerden yapılmış olması halinde temel yükselteç kazancı frekansa bağlı olsa bile geribeslemeli kazancın frekansa bağlı olmadığı ortaya çıkar. Pratikte frekansa bağlı olarak değişen yükselteç kazancı nedeniyle ortaay çıkan frekans bozulması, negatif geribeslemeli bir yükselteç devresinde önemli ölçüde azalır. 2- Gürültü ve doğrusal olmayan bozulmanın azalması: Sinyal geribeslemesi gürültü sinyalinin (güç kaynağı vınlaması gibi) ve doğrusal olmayan bozulmanın miktarını azaltma eğilimi gösterir. (1+ A) faktörü, hem giriş gürültüsünü hem de doğrusal olmayan bozulmayı önemli ölçüde azaltarak belirgin bir iyileşme sağlar. Ancak toplam kazancın da azaldığını belirtmek gerekir (devrenin verimini artırmak için ödenen bedel ).

Kazancı geribeslemesizdüzeye çıkarmak için ilave katların kullanılması halinde sisteme geribesleme yükseltecinin azalttığı kadar gürültü ekleneceği unutulmamalıdır. Daha yüksek bir kazanç ve daha az gürültü üretecek şekilde geribeslemeli yükselteç devresinin kazancını yeniden ayarlamak suretiyle bu problem bir ölçüde aşılabilir. 3- Kazanç ve band genişliği üzerinde etkisi: Negatif geribeslemeli toplam kazanç;

Pratik bir yükselteçte (tekbir alçak ve yüksek frekans kesim noktasına sahip) aktif eleman ve devre kapasitanslarından dolayı yüksek frekanslarda açık çevrim kazancı düşmektedir. Kondansatörle bağlı yükselteç katlarında kazanç, alçak frekanslarda da düşebilir. Açık çevrim kazancı A, yeteri kadar azaldığı ve A çarpanı 1’den çok büyük olmadığı zaman Af=1/ ifadesi geçerliliğini yitirir. Aşağıdaki şekil hegatif geribeslemeli yükseltecin geribeslemesiz yükselteçten (B) daha büyük band genişliğine (Bf) sahip olduğunu göstermektedir.

Şekil. Negatif geribeslemenin kazanç ve band genişliğine etkisi. Görüldüğü gibi üst 3 dB ferkansı için negatif geribeslemeli yükselteç devresinde kazanç düşük olduğu için band genişliği artmaktadır. 4- Geribeslemeli kazanç kararlılığı: Geribeslemeli yükseltecin kararlılığı ile geribeslemesiz olanın kararlılığı arasında nasıl bir ilişki olduğunu belirlemek de faydalı olacaktır. Geribesleme denkleminin türevi alınırsa;

Bu, geribesleme kullanıldığı zaman kazançtakki değişmenin (dA), A çarpanı oranında azaldığını göstermektedir. ÖRNEK: Kazancı -1000 ve =-0.1 olan bir yükseltecin kazancı sıcaklığa bağlı olarak %20 değişiyorsa, geribeslemeli yükseltecin kaancındaki değişmeyi bulunuz. ÇÖZÜM:

Böylece yükseltecin kazancı A=-1000’de %20 oranında değişirken, geribeslemeli kazanç yalnızca Af=-100’de %0.2 oranında değişmektedir.

PRATİK GERİBESLEME DEVRELERİ: Bu aşamadan sonra geri besleme devreleri ait örnekleri BJT ve FET’li yükselteç devrelerinde inceliyeceğiz.

FET’li seri-gerilim geribeslemesi: Aşağıda bir seri-gerilim geribeslemeli FET’li yükselteç devresi görülmektedir. Çıkış sinyalinin (Vo) bir kısmı, R1 ve R2 dirençlerinden oluşan bir geribesleme devresi kullanılarak girişe bağlanmıştır. Vf geribesleme gerilimi Vs kaynak gerilimi ile seri bağlanmıştır. ÖRNEK: Aşağıdaki devrede R1=80 k, R2=20 k, Ro=RD=10 k ve gm=4 mS olduğuna göre geribeslemesiz ve geri beslemeli kazançları hesaplayınız.

Geri beslemesiz yükselteç kazancı:

Çıkış direnci RL: = 10k // 10k//100k  5 k Geribesleme devresinin geribesleme faktörü:

Geribesleme kazancı:

741 ile Seri gerilim geri beslemeye Örnek Aşağıdaki şekil işlemsel yükselteç kullanan seri gerilim geribesleme bağlantısını göstermektedir. R1=1.8 k, R2=200  ve işlemsel yükseltecin kazancı A=-100000 olduğuna göre yükseltecin kazancını hesaplayınız.

