temel elektronik

A CLF.F. Döner Sermaye işletmesi Yayndan No: 35

FENCİLER AÇİN TEMEL ELEKTRONİK IKINCI BASKI

Yazan James J. BROPHY Institute of Gas Technology Redaksiyon

Yrd. Doç. Dr. D. Mehmet ZENGİN

Çevirenler Prof. Dr. Fevzi KÖKSAL Doç. Dr. Hüseyin YÜKSEL

Doç. Dr. Kerim KIYMAÇ Yrd. Doç. Dr. D. Mehmet ZENG İN

A.Ü. Fen Fakültesi Fizik Bölümü, Ankara

T.C. ANKARA VNİVERSİTESİ FEN FAKVITESİ YAYINLARI NO: 132

FENC1LER İ ÇIN TEMEL ELEKTRONIK

Yazan James J. BROPHY Institute of Gas Technology Redaksiyon

Yrd. Doç. Dr. D. Mehmet ZENGİN

Çevirenler Prof. Dr. Fevzi KÖKSAL Doç. Dr. Hüseyin YÜKSEL

Doç. Dr. Kerim KIYMAÇ Yrd. Doç. Dr. D. Mehmet ZENGİN

A. Ü. Fen Fakülesi Bölümü, Ankara

.♦

Onsöz

Elektronik ölçme ve kontrol, fen ve mühen.disli ğin her dalına yayılmıştır. Elektronik cihazlarm çok güçlü, çok yönlü olu şları ve uygulamada geniş ölçüde kullanılmaları fen ve mühendislik ö ğrencilerinin elektrik mühendisleri kadar olmasa bile elektronik ö ğrenmelerini zorunlu kılmaktadır. Bu kitap fen veya mühendislik lisans ö ğrencilerinin elektronik cihazla= ve devrelerin temelini anlamalarun sa ğlamak için yazılmıştır. Bu anlayış öğrencilerin mesleklerinde kullanacaklar ı birçok elektronik cihazlar ın çalışmalarını ve belirtgenlerini de ğerlendirmeleri için yeterlidir. P ı ofesyoneller bile en basit devreleri kurgulad ıklarından burada devrelerin kurgulanmas ından çok' çözümlenmeleri üzerinde durulmu ştur. Elektronik devrelerin fiziksel temelleri önemle belirtilmi ş fakat maternatiksel karmaşıklıktan kaçmdmıştır. Böylece ö ğrenilen bilgilerin düzeyini düşürmeden ölçme ve cihazlarda kullanılan pek çok elektronik devreleri aç ıklama imkanı yaratılmıştır. Öğrencilerin elektrik ve maddelerin elektriksel özellikleri konusunda, fiziğe giriş derslerinin içerdi ği kadar, bilgileri olduğunu varsayıyoruz. Bununla birlikte devre teoresinin açiklanmasma do ğru akımlarla başlanmış olduğundan ilk bölümler, hatırlatım araç olarak kullanılabilirler. Bu kitap bir deneycinin görüş açısıyla yazildığından bu dersi° birlikte laboratuvar deneyimi yap ılmasını özellikle tavsiye ederiz. Kitapta çözümlenen

iv

hemen hemen bütün devrelerin bile şenlerinin gerçek de ğerleri verildiğinden bunlar uygun deneylerin temellerini olu şturabilirler. Farklı üniversitelerin laboratuvarlar ında farklı cihazlar bulunmas ı kuvvetle mümkün oldu ğundan ayrıntılı deneyler önermek için hiç bir çabada bulunulmam ıştır. Ama problemler nicel cevaplar isteyen biçimde seçilmi ş olduğundan ayrı bir laboratuvar öğrenimi imkânının bulunmadığı yerlerde laboratuvar çal ışmaları yerine kullanılabilirler. tl'çüncü bask ı temel kitaba ba ğlı kalmarak baz ı konularda geliştirilmiştir. İntegre devreler çok yönlü olduklar ı ve uygulamalarda çok kullanild ıklarmdan yarı iletken cihazlar konusu integre devreleri anlamay ı ve kullanmayı öğretecek biçimde işlenmiştir. Birçok elektronik ayg ıtlar için bugün de belirtgenlerinin değerlendirilmesi gerekli olan vakum tüplü devreler, ayr ı olarak ekte incelenmiştir. Sayısal cihazlar ve kontrol çok geni şlediğinden sayısal elektronik üzerine yeni konular i şlenmiştir. Yıllardan beri ça ğdaş elektronik konusunda bilgi edinmi ş olmanın profesyonel fen veya mühendislik mesleklerine ölçülemiyecek kadar katk ıda bulunduğunu hissettim. E ğer bu kitap bu ölçüde bilgiler kazand ırabilirse bundan memnun olaca ğım. Bu kitaba temel olu şturan yayınlarından ötürü birçok arkadaş a içten borçluyum. Kitab ın ilk tasla ğını okuyup nazikçe ele ştirenlere ve bundan eski bask ıları kullanan ö ğretmen ve ö ğrencilere önerilerinden ötürü içtenlikle teşekkür ederim. Son olarak, çal ış malarımda bana yard ım edip cesaret vererek bu projenin tamamlanmas ını mümkün kılan hanımım Muriel'ede te şekkür ederim.

James J. Brophy

Çevirenlerin Önsözü

Çağımızda elektronik, özellikle temel fen ve mühendislik alanlarmdaki etkinlikleri için vazgeçilmez bir araç durumuna geldi. Bu nedenle bu mesleklere eleman hazırlayan kurumlarda elektronik derslerinin art ırılması ve araçların amaçları gerçekle ştirecek düzeyde olmas ını sağlamak gerekmiştir. Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümünde bu ihtiyac ı karşılamak -üzere nitelikli buldu ğumuz bu kitab ı Türkçe'ye çevirmeye ve bununla ilgili bir laboratuvar kurmaya karar verildi. Bu eserin Türkiye'nin bütün fen ve mühendislik fakültelerinde okutulabilece ği ve yararlı olacağı kanısındayız. Kitap fakültemizde iki sömestrede ökutulmakta ve uygun laboratuvar deneyleri ile de destekknmektedir. Kitabın Türkçe'ye çevrilmesinde kullan ılan terimler yönünden büyük güçlüklerle karşilaşılmıştir. Henüz fenle ilgili teknik terimlerin geli şmemiş olmasa ve elektronik konusunda yaz ılmış eserlerin yetersiz kalmas ı yeni teknik terimler türetmemizi gerektirmi ştir. Kitabın birinci baskısmda kullanılan yeni terimlerde, hiç ku şkusuz yadırgananlar olmu ştur. Bize gelen eleştirileri de dikkate atarak bu bask ıda mümkün olduğu kadar yaşayan türkçe'nin kullan ılmasına özen gösterilmi ştir. Çevirenler Adına Fevzi KÖKSAL

Içindekiler

BÖLÜM 1 / DO ĞRU AKIM DEVRELERI

1

İlk Kavramlar Akım, gerilim ve direnç Ohm yasas ı / Joule yasas ı Devre Elemanları Dirençler / Bataryalar

4

Basit Devreler Seı i devreler / Paralel Devreler / Şebekeler Devre Çözümlenmesi Kirchhoff kurallar ı / Wheatstone köprüsü / Gerilim bölücü devresi

13

Eş değer Devreler Thevenin teoremi / Norton teoremi Maksimum güç iletimi

22

Elektriksel Ölçümler 26 D'Arsonvalmetre J Ampermetre ve voltmetre / Ohmetre ve A-V metre Kaynaklar

33

Alıştırmalar

33

‘iii

IÇINDEKILER

BÖLÜM 2 / ALTERNATIF AKIMLAR

37

Sinüsel İşaretler

38

Frekans, geldik ve faz / KOK de ğeri Güç çarpam Sığa ve Indüktans

41

Sığasal reaktans / Kandansatörler / İndüktif reaktans / İndiiktanslar Basit Devreler 47

RL süzgeci / RC süzgeci Türev ve integral alan devreler Geçici Akımlar 53 Zaman sabiti A.a da geçici durumlar / Ç ınlama Karışık Dalgabiçimleri 60 Fourieı serisi / Etkin de ğer / Kare dalga tepkisi / Osiloskop Kaynaklar Alıştırmalar BÖLÜM 3 A.A. DEVRELER İNİN ÇÖZÜMLENMES İ impedans A.a. için Ohm yasas ı / Kompleks impedans

71 71 73 74

77 RLC Devreleri Seri rezonans / Paralel rezonans / Q çarpan ı 84 Köprü devreleri İndiiktans ve sığah köprü / Wien köprüsü / T köprü ve ikiz T köprü ş ebekeleri Transformatörler 92 Transfoı matör sarım oranı / Karşılıklı indüktans Pratik tarnsformatörler 96 Kaynaklar 96 Alıştırmalar BÖLÜM 4 / D İYOD DEVRELERI Doğrusal Olmayan Bile şenler

99 100

Akım-gerilim belirtgenleri / ideal do ğrultucu / Eklem diyod

IÇ I ND E KI L ER

104 Doğrultucu Devreler Yarım-dalga do ğrultucusu / Tam-dalga do ğrultucusu / Köprü do ğrultucusu / Gerilim katlay ıcı 107 Süzgeçler biçimli Tc Kondansatörlü süzgeç / L-Biçimli süzgeç / süzgeç 112 Gerilim Düzenleyiciler Zener diyod / Denetimli do ğrultucular

BÖLÜM

5 /

BÖLÜM 6

Diyod Devreleri Kırprtıcılar / Kıskaçlar / A.A. voltmetreleri Dedektörler Kaynaklar

113

Alıştırmalar

125

YARI İ LETKEN AYGITLAR

128

Yan-iletkenler Enerji . şeritleri -/ Elektronlar ve Elektron. boşlukları / Yapma yar ı iletkenler

129

Yarı-iletkeıı Diyodlar pn eklemi / Tünel diyod / Az ınlık taşıyıcılar' enjeksiyonu

133

Eklem Transistörler Toplayıcı belirtgenleri / Denetimli silisyum doğrultucular Tek eklemli transistör Transistörlorin / yapımı

139

Alan Etkili Transistörler Akitle" belirtgenleri / Aktar ım belirtgeni / YGAET'ler ve MOYAET'ler

150

Integre Devreler İntegre devrelerin. ilkeleri / Yap ım teknikleri Pratik devreler Kaynaklar

157

Alıştırmalar

160

TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLER

163

Çalışma Noktası

164

Yük doğrusu / Kaynak öngerilimi / Küçük i şaret değişkenleri

125

160

JÇ İNDE Ki LER

Yükselteçler

172

Kaynak izleyici / AET'li voltmetre / MOYAET' lü yükselteçler .............. , 177

Eklem Transistörlü Yükselteç Öngerilim devreleri / T-e şdeğer devresi / Melez parametreler

184

Eklem Transistörlü Devreler Ortak yayıcılı / Ortak tabanl ı / Yayıcı izleyici / Fark yükselteci

192

Özel Yükselteçler Tamamlayıcı simetri Darlington bağlantı sı İntogre MOYAET Devresi

BÖLÜM

7

Kaynaklar

195

Abştınualar

195

YÜKSELTEÇ DEVRELERI

198

Gerilim Yükselteçleri

199

Katlama / Alçak frekans kazanc ı / Yüksek frekans kazanc ı / Ayırma Güç Yükselteçleri Transformatör çiftlenimi / İt-çek yükselteci / Özel devreler

207

Akordlu Yükselteçler Akordlu çiftlenim

216 Nötürleştirme 220

Puls Yükselteçleri Yükselme süresi / E ğilme

223

D.A. Yükselteçleri Doğrudan bağlı / Kesici yükselteçler / yükselteç

BÖLÜM 8

İç-kenetli

Kaynaklar

233

Alıştırmalar

233

İŞLEMSEL YÜKSELTEÇLER

235

Negatif Geribesleme

236

Gerilimle geribesleme / Akımla geribesleme / K ararlıb.k İşlemsel geribesleme

245

xi

İÇİNDEK İLER

Süzde toprak / Matematik i şlemler / Basit yükselteç

249

İşlemsel Yükselteç Devreleri Pratik yükselteçler / İntegre eden ve türev alan devreler / Logaritmik yükselteç / Etkin süzgeç / Karşılaştırıcı

262

Analog Bilgisayarlar' Analog / Sönümlü harmonik osilatör Kaynaklar

263

Alış tırmalar

264

BÖLÜM 9 / OS İ LATÖRLER 167

Pozitif geribesleme RC'li Osilatörler................... Faz kaymalı osilatör / Wien köprülü osilatör

271

Rezonans Devreli Osilatörler LC'li osilatörler

Kristalli osilatörler 279

Negatif Dirençli Osilatörler Kararlılığın incelenmesi / Tünel-diyodlu osilatör

283

Durulmalı Osilatörler Testere di şi üreticileri / Karars ız çok-titre şkenler Dalgabiçimi Üreteçleri Diyod pompa / Meyiller / Pulslar Kaynaklar

299

Alıştırmalar

304

303

306

BÖLÜM 10 / ANALOG ÖLÇÜMLERI Kontrol Devreleri ......... ........

.

307

Gerilim düzenleyicileri / Güdümlüler 315

Dönüştürücüler Mekanik dönüştürücüler / PH-metre Fotoseller

322

Analog Cihazları

327

Osiloskoplar / Dalga biçimi çözümleyicileri Magnetik kaydedici / Elektrometre Gürültü Iş aretleri .... , ...... ... ..... .

.

.

335

IÇİ NDE K ti_,PR

xıı

Isısal gürültü / Ak ım gürültüsü / Transistörlerdeki gürültü / Perdeleme ve topraklama Iletim Hatları Belirtgin impedans / Gecikme zaman ı / Yans ı malar ve rezonans / Dalga k ılavuzlar ı Kaynaklar

350

Alıştırmalar

350

BÖLÜM 11 / SAYISAL ELEKTRONIK

353

Sayısal Mantık Ikili sayılar / Mant ık geçitleri / Boole cebiri

354

Mantık Devreleri

364

Mantık işaretleri / DTM, TTM ve YÇM geçitleri

1

Toplama

Bilgi Kaydedici 371 İki durumlu devreler / Sayaçlar / Kaydediciler Işı klı Gösterimler

382

Tek-Elemanlı gösterim / Yedi parçah gösterimler / Çözücü mant ık Hafıza Devreleri

390

Yalnız hafızaları okuyan / MOY kaymah kaydedici hafızalar / Rastgele-giri ş hafızaları Kaynaklar Ahştırmalar BÖLÜM 12

398 399

SAYISAL ÖLÇMELER

400

Sayısal Cihazlar

401

Zaman-aral ığı ölçeri / Frekans ölçeri / Sayısal voltmetre A-S ve S-A Dönüşümü

404

İkili-eğim integrali J Ard ışık-yaklaşıklıkla dönüştürücü / S-A merdiven devreleri. Sayısal İşleyiciler

409

Sayısal süzgeç J i şaret izleyicileri / Geçici kaydedici Sayısal Bilgisayarlar

415

xiii

İÇİNDEKİLER

Düzenleme / Küçük bilgisayarlar / Programlama dilleri

EK - E /

Kaynaklar

422

Ahştırmalar

422

VAKUM LAMBALI DEVRELER

425

Vakum Diyodu

426

Ismin neden olduğu elektron yayılması Child yasası Vakum Tüpleri

428

Izgara / Be ş elektrotlu lamba / Çok ızgarall tüpler Triyot yükselteci Katot öngerilimi / Küçük i ş aret değişkenleri / Triyot e ş değer devresi

433

BÖLÜM B İR

Doğru Akım Devreleri

Herhangi bir elektronik cihazın çalışması ister bir televizyon alıcısı kadar karışık, ister bir elektrik feneri kadar basit olsun, devrede çalışan bütün birimlerde bulunan ve devre denilen parçalardaki elektrik akımlarının büyüklük ve yönlerini bulmakla anlaşılabilir. Gerçekten verilen herhangi bir devrenin nasıl çalıştığını bütün bileşenlerdeki akımlar hakk ında ayrıntılı bilgi olmadan an/amak mümkün

değildir. En karışık devreler bile, önce her biri ayrı ayrı ele alınan ve sonra bu alt devrelerin birbirleriyle nasıl uyu ştuğunu belirleyen kolay basamaklar biçiminde incelenebilir. Bundan ötürü devre çözümleme, mümkün olan en basit şartlar altında basit kurguları incelemekle ba şlar. Kararlı ve zamanla değişmeyen ak ımların bulunduğu devrelere, doğru akını devreleri denir. Bu bölümde incelenen bunun gibi doğru akım devreleri oldukça önemlidir ve bu devrelerin anlaşamaları da bir ölçüde kolaydır.

DOĞ RU AKIM DEVRELER İ

İLK KAVRAMLAR • Akını, Gerilim ve Direnç Elektrik y-iiklerinin (örne ğin bir iletken maddedeki elektronlar) hareketi bir elektrik ak ım ı oluşturur. Özellikle / ak ı mı., Q yükünün belli bir noktadan zamana göre geçi ş h ı zıd ır, yani

dQ

(1-1)

dt

dir. Elektrik ak ımı saniyede coulomb birimiyle ölçülür ve Frans ız fenci Andre Marie Amp&e'nin onuruna ampere (A) denir. Maddelerin bir kısmı ve bu arada en çok dikkati çekenleri de bak ır ve gümüş olmak üzere çok sayıda serbest elektron içerirler ve bunlarl ıaşka dış elektrik yüklerden kaynaklanan elektrik alanlar ın etkisiyle harekete geçerler ve böylece bu maddeler elektrik ak ı mı ta şı ma yetene ği edinirler. Akım ta şıyan bir metaldeki her serbest elektron elektrik alan ı tarafından metal içindeki çarp ış malar sonucu h ızını kaybedinceye dek h ızlandırılır. Ondan sonra elektron yeni bir çarp ış maya kadar gene h ıziandırıhr. Ardısıra gelen Inzlanmaları sa ğlamak 've bir elektronu bir noktadan ötekine hareket ettirmek için gerekli enerjiye bu iki nokta aras ındaki gerilim fark ı denir. Gerilim fark ı , V, birim yük ba şına yap ılan i ş cinsinden ölçülür, yani

(1-2)

Q

dir. Elektrik devre çözümlenmesinde gerilim fark ı çok sık kulla.roldığı ndan elektrik konusunda ilk çal ışanlardan Alessandro Volta'u ın onuruna birim yük başına iş e volt (V) denir. Her elektronun bir iletken içinde hareket ederken' arka arkaya pek çok çarpış malar sonucu kar şılaştığı direnç maddenin özelliklerine ba ğlıdır ve özdirenç (p) olarak adland ırıhr. Çe şitli metaller ve alaşımlara has özdirençlerin değ erleri Çizelge 1-1 de gösterilmi ştir. Özdirençle birlikte iletkenin biçimi de önemlidir, öyleki L metre uzunlu ğunda ve A metrekare kesitinde bir telin R direnci. Çizelge 1-1. Metal, ve ala şnulatm ördirençleri Madde Alüminyum Pirinç Karbon Kunst Baltan (Cu 60, Ni 40) Bakır Manganin (Cu 84, Mn 12, Ni 4) Nikrom Gümüş Tungsten

Öz direnç 10-6 n 2,6 6 50 1,7 44 100

1,5 5,6

3

TEMEL ELEKTRONIK

L

R = p

(1-3)

ile verilir. Bu denkleme göre ince uzun bir telin direnci ayn ı maddeden yap ılmış kısa ve kalın bir telinkinden daha büyüktür. Gelecek kesimde anlat ılan akım, gerilim ve direnç aras ındaki bağıntlyı ilk kez ortaya koyan Georg Simon Ohm'un adını anmak için direnç birimine Ohm denir. Bir iletkenin ohm cinsinden direncinin ortak olarak kabul edilmiş gösterimi yunan harfi omega, S2, d ır. Sık sık akım iletme yetene ğinin,direncin tersi yani iletkenlik cinsinden tamınlanmas ı daha rahat olmaktad ır. iletkenlik ohm'un tersi mho cinsinden ölçülür. Ohm. Yasası Bir iletkende büyük bir akımın süreklili ğini sağlamak, aynı iletkende daha küçük bir akımın sürekliliğini sağlamaktan daha çok enerji ve bundan ötürü daha büyük bir gerilim farkını gerektirir. Akım ve gelim fark ı arasındaki orantı katsayısı iletkenin direncidir ve V = RI

(1-4)

dir. Bu eşitlik Ohm yasas ı olarak bilinir. Ohm yasası na göre direnci R olan bir iletken / akımı taşıyorsa iletkenin uçları arasında bir gerilim farkı yani V gerilimi olmalıdır. Bu bağmtı elektrik devre çözümlenmesinin temelidir ve ilerdeki kesimlerde s ık sık kullanılmaktadır. Joule Yasası Bir iletkende elektrik alan ının elektronları lıızlandırması sonucu elektronların kinetik enerjisi iletkende esnek çarp ışmalarla harcamr ve ısı enerjisine döniiş türülür. Bunun sonucu olarak ak ını taşıyan bir iletkenin s ıcaklığı biraz yükselmelidir. Böylece, bir iletkenin direncine kar şı akımın geçmesin! zorlamanın yolu elektrik gücünün harcanmas ı demektir. Iletkene verilmesi gereken P gücü

P --

dW dt

v

d Q = VI dt

(1-5)

ile verilir, burada gerilim fark ı için Dek. (1-2) ve ak ım için Denk. (1-1) tammları kullanılmışt ır. Bu eşitlik Ohm yasası kullanılarak iletkenin direnci cinsinden yaz ılabilir. Sonuç olarak, (1-6)

P = 12R

eşitliği, deneysel olarak bir dirençte ortaya ç ıkan ısı hızının akımın karesi ile orantıh olduğunu gösteriyor. E şitliği ilk bulan Sir James Prescott Joule'an adını anmak için bu denkleme joule yasası denir. .

4

DOĞ RU AKIM DEVRELERI

Joule yasas ına göre elektrik ak ımı ta şıyan bir iletkende elektrik gücü harcamr. Bu etkiden, akkor haline gelen elektrik lâmbalannda ve elektrik sigortalarında yararlambr. Elektrik lâmbalannda ince bir metal filâman, ak ımla beyazla şana dek 's ınır, sigortalarda ise içteki iletkenden geçen ak ım önceden belirlenen bir de ğeri ast ığı zaman tel erir. Öte yandan tellerin büyüklükleri ve bundan ötürü dirençleri, devrede dü şünülen en büyük alumdan daha az ak ım geçtiği zaman güç kayb ı az ve s ıcaklık yükselmesi önemsiz olacak şekilde seçilir. Bir iletkende Joule ı sısı genellikle "I-kare-R" kayb ı olarak söylenir. Gücün birimi bilindiği üzere Denk. (1-5) e göre saniyede joule'dür ve buhar motorunu geliştiren Jamess Watt' ın onuruna man (W) olarak adland ınlır.

DEVRE ELEMANLAR' Dirençler Elektrik devrelerinde çok s ık kullanılan elektriksel devre bile ş eni dirençtir ve belirli bir direnme de ğeri olan devre elemamd ır. Çoğunlukla karşılaşılan direnç değerleri birkaç ohm ile bin ohm yani kilo ohm, (ku), milyon ohm yani magaohm (MQ) büyüklüğündedirler. Dirençler toplulu ğunun bir devreye sa ğladığı direnç, teller ve teller aras ındaki de ğme noktalann ın dirençlerinden daha büyüktür. Ohm yasas ına göre devrede direncin bulundu ğu yerden geçen akım nedeniyle direnç üzerinde bir gerilim fark ı oluşur. Devre çiziminde direnç, Şek. 1-1 de oldu ğu gibi kırık çizgilerle gösterilir. Baz ı dirençler uzun ve çok ince bir telin yalıtkan bir destek üzerine sar ılma.sıyla yapılır. Direnç değerleri Denk. (1-3) den görüldü ğü üzere telin kesitini küçülterek, uzunlu:4 ğunu art ırarak ve telin maddesini büyük özdirençli (Çizelge 1-1) madde-

Şekil 1-1. Sabit (üstte) ve de ği şken direnç gösterimleri.

lerden seçerek art ınlabilir. Tel sararak elde edilen telli dirençlerin, telleri, genellikle ba şkalarına göre dirençleri s ıcaklıktan ba ğımsı z olan metal-alaşım tellerinden yap ılır. Böyle maddeler manganin ve konstantand ır. Telli dirençler, direncin s ıcaklığının biraz artmas ı için yeter miktarda Joule ısı dağılımının olması mümkün olan yerlerde kullan ılır. Telli dirençlerin dirençleri uygun tel uzunlukları seçilerek oldukça sa ğlıklı bir biçimde belirlenir,

TEMEL ELEKTRONIK

5

bundan ötürü telli dirençlerden tam sa ğlıklı direnç değeri istenen uygulamalarda da. yararlanıhr.

İnce-zar dirençleri, ince metal bir zarm yal ıtkan bir destek üzerine biriktirilmesiyle yap ılır. Büyük direnç de ğerleri zarın ince oluşunun bir sonucudur. Düzgün zarlar olu şturmanın güçlüğünden ötürü direnç de ğerlerini telli dirençlerde oldu ğu gibi sağlıklı kontrol etmek mümkün de ğildir. Bununla birlikte ince zar dirençlerinde telli dirençlerde bulunan zararl ı in.düktans etkileri (Böl. 2) yoktur ve bu durum yüksek frekans devreleri için önemlidir. İnce-zar dirençleri metal olmayan maddelerden yap ılır, özellikle ince bölünmüş karbon tozları bu dirençleri Yapmakta oldukça çok kullan ılır. Karbonun çok yüksek bir özdirenci vard ır ve bu direnç birbirine de ğen karbon taneleri aras ında da vard ır. Gerçekten karbon tanecikleri ile öyle yüksek de ğerli dirençler yapmak mümkün oldu ğundan birçok durumlarda ince zarlar ı kullanmak gereksizdir Ve bundan ötürü bütün dirençler s ıkıştırılmış karbon taneciklerinden oluş an basit çubuklar biçimindedir. Böyle birimler birleştirilmiş dirençler olarak bilinir. İnce-zar ve bile şik dirençlerin ikisi de devrelere yerle ştirilmelerini kolaylaştırmak için yalıtılmış ve tel uçlarla donatılmıştır. Uygulamada her direncin üzerine evrensel direnç renk koduna göre direncin de ğerini, belirten renkli işaretler yap ılır. Yine dirençlerin büyüklükleri Joule ısısı nedeniyle hissedilir bir sıcaklık artmas ı olmaksızın çekebilece ği en büyük gücü kabaca gösterecek biçimdedir. Örne ğin başka değerlerin de kullanılmasına ra ğmen en çok kullam lanlar 1 W,

1 2

W ve

1 4

W lık dirençlerdir. Seçkin ince-zar ve

bileşik direnç örnekleri Sek. 1-2 de gösterilmi ştir.