 -10

BJT’li seri gerilim geribeslemesi: Aşağıdaki emetör izleyici (ortak kollektörlü) devrede seri gerilim geribeslemesi kullanılmıştır. Vo çıkış gerilimi aynı zamanda giriş gerilimine seri olarak geri beslenen gerilimdir.

Geribeslemesiz durumda kazanç;

Geribesleme parametresi:

Geribeslemeli durumda kazanç;

 1 elde edilir

BJT’li seri akım geri beslemesi: Diğer bir geri besleme tekniği de çıkış akımından (Io) örnek almak ve girişe seri olarak bağlamaktır. Seri akım geri beslemesi yükseltecin kazancını kararlı hale getirir, fakat giriş direncini artırır. Aşağıdaki BJT’li yükselteç devresinin emetörü köprülenmediği için geri besleme tipi seri akım geri beslemesidir. RE direncinden akan akım, uygulanan kaynak sinyalinin tersi yönünde bir geribesleme gerilimine neden olur, dolayısıyla Vo çıkış gerilimi azalır. Seri akım geribeslemesini ortadan kaldırmak için ya RE direnci kaldırılmalı ya da kondansatör ile köprülenmelidir.

(a)

(b)

Şekil. (a) Seri akım geribeslemeli yükselteç devresi, (b) Geribeslemesiz durum için hibrit eşdeğeri. ÖRNEK: Yukarıdaki geribesleme devresinde RB=470 k, Rc=2.2 k, C1=0.5 F, RE=510 , hfe=120 ve hie=900  olduğuna göre geribeslemeli durumda gerilim kazancını, giriş ve çıkış empedanslarını bulunuz. ÇÖZÜM: Geribeslemesiz durumda;

= 510  Giriş ve çıkış empedansları: Zi= RB // hie  hie=900  Zo= Rc=2.2 k Geribeslemeli durumda:

Kazanç: Gerilim kazancı: Af 

 I  V0 I R  0 C   0  RC  A f RC  (1.93x10 3 )(2.2 x10 3 )  4.25 VS VS  VS 

Giriş ve çıkış empedansları: Z if  Z i (1  A)  900(1  510 x0.133)  61.9 k Z 0 f  Z 0 (1   A)  2.2k (1  510 x 0.133)  151.4 k

Op-amp’lı paralel gerilim geribeslemesi: Aşağıda gösterilen sabit kazançlı işlemsel yükselteç devresi, paralel gerilim geribeslemesi sağlar. V0  İdeal işlemsel yükselteç için Ii=0 ve Vi=0 ve Av= olduğundan; A  Ii

(a)

(b)

Şekil. (a) Paralel gerilim negatif geribeslemeli op-amp devresi, (b) eşdeğer devresi

Geribeslemeli kazanç;

Geribesleme gerilim akzancı:

FET’li paralel gerilim geribeslemesi: Aşağıdaki devrede FET kullanan paralel gerilim geribeslemeli yükselteç devresi gösterilmektedir.

(a)

(b)

Şekil. (a) FET’li paralel gerilim geribeslemeli yükselteç devresi, (b) eşdeğer devresi Geribesleme direnci bağlı değilken geribeslemesiz kazanç (Is=Ii), ortak kaynaklı devrenin kazancı ile direncinin çarpımına eşittir. Geribeslemesiz kazanç (DİKKAT: Gerilim kazancı değil)

Geribesleme faktörü;

Geribesleme kazancı:

Geribesleme gerilim kazancı:

ÖRNEK: Yukarıdaki devrede gm=5 mS, RD=5.1 k, RF=20 k olduğuna göre geribeslemesiz ve geribeslemeli gerilim akançlarını hesaplayınız. ÇÖZÜM: Geribeslemesiz gerilim kazancı:

Geribeslemeli durumda gerilim kazancı:

8. OSİLATÖRLER DC gerilimi istenilen frekansta işaretlere dönüştüren devrelere osilatör denir. Diğer bir deyişle osilatörler ayarlandığı frekansta ya da sabit bir frekansta sürekli çıkış veren devrelerdir. Bazı kaynaklarda "salıngaç" olarak da isimlendirilmektedir. DC gerilim kaynakları ile beslenirler. Hatırlanacağı üzere, negatif geri beslemede çıkıştaki sinyalin bir kısmını "ters" çevirip tekrar yükseltecin girişine bağlıyorduk. Sonuçta daha az çıkış seviyesi ama daha az gürültü ve daha fazla bant genişliği elde ediyorduk. Pozitif geri beslemede ise çıkışın bir kısmını bu kez, girişle aynı fazda yani girişteki sinyali destekleyecek yönde veriyoruz. Bu şekildeki bir devrenin çıkışından

sürekli bir gürültü elde ederiz. Yani çıkışta her türlü sinyal vardır. Eğer bir osilatör yapmak istersek devrenin çıkışına bir "rezonans devresi" koyup bu sinyallerden bir tanesini dışarı alır diğerlerini yok ederiz. Elde ettiğimiz bu tek frekansın bir kısmını pozitif geri besleme olarak yükseltecin girişine bağladığımızda bir osilatör elde ederiz. Bu bağlamda, bir osilatör devresi; osilasyonu başlatan rezonans devresi, yükselteç ve geribesleme katlarından oluşmaktadır. Temel osilatör devrelerinden sinüsoidal çıkış alınır. Fakat çıkışlarında kare, üçgen v.b dalga biçimleri elde edilebilen osilatör tasarımı da yapılabilir. Osilatörler; kullanım amaçları ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilirler. Osilasyonun başlamasını sağlayan rezonans devreleri genellikle; R-C veya R-L pasif devre elemanlarında oluşur. Aşağıda popüler ve yaygın kullanım alanları bulunan bazı osilatör tipleri sıralanmıştır.   



RC Faz Kaydırmalı Osilatör Wien Köprü Osilatörü LC Osilatörler 1. Kolpits Osilatörü 2. Hartley Osilatörü 3. Amstrong Osilatörü Kristal Osilatör v.b

Bir osilatör devresinin oluşturulabilmesi için önce tank devresi (rezonans devresi) ve yükselteç devresine gereksinim vardır. Ayrıca osilasyonun sürekliliğini sağlamak için yükselteç devresinde pozitif geribesleme yapılmalıdır. 8.1 FAZ KAYDIRMALI RC OSİLATÖR Şekil 1’de ortak emiterli bir yükselteç devresi görülmektedir. Bu yükselteç devresini geliştirerek bir osilatör devresine dönüştürebiliriz. Ortak emiterli yükselteç devresinde;yükselteç girişine uygulanan işaret ile çıkışından alınan işaret arasında 1800 faz farkı olduğunu biliyoruz. Ortak emiterli yükselteç devresini bir osilatör haline dönüştürmek için; yükselteç çıkışından alınacak işaretin bir kısmı, pozitif geribesleme ile yükselteç girişine uygulanmalıdır. Bu osilasyonun sürekliliği için gereklidir. Osilasyonun başlaması ise R-C devreleri ile gerçekleştirilir. Osilasyon işlemi için bir kondansatörün şarj ve deşarj süresinden faydalanılır.

Şekil 1. Ortak emetörlü yükselteç devresi Yükselteç çıkış gerilimini; girişe geri besleyerek osilasyon elde edebilmek için, çıkış işaretini 180 o faz kaydırmak gerekmektedir. RC faz kaydırmalı osilatör devresinin temel prensibi bu şarta dayanmaktadır. Şekil 2’de RC faz kaydırmalı osilatör devresi verilmiştir. Devre dikkatlice incelendiğinde çıkış işaretinin bir kısmı RC geri besleme elemanları ile girişe geribeslenmiştir. Her bir RC hücresi; çıkış işaretinin bir kısmını 60 o faz kaydırmaktadır. Çıkış ile giriş arasında 3 adet faz kaydırma devresi kullanılmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin fazı 180 o kaydırılarak girişe pozitif geribesleme yapılmıştır.

Şekil 2. RC faz kaydırmalı osilatör devresi.

Her bir RC devresinin 60o faz kaydırması istenirse R1=R2=Rg ve C1=C2=C3 olarak seçilmelidir. Rg, ortak emiterli yükseltecin giriş empedansıdır. Giriş empedansının R1 ve R2'ye eşit olması gerekmektedir. Bu koşullar sağlandığı zaman, çıkış işaretinin frekansı aşağıdaki formül yardımı ile bulunur.