Şekil 1-2. Seçkin bileşik dirençler (Allen-Bradley Co).

Sık sık bir direncin de ğerinin, direnç devrede bulunmas ına rağmen değiştirilmesi gerekli olur. Böyle değişken dirençlerde mekanik bir sürgü yahut direnç üzerinde kayan bir kol vard ır ve böylece devrede bulunmas ı gereken direnç bunlarla ayarlamr. Telli ve bile şik dirençlerin her ikisi de genellikle dai-

6

DOĞ RU AKIM DEVRELERI'

resel yap ılır ve böylece sürgünün durumu bir. mili döndürmekle ayadan ır. Değişken dirençler devrede, Şek. 1-1 de olduğu gibi dış ba ğlantılarda iki veya üç uçlu olup olmad ı klarma ba ğlı olarak iki biçimde gösterilirler. İki ucu olan değişken bir dirence reosta ve üç uçlu olanlara ise gerilim bölücü denir. Kuşkusuz bir gerilim bölücüde iki uç, direncin uçlar ına, üçüncü uç ise sürgüye ba ğlıdır ve bu düzenek direncin iki yan ındaki uçla ı dan birinci devreye ba ğlanmadığı zaman reosta olarak kullan ılabilir. Bataryalar Joule yasas ına göre herhangi bir iletkenden ak ım geçtiği zaman elektrik enerjisi tüketilir. Basit d.a. do ğru akım devrelerinde bu enerjinin kayna ğı, akımın devambılığnu sağlamak için devreye verilmesi gereken enerjiyi sa ğlayan elemanlar ço ğu kez kimyasal bataryalard ır. D.a. elektrik gücünün ba şka kaynakları bir sonraki bölümde incelenmi ştir. Bir bataryada kimyasal enerji elektrik enerjisine dönüştürülür ve kimyasal tepkimeler bataryan ın uçları arasında, akım olsa da olmasa da, gerilim fark ı oluşturur. Bu gerilim fark ına, Ohm yasasına göre bir direncin uçlar ı arasındaki gerilim fark ından ayırmak için, elektromotor kuvvet, emk, denir. Bir batarya bil devrede ak ımın devamhlığım sa ğlamak için gerekli enerjiyi sa ğlamaya devam etti ğinden kimyasal bile şimler sonunda azalır, bu durumda batarya boşalmtştır denir. Bataryan ın kimyasal özelliğine bağlı olarak yüklenmesi mümkün olabilir, yani iç emk'ine ters yönde bir alım geçirerek ba şlangıçtaki kimyasal bileşimine getirilir. Devre çizimlerinde bataryanm gösterimi Şek. 1-3 de gösterildi ği gibi bir kısa kalın çizgiye paralel uzun bir çizgi ile yap ılır. Açık olarak işaretlenmese bile uzun çizginin iç emk'nin yüksek yahut pozitif ucu gösterdi ği varsayılır. İç emk bir gerilim farkı olduğundan birimi yoktur.

Şekil 1-3. Bataryanm gösterimi.

Karbon-çinko kutuplu bataryalar şimdiye dek en çok kullamlan en ucuz elektrik enerji kayna ğıdn. Bunlara adet oldu ğu üzere kuru pil denmesine ra ğmen gerçekte çinko ve karbon elektrotlar aras ına, çinko klorür, amonyum klorür ve manganez dioksitten olu şan nemli hamur ım (elekrolit) yerle ştirilmesiyle meydana gelir. Çinko ve karbon elektrotlar bataryan ın uçlarını oluş tururlar. Böyle bir pilin çalışması kısaca şöyle olmaktadır. Çinko elektrotta çinko atomları çözeltide iki yüklü çinko iyonlar ı biçiminde çözülürler. Her çinko atomu geride iki clektron b ı raktığından çinko elektrot negatif yüklenir. Kar-

TEMEL ELEKTRON İK

7

bon elektrotta, amonyum iyonlar ı manganez dioksitle tepkime yaparak karbondan elektronlar ı çeker ve böylece karbon pozitif yüklenir. E ğer negatif çinko elektrot bir d ış devre ile pozitif karbon elektroda ba ğlanırsa elektronlar kimyasal tepkimeyi tamamlamak için elektrotlar aras ında akar. Kimyasal tepkimenin devam etmesi için çinko iyonlar ı negatif elektrottan ve pozitif uca yak ın tepkime ürünlerine de aynı biçimde karbon elektrottan uzaklaşmalıdırlar. Böylece elektrolitte hareket eden iyonlar arac ılığıyla batarya içinde yük ta şınır ve bu kimyasal tepkimenin devammdaki güçlük iç direnç olarak bilinir. İç dirençteki ak= bataryan ın uçları arasındaki gerihun azaltan bir etki yapar. Kuru pilin uçlar ı arasındaki gerilim iç direnç arttıkça (manganeze dioksit tükendi ğinden) yavaş yavaş azalır ve sonunda iç direnç öyle büyür ki batarya art ık kullarulmaz olur. Eğer kuru pil tamamen bo şalmadan önce bir süre kullanılmadan birakıhrsa iyonlarm içteki diffüzyonundan ötürü iç direnç yava ş yavaş azalır. Öte yandan eğer bir kuru pil geni şletilen periyodlarla (bir yıldan çok) kullanılmazsa iç iyonik diffüzyon iç direnci öyle art ırır ki hiç kullanılmasa bile pil çalış maz olur. Taze haz ırlanmış bir kuru pilin emk'i 1,5 V olur. Daha yüksek gerilimler pilleri birbirine seri ba ğlamakla ( Şek. 1-4) elde edilir ve aslmda batarya süzcüğü böyle toplulukları belirtmek için oltaya konmuştur. Uygulamada en çok 1,5; 9; 22,5; 45; 67,5 ve 90 voltluk kuru pil bataryalar ı kullanılır

Şekil

1-4. Dört bataryan ın seri olarak ba ğlanması.

Otomobillerde kullanılan kur şun-asitli bataryalar aral ıklı olarak doldurulabilen bataryalara örnektir. Tam doldurulmu ş böyle bir bataryanın pozitif elektrodu metalik kur şun ı zgara üzerine kaplanmış kurşun dioksit gözenekli kaplamadır. Negatif elektrot metalik kur şundur ve iki elektrot da yo ğunluğu 1,3 yakı n olan sülfirik asit elektrolitin içine dald ırılmışlardır. Boş alma sırasında kurşun dioksit kuı sun sülfata çevrilir ve bu kötü eriyebilen s ıvı pozitif levhaya yapışır. Bu tepkime, elektrottan elektron çekerek onu pozitif yükler. Negatif elektrotta çözeltideki sülfat iyonlar ı kurşun sülfat olu şturur ve elektronları bırakır Gene kurşun sülfat elektroda yap ışır ve boşalmada her iki elektrot hemen hemen tümüyle kur şun sülfata dönü şür. Boşalma sırasında çözeltide sülfat iyordarm ın kaybolması özgül a ğırlığı 1,16 ya dü şürür, bu durum , bataryanın elektrolitinin yoğunluğu ölçülerek belirlenebilir. Bu kimyasal tepkimeler kolayca tersinir yap ılabilir ve pozitif uca do ğru olan bir akım, elektrotları başlangıçtaki kimyasal bileşimlerine çevirecek bi-

DOĞRU AKIM DEVRELERI

8

çimde etki eder. Doldurma elektrik enerjisini tazelemek için gereklidir, sonra bu enerjiyi boş alma sırasında batarya geri verir. Bunlarla birlikte kur şun asitli bataryasının iç direnci çok küçüktür ve k ısa süreler için batarya birkaç yüz amper akım verebilme yetene ğindedir. Tam dolu bir pilin emk yaklaşı k 2,1 V ve ticari olarak bulunabilen bataryaların emk leri 6, 12, ve 24 V tur. Çal ıştırılmayan bir bataryay ı tam dolu tutmak önemlidir, aksi halde elektrotlar yava ş yavaş sülfata dönü şür ve yüklenen akımla başlangı çtaki gerçek kimyasal bile şimlerine döndürülemezler. Bu durumda bataryanın elektrik enerji s ığası azalır. Yakın zamanlarda geli ştirilen civalı bataryanIn boş alma sırasında emk'i çok değişmez. Bu demektirki uçlar aras ındaki gerilim pilin yararl ı olduğu ömrü boyunca sabit kalmaktadır. Batarya bitti ğinde gerilim, Sek. 1-5 de aç ıklandığı gibi hemen birden azal ır. Civalı bataryalarm sabit-gerilim belirtgen-

1,5

Civan batarya

eac 1,0

Kuru pil

0,5 ,-"1 00

■

10

20

30

40

50

Sürekli kullanma süresi (saat) Şekil 1-5. Karbon-çinko bataryasunn bo şalma eğrisinin ~alt bataryan ınki ile karşılaştırılması.

leri devrelerin düzenli çal ışmasının batarya gerilimine kritik biçimde ba ğlı olduğu elektronik uygulamalarda önemlidir. Bu durumlara vakum tüb ve transistör devrelerinde rastlanmaz. Bununla birlikte cival ı bataryanın sabit-gerilim özelliği elektriksel ölçü devrelerinde yararl ı bir gerilim standartıdır. Cıvah bataryamn bir elektrodunda c ıva-çinko karışımı ve öteki elektrodunda cıva oksit ve karbon karışımı vardır. Elektrotlarmdaki kimyasal tepkimeler kuru pildekini andırır ve uçları arasındaki gerilim farkı 1,35 V dur. Son zamanlarda geliştirilen batarya çe şitleri alkah ve nikel-kadmiyumlu bataryalardır. Alkali batarya kimyasal olarak kuru pile oldukça benzer fakat elektrotları arasında kuvvetli baz olan bir elektrolit bulunur. Bu ve düzeltilmiş elektrot yapısı iç direncini azalt ır, enerji yetene ğini ve raflarm ömrünü artım. Nikel-kadmiyumlu batarya kurşunlu batarya gibi aral ıklı olarak doldurulabilir fakat tamamen kapal ıdır, çünkü doldurma s ırasında çıkan gazlar büyük gaz basıncı oluşmasına engel olacak biçimde kendi kendini düzen-

TEMEL ELEKTRON İK

9

leyici "bir mekanizma olarak davramr Bu özellik ve s ıvı elektrolitin bulunmaması bu bataryamn fiyat ının yüksek olmasını telafi eder. Seçkin modern bataryalar Şek. 1-6 da aç ıklanmıştır.

Şekil 1-6. Seçkin modern bataryalar (Union carbide Co.)

BASİT DEVRELER Seri devreler Dirençler gibi çe şitli elektriksel devre bile şenleri, her birinden geçen ak ım aynı olacak biçimde bağlanmışlarsa bu bile şenlerin seri bir devre olduğu söylenir. Şek. 1-7 a da gösterilen bir batarya ve üç dirençten olu şan seri basit devreyi gözönüne alal ım. / akımı her bir direncin uçları arasında Ohm yasas ı ile verilen bir gerilim farkına neden olur. Yani, ve V3 = R 3/ (1-7) V2 = R2/ Vı = RII bataryannn emk'ine e şit olduğu kuşku götürmez dir ve gerilimlerin toplamının yani (1-8) V -= Vi -I- V2 V3

dir. Denklem (1-8) elektronik devrelerinin bir ilkesinin basit bir örne ğidir ve

10

DO Ğ RU AKIM DEVRELER[ L.

i7 ;

R, + „„ • — --

v\PA,-

V

R3

V3

/_

V

tt

el

=R +R +R 1 2 3

1

R2 (e)

fb) Şekil 1-7. (a) basit bir seri devre ve (b) bunun e şdeğeri.

bundan sonraki kesimde ayr ıntılarıyla incelenmi ştir. Bu denklem herhangi bir tam devrede gerilim farklarınm cebirsel toplamının sıfıra e şit olduğunu söylemektedir. Dirençlerin uçlar ı arasındaki gerilim farkı nın iş areti ile emk kayn.ağınınkinin farkına dikkat ediniz; bir dirence ak ım pozitif ucundan girer, emk kayna ğına ise negatif ucundan girer. Gerilim direnç üzerinde akım yönünde azaldığından gerilim fark ına genel olarak direnç üzerinde IR gerilim düşmesi denir. Eğer Dek. (1-7) deki IR gerilim dü şmeleri Denk. (1-8) de yerine konursa, sonuç

V IR i IR 2 IR 3 = I (Rı + R2 + R3) olur. Böylece seri devredeki ak ım, =

R ı il-R21-R 3

-

R„

(1-9)

olur. Burada e ş değer direnç Re,,

R e, = Ri 4 R2 1-R 3

(1-10)

olarak tammlamr. Buna göre herhangi bir say ıda seri ba ğlı diren.çIerin e ş değer direnci bunlar ın bireysel dirençleri toplamma e şittir. Sadece ak ı m gözönüne ahndığmda bir tek direnç, R e, içine alan Ş ek. 1-76 deki devre üç direnci olan Şek. 1-7a ya eş değerdir. Dirençlerin seri ba ğlanmas ına dayanan kullanışlı bir devre Şek. 1-8 de gösterilen gerilim bölücüdür. Bu devrede bir çift direnç aras ındaki değme noktası çok-uçlu bir seçici anahtarnı ucuna bağlanmıştır. Anahtarı çeşitli konumlara getirmek suretiyle batarya geriliminin, V, çeşitli kesirlerini çıkıştan almak mümkündür. Gerilimin uçlardaki da ğılımı dirençlerin de ğerlerine bağlıdır. Kuşkusuz, e ğer seri dirençler yerine bir gerilim bölücü konulursa ç ıkış gerilimi V nin istenilen herhangi bir kesrine ayarlanabilir. Bu, radyo ve televizyon alıcılarında ses kontrolu ilkesidir. Paralel devreler Direnç v.b. elektrik bile ş enleri bağlamanın başka bir yolu Şek. 1-9 da gösterilmiştir. Burada her direnç üzerindeki gerilim fark ı eşittir ve bu çe şit bağlamaya

11

TEMEL ELEKTRONIK

-o

#R

-T

3

r ---.---0

Çık ış

R o

ı

Şekil 1-8. Gerilim bölücü devre.

paralel devre denir. Her dirençteki al ım Ohm yasas ı ile verilir, yani 1

Şekil 1-9. Paralel ba ğlı dirençler.

V

12 =

R

V R2

ve

V

/3

R

(1-11)

3

dır. Bu durumda akımların toplamı batarya ak ımma eşittir, yani (1-12) dir. Denklem. (1-11) deki ak ı mları yerlerine koyarsak bu,

=_-

R1

-1-

RZ

--ı

R3 -z-- V (—R1-İ

(1-13 R3

olur. Şimdi paralel dirnçlerin eş değerini bulmak için R e, tammlanır ve Ohm yasası kullambrsa (1-14) V = I R e, yazılır. Denklem. (1-14), Denk. (1-13) de yerine konarak

= v =V Reş

ı1

\R

1 )

(1-15)

R3

R2

elde edilir Öyleyse

11 = Rı R ei

1 R2

1 R3


dir ve bu ba ğınt ı herhangi sayıda paralel ba ğlı dirençlerin e ş değerinin tersinin dirençlerin tersleri toplam ı na eşit olduğunu anlatmaktad ır. Şehekeler Seri ve parkl dirençlerin kar ışık ba ğ l ı olan devreleri Denk. (1-10) ve Denk. (1-16) nın arka arkaya uygulanmas ıyla çözümlenebilir. Örne ğin Sek.1-10 a da görülen şebekeyi gözönüne al ınız Dirençlerin de ğerleri çizimde yaz ılmış tır. Her biri 10 S) olan R5 ve R 6 paralel bile şimi yerine 5 S2 konabilir, çünkü Denk. (1-16) ya göre

t

, V-35 v

I

R

1551

102

R

(a)

Fd

- 512 (

hl

k L

i\AN — --L Af— rı

- 15 k

7,5 52

- 17,5 ft

Şekil 1-10. Seri ve paralel ba ğlı şebekenin indirgenmesi.

13

TEMEL ELEKTRONIK

1 R5

12 10 = 10

10

R6

R eş = 5 S2

(1-17)

dur. Bundan ötürü devre Şek. 1-10b deki duruma indirgenir. Sonra R e, ile R4 105l) un bileşimi Denk. (1-10) a göre

R' eş = R" + R4 = 5 + 10 = 15 S2 olur ve şimdi devre, Şek. 1-10c deki gibidir. rın eş değeri

R"

___ R' e, R3 R' eş+R3

(1-18)

R' eş ve R3 paraleldir öyleyse onla-

15 x 15

225

15+15

30

7 ' 5 £"2

(1-19)

dur. Son Olarak R",„ R 1 ve R2 nin seri ba ğlı durumu

RT =R" eş + R i +R2 :=7,5+5+5 =17,5 İ)

(1-20)

biçiminde toplanır ve Şok. 1-10a daki tüm şebeke yerine Şek. 1-10e deki basit eşdeğeri konulabilir, buradaki RT tüm devrenin direncini göstermektedir. Bataryadaki ak ına ise

/ = RTT

35 5 = 2A 1 7,

(1-21)

dir. Şimdi R3 direncindeki 13 akımının hesaplanmasmın istendiğini varsayalım. Bu, önce devre çiziminde b ve c noktaları arasındaki V3 gerilim farkını hesaplayarak yap ılır. R 1 üzerinde /R i düşmesi IR I =2 x 5 =10 V tur ve ayn ı IR düşmesi R2 de de vardır. Denklem (1-8) e göre (1-22)

V= Vı V2+ V 3 dir. Buradan V3 = V--V1---V2 = 35-10-10 = 15 V

(1-23)

tur ve öyleyse R3 deki akım, / = 3

V3 R 3

15 5

=1A

(1-24)

dir. Benzer düşünceleri uygulayarak her dirençteki ak ımı bulmak mümkündür.

DEVRE ÇOZUMLENMES İ Kirchhoff Kuralları Elektronikte önemli şebekelerin ço ğunu basit seri ve paralel bile şenlere indirgemek mümkün olmadığından daha kuvvetli analitik metodlar kullan ılmalıdır. Denklem (1-8) ve (1-12) nin geni şletilen iki basit ilkesi bu konuda en


vararh olan ve .Kirchoff kuralları olarak bilinen kurailard ır. Önce Ş ek. 1-9 daki basit paralel devreyi gözönünde alal ım, bu devre Ş ek. 1-11 de devrenin dallanma yani dii.,f,7ü,m, noktaların' göstermek için yeniden çizilmi ş tir. Dii ğ ilm noktas ı üç (veya daha çok) iletkenin birle ş tiği noktad ır. Birinci Kirchhoff kurah herhangi bir dü ğüm noktas ında ak ımların cehirsel toplam ının s ı fır olduğunu ifade eder. Gösterirn olarak bu, Dü ğ ian

v r-

Düğ üm Şekil 1-11 Paralel basit bir devrede dü ğüm noktalar ı .

(1-25) dır. Denklem (1-25) asl ında akımın süreklili ğini açıklayan bir ifadedir, ayn ı zamanda bu e şitli ğe elektrik yükü korunumunun sonucu olarak da bak ılabilir. Kirchhofrun ikinci kural ı Ş ek. 1-40a da I ; akımın" Denk. (1-25) i kullanarak hesaplarken tam olarak kullan ılmıştır. Bu kural bir devrenin herhangi bir tam ilmeği boyunca gerilim farklar ı toplamının sıfır olduğunu ifade eder. i;österim olarak, (1-26) 1; v --,-- O I ir . Bir ş ebeke iline ği Ş ek. 1-10a da gösterilen abcda gibi başlangıç noktas ına dönen bir yol olarak anla şılır. Aynı ş ebekede ba şka tam ilmek örnekleri befgcb ve daefgd dir. Denklem (1-26) er ıeı jisinin korunumunun bir sonucudur. Kirchhoff kurallar ını herhangi bir ş ebekeye uygularken ilk ad ım şebekede her direnç üzerinde herhangi yönlerde ak ımların geçti ğinin. iş aretlenmesidir. Sonra devre çiziminde her direnç üzerindeki gerilim fark ının iş areti daha önce söylediğimiz anla ş maya yani akı mı n dirence pozitif ucundan girdi ği anlaş masına dayanarak i şaretlenir. DeVredeki emk kaynaklarının iş aretleri devre çiziminde önceden belirtilmiştir. Bundan sonra Kirchhoff kurallar ı devrenin çeşitli dü ğüm noktalarına ve ilmeklere bilinmeyen tüm ak ı mları çözmeye yetecek kadar denklem yazmak üzere uygulan ır. E ğer bir ş ebekede m dü ğüm ve n bilinmeyen varsa Denk. (1---25) den m-1 tane ba ğı ms ı z denklem yaz ılabilir. Aynı biçimde Denk. (1-26) dan türetilebilen n-(m-1) = n - m+1 tane ba ğımsız denklem yaz ılabilir. Böylece Kirchhoff kurallarınui herhangi bir ş ebekeye uygulanmas ıyle elde edilen ba ğımsız denklenı-

15

TEMEL ELEKTRONİ K

lerin sayısı (m-1)+n-(m-1)=n dir. Bu da bilinmeyen ak ımların sayısına e şit olduğundan ş ebeke çözümü tamamiyle yap ılmış olur. Genel olarak gerekli olandan daha çok say ıda düğüm ve ilmek denklemi yazmak mümkündür fakat bunlardan sadece n tanesi birbirinden ba ğımşızdır. Bu bağımsız denklemlerin çözümü ço ğu kez negatif akım değerleri verir. Bu da denklemleri yazmadan önce i şaretlenen ak ım yönlerinin doğru olmadığım ve gerçekte bu ak ım yönlerinin ters seçilmesi gerekti ğini anlatır. Öyleyse önceden gerçek akım yönünü bilmeye gerek yoktur. Çe şitli akımlar hesaplandıktan sonra devrenin herhangi bir kesiminde IR düş meleri Ohm yasas ı kullanılarak bulunur. Kirchhoff kurallarını ş ebekeye uygulama tekni ği birkaç örnekle en iyi biçimde aç ıldatur. Önce Şek. 1-12 deki paralel basit direnç devresini dikkate alahm. Her dirençteki ak ım yönleri keyfi olarak seçilmi ş ve IR düş meleri de bu belirtilen yönlere göre işaretlenmiştir. Bu devrede yaln ız iki düğüm vardır ve birisi b de öteki e dedir. Bundan ötürü sadece 2-1 = 1 tane ba ğımsız düğüm denklemi vardır. b ile iş aretlenen dallanma noktas ını gözönüne alırsak Denk. (1-25) den,

d şekil 1-12.

1—/ İ --H1 2 = O

(1-27)

yazılır. e ile iş aretlenen dallauma noktas ında akı nı denklemi / T 1-Iz =-- O

(1 28)

dır. Görüldüğü üzere Denk. (1-28) Denk, (1-27) nin negatif i ş aretlisidir ve bundan ötürü bunlar ba ğımsı z de ğildirler. Bu denklemlerden biri şebeke çözümünde kullan ılabilir. Şimdi abef ilme ğini gözönüne alalım. Denklem (1-26) ya göre

V-/ i R ı = 0

(1-29)

yaz ıhr. Aynı biçimde abcdef ilmeği boyunca VH--/2 R2

0

(1- 3 0)

dir. Bilinmiyen üç tane ak ım olduğuna göre 3-2-1-1 = 2 tane ba ğımsız ihnek denklemi olmalıdır. Bunlar Denk. (1-29) ve (1-30) dur. Bununla birlikte bcde ilmeği boyunca

16


(1-31)

/ I R I + /2 1/2 = 0

dir, ama Denk. (1-30) dan Denk. (1-29) ç ıkarıldığında Denk. (1-31) elde edildiğinden bu ba ğımsı z bir ba ğıntı de ğildir. Öyleyse bu üç ilmek denklemi bağımsı z değildir ve herhangi ikisi ş ebeke çözümünde kullan ılabilir. Bilinmiyen üç akımı bulmak için Denk. (1-27), (1-29) ve (1-31) i bağımsı z denklemler olarak seçelim. Çözüm önce Denk. (1-29) dan I I i, V /7-1-

(1-32)

--

bulmakla ba ş ardır. Sonra Denk. (1--31) den, ---

/ IR R2

(1-33)

bulunur. (1-33) denklemi (1-27) de yerine konarak / iR i R2

(1-34)

O

yazıhr. Burada I i yerine (1--32) deki ifadesi konursa

1—

R1

VR 1— R ı R2

1

Rİ

. R2 İ

o

(1-35)

olur. Öyleyse akım,

,--- V (

1 Ri

1, )

(1-36)

dir. Bu sonuç paralel dirençler dikkate al ınarak ula şılan çözüme yani Denk. (1--33) e eş de ğerdir. Son olarak 1 Denk. (1-33) de yerine konarak /2 -=

VR R İ R2

(1-37)

veya (1-38)

/1 = — 2

bulunur. Denklem (1--38) deki eksi i ş aretine göre bu ak ımın yönü Şek. (1-12) de gösterilen yöne z ıtur. Bunun sonucu olarak R2 üzerindeki IR düşmesi devre çiziminde gösterilenle ters i ş aı ettedir. Daha karışık şebekeler için üçten çok e şitlik yazmak gerekir ve ço ğu kez denklemlerin çözülmesi için deterrninant yöntemi kullan ılır. Bu teknik bundan sonraki kesimde•aç ıklanacaktır ve hepsini bulma yerine sadece ilgilenilen akımlaıı bulmayı sağlama üstünlü ğü vardır. Ço ğu kez bir devrede ak ımlardan

17

TEMEL ELEKTRONIK

sadece bir veya ikisi de do ğrudan ilgilenilir, bu durumda bütün bilinmeyenlerin bulunmas ı gereksizdir. Wheatstone Köprüsü Bu kesimde Kirchhoff kuralları Şek. 1-13 de gösterilen Wheatstone köprüsünü çözümlemek için kullanılmıştır. Bu son derece önemli devre 1843 de Charles Wheatstone tarafından geliştirilmiş ve bilinmiyen dirençlerin de ğerlerini bulmak için geniş biçimde kullanılmıştır. Bu devrenin kullanılma yöntemi devreyi çözümleyecek anla şılabilir. Kirchhoff kural ına göre a, b ve d dallanma noktalarında

Şekil 1-13. Wheatstone köprüsü. /—/2—/ İ = 0 / 1—/3 +/5 ----- O / 3 + /4—/

(1-39)

=O

yazılar. Wheatstone köprüsünde dört dallanma noktas ı olduğundan bu üç bağımsız akım denklemi yeterlidir ve bundan ötürü c noktas ı için yazılabilecek dördüncü denklem kullan ılmamıştır. Kirchhoff kural ı abdefa, acba ve bcdb ilmeklerine uygulanırsa, IR 1--/3R3+ V

=0

—İ2R2-4 R5 --F /IRI = 0 /5R5—/4 R4 + /3R3

(1-40)

=0

yazıhr. Her ilmek boyunca yaz ıları çeşitli IR düşmelerinin işaretlenen kutuplarına dikkat ediniz. Alt ı tane bilinmeyen akım olduğundan, 6-4+1=3 tane ilmek denklemi gerekir ve fazladan yaz ılanlar gereksizdir.