Osilasyonların genliği, geribesleme oranına ve yükseltecin kazancına bağlıdır. Geribesleme oranı seri RC devrelerinin toplam empedansına bağlıdır. Bu empedans arttıkça geribesleme oranı düşecek ve çıkış işaretinin (osilasyonun) genliği azalacaktır. Faz kaydırmalı osilatör devresinin tam bir şematiği Şekil 3’de verilmiştir.

Şekil 3. RC faz kaydırmalı osilatör devresi.

8.1.1 İşlemsel Yükselteçli RC Osilatör Devresi: Entegre devreler RC osilatör devrelerinde de kullanılmaktadır. Şekil 4’deki devrede op-amp’ın çıkışı (sistem 1/29’luk zayıflatma sağlar) 180o’lik faz kaymasını sağlayan üç katlı RC devresini besler. Op-amp’ın kazancının 29’dan büyük olması sağlanarak (Ri ve Rf dirençleriyle) birden büyük bir çevrim kazancı elde edilir.

Şekil 4. Op-amp’lı faz kaydırmalı RC osilatör devresi Burada osilatör frekansı: f 

1 2RC 6

8.2 WİEN KÖPRÜLÜ OSİLATÖR 8.2.1 Wien köprüsü Wien köprüsü, endüstriyel elektronik devre uygulamalarında ve çeşitli endüstriyel cihazlarda sıklıkla kullanılmaktadır. En popüler ve yaygın kullanım alanı ise osilatör devrelerindedir. Şekil 5'de bir Wien köprü devresi görülmektedir.

Şekil 5. Wien köprü devresi.

8.2.2 Wien köprülü osilatör

Şekil-6'da görülen Wien Köprü Osilatörü devresidir.

Şekil 6. Wien Köprülü osilatör devresi Q1 ve Q2 transistörleri ile oluşturulan her iki yükselteç katı bir evirmeyen yükselteç olarak görev yapar. P potansiyometresi osilatör çıkış gerilimi Vç'ın bir kısmının girişe geri beslenmesinde kullanılır. Wien köprü osilatörünün zayıflatma katsayısı yükselteç ile kompanze edilir. Osilatör devresindeki P direnci ayarlanarak, devrenin başlangıç osilasyonu kontrol edilir. Geribesleme tek bir frekansta oluşur. Başlangıç osilasyonunun ayarlanması ile, osilatör çıkışında sinüsoidal bir işaret elde edilir. Elde edilen bu işaretin frekansı ise devrede kullanılan R ve C elemanlarına bağlıdır. 8.2.3 Op-Amp’lı Wien Köprü osilatörü Şekil 7’deki Op-amp’lı Wien Köprü Osilatör devresinde frekansı belirleyen elemanlar R1, R2 dirençleri ile C1 ve C2 kondansatörleridir. R3 ve R4 dirençleri geribesleme yolunun bir parçasını oluştururlar. Yükseltecin çıkışı, a ve c noktalarında köprü girişi olarak bağlanmıştır. Köprü devresinin b ve d noktaları arasındaki çıkışı, op-amp’ın girişidir. Köprü devresinin analizi sonucunda;

R1=R2 ve C1=C2=C olması durumunda;

Şekil 7. Op-amp’lı Wien Köprü Osilatör Devresi ÖRNEK: Aşağıdaki Wien Köprü Osilatör devresinin rezonans frekansını hesaplayınız.

ÇÖZÜM:

8.2 LC OSİLATÖRLER: Devrede kullandığımız rezonans devresi bir bobin ve bir kondansatörden (LC) oluşmaktadır. Bu tür osilatörlere LC osilatör denir. LC osilatörlerin de türleri vardır. Şimdi bunların çok kullanılanların tek tek inceleyeceğiz. Burada bir açıklama yapayım. Yazımın bu bölümünde dünyada kullanılan tüm osilatör devrelerini değil bence sık kullanılanları inceleyeceğiz. Aşağıda en çok kullanılan üç osilatörün özelliklerini gösteren şekil görülmektedir.