18

]DOĞ RU AK1M DEVRELER

Denklem (1-39) ve (1-40) alt ı bilinmeyenli altı denklemdir. Öyleyse bu denklemlerin çözümüne determinant yöntemi uyguland ığında her akımı hesaplarken altıncı mertebeden iki determinantm de ğerini bulmak gerekir. Tüm çözüm için ise bu biçimde yedi farkl ı determinant hesab ı gerekmektedir. Altıncı mertebeden bir determinantm de ğerinin bulunmas ı kolaydır ve son değeri bulmadan önce mertebeyi indirmek için bir s ıra kolayhklar vard ır ama yedi tane altıncı mertebeden determinantm çözümü oldukça i ş ister. Bundan ötürü Denk. (1-39) ve (1-40) ın çözümünün ilke olarak ba şarılmasına ra ğmen başka yöntemler aramak yararl ıdır. Karışık devrelerin çözümü ço ğu kez ilmek aktmlann ın kullanılması ile basitle,ştirilebilir. James Clerk Maxwell'in onurland ırılması için Maxwell yöntemi olarak bilinen bu teknik gerçekte Kirchhoff kurallar ı= ikisini aynı zamanda uygulayıp gerekli denklemlerin say ısını azaltmaktadır. İlmek akımları , Şek. 1-14 deki Wheatstone köprüsünde aç ıklanan üç akım gibi çizilir. Akım yönlerine göre IR düşmelerinin işaretleri belirtildikten sonra bilinen gerilim denklemleri her ilmek için yaz ılar. Böylece Şekil 1-14 e bakarak

Şekil 1-14, Wheatstone Köprüsünün ilmek yöntemiyle çözümü,

V—R 1 ( Ia—I b)—R 3 ( R i (Ig—I b ) --R 2 b— R5 (I b— 4Ic r—ici) 4R 5(4—I b)-1-R R3( I

=O

0 =0

(1.-41)

yazılar. Burada gene IR düşmelerinin, ve akım yönlerinin iş aretlerine dikkat ediniz. Bu denklemler düzenlenirse ---(R 1 -1-R 3)4+ R i h+ R 3I

R i Ia—( R ı R2 4- R5)/ vi- R5 /c

--V =0

—R3/a—R5 İ b+ (R 3 + R4+ R 5)/c = O

olur.

(1--42)

19

TEMEL"ELEKTRON1K

Denklem (1-42) nin herhangi bir ak ım ,diyelim I b için çözümü determinantlar kullanılarak bulunur. Bunun için bir oran kurulur paydada ak ımların katsayılarmdan oluş an determinant, payda ise gene buna benzer bir determinant bulunur. Fakat bilinmiyen ak ımların katsayıları yerine eşitliklerin sağ tarafı konur. Yani I b, için çözüm:

-( R 1 -1- R 3 )

-V 0 0

R1

-R3

Ib -(

R i + R3 ) Rı

R3

R5 R3-1- R41 - R5

Ri - (

R3

R ı + R2+ R5)

-R 5

-R3

R5

R 3 - F R4 + R 5

VR 5R 3 +VR İ ( R 3 +R4+ R5)

(1----43)

,6

burada ,6, paydadaki determinant ın değerini gösteriyor. Ayn ı biçimde -

(R ı + R3)

R1 -R 3

Ri -V -( R 1 +R2+ R 5) 0 -R 5 0

VR İ R 5 ÷ VR3(R ı +R2+Rs)

1 44)

dir. Şimdi Şek. 1-13 de 15 olarak gösterilen R5 direncindeki ak ım 15 = I b—le V

V Q

(R5R3+ R İR3+ R İ R4+ RiR5-R İ R5 -RiR3 -R2R3 -R5R3)

( R i R4—R2R 3 )

( 1--45)

Denklem (1-45) Wheatstone köprüsünün en önemli ba ğıntısıdır, E ğer R 1 R 4 = R2R 3 veya R1

R1

R2

R4

(1-46)

ise o zaman / 5 akımı sıfırdır ve uygulanan ger;limden. ba ğı msızdır. E ğer köprünün kollanndaki dirençlerin oran ı Denk. (1-46) ya uyuyorsa köprü dengelenmiştir denir. Böylece örne ğin eğer R 1 , R2 Ve R3 bilinen dirençler ve iş sıfır ise R4 ün de ğeri denge ş art ından yani Denk. (1-46) dan hemen hesaplanabilir. Wheatstone köprüsünün çok kullan ılan bil çeşidinde R 1 ve R2 dirençleri bir anahtarı R2 I R] olanını onluk olarak verecek biçimde ba ğlanmıştn. R3 ise sürekli değ iş ebilen bir dirençti ı . R3 ü ayarlayarak köprü dengelendi ğinde R4

20


ün bilinmiyen de ğeri R2 İ R İ) R3 dür. (R2 /R 1) in onluk de ğerleri 10 - 3, 10-2 ve 10-1 den, 1, 10, 10 2 ve 10 3 aras ında bulunabilir ve böylece oldukça geniş bir bölgede direnç de ğerleri ölçülebilir. Uygulamada dengeyi göstermesi için R5 in yerine akım gösteren bir ayg ıt bağlanmıştır. Bu aygıtın ayar edilmesine ihtiyaç yoktur, çünkü bu ayg ıt sadece dengeyi yani ak ımın sıfır olduğunu göstermesi için kullan ılır. (

Denklem (1-45) bütün ak ımları çözmeden devre ile ilgili yararl ı bilgi edinme durumuna bir örnektir. Ço ğu kez ilmek akımların sadece gerekli olan bir akım bulacak şekilde çizmek mümkündür. Herhangi bir devreyi en az gayretle çözümlemek için ilmek ak ımlarının seçme kolayl ığı alışkanlıkla kazanı hr. Gerilim Bölücü Devresi İki gerilim farkına karşdaştırmanın çok sağlıklı bir yolu gerilim bölücü devre kullanmaktır. Bu durumun basit bir aç ıklanması Şek. 1--15 den anla şılır. Burada duyarlı değişen bir gerilim bölücü, de ğişken bir direnç ve bir batarya ile seri bağlıdır. Duyarlı direncin sürgülü ucu akım gösteren bir ölçü aleti ile d ış devreye ba ğlıdır, direncin bir ucu da d ış devrenin öteki ucuna ba ğlıdır. De ğiş ken RA direncini ayarlayarak özel bir I = VI (R-{--R A ) değeri seçildi ğini varsayalım. O zaman sürgünün böldü ğü gerilim V' basit olarak IR' ye eşitth Burada R' diı encin son ucu ile sürgü aras ındaki dirençtir. / ve R bilindiği için sürgiinün konumu gerilim fark ı birimi yok cinsinden ayar edilir. E ğer şimdi bilinmiyen bir gerilim, örne ğin bir batarya, ç ıkış uçularma b ı., ğlanusa ve sürgü M ölçü aletinde akım sıfır oluncaya kadar ayarlamrsa bilinmiyen gerilimin değeri IR' olur.

-

O -F

Bilinmeyen • gerilim oŞekil 1-15. Bilinmeyen bir gerilim fark ını ölçmek için basit bir gerilim bölücü devresi .

Gerilim bölücü, karşılaştırma ile ölçü yapan bir aygıttır; yani bilinmiyen gerilim farkını standart bir bataryamn gerilimi cinsinden verir. Bunun nas ıl başarıldığ.,mı görmek için. Şek. 1-16 daki devreye bak ınız. Burada Vs malı batarya gibi standart bir bataryan ın veya ço ğu kez son derece kararl ı bir emk'i olan Weston pilinin emk'dir. Şimdi RA nın M ı ölçü aygıtınm gösterdiği akımı sıfır yapmaya kadar ayarland ığını varsayahm. Bu,

/Rs = Vs

(1 —47)

TEMEL ELEKTRONIK

21

demektir. Bu devrede duyarl ı değişken direnç her birinin de ğeri R olan dokuz tane özde ş seri direnç ve R' de ğişken direncinden olu şur. M, ölçü aletinin. gösterdi ği dış devre akımını çıkış uçlarına bağlı 'bilinmiyen I7„ gerilim kayna ğı ile ayarlanır. Bu iş anahtar ve sürgünün uygun konumlar ı seçilerek yap ılır. M2 de akım sıfır olduğu zaman, V

tl

-

Ayar

nR R -(" R 0-"MıR ~ R --~~-1~-/VVV R j R R R -~R ~r-I (nR+R') 9

8

7

5

3

I

2

0

. Rilitimeyen gerilim

Şekil 1-16. Basit bir gerilim bölücü devresi.

=

R')

(1-4g)

olur. Burada n, seçici anahtarla çevrildi ği konumun numarasıdır. / nın Denk. (1-47) deki de ğeri Denk. (l —48) de yerine konarak

V. = Vs

nR+ R ' Rs

(1-49)

yazdır. Bu denkleme göre bilinmiyen gerilim standard emk ve gerilim bölücü devresinin direnci cinsinden bulunur. Ne / akumnm, ne de batarya gerilimi V nin bilinmesine gerek olmadığına dikkat ediniz. Gerilim bölücü devresinin do ğruluğu dirençlerin sa ğlıkh yapısın.a ve değişken direnç üzerindeki sürgünün mekanik kararld ığına bağlıdır. olçümün doğruluğu, Şek. 1--16 de oldu ğu gibi sabit dirençleri bir anahtarla sürekli değişken dirençle birle ştirmek suretiyle art ırıhr. Bu durum de ğişken direnç üzerinde gerilim dü şmesi, diyelim Şek. 1-15 de, onda bir ise bundan ötürü sürgünün mekanik bozuklu ğu aynı çarpan kadar azalt ılır. Gerilim bölücü devresinin en büyük özelli ği denge durumunda devreden hiç bir akım akmamasıdır. Bu demektir ki bilinmiyen gerilim aç ık-devre ş art ları altında ölçülınektedir ve ölçü içteki IR düşmelerinden bozulmaz. Aslında ölçü aletinin s ıfırı gösterme duygunluğuna bağlı olarak küçük bir ak ını olabilir, bundan ötürü s ıfır akımın minimum yapmak için ço ğu kez duygun elektronik yükselteçler kullan ılır.

22


EŞDEĞER DEVRELER Thevenin Teoremi Çoğu kez elektronik devrelerin çözümlenmesi devrenin hepsi veya bir k ısmı yerine eşdeğer devre koyarak kolaylaştırıhr. Belli amaçlar için e şdeğer devre, temel devre ile ayni özellikleri gösterir. Bu durum dirençlerin seri ve paralel bileşimleri ile ilgili olan bir örnelde incelenmiştir. Orada akımı hesaplamak için dirençlerin tüm şebekesi yerine bir tek e ş değer direnç yerle ştirilmişti Başka durumlarda, özellikle vakum tüplü ve transistö ılü devrelerde eş değer devreler elektronik aygıtların davranışlarını göstermek için kullamhrlar. En kullanışlı eşdeğer devrelerden biri The'venin teoreminin sonucu olarak ortaya çıkandır. Bu teorem dirençler ve bataryalardan olu şan ve iki çıkış 'ucu olan şebekeler yerine Şek. 1-17 de aç ıklandığı gibi seri bağh bir direnç ve bir bataryanın konulabilece ğini ortaya koymaktadır. Thevenin e ş değer devresi-

la)

(b)

Şekil 1-17. (a) lki uçlu devre ve (b) ve The'venin e şdeğer devresi.

nin biçimi şebekesinin başlı başına gerçek yerleşimini bilmeden Ve, ve Re, nieeliklerinin uygun de ğerlerinin nasıl bulunabilece ğini göstermektedir. E şdeğer emk, yükteki akan s ıfır olduğu zaman çıkış uçlarındaki gerilim yani açık-devre gerilimidir. E şdeğer direnç ise Veş in R L = O olduğu yük akımma, yahut kısadevre akımına oranıdır. Yine B eş in, yük üzerindeki gerilimin Ve, in yarısına eşit olduğu zamanki yük direncine eşit olduğuna dikkat ediniz. Bu tanım kısa-devre akımının kolaylıkla bulunabilece ği durumlar için yararl ıdır. Th ,6venin eş değer devresinin Şek. 1-17b deki biçimi R„ in Veş kısa devre olarak gözönüne al ındıdığında şebekenin çıkış uçları arasındaki direnç olduğunu gösteriyor. Reş in çözümleme yoluyla bulunmas ı şebekenin kurgusu bilindiği zaman yararlıdır, çünkü bu durumda sadece basit şebeke indirgenmeleri i şe karışır. Eşdeğer emk'i ve eşdeğer iç direnci bulmak için bu de ğişik yöntemlerden hangisinin kullanılacağı sadece verilen herhangi bir durumda hangisinin kolay olaca ğına ba ğlıdır. .

Örneğin Şek. 1-18 deki basit devrenin Thevenin e şdeğer devresini dikate alalım. Eş değer emk

23

TEMEL ELEKTRONİ K

ve

VR 2 ,

(1-50)

R i+R2

Şekil 1-18.

dir. Bataryanın yerini kısa devre yaparsak uçlar aras ındaki direnç R 1 ile nin paralel birleşimi olur. Buna göre.

R,

R İ R2 Re, = R1+R2 olur. O zaman yük ak ımı, VR2

IL — RL-1—R e

R İ R2 —FRL(R1+R2)

olur. Denklem (1-52) nin sa ğ tarafı Ş ek. 1-18 deki devreden bulunabilir. E şdeğer devre yönteminin üstünlü ğünü açıklamak için Şek. 1-19a daki Wheatstone köprüsünü gözönüne al ırım R5'deki akım devrenin geri kalamum yerine Thevenin eşdeğerini koyarak çözülür. Sonra batarya yerine bir

(a)

(c) Ş ekil 1-19. (a) Wheatstone köprüsü devresi; (b) R eş'i hesaplamak için bataryay ı kısa devre yaptıktan sonraki durumu; (c) Tlı venin eşdeğer devresi.


kısa clevrenin konmas ı R 3 ü R 1 ile, paralel duruma getirin, bunlar da Şek. 1-19c de aç ı klandığı üzere çıkış uçlarında paralel duruma gelen R2 ve R4 ğlı olur. Bundan ötürü Ş ek. 1--19 c deki e ş değer devrede ilesrba

R e'

R2R4 R2 4- R 4

R1R3

(1-53)

dil-. Çı kış uçlarındaki gerilim R 1 ve R3 ün değme noktası ile R2 ve R4 ün değme noktası arasındaki gerilim farkıd ır. Bu gerilim fark ı R, üzerindeki IR gerilim düşmesinden R 1 üzerindeki IR gerilim dü şmesi çıkarılarak bulunur. Öyleyse eş değer batarya,

V CŞ

VR1 RH-R3

VR2 i<2-+-R4

(1-54)

dir. Sonuç olarak Şek. 1-19c deki e şdeğer devreye göre R s deki akını ,

V eş 15 - R eş + R5

(1-55)

olur. Bu sonucun elde edilmesindeki kolaylık ve çabukluk, Kirchhoff kurallar ının uygulanmasındaki durumla karşılaştırılmalıdır. Denklem (1-46) daki denge şartının Denk. (1-54) ve (1-55) den hemen oltaya ç ıktığına dikkat ediniz, çünkü denge durumunda 15 = 0 dar. Norton Teoremi Emk kaynaklarından çok akım kaynaklar ıyla ilgilenilen, örne ğin, transsistör devrelerinde yararl ı ikinci bir eş değer devre biçimi, Norton teoremi ile verilir. Norton teoremi bataryalar ve dirençlerden olu şan ve iki çıkış ucu olan herhangi bir şebekenin yerine bir ak ım kaynağı Ieş ve bir eş değer direncin, R e„ paralel bağlı bileşiminin kon.ulabilece ğini söyler. Akım kaynağı dvş kısa devre edilmiş çıkış uçlarmdaki akım ve R e, ise Thevenin teoremindeki e şdeğer direncin aynıdır Norton e şdeğer devresi Şek. 1--20 de gösterilmi ştir. Buradaki üçgen ak ım kaynağı ieş i göstermektedir. Bir bata ıyanın akım kayna ğı olarak davrandığı gibi davranacak hiç bir basit elektrik bile şen akım kaynağı olarak davranmaz Bununla birlikte devre çözümlenmesinde akım kayna ğı dü şüncesi çok yararlı bir kavramlar.

Şekil 1-20. Norton e şdeğer

23

TEMEL ELEKTRONIK

Herhangi bir devreyi ya Thevenin ya da Norton e şdeğer devrelerinden biri ile temsil etmek mümkün oldu ğ undan bir eşdeğ er devre biçiminden ötekine çevirme mümkündür. Şek. 1-21a ve b den yük üzerindeki kısa devre akımı Thevenin eş değer devresi için Ve, IRe, dir ve Norton e şdeğer devresindeki /e, 6 eşittir. İki devrenin ayn ı ş ebekeyi göstermesi için

xe^ N\Ar

—o

(b) Şekil 1-21. (a) ThAvenin e ş değer devresi ve (b) Norton e şdeğer devresi aras ındaki bagmtı .

Ve, Re,

Ie$ =

(1-56)

eşitliği sağlanmandır. Öyleyse bir e şdeğer devreyi ötekine çevirmek basit bir iştir. Verilen herhangi bir şebekenin hangi devre ile gösterilece ği tamamen bir seçim ve uygunluk sorunudur. Maksimum Güç İletimi Radyo vericisi veya ses kaydediei gibi birçok elektronik devrelerde, devreden yüke maksimum elektrik gücü iletmek önemlidir. Bu durumlarda yük bir anten veya bir hoparlör olabilir. Bundan ötürü maksimum güç iletimini mümkün kılmak için gerekli devre şartları belirlenir. Bir şebekenin Thevenin eşde ğer devresinin Şek. 1-22 de gösterildi ği gibi olduğunu ve yükün çıkış uçlarına bağlı RL direnci ile gösterildi ğini vaı sayahm. Kolay olsun diye e ş değer batarya ve e ş değer direncin alt ındaki kısaltmalar yaz ılmamıştır. Joule yasas ı uygulandığında yük direncindeki güç, R

v— -

I

.PB=I2 R+IZR L

RL

P=12R,

Şekil 1-22. RI yük direncine maksimum güç iletimini incelemek için Th6renin e şdeğer devresi.

DOĞRU AKIM DEVRELER[

2

P

R+ RL ) V2 I RL (1 _J_

R (1-57) )2

RL

dir. Denklem (1-57) e göre yük direncinin çok küçük ve çok büyiik olmas ı. durumlarının ikisinde de yükteki güç s ıfırdır. Öyleyse RL deki gücün maksimum olmasını sağlayan en uygun bir yük direnci bulunmal ıdır. Maksimum güç iletimi sağlayan ş artı bulmak için Denk. (1-57) nin RL ye göre türevini al ıp sonucu s ıfıra eşitliyelim, yani

dPL

V2

2R R2 L

dR L

RL

(11-R/R i) 2

2R RL

= 1

V:-'

(1+R/R ip

R RL

R 1,2

= 0 (1-58)

(1-59)

ve buradan RL = R

(1-60)

bulunur. Bu ise yük direncinin, gücü veren şebekenin iç direncine e şit olması durumunda yük direncindeki gücün maksimum oldu ğunu anlatıyor. Yük direnci ş ebekenin iç direncine e şit olduğu zaman yükün devreye uyu ştu rulmuş olduğu söylenir. Ş ekil (1-22) deki eşdeğer devre herhangi bir şebekeyi temsil gitti ğinden sonuç bütün devrelere ayn ı biçimde uygulanır. E şdeğer-devre kavram ı= yararı , böylece, çok genel bir sonucu tamtlamay ı mümkün kılar.

ELEKTRİKSEL ÖLÇÜMLER D'Arvonsal Metresi Bugüne kadar elektrik ölçü ayg ıtlar= en çok kullanılan' yap ısuun adıyla anılan d'Arsonval metredir. Bu aygıtta bir alüminyum çerçeve üzerine sar ılmış bir kangal bir mille bir at nah m ıknatısmın kutuplan aras ına konmuştur, Şek. 1-23. İki ince helezon biçimdeki yay, kangal ın durumunu ayarlar ve ölçülecek akım da bunların üzerinden geçer. Kangala tutu şturulmuş bir gösterge, kangaldan geçen ak ım ile mıknatısın magnetik alanı arasındaki etkileşme sonucu kangal dönerken, akımı ölçekte gösterir. Yumuş ak demirden bir kutup parçası mıknatısın kutuplan aras ına konulmuştur. Böylece kangal ın kenarları yarıçapsal olarak yönelen alan içinde hareket eder. Bu aygıtta göstergenin sapmas ı kangaldan geçen ak ımla do ğru orant ılıdır. Aygıtın duyarlığı, yani verilen bir akıma göre sapmas ı, mıknatısın. mag-

27

TEMEL ELEKTRONIK

Ba ğlama -yerleri Ask ı -yaylar ı Şekil 1-23. D'Arsonval metrenin temel özelliklerinin gösterimi.

netik alanını artırarak, kangahn yüzeyi ııi artırarak, kangaldaki sarm ılarm sayısını artırarak veya yaylar ın kuvvete karşı dönme katsayısım azaltarak geliştirebilir. Kangahn büyüklü ğüne ve buna göre yayla= mekanik sertli ğine dikkat edilir,' çünkü zayıf yaylarla as ılan büyük bir kangal mekanik bir sarsma veya titreşimle bozulabilir. Yine duyarl ığı artırmak için tel sarımların sayısının gereğinden çok yapılması istenmeyen bir durumdur, çünkü bu durumda kangalın direrıci de artar. Bu durum sonraki bir kesimde aç ıklandığı üzere cihaz ın çalışmasını tersine etkiler. Magnetik alan, bilinen do ğal mıknatıslarm alanı kadardır. Bu suurlamalara ra ğmen çoğu d'Arsonval metreler 10 -3 A (1 miliamper, mA) kadar, bunun da ötesinde 50 x 10 -6 A (50 ınikroarnper, gA) kadar akımlar için bile ölçe ğin tamamı kadar sapma gösterir. Kümeler halinde yapılan laboratuvar cihazlar ı maksimum duyarlıkta yapılır ve 10 x 10 -12 A (10 pikoamper, pA) ölçebilirler. Ampermetre ve Voltmetreler D,Arsonval metre akıma duyarlı bir cihaz veya ampermetredir. Ço ğu kez tam ölçek sapması için gerekli akımın değiştirilmesi ve böylece ampermetrenin yararlı olacağı akımlar bölgesinin genişletilmesi gerekli olur. Bu i ş akımın bir kısmını şek• 1-24 de çizildi ği gibi paralel bir dirençten geçirmekle yani ak ımın bir kısmının yolunun değiştirilmesiyle ( şöntlemek) yapılır. Ampermetrenin kangahn ın direncinin açık olarak R m ile gösterildi ğine dikkat ediniz. Kirchhoff kuralları uygulanırsa ve Im R m = IsRs yazılır, böylece bulunacak akım,

= Im

IMRM

Rs

— I in (1

Rm Rs

(1-61)

23

DO Ğ RU AKIM DEVRELERI

R, Şekil 1-24. Ampermetrenin iç direncine paralel bir şönt direnci kullanarak ölçü bölgesinin geni şletilmesi.

dir. Örneğin, eğer şönt direnci ampermetrenin direncinin dokuzda biri ise 1 + R m f Rs == 10 dur ve böylece tam-ölçek sapmas ı durumunda ampermetrenin ölçe ği on kez artırılmış olur. - Çoğu kez aınpermetrenin direncinin devreye etkisinin gözönüne al ınması gerekli olur : İç direnci R m, olan bir ampermetre ile Şek. 1-25 deki Thevenin e ş değer devresinde Ri direncindeki ak ımın ölçülmesinin istendi ğini varsayahm. Ampermetrenin de devreye kat ılmasıyla alum,

^-■

Şekil 1-25. Ampetmetrenin direncinin devredeki ak ıma etkisi.

=

V

R+RL-1-Rm

(1-62)

olur. .Rin < olmadıkça ampermetrenin gösterdi ği akını gerçek ak ımdan farklıdır. Bundan ötürü ampermetrenin iç direncinin küçük olmas ı istenir. Öte yandan iç direnç, devre dirençle ı i ile karşılaştırıldığında küçük de ğilse ampermetrenin direncinin bozucu etkisini do ğrulamak ve gerçek ak ımı bulmak mümkündür. Bir ampermetrenin tam-ölçek sapmas ı ampermetrenin R m direnci üzerinde Vm .---:Rml gibi bir gerilim meydana getirdiğinden bir d'Arsonval metre ayn ı zamanda bir voltmetredir. Gene verilen bir voltmetrenin ölçü bölgesini cihaza seri bir direnç ba ğlayarak de ğiştirmek yararl ıdır. Şekil 1-26 daki devreye bakarak ölçülecek gerilim için

V =-- i m (Rm+ Rs)

(1-63)

TEMEL ELEKTRONIK

29

Şekil 1-26. D'Arsonval metrenin seri direnç katlay ıcısı kullanarak voltmetre olarak kullan ılması .

yazılır. Açıkça görülüyor ki Rs verilen bir cihaz ın maksimum tam sapma gerilimini artırmaktadır. Uygulamada böyle çeşitli seri direnç katlayıaları konarak, verilen bir cihaz ın geniş bir gerilim bölgesinde kullanılması sağlanır. Bir voltmetrenin bağlı olduğu devre üzerine etkisi ayn ı ampermetre durumunda olduğu gibi dikkate alınır. Çünkü voltmetrede de göstergenin sapması için küçük bir akım gereklidir ve bu do ğru akım devreden sa ğlanır. E ğer voltmetredeki akım devredeki normal akımlar yanında küçük de ğilse voltmetrenin devreyi yüklediği söylenir ve voltmetrenin bozucu etkisini kald ırarak gerçek gerilimi bulmak için voltmetrenin gösterdi ği sayılan doğrultan bir, uy, gulama yapılmalıdır. Duyarlı d'Arsonval ınetrelerin tam ölçek sapmas ı için çok küçük bir ak ını gerekli oldu ğundan bu metreler voltmetre olarak yararhd ırlar. Bir voltmetrenin duyarlığnu, iç direncinin tam ölçek sapmas ı için gerekli gerilime oran ı yani volt başına ohm olarak belirlemek yayg ın bir uygulamadır. Denklem (1-63) e göre R m Rs nin tam-ölçek sapmas ı için gerekli gerilime oranı cihazın alum duyarlığıdır ve bundan ötürü iki belirleme oldukça özde ştir. Örneğin tam-ölçek duyarlık! 1 mA olan bir d'Arsonval metre kullanan bir voltmetre 1 /10-3 = 1000 S2 /V ile de ğerlendirilir. Bu demektir ki voltmetre 100V basamağında 100000 Q luk iç dirence sahiptir v.b. Ayn ı biçimde 20000 SZ /V'luk bir voltmetrenin (50 tı-Alik bir ölçeği olan) 100 V luk basama ğında 2 megaohm (MU) direnci vardır. Bir şebekenin bir parças ının direncini bulmak için rahat bir teknik hem akımı hem gerilimi bulmak ve sonra ohm yasasina uygudamakt ır. Bu voltmetreampermetre yönetiminde iki farklı bağlama biçimi vardır (Şek. 1-27a ve b). Bu iki durum aras ında seçim aşağıdaki şekilde gösterilebilece ği gibi ölçü cihazlarının dirertçleri ile devre dirençlerinin birbirine göre büyüklü ğüne bağlıdır. Önce Şek. 1--27a aki devreyi gözönüne alal ım. Kirchhoff kurallar ından V = AR + ARA

(1-64)

'in


(e)

(b)

Şekil 1-27. R direncini ölçmek için voltmetre ve ampermetrenin iki ba ğlamş biçimi.

yazdır. Burada V ye .A metrelerden okunan de ğerlerdir. Bilinmiyen direnç

R -=

R ol

A

(1-65)

ile verilir. Bu da gerçek direnein gösterilen V / A oranı ndan küçük oldu ğunu göstermektedir. Aynı ş ekilde Ş ek. 1-271ı deki devrede A akım ı birbirine paralel R veR.v yolları arasmda bölünür ve .

Rv R Rv+RA

V

(1-66)

olur. Bilinmiyor' direnci çözersek, biraz düzenlemeden sonra R

V 1

—

1 ( V/A ) / Rv

(1.-67)

bulunur. Denk. (1-65) ve (1-67) ye göre ampermetrenin direnci, bilinmiyen dirençten (veya Vj A dan) küçük oldu ğunda birinci devre en yararl ı , ikinci devre ise voltmetrenin direnci bilinmiyen dirençten çok büyük oldu ğu zaman yararl ı dır. Her iki durumda da bilinmiyen direnç basit V IA oramyla verilir. Olumnetre ve A-Voltrnetre Ampermetre-voltmetre devresinin basit olarak geni ş letilmiş durumu, ölçe ği do ğrudan do ğ ruya ohnı. olarak ayar edilen ohnemetre olarak kullanı labilir. Seçkin bir devrede ( Ş ek. 1-28) aynı ölçü cihazı arka arkaya önce bilinmiyen direnç üzerindeki gerilimi sonra da içinden geçen ak ı mı ölçmek için kullan ılı r. Ölçü eihaz ırun do ğrudan do ğruya ohm olarak ayar edilmesi a ş ağıdaki çözüm-

TEMEL ELEKTRON İK

31

lemelerden anlaşılabilir. Önce Şek. 1-28 deki a ve b uçlannm (bunlar ohmmetreyi bilinmiyen dirence ba ğlamak için voltmetrenin tellerine ba ğlanır) kısa devre yap ıldığını varsayalım. 0 zaman voltmetre batar-yar ım gerilimi olan V yi ölçer. fr,-- Sı fır ohm ayar ı r

---°-7-----H

1) 2

(

i

v

I

Ru

Ba ğ lama telleri

+ I:

--0----2-

-o-

Şekil 1-28. Basit bir olunmetre devresi.

Bundan sonra voltmetrenin uçlar ı bilinmeyen dirence ba ğlanır. E ğer , şimdi R 1 direnci üzerindeki gerilim ölçü aleti ile ölçüldü ğünde VR okunuyorsa ohm yasasından RiJ+R1 =--

(1-68)

VR R ı

bulunur. Ru yu çözersek

Ru = R1

V , vR

1)

(1-69)

olur. Denklem (1-69) a göre bilinmiyen direnç ölçü eihaz ının iki okumasından bulunur ama ölçe ği a şağıda olduğu gibi ohm cinsinden ayarlamak daha yararlıdır. R2 değişken direnci cihaz ın uçları kısa devre yap ıldığında ölçü cihaz ının sapmasmı tam ölçek kadar yapmak için kullan ılır. Ölçek üzerinde bu tam sapma noktas ı "sıfır ohm" olarak iş aretlenir. Cihaz ın uçları bilinmiyen bir dirence ba ğlandığında göstergenin ölçeğin yarısına kadar sapt ığmı varsayalım. Bu, VR = V/2 demektir ve Denk. (1-69) a göre R u = R 1 dir. Böylece ölçe ğin ortasındaki direnç de ğeri R 1 e karşılık gelen direnç olarak i şaretlenir. Aynı biçimde ölçe ğin dörtte biri kadar sapma V j; = V I 4 dür ve 3R 1 e karşılık gelir. Göstergenin hiç sapmama durumu aç ık devre yahut sonsuz ohm durumuna gösterir. Ohmmetrenin ölçe ği, doğrudan do ğruya ohm cinsinden olduğundan güçlük olmamasına rağmen doğrusal değildir.

Denklem 1-69) a göre ohmmetrenin ölçe ğinin ortas ı R 1 e bağlıdır. Buna göre farklı R 1 değerleri seçerek geni ş bir bölgede bilinmiyen dirençleri ölçmek mümkündür. Denklem (1-69) cihazdan geçen ak ımı ihmal etmektedir. Ama bu durum R 1 in büyük olduğu yüksek direnç bölgelerinde do ğru olmayabilir. Bundan ötürü uygulamadaki Ohmmetre devreleri Şek. 1-28 de açıklanan temel devreden biraz farkl ıdır. Fakat çalışma ilkesi aynıdır. Bir ohmmetrenin çalışma durumunda olan bir devrede direnç ölçmek için kullan ılmıyacağma

3?


dikkat ediniz. Çünkü bu durumda IR düş meleri do ğru olmayan ölçmelere neden olurlar. Bir voltmetre, bir ampermetre ve bir ohmmetrenin yapt ığı işleri bir cihazda toplamak yararl ıdır Çünkü bunların üçünde de bir 'D'Aarsonval metre vardır. Ço ğu kez A V-metre veya VOM (volt-ohm.-miliampermetre) denilen böyle bir cihazda düğmeler ve çeşitli bağlantı yerleri cihaz ın çahşma bölgesini ve fonksiyonuııu gösterirler Şek. 1-29 Baki devre dört gerilim bölgesi iki ak ım

1,75 M(:?. 1000 0 300

Ohirı

11

5V '

S ıfır olun ayar ı -

o

o 0,4 mA Tam ölçek Ç) 620 S1 29

Şekil 1-29. Basit bir volt-ohm -miliampermetrenin (VOM) devresi.

TEMEL ELEKTRONIK

33

bölgesi ve bir ohın bölgesi olan basit bir cihazd ır. Devre çizimi üzerindeki hağıntıları dikkatle izliyerek her çe şit kullarn ş için iş gören devreleri çizmek ve böylece devrenin çözümlenmesini daha alt devrelere bölmek mümkündür. Şekil 1-29 daki VOM devresinde çok uçlu olan ve mekanik olarak birlikte hareket edecek biçimde yap ılmış üç konumlu bir dü ğme vardır. Daha iyi VOM -metrelerin ek bölgeleri ve ba şka işle ı görmek için daha karışık düğme düzenleri vard ır.

KAYNAKLAR A.M.P. Brookes: "Basic Electric Circuits" The Macmillan Company -, New York 1963 Leigh Page and Norman Ilsley Adams: "Principles of Electricity", D.Van Nostrand Company Inc., Princeton, N.J., 1931. M.E.Van Valkenburg: "Network Analysis", Prentice-Hali, Inc., Englewood Cliffs N.J., 1955

ALIŞTIRMALAR 1-1 1 m uzunluğunda ve 0,5 mm çap ında bakırbir telin direncini hesaptayin. Aynı problemi nikrom tel için çözün. Cev : 8,65.10-25); 5,152 1-2 1-W ve 1 1V152 luk bir dirençte bulunabilecek maksimum ak ım nedir? 1 2

W ve 10 000 5-2 luk dirençteki maksimum ak ım nedir ? Cev :,10 -3 A; 7,07 x 10 -3 A.

1-3 Bir elektrik fenerinin kuru pilinin maksimum ak ımı 0,5 A olarak verilirse pilin iç direnci nedir? Bir otomobil bataryas ının bu durumda verdi ği maksimum aklın 500 A ise iç direncini pilinki ile kar şılaş tım. Cev: 3S2 ; 4,2 X 10-3 52

1-4 Şek. 1-7a nın R i ve R2 dirençli bakır telleri ile R 3 yüküne ba ğlı bir bataryayı güç kayna ğı olarak temsil etti ğini varsayın. E ğer V = 10 V, yük 552 ve teller 0,5 mm çap ında ve 100 m uzunlu ğunda teller ise ak ınn, yüke verilen gücü, tellerde kaybolan gücü ve yük direnci üzerindeki gerilimi bulun. Cev : 1,07 A; 5,7 W; 4,9 W; 5,4 V

1-5 Batarya gerilimi 10 V ise ve ç ıkıştan akını ahnnnyorsa ç ıkış gerilimleri 1,0; 2,0; 5,0 ve 10,0 V olan bir gerilim bölücü çizin ( Şekil 1-8)

1-6 1000 5-2 ve 10 W hk eşdeğer bir direnç elde edebilmek için 1W l ık özdeş dirençlerden kaç tane gereklidir ve de ğerleri nedir? İ ki farklı çözüm elde edin.

31

DOĞRU AKIM DEVRELER İ

Cev : 10 tane 10 k0 luk paralel ba ğlı direnç; 10 tane 2,5 kS2 luk seri paralel direnç. 1-7 Şekil 1-10a daki her dirençten geçen ak ımı buluntu. Dirençlerdeki 12 R kayıplarmın bataryanın verdiği güce e ş it oldu ğunu kan ıtlayın. Cev : R 1 ve R, de 2 amp; R3 ve R4 de 1 amp; R 5 ve R 6 da 0,5 amp.

1 - 8 Şekil 1--30 da R 1 ,,, 2S2 R 2 = 5 SL, R 3 = 2 S), R4 = 5 S2 R5 = 10 S-2 ve V

10 V ise bataryam sa ğladığı toplam akımı bulun.

Cev : 2,18 A

Şekil 1--30.

1 - 9 Şekil 1-31 deki şebekenin giriş uçları aras ındaki direnci bulun. 4 S) luk dirençteki ak ımın 1 A olması için giriş e uygulanacak gerilimi bulun.

Cev : 8 .(2, 72 V 2

2

2

2

2

Çiki ş

-

MAr 2

vvv__ _vvv_

J

2

2

2

Şekil 1-31. 1-10 Kirclıhoff kurallar ını kullanrak Şek. 1-32 deki şebekede bulunan 4 L2 luk

dirençteki ak ımı bulun. Cev 0,12 A 2

ı ni il r-

3

-

2

4

2

Şekil 1-32.

35

TEMEL ELEKTRONİK

1-11 Şekim 1-33 deki devrede her dirençteki ak ımı bulun. Ceza : 1,15 A; 0,883 A; 0,267 A

5

2

T+

V

Şekil 1-33.

1-12 Wheatstone köprüsünde ( Şek. 1-13) denge durumunda I5=0 olduğunu gözönüne alın. Bu ş art ı kullanarak köprünün kollar ındaki gerilim farklar ım ve denge ş artım, Denk. (1-46), bulun.

1 13 Ş ek. 1-14 deki Wheatstone köprüsü ş ebekesini R 5 direncinde sadece bir tek alum olacak biçimde ilmek ak ı mların' çizerek çözün. Denge ş artını türetmek için bu ak ım için elde etti ğimiz eşitliği kullanın -

1 14 Şek. 1-13 deki Wheatstone köprüsünde R 1 -

V -= 10 V ve

R2 = 100 n,

R4 = 100Ü,

R 3 ü ayarlı de ğişken direnç olarak ahn ız. Dedektör,

R 5 = 100

S2, üzerindeki gerilimi dengeye yak ın bir bölgede R3 ün fonksiyonu olarak çizin. Problemi R 1 = R, .= 1000 Q için yineleyin. Hangi durum daha duyarlıchr ? Cev : İ lk durum

1 15 Şek. 1-34 deki bilinmeyen şebekede yük ak ımı ve yuvarlak işaretler arasındaki gerilimin deneysel de ğerleri Çizelge 1-2 de verilmi ştir. E ğer 1000 Q /V luk voltmetre 1 V ölçe ğinde kullanılmış sa verilen bu de ğerlerden Thevenin eş değer devresini bulun. V nin fonksiyonu olarak yükteki gücü / V, ve ölçiilen direnci, //, çizin ve maksimum güce kar şıhk gelen noktadaki yük direncini • R„ ile kar şılaştım. -

Cev : 67 Q; 0,5 V; 65 Q ; 55 Q

V e,

J Şekil 1-34.

36

DOĞ RU AKIM DEVRELERI GİZELGE 1-2. 1 mA

V Voit

0 (RL = °C) 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 6,4 (RL = 0).

0,463 0,405 0,342 0,279 0,216 0,153 0,090 0,064

1 16 İç direnci 1000 Q olan 50 (J. A lik bir ampermetre için e ğer istenilen akım bölgeleri 10 mA, 100 mA, 1 A ve 10 A ise Şek. 1-35 de oldu ğu gibi bir Ayrton şöntü yapın. -

Cev : 4,523 Q; 0,4523 Q; 4,523 x 10 -2 Q; 5,025 x 10 -3 Q

Şekil 1-35.

1 17 Şekil 1-25 de R = 1000 Q; RL = 5000 Q ve R,;, = 1000 Q oldu ğunu var-

sayın. E ğer iş aretlenen ak ım 1,5 mA ise ampermetre yok iken gerçek ak ım nedir? Cev : 1,75 mA

1 18 Bir devrede 20 000 Q /V'luk bir voltmetre ile 500 V ölçe ğinde ölçülen -

gerilim 200 V tur. 100 V ölçe ğinde okunan gerilim ise 95 volttur. Gerçek gerilim nedir ? Cev : 278 V

1 19 E ğer voltmetre 1000 Q /V'luk ampern ı etrenin iç direnci 100 Q, "bilinmiyen" direnç 1000 Q ve uygulanan gerilim 10 V ise Ş ek. 1-27 deki voltmetreampermetre yönteminin iki çe şit diizenlenişin.de ölçii cihazlarının gösterdi ği değerler nedir ? İ ki düzenleni şten hangisi daha uygundur? -

Cev 10 V, 9,1 x 1.0-3 A; 9,008 V, 9,92 x 10 -3 A; b devresi daha iyidir. 1-20 Denklem (1-69) daki .R 1 = 10 000 Q olduğunu varsayarak bir ohmmetreyi ölçeklendirin.

BÖLCM I-Kİ

Alternatif A kımlar

Kullanılan elektronik devrelerin çoğunda akı mlar ve gerilimler kararlı değildir ve zamanla değişirler. Örneğin bir devre fiziksel nitelikleri ölçmek için kullan ıldığında, diyelim kimyasal bir tepkimenin s ıcaklığının ölçülmesinde, devrede s ıcaklığı temsil eden gerilim veya dam anlaml ı bir biçimde değişebilir. Ayn ı şekilde çekirdek parçalanmalarının ölçühnesi bir seri hızlı ve zamanca k ısa genişlikte gerilim pulSlarının algılanması demektir. Bu olayları anlamak için zamana göre değişen akımların özelliklerini incelemek gerekir. Zamana göre en basit değişen akım önce periyodik olarak değiş en akımehr ve bundan ötürü alternatif akım, a.a., olarak adlandırıhr. Kuşkusuz bir a.a. devresi alternatif akımların etkin olduğu bir devredir ama aynı zamanda bu devrede doğru akı mlar da bulunabilir. Geçen bölümde d.a. devreleri için ortaya koyduğumuz bütün kavramlar a.a. devrelerine de uygulanabilir. Dirence ek olarak alternatif aletin devreleri nde iki yeni eleman önemlidir ve bunlar bu bölümde incelenecektir,.

38

ALTERNATİF AKIMLAR

SİNİSEL İŞARETLER Frekans Gerilik ve Faz En basit alternatif dalga biçimi zamana göre de ğişen sinüs-dalga gerilimi veya akımıd ır. Sinüsel bir dalgabiçimi Şek. 2-1 de oldu ğu gibi saat iğnelerinin tersi yönünde düzgün co aç ısal hızıyla dönen bir vektörün dü şey bileşenlerinin değişmesiyle oluşur. Tam bir dönmeye bir devir denir ve bir devir için gerekli zamana periyod, T, denir. Saniyedeki devir sayısına frekans, f, denir ve frekans periyodun tersidir. Elektronik devrelerde kar şıla şılan frekanslarm büyüklüğü çoğu kez saniyede birkaç devir kadar küçüktür ve radyo dalgalarm ın bulucusu Heinrich Hertz'in onuruna Hertz (Hz) olarak adland ırıhr. Frekans bölgeleri kilohertz (kHz, 10 3 Hz), megahertz (MHz, 106 Hz) ve gigahertz (GHz, 10 9 Hz) den daha büyük olabilir.

7r/2

7r-t-

37r/2

T

Şekil 2 1. Dönen bir vaktörün dü şe). bileşenlerinin sinüs dalgasını oluş turuşu. -

Tam bir devir 2 7r ı adyan olduğundan ve bunun için T saniye gerektiğinden açısal frekans o> = 27cf dir. E ğer dönen vektörün uzunlu ğu Vp ise herhangi bir t anmdaki ani de ğeri Vpsinot dir, burada Vp sinüs dalgas ımn maksimum veya tepe degeridir. Frekanslar ı aynı olan fakat farkl ı zamanlarda s ıfırdan geçen iki sinüs dalgasmın faz dışı olduğu söylenir ve dönen iki vektör aras ındaki açıya faz açısı denir Şekil. 2-2 de v2 gerilimi v j sinüs dalgas ından ileridediı , çünkü daha önce sıfırdan geçiyor ve faz fark ı l açısıdır. İki sinüs dalgası arasında faz açısının yalnız bu iki dalga ayn ı frekansl ı olduğu zaman belirlenebilece ğine dikkat ediniz. Bir sinüsel gerilim dalgas ı, aynı frekanslı başka bir işaretle karşılaştırılmadığında, frekans ı ve genliğiyle tam olarak belirlenir. Bu du ı uma göre gerilim için en genel denklem faz aç ısını bulundurmalıdır, yani Vp sin

)

(2-1)

39

TEMEL ELEKTRONİK

aı

Şekil 2-2. İ ki sinüsel gerilim arasındaki faz açısınuı açıklanması.

yazılmalıdır. Küçük harflerin zamanla de ğişen gerilimleri (ve akımları) göstermek için, büyük harflerin ise sabit de ğerleri veya d.a. nieelilderini göstermek için kullanıldığına dikkat ediniz.

KOK değeri Ço ğu kez sinüs-dalga ak ımının büyüklüğünün doğru akımla karşılaştırılması gerekli olur. Bu durum iki ak ımın bir dirençte olu şturdukları joule isminin karşılaştırılması ile yapılır. Yani sinüsel ak ımın etkin değeri kendisi kadar joule ısısı sağlayan doğru akımın değerine eşittir. Bu de ğeri bulmak için alternatif akımın ısıtıcı etkisi tam bir devir s ırasındaki 12 R kayıplarmın ortalaması alınarak hesaplanır. Yani ortalama güç P

i2Rdt

I2PR T

T

1-2 R

j. sin2cot dt = P-T o

t 2

sin2eıt 4w

T

I2P R

o

2 (2-2)

ile verilir. Bir dirençte do ğru akımın oluşturduğu joule ısınması /2R ye eşit olduğundan alternatif ak ımm etkin değeri I, basit olarak 2R R = Ip 2

(2-3)

veya Ip (2-4) dir. Denklem (2-4) e göre bir sinüs dalgas ınm etkin de ğeri tepe de ğerinin karekök ikiye bölünmüş değerine eşittir. Etkin değere ço ğunlukla kare ortalaması karekök (kok) denir. A.a. işaretler ölçebilen voltmet ı e ve ampermetreler, d.a. ölçü cihazlar ının ölçüleri ile karşılaştnıhrıayı kolayla ştırmak için hemen hemen evrensel olarak kok cinsinden ayar edilmi ştir. Aksi söylenmedikçe alternatif akımların ve gerilimlerin kok de ğerleriyle belirtildi ği anlaşılır.

40

ALTERNATIF AKIMLAR

Güç Çarpanı Bir devrenin bir parças ı için akını ve gerilimin i = .1p sin o.ıt v = Vp sin ("wt4--

(2-5)

ile verildi ğini varsayal ım, burada faz aç ısı , akım ve gerilimin aynı fazda olmayabilece ğini hesaba katmak için konulmu ştur. O zaman ani güç p, p = vi =

VA)

sincot sin(cot+

. (2-6)

dir. Denklem (2-6) ya göre devrenin bu parçasn ı.daki ani güç zamanla değiş mektedir ve ş ek. 2-3 deki dalga biçimleriyle aç ıklandığı üzere negatif bile olabilir. Denklem (2-6) daki negatif güç, devrenin bu parças ının bir devrin bir kısmı süresince geri kalan parçalara elektrik gücü verdi ği biçiminde anla şılır. Devre, devrin geri kalan zaman ı sürecinde gücü incelenen parçaya verir.

Şekil 2-3. Bir a.a devresinde ani güç.

Ortalama güç Denk. (2-6) n ın tam bir devir üzerinden ortalamas ını alarak bulunur, yani P=

1

VpIp

dt

T o

T

sinaıt sin (cot+

) dt

(2-7)

O

dir. İntegral i ş areti altındaki ikinci çarpan bilinen trigonometrik özde şlik kullarularak aç ılır ve P=

VpIp (

T

cos o o

T

sin2cot dt+sin 0 i --- sin2a ıt dt ) o

(2-8)

yazılır. İki integral de bilinen biçimdedir ve do ğrudan do ğruya de ğerleri bulunursa P—

VpIpCOS

2

P = Vi cos

elde edilir, burada V ve 1 kok de ğerleridir.

41

TEMEL ELEKTRONIK

Denklem (2 - 10) un anlamı alternatif ak ını devrelerinde yararl ı gücün akım ve gerilimden başka bunlar aras ındaki faz fark ına da bağlı olduğudur. Cos o' terinimine devrenin güç çarpanı denir. Faz açısı 90°olduğu zaman güç çarpanın ın sıfır olduğuna ve yararlı elektriksel gücün iletilmedi ğine dikkat ediniz. Bundan ötürü ortalama gücün s ıfır olmasına ra ğmen akımın ve gerilimin çok büyük ve bunun sonucu olarak ani gücün büyük olması mümkündür. Öte yandan akım ve gerilim ayni fazda ise giiç çarpam birdir ve güç, bir d.a. devresinde olduğu gibi akımla gerilimin çarpımına eşittir. SIĞA VE İNDÜKTANS Sığasal Reaktans Aralarında dar bir hava aral ığı ile ayrılmış paralel iki metal levhanm bir bataryarım uçlarına bağlandığı durumu dikkate alal ım. Levhalar aras ında bataryanm gerilim farkı kadar bir gerilim oluşur ve bataryanın pozitif ucuna ba ğlı levhadaki pozitif elektrik yükü negatif uca ba ğlı levhadaki negatif elektrik yükün doğru çekilir. İki levhanın elektrik yükü tutma sığası gerilimle orantılıdır, yani (2-11) Q = CV dir. Burada C bir orant ı katsayısıdır ve sığa denir. Sığa ,iki paralel levha durumunda olduğu gibi büyüklüğe, biçime ve iki iletken aras ındaki uzakl ığa bağlı geometrik bir çarpand ır. Sığa a.a. devreleri için önemlidir, çünkü zamanla de ğişen gel-ilimler yüklerin zamanla de ğiş mesine neden olur ve bu de ğişim de bir akıma eş değerdir. Örneğin Denk. (2-11) in her iki yan ının zamana göre türevi al ınıp akımın Denk. (1-1) ile verilen tan ımı kullanılırsa,

.