Yukarıdaki şekillerden de anlaşılacağı gibi Colpitts osilatör geri beslemesini kapasitif bir gerilim bölücüden almaktadır. Hartley osilatör geri beslemesini endüktif bir gerilim bölücüden almaktadır. Amstrong osilatör ise geri beslemesini ana sarım üzerine sarılmış birkaç turluk başka bir sarımdan almaktadır. Amstrong osilatördeki bu yapı aslında bir trafodur. 8.2.1 KOLPİTS OSİLATÖR Kolpits osilatörler bir çok uygulamada yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu osilatörlerin rezonans devresi (tank devresi) L ve C elemanlarından oluşmaktadır. Şekil 8'de devre şeması ayrıntılı olarak verilmiştir. Devrenin çalışmasını kısaca şöyledir Osilatör devresinde Q1 transistörü ortak beyzli bir yükselteç olarak çalışır. L1, C2 ve C3 rezonans devresi yük empedansıdır. Osilatör devresinin; empedansı ve amplifikasyonu rezonans frekansında yüksektir. Yükselteç çıkış işaretinin bir kısmı, emitere geri beslendiğinde; devre osilasyon yapmaya başlar. Geribeslemenin miktarı (oranı), C2 ve C3 kondansatörlerinin arasındaki oranla belirlenir. Geri besleme küçükse, emiter gerilimi gibi kollektör akımı da sinüsoidal formda olacaktır.

Şekil 8. Kolpits osilatör devresi. 8.2.2 HARTLEY OSİLATÖR Şekil 9’da bir transistörlü Hartley osilatör devresi gösterilmiştir.

Şekil 9. Transistörlü Hartlet osilatör devresi Bu devrenin osilatör frekansı: f 

1 2

Leş C

ve

Leş  L1  L2  M

8.3 KRİSTALLİ OSİLATÖRLER: Bir osilatör, bir alıcı yada verici sabit bir frekansta çalışacaksa yani çalıştığı frekansta az da olsa bir değişiklik olmayacaksa o zaman devredeki osilatörün kristalli olması en iyi yöntemdir. Kristal osilatörün ana parçası olan piezoelektrik kristal çoğunlukla kuvars madeninden yapılır. Kuvars, çeşitli büyüklüklerde kesilerek, yontularak çeşitli frekanslar için üretilir. Osilatör için üretilmiş bir kuvars yuvarlak vitamin haplarına yada küçük dikdörtgen prizmaya benzer. Bir kuvars kristaline basınç uygularsak iki kenarı arasında bir gerilim oluşturur. Kuvars benzeri maddelerle yapılmış çakmaklar buna bir örnektir. Tersi biçimde bir kuvars kristaline DC gerilim uygularsak bu kez de burkulur. Tersi bir gerilim uygularsak diğer yönde burkulur. AC bir gerilim uygularsak, uygulanan AC gerilimin frekansında her iki yöne burkulur yani titreşir. Uygulanan AC gerilimim frekansı, kristalin bir kesim özelliği olan rezonans frekansında ise o zaman en büyük titreşim elde edilir. Kristalin sembolü aşağıda verilmektedir.

Yukarıda anlatıldığı gibi kristalin hareketleri mekaniktir. Bu mekanik hareketi sağlayan kristalin elektriksel modeli ise aşağıdaki şekildedir.

Elektriksel modelin sol tarafı bir seri rezonans devresidir. Bu seri kısım kristalin hiç bir bağlantı ucu olmayan halini temsil eder. Sağ taraftaki Cj ise kristalin bağlantı elektrotları ve elektrotları elektronik devreye bağlayan bağlantı telleri arasındaki kapasiteyi temsil eder. Piezoelektrik

kristallerin Q değerleri çok yüksek olur tipik bir değer olarak 20000 diyebiliriz. Bu devrede L ve C kristalin rezonans frekansını belirler. R direnci ise kristalin mekanik salınımına yaptığı direnmedir. R direnci ihmal edilirse seri kısmın rezonans frekansı;

Sağ tarafta seri rezonans devresine paralel bir Cj kondansatörü var. Bu kondansatörün değeri seri rezonans kısmındaki kondansatörden çok büyüktür. Bir örnek verecek olursak, tipik bir kristalde C=0,025pf ve Cj=3,5pf gibi. Bu durumda kristalin paralel devre olarak rezonans frekansı;

Paralel rezonansta oluşan frekans, seri rezonansta oluşan frekanstan biraz daha yüksektir. Tipik olarak seri rezonans frekansı paralel rezonans frekansının 0,9 daha düşüğüdür. Kristali paralel rezonansta çalıştırmanın bir avantajı vardır. Cj kondansatörü kristalin bağlantıları ile ilgili olduğu için kristale dışarıdan ayarlı bir kondansatör takarak (trimer kondansatör) frekansı çok az aşağı ya da yukarı çekmek mümkündür. Bu değişim çok fazla olmamak koşulu ile ince ayar için çokça kullanılır. Kristal bir kütleye sahiptir. Bu nedenle ısındığı yada soğuduğu zaman hacmi dolaysıyla frekansı değişir. Bu değişim az olmasına rağmen hassas devrelerde istenmez. Isıya bağlı frekans kaymasını önlemek için kristaller sabit ısıda çalıştırılır. Sabit ısı, içinde kristal ve termostatlı ısıtıcı bulunan küçük fırınlarla (crystal owen) sağlanır.