=

dq =. C di

dv dt

(2-12)

olur. Özel olarak eğer gerilim sinüsel ise s ığadaki akım da

i

C

dt

(Vpsinu ıt)---=o£Vp cosoıt-,---aıCVp sin (eıt-t-' —1 (2-13) 2

sinüseldir ve gerilimden /2 kadarl ık bir faz açısı kadar ileridedir. Denklem. (2-13) kok de ğerleri cinsinden aıC

(2-14)

yazılabilir. Bu denklem bir dirençteki ak ıma oldukça benzer biçimde bir kendansatördeki ak ımın uygulanan gerilim ile artt ığını gösteriyor. Gerçekten Denk. (2-14), Denk. (1-4) ile verilen Ohm yasas ına oldukça benzemektedir. Ak ım ve gerilim arasındaki 1 /WC orant ı katsayısına sığasal reaktans denir. Sığasal

42

ALTERNATIF AKIMLAR

reaktans d.a. devrelerindeki dirence benzemektedir, yaln ı z bir farkı vardır, frekansla azalmaktad ır. Sığasal reaktans da ohm cinsinden ölçülür çünkü o da gerilimin akıma oranıdır. ,

Kondansatörler Belirli sığa de ğerleri olan devre elemanlarına kondansatör denir. Elektronik devrelerde kullanılan kondansatörlerin ço ğu küçük bir hava arah ğı veya ince bir yahtkanla ayr ılan iki iletken levhadan olu şur. Böyle paralel levhal ı bir kondansatörün s ığası levhaların yüzeyini büyük ve aralar ındaki uzakhğı küçük yaparak büyütülebilir. S ığa birimine Michael Faraday' ın onuruna farad denir. Gerçekte elektronik devrelerinde kullan ılan uygun sığalarm değerleri 10-6 farad (1 mikrofarad, ,ıı F) ve 10 -12 farad (1 pikofarad, pF) mertebesindedir. Demek oluYorki paralel levhalar aras ındaki yalıtkan madde bir kondansatörün s ığasını art ırmaktadn, çünkü yalı-ika!" madde verilen bir gerilim için levhaların daha fazla yük almas ını sa ğlar. Sigaram art ışı yal ıtkan maddenin dielektrik sabiti ile laasaplarur. Örne ğin mikanın dielektrik sabiti 6 ve ka ğıelınki 2 dir ve bundan ötürü bu maddelerden yap ılan kondansatörlerin s ığaları levhalarunn aras ında hava bulunan paralel levhal ı kondansatörlere göre s ırayla 6 kat ve 2 kat daha büyüktür. Alışılmış kondansatörler ka ğıt yahut mika gibi ince bir yabtkan veya dielektrik madde ile birbirinden ayr ılan iki ince metal yapraktan yap ılır. Bu sandviç sonra küçük bir hac ım kaplayacak biçimde sarılmış veya kıvrılmış ve bir yalıtkanla sar ılmıştır. Her metal yapra ğa eksen do ğrultusunda bir tel tutu şturulmuştur. S ığayı artırmak için yalıtkan ın mümkün oldu ğu kadar ince olması istenir. Bu da ancak şiddetli elektrik alan ı yüzünden yalıtkan bozulmadan uygulanabilecek maksimum gerilimin sınır değerine göre yap ılabilir. Önemli bir ba şka etken dielektri ğin özdirencidir. İnce, büyük yüzeyli şekiller, levhalar aras ındaki sızıntı dirençlerini artırır ve böylece s ığayı azaltır. Mika ve kağıt dielektrikli kondansatörler 0,001 den 1 a kadar olan s ığa bölgesi için kullanılır ve maksimum geriliminin yüzlerce volt mertebesinde oldu ğu devrelerde Seramik ve plastik-zar kondansatörleri de kullan ışlıdır ve bunlarda genellikle metal-zar levhalar do ğrudan do ğruya dielektrik üzerine kaplan ır. Plastik dielektriklerin çok yüksek özdirençleri vard ır, yani sızıntı dirençleri son derece küçüktür. Birçok seramik maddenin dielektrik sabitlerinin büyük olu ş u küçük bir paketçi ğin büyük sığalar olu şturmasına neden olur. Birçok uygulamada ve bu arada en çok transistörlü devrelerde çok büyük sığa değerleri aran ır ve sızmtı dirençleri ikinci derecede kal ır. Oksitlenmiş bir metal yaprağın iletken bir hamur veya çözdü içerisine konulmas ıyla

TEMEL ELEKTRON İ K

13

yapılan elektrolitik kondansatörler büyük s ığ alar elde etmek için kullan ıhriar. İnce oksit zar, metal yaprak ile - çözelti aras ı ndaki dielektrik maddeyi olu ş turur. Zar son ölçüde ince oldu ğundan s ığ a oldukça büyük olur. Tantalu ın alüminyum gibi çe ş itli metaller elektrolitik kondansatilrlerde kullan ılır ve bunların s ığaları 10 4 uF a kadar yap ılabilir. Oksit dielektrik çok ince oldu ğundan en büyük s ığalar uygulanan gerilimin birkaç voltu a ş madığı devrelerde kullanılı r Eloktrolitik kondansatörler sadece metal yaura ğın. çözeltive göre hiç bir zaman negatif olmad ığı devrelerde kullan ılır. E ğer metal negatif olursa elektrolitik etki, zar ı bozar ve .kondansatör kullan ılamaz duruma gelir. Baz ı seçkin kondansatörler Şek. 2--4 de gösterilmi ştir.

Şekil 2-4. Seçkin kondansatörler(Sprague Electric Company)

Ço ğu kez kondansatörii devreden ç ıkarmadan de ğerinin de ğiş tirilmesi kolayhk saklar. Yukarıda belirlenen sabit kondansatörlerdir, çünkü s ığalarının değiştirilmesinin kolay olmadığı açıktır. Yaygın olarak kullan ılan değişken kondansatörler birbiri aras ına geçen iki levha tak ımından oluş ur ve takımlardan birisi hareketsiz ötekisi ise bir mile ba ğlannu şlard ır. Milin döndü rülmesi levhalar ın karşı karşıya gelen yüzeylerini de ğiştirir ve bunun sonucu olarak sığa da de ğişir. Dielektrik madde hava oldu ğundan ve levhaların dokunmamasıru garanti etmek için aral ıklarının büyük yap ılmas ı gerekti ğin.den bunlarla elde edilen maksimum s ığa 500 pF dır. Levhalar ın birbiri aras ı ndan tam çıkması durumunda s ığa 10 pF lık minimum de ğer alabilir. değişken kondansatörlerde dielektrik olarak mika kullan ılır. Levhalar aras ındaki Uzaklık bir tornavida ile de ğiştirilir. Bunlar s ığanı n de ğiş tirilmesinin her zaman gerekmedi ği yerlerde kulland ırlar ve s ığaları hernen hemen hava dielektrikli kondansatörlerin s ığalarnun aynıdır.

44

ALTERNATIF AKIMLAR

Konclausatörlerin devre çizi ınlerindeki gösterimleri Şek. 2-5 de aç ıklandığı üzere paralel-levhal ı yapım biçimindedir. Biraz e ğri çizilen levha elektrolitik kondansatörlerde negatif ucu ve metal levhah kondansatörlerde d ış levhayı göstermektedir. Bu bazen elektronik devrelerde kondansatörün uygun bağlanması için anlamhdın Metal levhalı kondansatörler kutuplara dikkat edilmeksizin ba ğlanabilirler.

( b)

(a)

Şekil 2-5. (a) sabit ve (b) de ğişken kondansatörlerin devredeki gösterimleri.

Indiiktif Reaktans Herhangi bir elektrik devresindeki ak ıma bu akımın etrafını saran bölgede oluş an magnetik alan eşlik eder. De ğişen bir akımdan doğan magnetik alandaki değişiklikler devreye bir emk indükler ve bu v=L

di dt

(2-15)

ile verilir. Burada L ye indüktans denir. İndüktans devrenin büyüklü ğüne, biçimine ve çevredeki maddelerin magnetik özelliklerine ba ğli geometrik bir sabittir. İndüklenen emk akımlardaki de ğişmelere zıt olarak davran ır ve ve Denk. 2-15 e göre akımın de ğişme hızıyla artar. Bu demektir ki devrenin indüktansı devı edeki akımın ani değişikliklerine engel olur. Basit devrelerin indüktans ı küçüktiir ve bundan ötürü indüklenen emk'i ço ğunlukla ihmal edilir. Bu durum , çok yüksek frekansl ı elektronik devreler yani akımın değişme hızının son derece büyük oldu ğu devreler dışarlamrsa doğrudur. Böyle yüksek frekanslarda kullan ılan devreler indüktif etkileri minimum yapmak için mümkün oldu ğu kadar küçük yapılır. Bunun tersine göze çarpacak kadar büyük indüktansh elektrik bile şenleri yapmak da mümkündür bunlar a.a. devreleri için çok yararl ıdırlar. Böyle bir indüktansta sinüsel bir akım dikkate alalım. İndüktansta oluşan emk'i de Denk. (2-15) e göre d .7t v = L -- (Ip sin wt) o ıLIp ciswt = coMpsin( (ot + 2 dt

•

)

(2-16)

sinüseldir ve bu durumda akım geriliminden aı /2 lik faz açısı kadar geridedir. Denklem (2-16) kok de ğerleri cinsinden yaz ıhrsa (2-17) V = coLI olur. Bu denkleın indüktanstaki alternatif ak ımın aynı bir direnç ve bir sığa

TEMEL ELEKTRONIK

45

durumlarında olduğu gibi uygulanan gerilimle arttığını gösteriyor. coL niceliğine indüktif reaktans denir ve ohm'la ölçülür. Indüktif reaktarısın büyüksığasal reaktaus ın tersine, frekansla artt ığına dikkat ediniz Indüktanslar Göze çarpacak kadar büyük indiiktans ı olan elektriksel bile şenlere indüktör veya indüktans yahut bazı uygulamalarda şok bobini denir. Bunlar ayn ı desteğin üzerine yanyana sar ılmış birçok tel sarımlarından oluşur. Bu ş ekilde her bir küçük kangal, ak ımın oluşturdu ğu magnetik akıyı öteki kangallara iletir ve tüm kangallarm birlikte tuttuklar ı toplam akı büyük yap ılabilir. Indüktansm birimine, indüktif etkilerin ilk ara ştıncılarından Amerikal ı Joseph Henry'nin onuruna, henry denir. Yüksek-frekansh elektronik devrelerde 10 -6 henry (mikrohenry, ı ii) mertebesinde indüktanslar vard ır ve bunlar helis biçiminde birkaç sai ımdan oluşan ve 1 em çaplı bir destek üzerine sarılan kangallar olabilir. Bir kaç sar ım 10-3 henry (milihenry, mH) mertebesinde indüktans olu şturur. Alçak frekanslarda kullanmak için büyük indüktanslar demir gibi ferromagnetik bir maddeden bir çekirdek üzerine telden yüzlerce sar ım sararak elde edilir. Bu maddelerin magnetik özellikleri magnetik ak ıyı hissedilecek kadar art ırarak biçimdedir. Bu şekilde birkaç yüz henrylik indüktanslar elde edilebilir. Çe şitli seçkin indüktanslar Şekil 2-6 da gösterilmi ştir. Demir-çekirdekli indüktanslar ın çekirdekleri de ğiş en magnetik ak ının metal çekirdekte olu şturduğu akımları azaltmak için yaprak yaprak yap ılmıştır. Bu önlem çekirdekte girdap akımları denilen akımların /2R kayıplarını azaltır. Her yapraklar birbiri üzerine yap ıştırılmış ve çekirdeği istenilen büyüklükte yapmak için yalıtkan bir vernikle ayrılmışlardır. Bir indüktansm devrede gösterimi Şek. 2-7 de görüldü ğü gibi helis biçiminde bir kangald ır. Şekil 2-7 de de gösterildi ği gibi helis biçimindeki kangala paralel çizgiler magnetik çekirdeği göstermektedir. Değişken indüktanslar sar ımlarm bir kısmını ötekilere göre hareket ettirmekle yap ılır, fakat bu çe şit elemanlar çok kullandmaz ve ço ğu indüktanslar sabittider. Birçok uygulamada verilen bir a.a. devresinde şokun etkisini hesaplamak için tellerin direncini ve sar ım sıraları arasındaki sığayı hesaba katmak gerekir. Basit bir indüktansdaki dirençli bile şen, çekirdekte hızla de ğişen magnetik alan yüzünden magnetik maddedeki güç kay ıplarını da içerir. Önceden de söylendiği gibi metal çekirdekler girdap ak ımları kayıplarını azaltmak için yaprak yaprak yap ıhr ve bu yapraklarm kalınlığı indüktansm maksimum yararlı frekansım belirler. Küçük demir tozlarından yapılan demir çekirdekli durumuyla bu teknik uygun sinir de ğerine varmaktad ır. Büyük öz-dirençli ferromagnetik maddelerden yap ılan ferrit çekirdekler yüksek fre-

ALTERNATIF AKIMLAR

Şekil 2-6. Elektronik devrelerde kullan ılan seçkin indüktanslar C.and Essex international, Inc.)

(e) Şekil 2--7. (a) .indüktans, (I)) demir-çekirdekli indüktansm devredeki gösterimleri.

kansiarda kullan ılır, çünkü direncin büyük olması bunların girdap-ak ım kayıplarını önemsiz duruma dü şürür. Bu çe şit maddeler alçak frekanslarda demir kadar kullam şh değildir, çünkü mıknatıshk doyum etkileri indüktansın maksimum güç düzeyini s ınırlar.

TEMEL ELEKTRON EK

47

BASİT DEVRELER RL süigeci Bir direnç ve bir indüktans ın seri ba ğlanışı basit fakat yararl ı -bir a.a. devresidir. Böyle bir RL süzgecinin Ş ek. 2-8 deki devre çiziminde yuvarlak için' deki bir devirli sinüs dalgas ı ile gösterilen bir sinüsel gerilim kayna ğına ba ğlandığını varsayahm Devredeki ak ım ve gerilim a ş a ğıda aç ıklandi ğı biçimde bulunur. Kirehhoff kurallar ına göre ilmek boyunca gerilimlerin toplam ı her an için sıfır olmalıdır. Bu, kaynak geriliminin indüktans üzerindeki gerilim ile direnç üzerindeki IR düş melerinin toplam ı na e şit olmas ı yani,

L

Şekil 2--8.

v = Ri+L

di dt

(2-1 8)

olması demektir. Akımın sinüsel ve

i = Ip sintot

(2-19)

olduğunu varsayarsak türevi

di dt

=-= colpcosot

(2-20)

olur. Denklem (2-18) ve (2-20) devre denklcrninde, Denk. (2-18), yerine konuldu ğunda gerilim (2-21) cuLlp costot v i = Illpsinaıt olur. Bu ifade gerilim ve ak ı m aras ındaki faz fark ı Ş ek. 2-9 yard ımıyla faz açısını araya sokarak daha aç ık bir duruma getirilebilir. sincot ve costot nin katsayılar ını cos ve sin cinsinden yazarsak Denk. (2-21)

4-

Şekil 2-9.

ALTERNAT İ F AKIMLAR

vi == ip

vt R2

shnot

( (01_, ) 2 (cos

olur. Parantez içindeki terimler sin (rot viip ./ .R 2 olur. Burada

(01, ) 2

(2-22)

o) nin özde şi olduğundan

sin ( ot

== aretan

sin cosot)

(2-23)

)

coL R

(2-24)

dir. Denklern (2-24 )e göre, önceden Denk. (2-16) ile ilgili olarak gözlendi ği üzere, ak ımı n gerilirniuden geri kald ığına dikkat ediniz. Gene bu a.a. devresinde akı nu bulmak için indüktif reaktans ve direncin önemli oldu ğunu gözönüne ahmz. dircnei üzerindeki gerilim dü ş mesinin devrenin ç ıkış gerilimi oldu ğunu varsayahm. O zaman Denk. (2-19) u kullanarak v„ = Rip sinort

(2-25)

yazıhr. Çıkış geriliminin kek de ğerinin giriş geriliminin kek de ğerine oranı Denk. (2-23) ve (2-25) den

Vo

Rlp

vi

„V --1,-?„2:l:7 şrŞ2

V„

1

(2-26)

veya (2--27)

I 1

( aLk R )?

Denklem (2--27) ye göre alçak frekanslarda caL, /R --> O d ır ve çıkış gerilimi giriş gerilimine e şittir. Yüksek frekanslarda Denk. (2-27) nin Ş ek.2-10 daki çiziminden görüldü ğü üzere ç ı kış gerilimi giri ş geriliminden küçüktür. Bu devre alçak frekans geçiren süzgeç olarak bilinir. Burada 2 7-cf,/,

R

R

:= 1

(2-28)

olduğu fo frekans ını gözönüne alalı m. Denklem (2-27) ye göre bu durum 1,0

oı L

R — 100 L 20 H

0 01 0,1

N 1000

\\

1,0

10 f, Hz

100

Şekil 2--10 Alçak frekans-geçiren RL üzgecinin frekans belirtgeni.

TEMEL ELEKTRONİK V02 Vi2

49

1 2

(2-29)

olduğu frekanst ır. R üzerinden alınan çıkış gücü gerilimin karesiyle orant ılı olduğundan fo'a yarı-güç durumundaki frekans denir. Bu frekanstan daha büyük frekansh giriş iş aretlerini indüktans geçirmez, daha önce söylenen şok sözcüğünün kaynağı da buradan gelmektedir.

RC süzgeci Seri ba ğlı bir sığa ve bir dirençten olu şan basit fakat çok kullan ışlı bir devre Şek. 2-11 de gösterilmi ştir. Bu RC süzgeci (2-30)

vi = Vp sinwt

ile verilen sinüsel bir gerilim kayna ğına ba ğlanmış tır. İlmek boyunca gerilim dü şmeleri

Şekil 2— 11. RC silzgeci.

±vj Ri

(2-31)

biçiminde yazılabilir. Burada i akımdır. Her terimin zamana göre türevini alır ve i

dQ dt

koyarsak Denk. (2-31) biraz düzenlendi ğinde

•

di R dt

1 --C ,

coVp Coscüt

(2-32)

biçimine girer. Bu diferensiyel denklemi çözmek için ak ımın

i

sin ( co t H--

(2-33)

)

ile verildiğini varsayahm. Burada Ip ve o bulunacak niceliklerdir. Denklem (2-33) ün zamana göre türevi l ımrsa

eli dt

co Ip c o s (cot

)

(234)

elde edilir. Şimdi Denk. (2-33) ve (2-34) devrenin differensiyei denkleminde, Denk. (2-32), yerine konursa

ALTERNATIF AKIMLAR

50

Rol p cos( (ot -1--

) -+

p

Vp w coswt

C sin(cot

(2-35)

elde edilir ve bu denklem tiim t de ğerleri için Denk. (2-35) i sa ğlayan /p ve e de ğerleri seçilerek çözülür. Bu yerle ştirmeler diferensiyel denklemi trigonometrik bir denklem durumuna getirmi ştir. Bu denklem oı ip ye bölünüp açıldıktan sonra R(coswt cos -sinwt sin 0)1-

1 , (sımot cos +coswt sin 0)= oıC

1 aıC

sin Z

1 V P ) coscot4 ( cos e —Rsi tı, e) &ilmi .-------0 — Ip aıC

olur. Şimdi t = 0 durumuna bakahm; o zaman sincot = 0 d ır ve R cos e H-

co sw t

(2-36)

biçimini alır. Sincot ve coswt li terimler toplanırsa (Rcos (25 +

Vp Ip

1 coC

sin e

Vp — 0 Ip

(2-37) (2-38)

olur. Aynı biçimde wt = 7c /2 oldu ğu varsayılırsa coswt = 0 olur. O zaman

cos e — R sir,.

0

(2-39)

bulunur. Denklem (2-37) nin bütün t değerlerinde sa ğlanması için Denk. (2-38) ve (2-39) un ikisi de do ğru olmalı dır. Denklem (2-39) e için hemen çözülebiliı , yani. wC

coş e = R sin C 1 RwC

sin cos e

tan dir ve buradan

= arctan

1 R coC

(2-40)

bulunur. e için elde edilen de ğer /p yi bulmak için Denk. (2-38) de kullan ılır. Bu işlem tam RL süzgecinde oldu ğu gibi, Denk. (2-21) yap ılır. Bu durumda Denk. (2-38) den R

R

1

,‘/ R 2 + (1 koC) 2

wC

ı fwC vR2+ (1 /0,,C)2

Vp Ip

= 0 (2-41)

bulunur. Son olarak .-elde edilir. Böylece devredeki ak ım

Vp vR2+( ı /wC) 2

(2-42)

51

TEMEL ELEKTRONIK Vp

V R2 -F (1 / w C)2

sin (tut -I-

)

(2-43)

bulunur .Burada

rö = aretan

1

wRC

dir. Denklem. (2-38) e göre faz aç ısı= pozitif olduğuna dikkat ediniz. Bu durum sığasal devrele ı in bir özelliği olarak akımın geıilimden faz bakımından ileride oldu ğunu gösteriyor. Yüksek frekanslarda 1 / wRC --->- 0 oldu ğunda faz sıfır ve ak ım gerilimle aynı fazdadır. Çok alçak frekanslarda faz aç ıaçısı TL / 2 ye yakla şır. Direnç üzerindeki ç ıkış gerilimi, v o = Rip sin

(cot 4- O)

(2-44)

dir ve bu Denk. (2-30), (2-42) ve (2-44) den bulunan ç ıkış geriliminin kok değerini' giriş gerilimininkine oran ının

Vo

1

Vi

V1+ (1 /wRC) 2

(2-45)

olması demektir. Denklem (2-45) in Ş ek. 2-12 deki çizimi alçak frekanslarda ç ıkış geriliminin, Va, çok küçük oldu ğunu ve yüksek frekanslarda giri ş gerilimine eşit olduğunu gösteriyor. Alçak frekanslar az geçirilip yüksek frekanslar azalt ılmadan geçirildi ğinden bu devreye yüksek frekans geçiren RC süzgeci denir. Burada ise (2-46) 2 nfoRC = 1 1,0

R = 105 S1 C = 0,16 ııf

cı,ı

0,01 0,1

1, 0

100

10

1000

10.000

f, Hz Şekil 2-12. Yüksek frekans geçiren RC süzgecinin frekans belirgeni.

şartını sağlayan fo frekans ına RL süzgecinde olduğu gibi yarı güç frekans ı denir.

Türev ve İntegral Alan Devreler Basit bir RC süzgecinde seri ba ğlı direnç ve s ığamn verilen bir frekans bölgesinde wRC « 1 şartını sağlayacak kadar küçük oldu ğunu varsayal ı m. Bu şart alt ında Denk. (2-44) ve (2-45) den

52

ALTERNATIF AKIMLAR

Vo = Vp aı RCsin ( aıt +

2

)

Vp oı RC cosoıt

(2-47)

bulunur. Fakat giri ş iş aretinin zamana göre türevi dvi dt

=---

COVp

(2-48)

COSCOt

olduğundan Denk. (2-47) ve (2-48) birle ştirilerek

dt

va = RC

(2-49)

dt

bulunur. Denklem (2-49), o ıRC « 1 olduğundan RC süzgeç devresinin türev işlemi yaptığını gösteriyor. Yani çıkış gerilim işareti giriş gerilim işaretinin zamana göre türevidir. Bu yararl ı özellik elektronik devrelerde ve bu arada elektronik hesap makinelerinde geni ş bir biçimde uygulanmaktadır. Aynı biçimde kondansatör üzerindeki gerilim Denk. (2-12) ye göre ak ımın integralidir, yani vc

1 c

P

j. Ip sin(oıt+ 0) dt =

oı

C cos

(oit -I- 0)

(2-50)

şimdi wRC » 1 olduğunu varsayahm. Bu durum R ve C yi büyüterek sa ğlanabilir. O zaman /p = Vp /R, = 0 olur ve Denk. (2-50) Vp RCaı

cosıot (2-51)

olur. Bu eşitliğe giriş geriliminin integrali yerleştirrlirse 1 vc =RC

vj dt

(2-52)

bulunur. Öyleyse bu şartlar altında RC devresi integral i şlemi yapmaktadır. Devre türev veya integral almak için kullan ıldığında çıkış gerilimi Denk. (2-49) ve (2-52) ye göre giri ş geriliminin adeta bir kesri olmaktad ır. Bununla birlikte uygulamada bu kötü bir durum yaratmaz, çünkü ç ıkış işareti ilerideki bölümlerde anlat ılan yükseltici devreler kullan ılarak büyütülebilir. Denklem (2-52) yi türetirken ba şlangıçtaki geçici gerilimlerden sonraki kararlı durumla yani giri ş gerilimi açıldığında ortaya çıkan gerilimler söndükten sonraki durumla ilgilenildiği için integral sınırlarının konmaması normaldir. RC devrelerinde geçici etkiler gelecek kesimde tart ışılacaktır. Çıkış gerilim işareti kondansatörden al ındığında RC devresi, Şekil 2-13, alçak frekans geçiren bir devredir. Bir bölgeden ötekine geçi ş frekans ı, yüksek frekans geçiren süzgeç durumunda oldu ğu gibi, yarı -güç frekans ı olarak işaretlenmi ştir ve bu durumda coo RC = 1 dir.

TEMEL ELEKTRONIK

53

R

Şekil

2-13. Alçak frekans geçiren RC siizgeei.

GE ÇİCİ AKIMLAR

Zaman sabiti Şimdiye kadar a.a. devreleri üzerine yap ılan incelemelerde sinüsel emk'lerin kok değerlerinin sabit oldu ğu varsayılmıştır. Geçici etkiler a.a. devrelerine uygulanan gerilimlerdeki, örne ğin emk uygulandığı andaki ani değişimlerle ilgilidir. Bu geçici akımlar çabuk kaybolur ve geriye şebekelerde emk uygulandığı sürece devam eden kararh-durum-akımlan kalır. Ço ğu kez kararl ı durum akımları önemli olmasına ra ğmen birçok durumlarda geçici etkiler de önemlidir. Bu durum özellikle bir şebekenin yalıtılmış pulslara karşı tepkisinin hesaplarımasında önemlidir. A.a. akım şebekelerinde geçici ak ımlar, uygulanan gerilim de ğiştiği andaki akımın değerini hesaba katarak devrenin diferensiyel denklemini çözerek bulunur. Gerçekte devrenin diferensiyel denldeminin tam çözümü geçici akını ve kararli durum akımının toplamıdır. Genel olarak a.a. devre çözümlenmesinin iki görünü şünü ayrı ayrı ele almak uygun olmaktad ır, çünkü devrelerin en çok ilgilenilen tepkileri ya sadece kararl ı emk'leriyle ya da sadece geçici etkilerle ilgili olanlardır. Önce Şek. 2-14 de gösterildi ği gibi bir batarya ve iki-konumlu bir anahtardan oluş an basit seri bir RC devresindeki geçici ak ımları incelemek uygun olur. Anahtarın aniden 1 ucuna ba ğlandığını varsayalım. Kirchlıoff kuralına göre devrenin diferensiyel denklemi

V = Ri

(2-53)

dir. t ye göre türev al ınır, düzenleuirse

Şekil 2-14.

54

ALTERNATIF AKIMLAR

di dt

1 SIT(',

°

(2-54)

olur. Bu diferensiyel denklemi çözmek için

1

di

RC

dt

(2-55)

şeklinde yazdın Denklem. (2-55) in hem sol hemde sa ğ taraf ı bilinen integraller oldu ğundan hemen Ini = —

RC

t K

(2-56)

yazıhr. Burada K başlangıç ş artlarından bulunacak bir sabittir. Denklem (2-56) yı bir ba şka yazış biçimi,

i = exp(—

t RC

K) = A e-t /RC

(2-57)

t = 0 anında anahtar kapan ınca akımın V I R ye eş it oldu ğu dikkate alınırsa V

e -t / RC

R

(2-58)

olur. Denklem (2-58) e göre bu basit RC devresinde anahtar 1 konumuna getirildiği zaman akım üstel olarak azalmaktad ır. Saniye boyutunda olan RC niceliğine zaman sabiti denir ve akımın hangi hızla azaldığını gösterir. Herhangi bir anda kondansatör üzerindeki gerilim, ak ımı integre ederek bulunur. Denklem. (1-1) ve (2-11) e göre t t 1 V dt — e -t Rc dt v„ c

o

RC

o

V (1-e-t ı Rc)

(2-59)

dir. Denklem (2-58) ve (2-59) a göre yükleme ak ımın azalmas ı ve kondansatör üzerindeki gerilimin büyümesi s ıfırdan başlayarak üstel olarak batarya gerilimine kadar artt ığına dikkat ediniz. zaman sabiti kadar bir süre geçtikten sonra gerilim son de ğerinin yüzde 1-e -1- = 1 -0,356 = 63 üne ula şır. Bu gerilim de ğerine ula ş mak için geçen gerçek zaman direnin ve s ığanın büyüklüklerine bağlıdır. R ve C nin büyük olmalar ı durumunda uzun ve küçük olmaları durumunda kısa zaman gerekir. Anahtarın 2 konumuna getirilmesiyle kondansatörün direnç üzerinden boş alması sırasında akımın azalmas ı Denk. (2-58) ile verilen e şitliğe uyar. Bu durumda devrenin gerilim denklemi, yani

Ri = O

(2-60)

55

TEMEL ELEKTRONİK

0

1

4

3

2

5

Şekil 2-15. Bir RC devresinde yükleme ak ımı ve kondansatördeki gerilim.

yazılarak görülebilir. Türev al ınır, diizenienirse elde edilen sonuç,

di dt

1 RC i

(2-61)

Denk. (2-54) e özde ş olur. Bundan ba şka kondansatör tam yüklencli ğinde üzerindeki gerilim V dir bu da t ıpkı akımın dolması durumunda olduğu gibi ba.şlangıçtaki akımın V R olması demektir. kondansatör üzerindeki gerilimin RC zaman sabiti ile üstel olarak s ıfıra dü ştüğü herhangi bir anda kondansatör üzerinde kalan yük hesaplanarak, Denk. (2-59) a götüren yönteme benzer şekilde davramlarak gösterilebilir. 10 .1---0-

R

--NAAr---1

2? .::.

c.

---V-T

.c.

L

t'

d

1

Şekil 2-16.

Basit bir indüktif devre Şek. 2-16 daki devredeki aç ıklamalardan görüldüğü üzere RC devresine benzerdir. Anahtarm 1 konumunda olmas ı durumunda gerilim denklemi

di dt

V RiL '

(2-62)

dir ve düzenlenirse

di dt

R L

V

=O

olur. Bu denklem tam Denk. (2-61) gibi çözülür ve ak ım için

(2-63)

56

ALTERNATIF AKIMLAR

V

R

(1_ e-tRIL)

bulunur. Buradan indiiktif bir devrede ak ımın rak büyüdü ğü açık olarak görülüyor.

(2-64)

R zaman sabiti ile üste! ola-

Anahtar 2 konuma getirildi ğinde akımın azalmas ı da üsteldir. Çünkü bu durumda devrenin diferensiyel denklemi basit olarak

L d i ± Ri = 0 dt

(2-65)

dir. Denklem (2-54) e benzeterek ak ım R

e -tR/L

(2-66)

yazılır. İndüktif bir devrede ak ı rrım artmas ı ve azalmas ı Denk. (2--64) ve (2-66) ya göre t ıpkı RC devresindeki duruma kar şılık gelecek biçimde simetriktirler.

A.A. da Geçici Durumlar Geçici akımlar a.a. kaynaklarının açılması sırasında• da ortaya ç ıkarlar. Örneğin ,Sek. 2-17 deki devreyi gözönüne alal ım. Bu devrenin diferensiyel denklemi

di R— (IT

1 C

=

dv dt

(2-67)

dir. Uygulanan gerilimi

-

Şekil 2-17. v = VpSin(Mt -I- O)

(2-68)

biçiminde göstermek uygun olur. Burada Laz aç ısı 8, giriş geriliminin t O'daki ani büyüklüğünü seçmek için konulmuş tur. Denklem (2-67) nin tam çözümü geçici bir akımla frekansı o> olan kararlı-durum ak ımını içerdiğinden toplam akını (2-69) -+ i 2 olur. Burada i t geçici akun ve i2 kararlı-durum akımıdır. Denklem (2-69), (2-67) diferensiyel denldeminde yerine konup düzenlendiğ inde sonuç,

57

TEMEL ELEKTRON İK

dil

(R

`1 C

dt

i i ) , (R

di ,

1 —c— i2 —

-

dt

de dt

= 0 (2-70)

olur. Bu denklem, iki parantez s ıfıra e şit olduğunda çözülür. Birinci parantezin içi Denk. (2-54) ün ayn ısıdır ve bunun çözümü daha önce Denk. (2-58) olarak bulunmuştu. Aynı biçimde ikinci parantez Denk. (2-32) nin ayn ısıdır ve çözümü Denk. (2-43) dür. Bu ifadeler kullan ılarak toplam akırr

i

Vp

=

sin (ot -I- 0

1/R21-- (1 /wC) 2

(2-71)

)

olarak yaz ılır. Burada = RC ve arctan 1 / Ro£ dir. A sabiti anahtar kapand ığı andaki kaynak geüliminden bulunur. Denklem (2-71) i yukarda tart ışıldığı gibi geçici bir kısımla birlikte kararli-durum teriminden oluştuğunu dikkat ediniz

t = 0 anında anahtar kapand ığında uygulanan geriliminin tepe değerinde olduğunu yani v = Vp olduğunu varsayalım. Bu, Denk. (2-68) e göre 0 =Jr I 2 seçilmesi demektir ve ba şlangıçtaki akım Vp 1 R dir. Böylece, Denk. (2-71) t = 0 için P

R

=A

N/R2 + (1 /wC) 2

(2-72)

sin I \ 2

verir. Bu denklemden A sabiti bulunur ve Denk. (2-71) de yerine konur. Elde edilen en son çözüm,

Vp i R

1 e-t IT + 1+ (aıRCP

p VR2

ain

+ ( 1 koC) 2

(04

+

27r + (2-73)

dir. Denldem (2-73) deki geçici terimin kararl ı-durum terimi ile kar şılaştırıldığında göze çarpar bir büyüklü ğü olması için paydasıııdaki terimin çok büyük olmamas ı gerekir. Yani (wRC) 2 < 1 veya 1

(2-74)

olmalıdır. Bu ifadeye göre geçici ak ımın zaman sabiti siniis dalga akımının bir periyodundan küçüktü'. Öyleyse a.a. dalgas ınm bir devrinin sadece bir kesri kadar bir zaman sonra geçici ak ım önemsiz olur ve bundan ötürü geçici akı m hiç dikkate ahnmayabilir. Öte yandan e ğer zaman sabiti bir periyottan çok büyükse geçici etkiler birçok devir boyunca devam eder ama- Denk. (2-73) e göre genlikleri küçüktür. Bu aç ıklamalar birçok amaçlar için sadece kararla-dulum çözümünün yeterli oldu ğunu ortaya koyuyor.

ALTERNATIF AKIMLAR

58

Çmlama Bir RLC devresinde gerilimin ani değişiklikleri çı nlaına oluşturabilir. Çmlama sırasında rezonans frekans ı diye adlandırılan devreye özgü bir frekansta azalan a.a. oluşur. Oluş an a.a. ın genliği rezonans durumunda olmayan devrelerdeki gibi üstel olarak azalır. Örne ğin Şek. 2-18 deki devrede anahtar kapandıktan sonra bir ölçüde yava ş azalan a.a. oluşabilir. Bu olay bir çana bir çekişle vurmaya benzer ve çmlama sözçü ğü de buradan gelmektedir.

Şekil 2-18.

Rezonans devreleri daha büyük ayrıntılarıyla gelecek bölümde incelenecektir. Şekil 2-18 de çalışmayı incelemek için Kirchhoff kurallar ı uygulanarak işe başlanır, yani

V =--- Ri +

C

+ L

di

(2-75)

dt

diı ve türev alındıktan sonra

R di L dt

d2i dt?

1

°

(2-76)

olur. Önceki çözümlemelere dayanarak bu devre denklemlerini çözmek için devrede zamanla gezdi ği üstel olarak azalan bir a.a. ak ımının olduğu varsayılır. Öyleyse akım, (2-77) i = Ac-at sin(sin oıt ± şeklinde yazılabilir. Burada A, a, o) ve sabitleridir. Denklem (2-77) nin iki kez türevi alınır ve yukarıdaki üç ifade de yerlerine konulursa biraz cebirsel işlemlerden sonra Denk. (2-76), [(a2 - (02 -

a L

\

+ W jsin( wt-

")+

I Roı es )1 Ae ---0 =O 2a wcos(aıt+ ) L (2-78)

k

durumuna indirgenir. Denklem (2-77) nin (2-76) n ın bir çözümü olması için (2-78) in iki teriminin katsayıları da ayrı ayrı sıfıra eşit olmalıdır. cos'lü terimin katsayısmdan

R a =

2L

bulunur. Sin. lü teriminin katsay ısı frekans için

(2-79)

59

TEMEL ELEKTRONIK

(0

1

R2

LC

4L2

2=

(2-80)

verir. Öyleyse bu devredeki ak ı m, frekans ı Denk. (2-80) ile verilen sinüsel bir akımdır ve genliği (2-79) ile belirtilen zaman sabiti ile azal ır. Akımın biçimi Şek. 2-19 da gösterilmiştir. Devre elemanlar ının değerleri

Şekil 2-19. Bir RLC devresinde geçici ak ını azalan ve salmunlı bir biçimde olabilir.

R2 4L 2

>

1 LC

(2-81)

şartım sağladığı durumda Denk. (2-80) den hesaplanan a.a. frekans ı sanaldır. Bu durumun aç ıklanması sanal bir açımn sinüsünün matematiksel ifadesi sin jaıt =

2 (e" -e -")

(2-82)

ile ilerletilebilir. Buna göre Denk. (2-77) devredeki R, C ve L değerleri ile belirtilen zaman sabiti ile azalan üstel bir ifadeye indirgenir. Denklem (2-81) e göre devrenin direnci çok büyükse a.a. ak ımı dirençteki joule kayıplar ıyla azalır, bu durumdaki devreye aştrt sönümlü denir. Kritik sönümlü durum Denk. (280) de hesaplanan frekans s ıfır olduğu zaman ortaya ç ıkar ve bu durumda üstel bozulma sadece Denk. (2-79) ile belirtilir.

60

ALTERNATIF AKIMLAR

KARIŞ IK DALGA-BIÇNLERI Fourier Serisi Uygulamada ilgenilen kararlı a.a. işaretleri ço ğu kez basit sinüs dalgalar] değil fakat daha kar ışık dalgabiçimleridir. Bununla birlikte sinüs dalga çözümlenmesine temel olarak uygulanabilir, çünkü kar ışık dalgabiçimleri çeşitli genlik ve frekanstaki sinüs dalgalar ımn toplamıyla temsil edilebilir. örneğin Şek. 2-20 deki birinin frekansı ötekinin iki katı olan iki sinüs dalgas ını dikkate almaz. Toplam dalgam ı:1 biçimi kendisini oluşturanlarm her biri ıa-

Şekil 2-20. İki sinüs dalgasmın toplamı karışık bir dalgabiçimidir.

den farklıdır. E ğer bu periyodik gerilim bir devreye uygulanırsa oluşacak akım ayrı ayrı her bir sinüsel gerilim bile şeninin oluşturacağı akım hesaplanarak bulunabilir. Bu yolla herhangi bir kar ışık dalgabiçimi incelenebilir. Herhangi bir tek-de ğerli periyodik dalgabiçimi temel (en küçük) frekans ve bunun harnomniklerinin (temel frekans ın tam katlar ı) toplamı olan Fourirer serileri ile temsil edilebilir. Bu temsilin matematiksel kanıtı ve verilen herhangi bir dalgabiçimini olu şturan uygun serilerle temsil etmek süreci ile burada ilgilenmeyece ğiz. Bununla birlikte serilerle temsil etmenin temel özelliklerini ortaya koymak için uygulamada önemli olan çe şitli dalgaların harmonik bileşimlerini göstermek ilgi çekici olur. Tepe gerilimi Vp ve frekansı w olan bir kare alga için Fourier serisi v

4 Vp 7r

smwt

1. 3

sin3oıt

1

sin5cot

1 . 7 sm7wt (2-83).

TEMEL ELEKTRONIK

tıı

ile verilir.,Serilerle göstermenin do ğruluğu Şek. 2-21 deki çizimde aç ıklandığı üzere Denk. (2-83) deki terimlerin say ısı arttıkça düzelir. Demekki kare dalganm kesin kö şelerini belirtmek için yüksek frekanslar gereklidir. İkinci örnek testere di şli dalgadır ( Şek. 2-22) ve bu

(sn ıt,t +

-t- 3 sı n 3 ci)t

+ 5 sı n 5 ciı

+

i sın ) art-}- . . .

Şekil 2-21. Bir kare dalgada birçok frekans bile şenleri vardır. 'ffleınsilin doğruluğu barmoniklerin sayısı arttıkça diizelir.

Şekil 2-22. Testere di şli dalga.

v =

2 Vp 7t

( simot —

1 2

sin2ot +

1 3

1 . . + .. sin3cot — --f, sın4ot (2-84)

ile temsil edilir Gene burada da testere di şli dalgabiçiminin keskin kö şelerini elde etmek için yüksek frekansl ı terimler bulundurulmaktadır.

62

ALTERNATIF AKIMLAR

Denklem (2-83) ve (2-84) e göre kare dalga ve testere di şli karışık dalgabiçimleri geniş frekans spektrumlar ından oluşur. E ğer herhangi bir şebekenin girişine uygulanan işaretin biçiminin çıkışta da aynı olması isteniyorsa şebekenin zayıflatıcı etkisi frekanstan ba ğıms ız olmalıdır. Örne ğin bir yüksek frekans geçiren RC devresine uygulanan kare dalga ancl kare dalwm ın temel frekans ı süzgecin kesilim frekans ından büyükse ç ıkışta da kare dalga olur. Gene eğer dalgabiçimi korunmak isteniyorsa şebekeden geçerken harmoniklerin birbirlerine göre, fazlarm ı n sabit kalması da aynı derecede önemlidir. Öte yandan bir dalgan ın harmonik bileşimi, sık sık bir şebeke ile bir dalga biçiminden ötekine dönü ştürmek için amaçl ı olarak değiştirilir. Bir kare dalganın türev alan bir RC devresine uyguland ığını düşünelim. Çıkıştaki dalgabiçimi Şek. 2-23b de gösterildi ği gibi pozitif ve negatif keskin bir pulslar serisi biçimindedir. Dev ıenin bir kare dalganın türevini uygun olarak almas ı için Fourier temsilindeki en yüksek frckansl ı terimin Denk. (2-49) da belirtilen aı RC « 1 yaklaşımma uyması gerekir. Uygulamada bu kolayca ba şarılır ve türev alan basit bir devre kare dalgadan puls olu şturmak için geni ş bir biçimde kullanılır. İkinci bir örnek basit bir RC devresi kullanarak bir kare dalga= integre edilmesidir. İntegral sonucu Şek. 2-23c de görüldü ğü gibi üçgen dalgadır. Burada kare dalgan ın temel frekans ı Denk. (2-52) ile verilen toRC » 1 şartını sağlamaya yetecek kadar büyük olmal ıdır.

t

t

v

(C)

Şekil 2-23. (a) Kare dalga, (b) türevi al ınmış kare dalga, (e) integrali al ınmış kare dalga.

Etkin Değer Karışık bir dalgabiçiminin etkin de ğeri daha önce sinüsel bir dalga durumunda verilen tammda oldu ğu gibidir. Örne ğin Şek 2-24 de aç ıklandığı gibi periyofu T, maksimum de ğeri, /p olan kare dalgayı dikkate alalım. Etkin akım,

TEMEL ELEKTRONIK

63

Ip

T

4

Şekil 2-24. Kare dalga.

T

1

I2p dt

dt = 12p (2-85) o dir. Demekki bir kare dalgan m etkin de ğeri onun maksimum de ğerine eşittir. Bir dirençteki joule ısısı akımın karesine ba ğlı olduğundan akımın yönü problem değildir ve Denk. (2-85) beklenenin tam kendisidir. T

I2P T

Şimdi Şek. 2-25 de akçıkianan basit üçgen testere di şli dalgabiçimini gözönüne alal ım Akım -T/2 den T /2 kadar olan zaman aral ığında

Şekil 2-25. Testere di şli dalga.

2Ip T

(2--86)

biçiminde değişir. Öyleyse bunun kok değeri

İ e =

ıe

T /2

1

T

J

—Tİ 2

2 2/p ( T t) dt

4/p 2

T3

T/2 t2dt _T/2

I2p 3 (2-87)

olarak bulunur. Ba şka bir ilgi çekici dalgabiçimi Şek. 2-26 da gösterilen bir seri yar ım sinüs dalgasıdır. Etkin değer yukarıda kullanılan süreçle bulunabilir, bununla birlikte ortalama de ğeri hesaplanarak gösterilebilece ği gibi bu dalgabiçiminin bir d.a. bileşeni vardır. Yani

ALTERNATIF AKIMLAR

Şekil 2-24. Yar ını sinüsel

2 7 ' - (1:2

Ida

2 Ida =

p S1nU ıt
41p oT

4Ip

(2-88)

Ip

r

dir. Bu d.a. bile şen tam dalgabiçiminin ısıtıcı etkisine katkıda bulunur. Birçok amaçlar için sadece a.a. bile şenlerin kok de ğeri ilgi çekicidir. Bunun için karışık dalgabiçimlerinin Fourier serilerini gözönüne almak uygundur. Her frekans bileşeninin ısıtıcı etkisi ötekilerden ba ğımsız oldu ğundan herhangi bir karışık dalga biçiminin etkin de ğeri 1

e2

/da2 + / 1 2 + /22 + /2 3 +

(2-89)

ile verilir. Burada Ida ortalama de ğer ve I i, 12,13... her frekans bile şenin kok değeridir. Çoğu kez temel frekansh terim en büyük oldu ğu için sadece onu dikkate alınak yeterli olmaktadır. Şekil 2-26 daki dalgabiçiminin Fourier serisi 2,. ---

ip—

•

4Ip 3n cos2ot

4Ip cos4cot 15n

(2-90)

dir. İlk terimin d.a. bileşenin tanımına uygun olarak Denk. (2-89) a kar şılık geldiğine dikkat ediniz. Sadece a.a. bile ş enlerin etkin de ğeri Denk. (2-4) ve (2-89) kullanılarak, 2 2 İ 4 \ ... 1 İ. 4Ip (2-91) /2 kOk 4—) 2 3:7r 1 j 2 \ 37ı [(

I kOk

2 ,\,/ 2 /p 37ı

k

(2-92)

bulunur. Burada elde edilen sonuçlar Böl. 4 deki indüktansh ve kondansatörlü siizgeçlerin daha ileri uygulamalar ında kullanılmaktadır.

Kare-dalga Tepkisi Devı olerin kare-dalga gerilimlerine tepkisini geçen kesimdeki geçici yöntemlerle incelemek yaraihd ır. Bir kare dalga bir d.a. geriliminin kare-dalga fre-

TEMEL

ELEKTRONIK

65

kansıyla açılıp kapanmas ı olarak dü şünülebilir. Geçici ak ımları inceleme tekniği çıkıştaki dalgabiçimini do ğrudan do ğruya vermekte vealevrenin harmoniklerinin her birine karşı tepkisinin bulunması nı gereksiz k ılmaktadır. Önce Şek. 2-27 de kendisine T periyodlu bir kare dalga= uyguland ı ğı yüksek frekans geçiren RC süzgecini dikkate -alınız. Denklern (2-58) e göre karesel dalga= her yarım-periyoduna e şlik eden geçici aklm. i = Ae--1 /.7 t, '

(2-93)

f

o - T —» Şekil 2-27. Yüksek-frekans geçiren bir süzgecin giri şine uygulanan kare-dalga.

dur. Burada A devrede bundan önceki geçici ak ıma ba ğlı bir sabittir. Örne ğin eğer T = T /2 ise kare dalga gerilimi i şaret de ğiştirmeden akım yüzde 63 aza111. Bu demektir ki kondansatii ı üzerindeki gerilim ters yönde bir geçici ak ımın doğmasına neden olur ve böylece devam eder. Ç ıkış gerilimi ( = Ri) Şek. 2-28 de görüldüğü üzere arka arkaya üstel geçicilerden olu şur. Bu dalga biçimleri RC zaman sabitinin karesel dalga periyodu ile kar şılaştırıldığında farklı de ğerlerine karşılık gelir. Devrenin zaman sabiti kare dalgam ıa periyodundan çok küçük oldu ğunda çıkıştaki dalgabiçiminin kare dalganm türevine yakla ştığına dikkat ediniz. Bu yöntem bundan önceki kesimde aç ıklanan türev alma devrelerine değişik bir yakla şımdır. Ş ekil. 2-29 daki alçak-frekans geçiren devre de ayn ı biçimde çözümlenebilir. Kondansatör üzerindeki gerilim önceden de tart ışıldığı gibi üsteldir ve çıkıştaki dalgabiçimi, Şek. 2-30, yine devrenin zaman sabitinin periyoda göre büyüklü ğüne bağlıdır. Özel olarak devrenin zaman sabiti büyük oldu ğunda kondansatördeki gerilim yükselmesi puls s ırasında do ğrusaldır. Öyleyse çıkış gerilimi, yine harmonik-devre çözümlenmesine uygun olarak, giri ş geriliminin integralidir. Osiloskop Kuşkusuz karışık dalgabiçimlerini ara ştırmak için en yararl ı cihaz dalga biçimlerini ekranında gösterebilen katot-tştnix osiloskoptur. Osiloskobun kalbi

66

ALTERNATIF AKIMLAR

=

T 2

== 3T

Şekil 2-28. Yüksek-frekans geçiren bir süzgece uygulanan kare-dalga (üstte) periyodun devrenin zaman sabitine oran ına bağlı olarak çıkışta oluş turduğu dalgabiçimleri.

T Ş ekil 2-29, Alçak-frekans geçiren bir süzgece uygulanan kare-dalga giri ş i ş areti.

katot ışınlı tüptü ı . İnce elektron demetleri bu tüpte dalgabiçimini fluo ı esan ekranda renklendirmek için elektriksel olarak denetlenir. Katot- ışınlı tüpte (KIT) bir elektron tabancası yüksek hızlı ve odaklanmış elektron demetini fluoresan bir madde ile kaplanm ış cam yüzlü levhaya gönderir ve elektronlarla dövülen fluoresan madde ışık yaya'. Demet, Sek. 2-31 de çizildi ği gibi ekrana giderken bir çift yatay sapt ır ıcı ve bir çift düş ey saptırıcı levhalarrn aras ından geçer. Saptırıcı levhalardaki gerilim s ıfır oldu ğu zaman demet ekram ıa orta-

7

T

—

T 2

5T

Ş ekil 2-30. Alçak-frekans geçiren bir süzgece uygulanan kare-dalga giri şi periyodun zaman sabitine bağlı olarak çıkışta çe şitli dalgabiçimleri olu şturması .

Fluoresansl ı ekran

Işı klı iz

t Testere di şi; dalga

Şekil 2-31. Katod ışınlı tüpün çizimi.