8.3.1 Seri rezonans devreli kristalli osilatör Aşağıdaki BJT’li devrede de, kristal seri rezonans devresi olarak çalışmaktadır. Dikkat edilirse kristal, devreye seri geri besleme elemanı olarak bağlanmıştır. Kristal rezonans frekansında minimum empedans gösterecek ve maksimum geri besleme yapacaktır. R1 ve R2 dirençleri gerilim bölücü olarak kararlı bir DC öngerilim devresi oluşturur. Kristal empedansı minimum olduğu zaman (seri rezonans modunda) kollektörden baza gerilim geribeslemesi maksimumdur. C 1 kuplaj kondansatörü büyük değerli örneğin 10 nF gibi seçilir. Çalışma frekansında C 1’in empedansı ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve kollektör ile baz arasında DC bloklama sağlar. RFC (radyo frekans bobini) ise büyük değerli çok turlu bir bobin olup DC ön gerilim sağlar ve yüksek frekanslı sinyalleri güç kaynağından izole eder.

Aşağıdaki devre "Kristal Kontrollü Pierce Osilatörü" olarak bilinir. Devrenin osilasyon frekansı, kristalin seri rezonans frekansıyla belirlenir.

Seri rezonans devreli kristal osilatör

8.3.2 Paralel rezonans devreli kristalli osilatör Aşağıdaki devrede FET’li devrede, kristal paralel rezonans devresi olarak çalıştırılır. Bu durumda kristal çok yüksek empedans gösterecektir. FET transistörün akaç tarafındaki LC devresi, kristalin paralel rezonans frekansına yakın bir değere ayarlanır.

Bir kristalin, paralel rezonansta empedansı maximum olduğu için aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi devreye paralel bağlanır. Paralel rezonans frekansında kristal 'in empedansı yüksek olduğu için üzerindeki gerilim düşümüde maximum olur.

Paralel Rezonans Devresi Olarak Çalışan Kristal Kontrollü Osilatör Devresi

8.3.2 Op-Amp’lı kristal osilatör Düşük frekanslarda kristal osilatörlere bir örnek olarak işlemsel yükselteçli aşağıdaki devreyi verebiliriz. Bu devrede kristal, geri besleme yoluna seri bağlanmıştır. Dolayısıyla kristal, seri rezonans frekansında çalışır. Bu devrenin çıkışından kare dalga alınır. Tam olarak zener geriliminde çıkış genliğini sağlamak için çıkışa bir çift zener bağlanmıştır.

OP-AMP 'lı Kristal Kontrollü Osilatör Devresi

8.3.3 Overtone piezoelektrik kristal Bir kristal osilatörün kesim biçimi, kristalin çalışma frekansı ile doğrudan ilişkilidir. Bundan dolayı kristaller iki tür kesilerek üretilirler. Birincisi ana frekans üreten kristaller. Bu tür kristaller genel olarak en çok 50 MHz´e kadar yapılır. İkincisi ise ana frekansının üzerinde çalışan kristaller (over tone). Over tone kristaller en az 50 MHz ya da daha üzeri frekansta çalışacak şekilde üretilir. Over tone kristaller, ana frekansta çalışan bir kristalin kalınlığından daha fazla kalınlığa sahiptir. Örneğin 20 MHz´de çalışan bir kristal 1mm kalınlığında olsun. 30 MHz overton çalışan bir kristal en ve boyu sabit kalmak üzere 3mm kalınlığa sahiptir. Yüksek frekansta çalışan ana frekansa sahip kristal üretilmemektedir. Bunun nedeni, kristalin kalınlığının çok incelmesinden oluşan üretim güçlükleridir. Bu kristallerin bir özelliği de ana frekansın hep tek katı (3, 5 gibi) frekans üretmeleridir. Overtone kristallerin dezvantajı olarak; osilatör devrelerinde ana frekansı bastırmak için filtreler gerektirir. Ayrıca daha düşük Q değerlerine sahiptirler.