68

ALTERNATIF AKI M LAR

sında ışıklı bir nokta oluşturur. İşıklı noktan ın ekrandaki konumu sapt ırı cı levhalardan herhangi bir çiftine uygulanan gerilimlerle elektron demetini saptırarak kolayca de ğiştirilebilir. Demet her bir çift sapt ırıcı levhalar aras ındaki elektrik alanının elektronla ı üzerine yandan bir kuvvet uygulamas ıyla saptırılır. Uygulamadaki osiliskoplar cihaz ın kullanışhlığım art ırmak için bundan sonraki bölümde aç ı klandığı gibi birçok yard ımcı devreler içerirler. Osiloskobun bir dalgabiçimini ekranda gösterme yolu Ş ek. 2-32 gözönüne alınarak anla şilabilir. Düşey saptırıcı levhalara tepeden-tepeye sapt ırma değeri yakla şık ekramn çap ının yarısı kadar bir sapma olu şturmaya ye-

Şekil 2-32. Yatay-saptule ı levhalarmda testere di şli bir gerilim olan osilopskop dü şey-saptmet levhalarma uygulanan dalgabiçimini ekranda göstermektedir.

tecek genlikte bir sinüs dalga gerilimi uyguland ığını varsayal ım. Aynı frekanslı ve genli ği ekran çap ın ı yarısına kadar tarayabilecek bir testere di şli gerilim dalgabiçimi yatay sapt ırıcı levhalara uygulan ır. E ğeı iki dalgabiçimi de ayn ı zamanda s ıfırdan ba şlarsa ışıklı leke ekran ı n ortas ından ba şlar. Yatay levhalardaki testere di şli dalga ışıklı noktan ın sa ğa do ğru düzgün bir h ızla hareket etmesini sa ğla•, düşey hareket ise sinüs-dalga ge•ilimine ba ğlıdır. Sonuç olarak Ş ek. 2-32 de aç ıkland ığı üzere ışı klı nokta ekranda sinüs-dalga desenini çizer. Yatay levhalardaki testere di şli gerilim bir devir sonunda s ıfı •a düştü ğ ünde ışı klı nokta hemen ba şlama noktas ına döner. Bundan sonraki devirlerde de aynı desen çizilir. İlgilenilen çoğ u frekanslarda ışıklı nokta hareketi belli olmayacak kadar h ı zla hereket eder ve görüntü devaml ı olduğu için sinüs dalgas ı ekranda kararlı olur. Testere di şli gerilim ve sinüs dalgas ı her devirde

69

TEMEL ELEKTRONIK

tam aynı anda başlamalıdır, aksi halde ışıklı nokta her zaman ayn ı deseni çizmez. Bundan ötürü testere di şli tarama gerilimi, osiloskoptaki yardımcı devrelerle dü ş ey levhalardaki i ş aretle ayn ı zamanl ı kılın. Gene ışıklı noktanın yeniden hızla başlangıç noktasına dönmesi s ırasında demet kapat ıhr ve böylece yeniden çizilecek çizgi desenden ayrılır. Dalgabiçiminin bir devrinden daha çoğunu ekranda göstermek için tarama gerilimi i şaret frekans ının bir alt katı olacak biçimde seçilebilir. Osiloskop sinüs dalgalar' aras ındaki faz açısını ölçmek için de yararlıdır. Bu iş bir sinüs dalgas ını düşey levhalara ve öteki dalgayı da yatay levhalara uygulayarak yap ılır. Oluşan desen ,Sek. 2-33 de aç ıklandığı üzere faz açısma bağlı olarak O°, 45° ve 90° için s ırayla bir do ğru bir elips ve bir daire olur. Faz aç ısını. hesaplanmas ı ş öyle yapılır. Yatay levhalardaki gerilim

O°

3,

3

Şekil 2-33. Yatay ve dü şey-saptıneı gerilimleri arasındaki faz farkuun O°, 45° ve 90° olmas ı durumunda Lissajous şekilleri.

70

ALTERNATIF AKI M LA R

vp sinwt ve dü şey levhalardaki sinüs dalga v v = b sin(wt

(2-94)

(2-95) ) olsun. t= 0 olduğunda vi/ = 0 dır ve bu yatay sapmanın sıfır olması demektir. Bu noktadaki düşey sapma a ile gösterilebilir ve a, v i, b sin o — a (2-96) dır. ç yi çözerek aresin

a b

(2-97)

olur. a lb oranı Şek. 2-34 de gösterildi ği üzere ekrandaki desenin boyutlar ından doğrudan do ğruya bulunabilir. Denklem (2-97) nin geçerli olmas ı için desenin yatay ve düşey gözlem çizgilerine çak ıştırılması gerekti ğine dikkat ediniz.

Şekil 2-34. Yatay ve dü şey levhalara uygulanan sinüs-dalga gerili ınleri arasındaki faz açısı a/ b oranından bulunur.

Şekil 2-35 deki desenler genellikle iki sinüs dalgas ının frekanslarnam oranını bulmak için kullanılan ve Lissajous şekilleri diye adlandırılan şekillerin belirli örnekleridir. Bir sinüs dalgas ı dü şey-saptırıcı levhalara ötekide yatay saptırıcı levhalara uygulanır. E ğer frekanslar ı arasındaki oran

1 — 4 ve

9

3 gibi tam kesinse desen kararl ıdır. Frekans oran ı desenin yan tarafına çizilen düşey çizgiye de ğen ilmeklerin sayısının desenin taban ında yatay çizgiye değen ilmeklerin sayısıyla karşılaştırılarak bulunur. Bunun nedeni yatay saptırıcı levhalarda tam say ıda sinüs dalgası tamamlanmas ı sırasında tam sayıda sinüs dalgasmın düşey levhalarda tamamlanmas ıdır. Şekil 2-35 farklı frekans oranlarında bilinen baz ı Lissajous ş ekil örneklerini gösteriyor. Bu desenler, Şek. 2-32 ve 2-33 ile ilgili olarak belirtildi ği biçimde türetilmi şlerdir. İki sinüs dalgasının sıfırdan geçme zaman aral ıklarma ba ğlı olarak çe şitli farklı desenler aynı frekans oramnı gösterebilir. Şek. 2-33', 1:1 frekans oramyla bu duruma bir örnektir. İlke olarak Lissajous şekilleri sinüsel olmayan dalgabiçimleri aras ındaki frekans oranlar ını bulmakta da kullanılmasına rağ men uygulamada bu desenler karma şık çıkar ve aç ıklanmaları güçtür.

TEMEL ELEKTRONİK

71

2

Şekil 2-35. Frekans oranlar ı 2:1, 1:5, 5:3, ve 6:5 olan lissajous şekilleri.

KAYNAKLAR R.M.Kirchner and G.F.Corcoran: "Alternating Current Circuits", 4 th ed., John Wiley and Sons, Inc., New York, 1960. F.H.Mitchell and F.H.Mitchell, Jr.: "Essentials of Electronics", Addison.Wesley Publishing Company, Inc., Reading, Mass., 1969. Leigh Page and Norman Isley Adams: Principles of Electricity", D.Van Nostrand Company, Inc., Princeton, J.J., 1931.

ALIŞTIRMALAR 2-1 Denklem (2-45) de R = 10 6 ü ve C = 0,01 p. F de ğerlerini kullanarak yüksek-frekans geçiren RC devresinin frekans-tepki belirtgenini çizin. Yar ıgüç frekansmdan iki onluk a şağı ve iki onluk yukarıdaki frekans aral ığın' taraym. 2-2 Alçak-frekans geçiren RC süzgeci için Denk. (2-45) e benzer bir ifade türetin. R = 106 S2 ve C = 100 pF için frekans-tepki belirgenini çizin. 2-3 Alçak -frekans geçiren bir RL süzgecinin L = 10 H ve R = 100 S-2 durumunda Denk. (2-27) ye göre frekans-tepki belirtgenini çizin.

2-4 Testere dişli bir dalganın Fourier seri temsilinin, Denk. (2-84) Şek. 2-21 de olduğu gibi, iki üç ve dördüncü harmonik terimleri eklendi ğinde testere dişliyi daha iyi temsil ettiğini gösterin,

2-5 Bir kare dalgaınn. Fourier seri gösterimini kullanarak kare dalgamn integralinin sonucunu bulun. Bunu Denk. (2-83) ü terim terim integre ederek el-

72

ALTERNATIF AKIMLAR

de edilen. serileri çizerek yaz ın. Dalgabiçimini Şek. 2-23 deki çizimle kar şı laştırm. 2-6 Testere dişli bir dalganın Fourier seri temsilini kullanarak testere di şli bir

dalganııı türevinin sonucunu bulun. Bunu Denk. (2-84) ün terim terim tüı evini alıp sonucu çizerek yap ın. 2-7 Bir kare dalga= Fourier serisi gösteriminde Denklem. (2-83), ilk

üç terimin gerilik ve faz aç ısını hesaplayarak alçak frekans geçiren RC süzgecinin temel frekans ı yarı-güç frekansnun 10 kat ı olması durumda çıkışta kare dalgayı nasıl integre ettiğini gösterin. Cıkıştaki dalgabiçimini Şek. 2-31 de olduğu gibi çizerek bulun. 2-8 Ahştırma 2-7 yi kare dalgarun temel frekansuun süzgecin yar ı-güç fre-

kansma e şit olması durumunde inceleyin. 2-9 Şekil 2-32 nin haz ırlanmasına benzer bir süreçle yatay testere di şli geri-

limin frekans!~ dü şey sinüs-dalgasmın frekansının yarısı olması durumunda osilopkop ekranında gözlenen dalgabiçimini bulun. 2-10 Şekil 2-33 ün haz ırlanmasına benzer bir süreçle bir osilopkobun yatay

ve düşey saptırıcı levhalarma aralar ında 30° faz farkı olan bir sinüs dalgasm ın uygulaması durumunda osilopkobun ekranında gözlenen şekli belirleyin. Bulunan desenin Denk. (2-97) yi sa ğladığını gösterin.

BÖLÜM ÜÇ

A. A. Devrelerinin Çözümlenmesi

Bölüm 2 de incelenen a.a. devrelerinin ilkeleri herhangi bir sebekede akını:ları bulmak için de kullan ılabilir. Bununla birlikte en kullanışlı devrelerin her şebekesine has diferensiyel denklemi çözmek yüklü bir i ştir. AA. devre çözümlenmesinin daha kuvvetli teknikleri daha az i şlemlerde devredeki ak ımların bulunmasını mümkün k ılar. Kuşkusuz, bu teknikler devrenin ayn ı diferensiyel denklemine dayan ır. Buradaki işlemler a.a. devre çözümlenmesinde birazc ık daha karışıktı r ve Ohm yasası ile Kirchhoff kurallar ı buna göre değiştirilmiş biçimde kullan ılırlar. Gerçekten, Bül. 1 de açıklanan d.a. şebeke çözümlenmesinin tüm teknikleri burada da uygulanabilir.

74

A.A. DEVRELER İ Nİ N ÇÖZÜMLENMESI.

İMPEDANS A.A. İ çin Ohm Yasas ı Bundan önceki bölümde a.a. devresi için geliştirilen diferensiyel denklemlerin kararlı-durum çözümlerinin hepsi çe şitli sinaı t ve cosot Ii terimler içermektedir. Bu ifadeler ço ğu kez araya uygun trigonometrik ba ğnıtıların sokulmasıyla basitleştirilir fakat bu süreç en basit devre için bile zahmetli olmaktad ır. A.a. devre çözümlenmesi e ğer sinüsel akım ve gerilimler kompleks sayılarla gösterilirse büyük ölçüde kolayla şır, öyleki i = I = /p(cosaıt

jsinwt) = IP ei"

v =- V = Vp (cosoıt

jsinot)

Vp ei()t

(3-1) (3-2)

olur. Burada j -V —1 dir. Elektronik devre çözümlemesinde al ışı lmış akım gösterimiyle kar ış maması için N/-1 yerine i den çok j kullanılır. Gerkçekte kompleks sayılarla temsil, Denk. (3-1) ve (3-2) den görüldü ğü üzere sinwt ve cosaıt terimlerinin ikisini de aynı zamanda kullanmaktad ır Sinüsel işaretler kompleks say ılarla gösterildi ğinde devrelerin diferensiyel denkkmleri do ğrudan çözülebilirler. Örne ğin basit bir RL seri devresinin diferensiyel denklemini, Denk. (2-18), gözönüne ahn ı z, v =-- Ri

L

di dt

(3-3)

Denklem (3-1) ve (3-2), Denk. (3-3) de yerine konulur ak ım ve gerilim arasında faz açısı olduğu varsayılırsa Vp ej<(')t+ 0)

= RIp ejoıt = (R

icoLIp e16)t

icoL) Ip eit

V = (R -I- jaıL) I

(3-4) (3-5)

olur. Parantez içindeki niceli ğe devrenin kompleks impedans ı denir. Böylece devre diferensiyel deklemi V = ZI (3-6) ya indirgenir ve i şte bil Ohm yasas ının a.a. için yazılışıdır. Öyleyse a.a. şebekelerinin çözümü basit olarak kompleks impedansm bulunmas ına indirgenir. Reaktans olmadığından Denk. (3-6), Ohm yasas ının d.a. için yazılan biçimine indirgenir. Bu demektirki seri ve paralel impedanslar seri ve paralel dirençler gibi birle ştirilirler. Öyleyse bireysel seri impedanslarm e ş değer impedansı Zeş = Z i -I- Z2 -İ- Z3 Aym biçimde paralel impedanslar ın eşdeğeri,

(3-7)

TEMEL ELEKTRON İ K

Zeş

zı

L,

Z3

dir. Denklem (3-7) ve (3-8) uygulan ırken kompleks impe,danslann özelli ğine ve kompleks say ıların birleştirilme kurallar ına dikkat edilmelidir. Bundan sonraki kesimde açıklayıcı çeşitli örnekler ineeleneeektir. Kompleks İmpedans

Denklem (3-5) kompleks impedans ın gerçek k ısmının dirençle birle ştiğini sanal kısmının ise reaktans yerine geçti ğini gösteriyor. Bu kopmleks sayının bilinen çizim temsiline göre, Şek 3-1, gerçek kısım yatay eksen üzerine ve sanal küm da düşey eksen üzerine çizilir Öyleyse impedans aç ısı , aretan

X

(3-9)

R Şekil 3-1. Kompleks impedans, çizim olarak direnç bile şeni ve reaktans bile ş enle temsil edilir.

ile verilir. Burada XI-, reaktanst ır. İmpedans sözcü ğü reaktans ve direnein ikisinin de devredeki akımı engellemeleri olgusundan gelmektedir. İki kompleks sayı yalnız gerçek ve sanal kısımları eşit olduğu zaman eşittirler. Bundan ötürü e ğer.

Ri + jX1 -= R2 ± jX2

RI = R2 ve XI = X 2

(3-10)

olmalıdır. Eşitliğin bu tanımından iki kompleks sayısının toplamının ayrı ayrı gerçek ve sanal kısımları= toplamı olduğu ortaya çıkmaktadır. Yani,

(R ı +jX ı ) 4- (R2 +jX2 )

( R2-4-R2 ) 4- j(X ı + X2)

(3-11)

dir. Kuşkusuz aynı kural iki kompleks sayının birbirinden çıkarılmasına da uygulanmaktadır. Kompleks sayılar,

Z,Z, = Z, e.iZm ZZ ei°2 = Z ıZ2 ei ( ° ş' 24)

(3-12)

şeklinde çarpılırlar. Denklem (3-12) ye göre iki kompleks say ının çarpımı gene kompleks bir say ıdır ve büyüklü ğü çarpılan sarlann büyüklükleri çarpımı ve açısı da iki sayının açılan toplamıdır, kompleks sayıların bölünmesi

A.A. DEVRELERİNİN ÇÖZÜMLENMES İ

76

Z1

Z

e j.

Zi

İ

Z2

ej<°.-

Z2

(3 - 13)

biçiminde .yapılır. Bu ba ğıntı iki kompleks sayının birbirine bölümünün yine bir kompleks say ı olduğu ve büyüklüğünün bireysel büyüklüklerinin bölümü ve aç ısının da bireysel aç ılan arasındaki fark oldu ğunu anlatmaktad ır. Ço ğu kez bir kompleks say ının kesir durumuna getirilmesi yararl ıdır. Bunun için

11 Z — Z (cos

(3-14)

jsin )

ifadesinin pay ve paydas ı kompleks e şlenikle yani sanal kısmı yerine negatifini koymakla elde edilen kompleks sayıyla çarpılıı . Buna göre Denk. (3-14)

1 Z

1 Z(cos a +jsin

1

Z

(cos

1 Z

cos —jsin costi jsin

cos —jsin cos2 +sin2 (3-15)

—jsin fil )

olur. Açıkça görüldü ğ ü üzere kompleks bir say ının tersi gene kompleks bir sayıdır ve büyüklüğü kompleks sayı nın büyüklüğünün tersi ve açısı da kompleks sayının açısının negatif i ş aretlisidir. Üstel gösterim kulland ırsa hemen 1

1

e

.4 o

(3-16)

dir. İ mpedans ın özdeş gösterimleri Z = Zei = Z(cos

jsin ) = R- jX -

(3-17)

akılda tutulmalıdır. Görüldüğü üzere toplama ve ç ıkarma, bileşenler biçiminde, R -1-- jX, yazıldığında en kolay, çarpma ve bölme ise kutupsal biçimde,

Ze

yazıldığında en kolaydır, Gerekli oldu ğunda Denk. (3-17) bir gösterimden ötekine do ğrudan do ğruya geçi şte kullanıhr Bu işlemler ve paydayı gerçek duruma getirme, gelecek kesimde aç ıklandığı üzere bireysel impedanslardan olu ş an devrelerin e şdeğer kompleks impedanslann ı hesaplamakta yararlıdırlar. Bir kompleks say ının gerçek ve sanal k ısımları cinsinden Z = Z e

= v R2 + X2 e iarctan(X I R)

(3-18)

biçiminde yaz ılabileceğine de dikkat ediniz. Demekki bir kompleks say ının büyüklüğü gerçek ve sanal k ısımlannın karelerinin toplam ının kareköküne e şittir.

TEMEL ELEKTRONIK

RLC DEVRELERİ Seri Rezonans Kompleks impedans yöntemi kullanarak a.a. devre çözümlemesinin ilk örne ği olarak Sek. 3-2 deki seri RLC devresini gözönüne al ın. Kirchhoff yasas ı na göre.

L

v

C

di dt

(3-19)

dir. Devrenin diferensiyel denklemi t te göre türevi ald ıktan sonra R

Şekil 3-2. Seri RLC, devresi.

d2i dt 2

R

di

1 i C

dt

dv dt

(3-20)

yazıhr. Bu denklemin ikinci mertebeden bir diferensiyel denklem oldu ğuna dikkat ediniz. Bu, Bölüm 2 de kullan ılan yöntemle kararh-durum için çözülebilir ve sonuç olarak

i =

Vp .‘/ R 2 +(1 /wC- 0L) 2

siu (ot- )

(3-21)

elde edilir. Burada = arctan

wL-1 /wC R

(3-22)

dir. Aynı devrenin kompleks impedans yöntemi ile çözümü a şağıda gösterildiği biçimde yapılır. Denklem (3-7) den seri devrenin toplam impedans ı

Z = R jcoL-j

aıC

— R -1-

1 wC

(2-23)

yazılır. Ohm yasas ı kullanılarak akam hesaplanırsa, =

V Z

V

R-Fj(col, -1 koC)

(3-24)

olur. Denklem (3-24) iki basamakta do ğrudan do ğruya elde edilen son çözümdür. V gerilimi ço ğunlukla kok de ğeri ile verildiğinden I nın da kok değeri elde edilir.

A_A_ DF.V10-4.FR İ NIT4 ÇÖZ£TMI..ENNIES İ

Bu çöziirti ile (3--21) ■ e (3-22) ile verilen çözümün birbirine kar şı lık geldiklerini daha iyi aç ıklamak için (3-24) ün paydas ı gerçek yap ı lır.

---

R—j(wL - 1 icoC) R—j(o ıL - 1 leıC)

V

1

R-4-j(o).1, -1 IwC) V

--/ R(eiL --

ie ıC5)

R 2 -1 (i.9L

le>C 2

V 1 \ 2—j

\2[ -

1

colC )

(3-25)

(a)-L- (oC

R2+ (e)1'-

olur. Devreııin Ş e . 3--3 ile verilen kompleks impedans çizimine bakarak Denk. (3-25) -V —(eos -\,./R2 +

(coL-1 koCr2-

)

Şekil 3-3. Bir RLC devresinin kompleks impedansi.

VP

V Pei"

N/ R 2 -F- (coL-1 loiC) 2

-

(o.ı.L-1 loiC) 2 e

j
(3-26)

biçiminde yaz ılabilir. Burada 25, arctan

oL-1 lcf_ ıC R

(3-27)

dir. Diferensiyel-denklem çözümü ile, Denk. (3-21) kompleks-impedans yönteminin sonucu, Denk. (3-26), aras ındaki uyuşma açıkça görülüyor. Bundan sonraki kesimlerle basit oldu ğundan ötürü ikinci yöntem geni ş bir biçiminde uygulan maktadır. Şimdi RLC devresinde uygulanan gerilimin frekans ını m fonksiyonu olarak akımın büyüklüğünü gözönüne ahnız. Düşük frekanslarda (e) - O) sığasal reaktans büyük oldu ğundan akım çok küçüktür. Ayn ı biçimde yüksek frekanslarda ce) indüktif reaktans büyük oldu ğundan akı m gene küçüktür. Bu s ınırlar aras ında

TEMEL ELEKTRONIK

1

79

—0

(3-28)

ıiıC

olduğunda faz aç ısı sıfırdır. Bu frekansta devrenin rezonansta oldu ğu söylenir ve akım maksimumdur, yani -

(3-29)

R

dir. Devre saf direnç olarak gözükür ve ak ım, uygulanan gerilimle ayn ı fazdadır. Bu durum rezonansta s ığasal reaktans indüktif reaktans ı götürdü'günden böyledir. Denklem (3-28) den rezonans frekans ı ,

1

wo = 271f0 =

(3-30)

LC

dir. Seri rezonans dev ı esinin özelliklerini aç ıklamak için Sek. 3-4 deki özel devrede ak ımın değişimini dikkate almız. Çizimdeki bileşenlerin de ğerleri Denk. (3-26) da yerlerine konursa devredeki ak ımın frekansla Sek. 3-5 de açıklandığı gibi de ğiştiği görülür. Akımın maksimum de ğeri ı ezonans fre-' 10 kansında I = 100

0,1 A dir ve rezonans frekans ı

10

Şekil 3-4.

looL80

60 —

E 40

20

•

0 500

700

1,000

1.2 r*D

f, Hz

Şekil 3-5. Şek.3-4'deki devrenin rezonans

1,50-0

80

A.A. DEVRELER iNiN ODZÜMLENMESi

1

1

f() - 2 :7 ,\/LC—

— 1000 Hz

6.28-V250 10 -3 x 0,1+10 -6

(3-31)

Rezonans frekans ın ı n her iki yanında akı mın azald ığı açıkça görülüyor. Rezonans durumunda devredeki elemanlar üzerindeki gerilim dü ş meleri alternatif ak ı mların önemli bir özelliğini ortaya koymaktad ır. Direnç -üzerindeki gerilim dü ş mesi, = 100 x 0,1 = 10 V

VR

(3-32)

dir. Kondansatör üzerindeki gerilim dü ş mesi ak ı mla sığasal reaktansm çarp ımı dır, yani

Vr,

1 r r-s-

0,1 6,28+10 3 x 10 -7

--

oC

— 158 V

(3-33)

ve ayni biçimde indüktarıs üzerindeki gerilim (3-34) = /e/I, = 0,1 x 6,28 x 10 3 x 0,25 = 158 V dur. Devrenin elemanlar ı üzerindeki gerilimlerin kok de ğerlerinin toplam ının s ıfır olmad ığı aç ıktn. Gerçekten reaktanslar üzerindeki gerilimler rezonans durumunda büyük de ğerlerine ula ş nlar. Bununla birlikte kon.dansatör. deki gerilimin fazunn ak ıma göle -90° indüktans üzerindeki gerilimin faz ı n ı n ise + 90° olduğuna dikkat ediniz Bu demektir ki iki reaktans üzerindeki gerilimlerin ani de ğerlerinin toplam ı sıfır olur ve direnç üzerindeki ak ım Denk. (3-32) ile de kan ıtlandığı üzere uygulanan e ınk'ine e şit olur. A.a. devrelerinde Kirchhoff gerilim kural ı ancak ak ım ve gerilimlerin fazları gözönüne alındığında geçe ı li olur. Bu dulum al ış tı rmalarda daha ayr ıntılı olarak incelenecektir. Ş ekil 3-4 de kondansatörün uçlar ına ba ğlanan voltmetre rezonans durumunda Denk. (3-33) ile verilen gerilimi gösterir. Bundan ötürü uygulanan gerilim bile ş enler üzerindekilerden küçük olmas ı na ra ğmen kondansatö ı (ve indüktans) yüksek ge ı ilimlere dayanacak yetenektc olmal ı d ır. Seri rezonans, elektronik devrelerde • rezonans frekans ında akı m ı art ırmak için geniş bir biçimde kullan ılmaktad ır.

Paralel Rezonans Rezonans Şek. 3-6 da gösterdildigi gibi paralel devrede de oluşur. Devredeki ak ını önce toplam kompleks impedans ı bulmakla elde edilir İ ndüktans ve kondansatör paralel b4-,11 olduklarından bunlar ın eş de ğer impedansı Denk. (3-8) yard ımıyla bulunur. R ,

v I.

L Ş ekil 3-6. Paralel rezorians devresi.

TEMEL ELEKTRONİK

Zı

-j(llaıC) -co2LC

— ja ıC

jaıL

jwL

+1 jwL

(3-35)

Öyleyse LC birle şiminin impedans ı

coL Z1

(3-36)

j 1-co 2LC

dir. Denklem (3-36) ya göre impedans, çok büyük ve gerçekse = I veya (3-37) olduğunda sonsuzdur. Bu ba ğıntı seri rezonans için bulunan, Denk. (3-30) ile aynıdır. Bununla birlikte Denk. (3-23) e göre seri rezonansta, rezonans frekansında impedansm minimum olduğuna paralel rezonansta ise Denk. (3-36) ya göre rezonans frekans ında impedans ın maksimum olduğuna dikkat ediniz. Devrenin toplam impedans ı R nin Z İ ile seri olarak birleştiı ilmesine e şittir, yani,

aıL

Z -= R

(3-38)

1-co 2LC

dir ve devredeki akım ise,

V R + jwL (1-co2LC)

I =

(3-39)

dir. Denklem (3-39) a göre ı ezonans durumunda impedans sonsuz ve ak ım sıfır olur. O zaman LC zaman bile şeni üzerindeki gerilim R nin de ğerinden bağımsızdır. Paralel rezonans devresinin bu özelli ği uygulamadaki devrelerde çok kullanılır Çıkış gerilimi V o, akımla impedansm çarpımıdır, yani V

Vo = IZ İ =

R-FjcoL / (1-co 2LC) V

jwL 1-co2LC

jwL R(1-co 2LC)+joıL

(3-40)

dir. Burada pay ve payda, paydamn e şleniğiyle çarpılarak

Vo = V

jwL R(1-co 2LC)-F jo)L

R (1-co 2LC) - jwL R(1-co 2LC)—jcoL

82

A.A. DEVRELERIN İ N ÇÖZÜMLENMESI

R(1.---o 2LC ) + coL) 2 4- R 2 (1-1021,C) 2 )2

v 1-1-- j( R IcoL)(1—co 2LC)

(3-41)

1. ( R RoL) 2 (1—to 2LC) 2

elde edilir. Ç ıkış geriliminin büyüklüğü gerçek ve sanal kısımlarmua karelerinin toplamının karekökü alınarak bulunur. Bundan ötürü ç ıkış geriliminin' giriş gerilimine oranı, 1 ı2 1+ (R /aıL)2 (1—w2LC)2 i

✓o

✓

( [1+ ( R Rol, ) 2 (1

-0

21,C)2.12

1 [1+ ( R le. ıL ) 2 (1-02LC) ] 1 /2

(3-42)

olur. Şekil 3-7 deki paralel devrede verilen bik şenlerin değerleri Denk. (3-42) de yerine konarak bu sonucun davran ışı açıklanmıştır. Şek. 3-8 de gösterildiği üzere rezonans frekansmda ç ıkış gerilimi giriş geriliminin değerine çıkar. Elektronik devrelerinde rezonans durumunda büyükçe gerilim ta şıyan paralel rezonans, yüksek impedans olu şturmak için kullanılır. Devrelerde rezonans 5000

• ----MAr 10 v

—L. 100 -pf•

10 uh r

Şekil 3-7.

şekil 3-8. Şekil 3-7'deki devrenin rezonans

83

TEMEL ELEKTRONIK

bütün öteki frekanslar yan ında bir tek frekans ı kuvvetlendirmek için kullamhr. Örne ğin sığay ı art ırmakla devre birbirinden farkl ı frekanslara ayarlanabilir. İşte bu, radyo ve TV alımlarında kullanılan ilkedir. Bir paralel rezonans devresinin rezonans durumunda çe şitli bile şenlerindeki akımlan kar şılaştırmak ilgi çekicidir. "Denklem (3-42) ye göre rezonans durumunda giri ş geriliminin tamam ı kondansatör ve indüktans üzerine uygulanmış olur, öyleyse ak ımlar, sırayla Ir ve

IL

,"="-

V

1 /coC

V aıL

(3-43)

(3-44)

dir. Denklem (3-39) a göre devredeki toplam ak ım sıfırdır. Bu, akımların faz açısı= dikkate alınması gerektiği bir ba şka durumdur. Rezonans durumunda sığasal reaktans indüktif reaktansa e şit oldu ğundan indüktans ve kondansatördeki alumlar e şittir. Faz aç ılan öyle de ğerlerdedir ki, örne ğin Şek. 3-7 deki üst dallanma noktas ındaki akımlar her an birbirlerini götürür ve dirençte akım sıfırdır. Öyleyse paralel LC birleşiminde rezonansta dolamml ı olarak akan bir akıın vardır. Q Çarpma! Bir rezonans devresindeki direnç,rezonans frekans ında olduğu kadar bu frekanstau uzak frekanslarda da, ak ımı bulmak için anlaml ıdır. Bu, önemli bir durumdur. Çünkü, örne ğin bütün indüktanslardaki sarım tellerinin direnci vardır. Bu etki seri ve paralel rezonans durumlar ında birbirine benzer fakat seri rezonans durumu matematik olarak daha basittir ve bütün önemli özellikleri açıklamak için kullanılabilir. Seri bir devredeki, Şek. 3-2 akımın büyüklüğünü, Denk. (3-26). gözönüne alalım,

V ER2+ (0)1,-1 loc)2j1 /2

Bu ifade

1 =

R

[1+ (aıL IR) 2 (1-1 laı2LC) 2 1 1 / 2

(3-45)

(3-46)

biçiminde düzenlenebilir. İndüktif reaktans ın dirence oran ına devrenin çarpanı denir. Şimdilik rezonans durumundaki Q yü

w oL Qo — R

Q

(3-47)

incelemek uygundur. Denklem (3-47) ve (3-30) dan rezonan frekans ı (3-46) da yerine konursa

II•L

A.A. DEVRELERiN İ N (:ÖLÜ NILENMES

f ' 1 ./11

I. Q20 ( 0, /,,,o)2

1 .4„,,0

12

(3-48)

bulunur. Burada Im rezonans durumundaki maksimum ak ımchr. Son olarak Denk. (3-48) in bir ba şka yaz ılışı parantez içindeki iki nieeli ği (.010)0 ile çarparak 02 yO

( (0

elde edilir

0 )0

(00 (ı )

2 --

(3-49)

Şekil 3-9 da Qo-de ğerlerini gösteren bu ifade Qo ın büyük (yani R nin küçük de ğeri) de ğeri için çok keskin bir rezonans devresine götürür. Bu şart altında rezonans devresirin ş erit geni şliği yani gücün yarıya indi ği • noktalar arasındaki frekans aral ığı oldukça küçüktür. Q o ın 10 dan. 100 e kadar olan böl. 1,0 -

ti

O 0,5

1,0

oı /o.ıo Şekil 3 - 9. Rezonans eğrisinin keskinli ğ i Q sü büyük olan devreler için en büyüktür.

gedeki de ğeri ço ğu elektronik devrelerde vard ır ve Sek. 3-9 da alttaki iki e ğri ile açıklandığı üzere çok iyi seçici, ayarl ı d.evrelerde yararlıdır. Özel rezonans devrelerinde Q birkaç bine kadar de ğer alabilir ve bunlar frekans ı gerçekten çok iyi seçerler. Öte yandan hazan bir rezonans devresi ııin frekans tepkisinin rezonans frekans ının her yanında geni ş frekans aralığını bulundurmas ı istenir. Bu durumda daha küçük Q de ğeri vermesi için indüktans ınkinden ba şka devreye direnç de eklenir. KÖPRİI DEVRELERI Şekil 3-10 Wheatstone köprüsünün bir benzerini göstermektedir. Her kolda bir kompleks impedans ı olan bu devre bir sinüs-dalga üreteei ile bir a.a. de-

TEMEL ELEKTRONIK

85

Ş ekil 3-10. Bir siniis.dalga üretieisinin ve dedektör olarak osiloskobun bulundu ğu bir a.a. Wheatstone köprüsü.

dektörü (osiloskop) bulundmmaktad ır. Bu devrenin çözümlenmesi Böl. 1 de incelenen d.a. devreleri gibidir, yaln ız burada kompleks impedanslar ve akımlar kullan ılı r. Burada sadece denge ş artı ilgi çekicidir ve bu şart a ş ağıdadaki gibi elde edilir. Denge durumunda dedektör üzerindeki gerilim s ıfırdır. Bu demektir ki bu koldaki akını s ıfırd ır ve bundan ötürü Z 1 deki akım Z3 dekine ve gene Z2 deki akım Z4 dekine eşittir. Bundan ba şka dedektör üzerin'deki gerilim s ıfır olduğundan Z i ve Z2 üzerindeki gerilim düş meleri eşittik ve gene aynı biçimde Z3 ve Z2 üzerindeki gerilim düşmeleri de birbirine e şittir. Köprünün kollarındaki bu gerilimleri e şitlersek Z 1 / 1 = Z2 t,

(3-50)

ve Z 3 /1 = Z4/2 olur. Denklem (3-50), Denk. (3-51) e bölünerek denge ş artı, Z1

Z2

Z3

Z4

(3-51)

(3-52)

bulunur. Bu şartı da Wheatstone köprüsü için elde edilen denge ş artı ile karşıla ştum ız. Denklem (3-52) ye göre denge ş artı iki kompleks sayının eşit olduğunu göstermektedir. Bu durumda gerçek ve sanal k ısımlarm ayrı ayrı birbirlerine e şit olmaları , a.a. köprii devrelerinin denge ayarlamalar ı için birbirinden ba ğımsız iki ayarlama= yap ılması gerektiğini ortaya koyuyor. Bu durum için belirli örnekler gelecek kesimlerde ineelenmi ştir. İndüktans ve Sığalı Köprü

Şekil 3-11 ve 3-12 deki köprü devreleri, Wheatstone köprüsünün direnç ölçmede kullanılması gibi, indüktans ve s ığa ölçmekte de kullanılabilirler. Şekil 3-11

86

A.A. DEVRELERN İ N ÇÖZÜMLENMESi

Şekil 3-11. Bilinmeyen bir kangal ın direncini ve indüktans ım ölçmek için kullanılan indiiktans köprilstı .

J Şekil 3-12. Sığa

deki indüktans köp ı üsünü gözönüne ahn ız ve Şek. 3-10 ile karşılastırınız. impedansı bilinmiyen indüktörün indüktansım ve direncini göstermektedir. Denge ş artı , Denk. (3-52),

Rı

R3 -F ja)L3

R2 --

R, + joL,

olduğunu anlatıyor. İ çler dışlar çarpımı yapılarak

(3-53)

TEMEL ELEKTRONIK

87

(3-54) Rik j(oR i L, = R,R 3 + joR,L 3 yaz ılır. Gerçek ve sanal k ısındar e şitlenirse (3-55) R,R 3 ve R İ L, R2L 3 elde edilir Biı--inei ş art Wheatstone köprüsündeki ş arttır ve d.a. cihazlar ı ile sağlanabilir. İkinci eşitlik, d.a. la dengelendikten sonra devreyi a.a. ile uyararak elde edilir. Denkle ın (3-55) yeniden yaz ıhrsa, R2

R ıG = R

R3 ve

Lu

"2 L —R7 3

(3-56)

bulunur. Bu ifadeler bilinmiyen direnç ve indüktans ı bulmak için R2 /R 1 oranının değişken bile ş enler R3 ve L 3 ile nasıl çarpıldığını anlatıyor. Bu gösteriyorki R 3 ve L 3 ün ikisi de de ğişken olmalıdır, fakat de ği şken indüktanslar yapmak güç olduğundan a ş ağıda izlenen yol daha uygundur. Verilen bir L3 değeri için denge oluşurı caya kadar R2 veya R i in birisi ayaı lamr. Sonra denge şartını sa ğlamak için R3 ayarlan ır. Bu yönteme göre bilinmiyen indüktans, bilinen L3 indüktansıyla karşılaştırılır ve gerekli değişken bile şenler sadece dirençler olmaktad ır. Denge şartlarının, Denk. (3-56), ilgi çekici bir özelli ği frekanstan ba ğımsız olmalarıdır. Böylece üretecin frekans ı uygun herhangi bir de ğerde tutulabilir. Çoğu kez frekans ı, indükleyici reaktans ı yaklaşık olarak dirençlere e şit kılacak biçimde seçmek en iyi yoldur. Benzer durum s ığah köprüde ( Şek. 3-12) de vardır ve bu köprü, Alıştırma 3-8 de incelenmi ştir. Sığah köprünün alt kollarıda d.a. yolu olmadığından denge ayarlamalar ı a.a. la uyararak yap ılır (bu indüktans köprüsünde de yap ılabilir). Bu devrede ço ğu kez ayarlanmış de ğişken kondansatörler kullan ılmasına rağmen sabit standart bir kondansatörü bir dirençle birlikte kullanmak da ayn ı derecede mümkündür. Bu durum özellikle aynı cihaz sığah köprü olarak kullan ıldığı gibi standart C3 sığası yerine standart L3 indüktans ım koyarak elde edilen indüktans köprüsü oldu ğu zaman da uygundur. C3 yerine standard bir direnç koymak da ola ğan olduğundan böyle bir cihaz direnç, s ığa ve indüktans ölçebilmesi bak ımından oldukça kullam şhdır. Wien Köprüsü Bir kolunda paralel bir birle şim ve buna biti şik kolda seri bir birle şim olan köprü Wien köprüsü o - larak bilinir. Sadece direnç ve s ığaçların' bulunduğu kullanışlı bir örnek Şek. 3-13 de gösterilmi ştir. Bu örnek önce Z 3 ve Z4 impedansları hesaplanarak çözündenir. Önce paralel birle şim gözönüne alınırsa, 1 Z3

=jwC3

olur, payda gerçek yapılırsa

R3

1.1-jo,>R 3C3 R3

(3-57)

88

A A DEVRELERIN İ N OZ1S)N1LENMES İ .

,

Şekil 3-13. 'Çirien köprüsü.

R3

Z3

(3 58) -

1 1- (1COR3C3)2 (I+)R3C3)

olur. Seri birle şim. Z4 — R4 —j

1

(3-59)

WC 4

dir. Denklem (3-58) ve (3-59) ıl denge denklemi olan, Denk. (3-52) de,, yerine konursa sonuç,

R1

R3 / (1 4- joR3C3) __

(1 -[- joJR 3C3 ) ( R4 -

R4

R3 C3 C4

--1--

j

1(

(3-60)

R4—j1 koC4)

R2 olur. İ çler dışlaı çarpımı yapıhrsa,

_L

R, Ri R3

wC4 J

coR 3R4C3 -.-

1 \

aıC4

(3-61)

R, Ri

R3

(3 62) -

elde edilir Gerçek ve sanal k ısımlar eşitlenirse denge şartları , C3

R R34

R2

C2 ve

co2R3C3 R4C4

1

(3-63)

bulunur. Bu SOJallelliı indüktans ve &galı köprülerden farkl ı yanı denge şartlarında o.) frekansmın gözükmesidir. Bundan ötürü denge, iki de ğişken impe-

89

TEMEL ELEKTRON İK

dans kullanmaktan çok, frekans ve bir bile şen, diyelim R 1 , ayarlanarak sa ğlanabilir. Bunun tersine denge için iki bile şen ayarlannsa bu köprü sinüs-dalga kayna ğının frekan.sımn bulunmasını Sağlar. Wien köprüsü, ı ezonans devresine benzer özellikleri oldu ğundan frekans seçici devre olarak da kullan ılır. Geniş bir frekans aral ığında kullanmak için uygun indüktanslar pahal ı ve yapılması güç olduğundan Wien köprüsünün birçok uygulamalarda dikkate de ğer üstünlüklerini vardır. Bu durum özellikle kolay yapılmayan büyük indüktanslar ın gerekli oldu ğu alçak-frekans devreleri için doğrudur. Çoğu kez köprüde seri ve paralel ba ğlı direnç ve s ığaçlar Şek- . ğu gibi eşittirler. Bu demektir ki şebekenin belirtgen frekans ı 3-14deolu Denk. (3-63) den 0---

Z4 L.

_c> -.. iı o --ı- O —

t Z

I

İ 1 I

V2

--"L" C 1.1

Şekil' 3-14. Frekans seçici şebeke

Ri.

;

olarak kullanılan Wien köprüsü.

1

(3-64)

RC dir.

Wien köprüsünün frekans-seçme özellikleri şebekenin çıkış gerilimini giriş geriliminin frekansı= fonksiyonu olarak hesaplayarak aç ıklanır. Çıkış gerilimi Z3 ye R i üzerindeki gerilimleri çıkarmak elde edilir. Z3 üzerindeki düşme, basit olarak, bu koldaki akım ile impedansm çarp ımıdır, Vi =

Vi

Z 3 +Z4

Z3

Vi

(3-65)

1-I-Z4 / Z3

Bu eşitlik yazılırken köprü denge durumunda olmasa bile ç ıkıştaki akımın tamamen önemsiz oldu ğu varsayilmıştır. Bu şart uygulamada ç ıkış uçlarına büyük impedansh bir yük ba ğlanarak sağlanabilir. Denklem (3-65) deki impedans oranı Denk. (3-58) ve (3-59) daki bütün R ve C ler eşit yapılarak bulunur. wo da araya sokularak Z4,

R( 1—iwo k»)

Z3

R(1—jco /ak)) / [1+ (co /coo) 2 ]

.

2 +j

wo

(3-66)

yazıhr. Denklem (3-66) ya göre sanal terimin co = u ıo belirtgin frekans ında sıfır olduğuna dikkat ediniz. Bu demektir ki şebeke bu frekansta (ve yaln ız

90

A.A, DEVRELER İNİ N ÇÖZÜMLENMESİ

bu frekansta) direnç gibi davran ır ve seri bir rezouans devresinde oldu ğu gibi çıkış gerilimi giriş gerilimiyle aynı fazdadır.

R 1 üzerindeki gerilim düşmesi. v—

vi R R ı + R2

vi

(3-67)

1 + R2 / R j.

dir. Son olarak ç ıkış gerilimi

vo

1 v ı —. v2 = vi [3+j(co loo-00 /co)

1 - R2 IR I. I

(3-68)

dir. Çıkış geriliminin giri ş gerilimine oran ı , vo /vi, paydayı gerçek duruma getirerek bulunabilir. Denklem (3-68) in R 2 / R 1 oranının iki farklı değeri için elde edilen iki çizimi Ş ek. 3-15 de verilmi ştir. Çıkış gerilimi seri rezonaustaki duruma çok benzeyen bir biçimde o = wo da minimumdan geçmektedir. Mi- , R2 = 2R 1 , matematikselnimuoldkçaesvgr nduma, olarak süreksizdir. Bundan ötürü devrenin frekans seçicili ği oldukça iyidir.

0 0,1

0,3

1,0 w/co,

Şekil 3-15. Wien köprü şebekesinin :frekans belirtgeni.

T köprü ve İkiz T köprü Şebekeleri Wien köprüsününe benzer özellikleri olmas ına ra ğmen T-köprü süzgeci denilen devre gerçek bir köprü devresi de ğildir. Şekil 3-16. da gösterilen rköprürüsünde genellikle iki yerde de e şit sığaçlar ve dirençler yoktur. Ç ıkış gerilimini bulmak için önce üst dirençteki akım bulunur ve giriş geriliminden

üzerinde düşen gerilim çıkarılır.

91

TEMEL ELEKTRONIK

R2

-

—AM o

t

t

Cı i )

R o

Şekil 3-16. T—Köprü siizgeci.

Şekil 3-16 daki, i 1 ilıneğine Kirchhoff yasas ı uygulan ı rsa J

i

J

-

•

—

Vi

-

cuC i

■

(3-69)

iıRı

dir. İ kinci ilmekteki gerilimlerin toplam ı , O—t 1

r.

COC

>

j COCI

i2R2

+ i2

(3-70)

dir. Biraz yalmla ş t ı rdı ktan sonra (3-70) den i 1 ,

(1

+

Cı

(3-71)

sicoR2C1)

bulunur ve bu (3-69) da yerine kon ıusa i 2 bulunur. 0 zaman ç ık ış gerilimi

v o =vj-

—

eiwR 2C, /C2) + R, I 4- j(<02 R 1 C R2C-1) -

coC, [R

(3-72)

elde edilir. Sanal k ısım

coo —

1

(3-73)

V R iC İ .R2C2

kritik frekans de ğerinde s ıfır olur. Bu ifadeyi Wien köprüsü için elde edilen Denk: (364) ile kar şdaşturruz. Ç ıkış geriliminin kompleks de ğerinin giriş gerilimine oran ı, (3-73) ü (3-72) de yerine konulduktan sonra vo vi

_ [1_

R1 F R2

C ıR

C )] C2

.

o )

R İC

R,c,

mo

yazılabilir. T-köprü süzgeeini ıa frekans-tepki beli ı tgeni Wien köprüsiine benzerdir, yalnı z belirtgin frekans de ğ erinde minimum o kadar keskin de ğildir. Bununla birlikte ötekilere göre basit olu ş u ve giri ş ve çıkış uçları= ortak ba ğlantılı olu şu T-köprü süzgecini yararl ı bir frekans-seçici şebeke yapmaktad ır. Bu devı enin belirli uygulamalar ı sonraki bir bölümde aç ıklanacaktır. T-köprü süzgeeinden biraz daha kar ışık olan ikiz-T süzgeci Sek. 3-17 de gösterilmi ştir ve bu devre de bundan önceki kesimde kullan ılan yöntemle çözümlenebilir. İkiz-T siizgeci tepki belirgenleri bak ımından Wien. köprüsüne

A.A. DEVRELEBİ NIN ÇÖZÜMLENMESI

92

Rİ

■

JVV ı----[

cC 1 .

R2

Rı

—1(— e-

0

3

2

C,

Ç ı k ış

—0

4

Şekil 3-17. İ k i z -T süzgeci.

bzde ştix fakat minimumu çok keskiudir. Ayr ıca ortak giri ş -çıkış u.çlarmın olması da üstün bir özelli ğidir. Herhangi bir uygulamada Wien körüsü, T-köprü şebekesi veya ikiz-T şebekesinden, hangisinin seçilece ği istenilen frekans bölgesi, işleyiş ve karma şıklığa ba ğlıdır, fakat üç devre de yayg ın biçimde kullanılmaktadır. TRANSFORMATORLER

Karşılıklı İndüktans Bir devredeki ak ımdan do ğan de ğişken bir magnetik ak ımn başka bir devre ile kesildiğini varsayal ım. O zaman ikinci devreye bir emk indüklenir ve 1 ile 2 devreleri aras ındaki karşthklı indüktans, Denk. (2-15) e benzer biçimde,

v2 -- M dit d

(3-75)

yazılabilir. Burada c 2 birinci devredeki i 1 akumnin ikincide olu ş turduğu e ınk tix. Karşılıklı indüktansm çok önemli bir uygulama yeri transformatördür ve transformatör aynı demir çekkirdek üzerine sarılmış çok sarımh iki makaradan oluşur. Bu durum iki alum makaras ı arasındaki karşılıklı indüktansı mümkün olduğu kadar. büyük yapar. Gösterim olarak bir transformatör şek. 3-18a daki gibi devrenin bir kısmı olan birinci sarırn. ve ikinci devrenin bir k ısmı olan ikinci sarımlar olu şur. Transformatörün kısa gösterimi Şok. 3-18b de verilmiştir. Birinci)

Ikinci) C>

C>

0 C1

0

0 0

C>

ro

(a)

(b)

Şekil 3-18 (a) Transformatöriin çizimi ve (I)) devrede gösterimi.

TEMEL ELEKTRONIK

93

Birinci sarMıda oluş an magnetik akımn ikinci sarimda tamamen kesildi ği ideal bir transformatör dikkate al ınız. İkinci sarımın açık devre yap ıldığını ve birinci devrenin sinüsel bir gerilim kayna ğına bağlandığını varsayınız Birinci sarımdaki akım, birinci devrenin impedans ı ile hesaplanır. Birinci sarımdaki indükleme gerilimi v i , Faraday yasas ına göre birinci'devrenin indüktans ına ve indüktans da birinci devredeki sar ımlarm sayısına bağlıdı r. Bütün akı ikinci sarı mlarla da kesildiğinden ikinci devreye indüklenen gerilim, v 2 , ayni biçimde sarımlarm sayısına bağlıdır, Yani, vl

v,

n n2

(3-76)

dir. n i < n, veya n i > n2 şartlarına bağlı olarak bir yükseltici veya alçalila yani ikinci devredeki gerilimin birinci ye göre daha yüksek veya daha alçak olan transform.atörler olu şturulabilir. Şimdi ikinci devrenin, direnç olan bir yüke ba ğlandığını varsayalıın ikinci devredeki ak ımdan ötürü dirençte / 2R kayıpları olur ve bu güç birinci sarımlardan gelmektedir. Bu durum şöyle olmaktadır. Hem birincideki akım ve hem de ikincideki ak ım çekirdekte magnetik ak ı oluşturur. İkinci devredeki akımdan do ğan magnetik akı birinci devredeki akımın oluşturdu ğu akıya z ıt yöndedir. Magnetik akının zayıf olması birinci devrede buna kar şılık gelen gerilimin küçük olması demektir. Bundan ötürü birinci sarg ılara ba ğlanan gerilim kaynağı birinci devrede akım, Kirchhoff kurallarına göre gerilimler toplamı sıfır oluncaya kadar artar. Öyleyse ikinci devredeki ak ım birinci sargılaı da akım olmasını gerektirir ve magnetik ak ı= tepe de ğeri yük olmadığı zamanki değerinde sabit kalır. Ak'ların yakla şık olarak yok olması indüklenen gerilimlerin asl ında frekanstan ba ğımsı z olduğunu anlatmaktad ır. Akımın değişme hızı frekansla arttığından Denk. (3-75) ikinci devredeki gerilimin frekansla artt ığını gösterir. Birinci sarg ılara indüklenen gerilim frekansla artar ve böylece birinci devredeki ak ım azalır ve ikinci devredeki gerilim frekanstan ba ğımsız kalır. Çekirdekte toplam magnetik ak ı zamanla de ğişmez, çünkü birinci ve ikinci derelerdeki akımların magnetik akıları eşit fakat z ıt yöndedir. Her iki indüktans da sarunlarm say ısına ba ğlı olduğundan n 1i 1 = ıı,i2 (3-77) yazıhr. Denklem (3-77) de birinci ak ım ikinci devrede gerçekten sadece bir yüke eşlik eden ek akıma karşılık gelir. Bununla birlikte yük olmaması durumundaki akım çok küçüktür ve önemsizdir.

Transformatör Saran Oran ı İkinci devredeki sarımların birincidekilere oranına transformatör sartm oranı denir ve bu oran özellikle ikinci devreye ba ğlanan impedans birinci devrenin.

DENRLIERiN İ N Ç:ÖZÜMLliNtvILS İ

impedans ı ile karşılaş t ı rı ldığı nda anlambdır. Şekil 3- -19 da ikinci devrede yükün yalnı z bir R direnci olması durumunu dikkate Aruz.

R nin büyüklüğü ikinci deyredeki akını' belirler, yani V,

(3-78)

dir. Burada Denk. (3-7 () deki i vi ve Denk. (3-7o tii yi yerine .kuyarsak

Şekil 3-19. `Fransfurn ıatöriin birinci devresindeki uçlarda göriinen direnç, ikinci devreye ba ğlanan dirençten farkl ıdır.

nı

1.

nıR

119

veya ( 112

V

'V I

R

/

(3-79)

bulunur. Birinci devreden bak ıldığında i i akıın.ı bir eş değer dirençten, Re, akmaktadır öyle ki

v R e,

—

(3-80)

dir..(3-79) ve (3--80) e ş itlikieri kar ıklaştırdırsa ikinci devrcdeki yük direnci, .* R, birinci devrede bir direnç olarak göziikür ve

R„ dir.

( n. 1 YR

(3,-81)

\

Bu demektir ki bir transformatör verilen bir güç kayna ğı ve sabit yük direnci aras ında maksimum güç iletirni elde etmek için devredeki dirençleri nyuşturmada kullan ılabilir. Bu çok yararl ı özellik, örne ğin büyük iç dirençli bir yükselteç ile alçak dirençli bir l ıaporlörü bağlamak için kullanılır. Kompleks impedanslarda tam Denk. (3-81) deki dirençler. gibi sar ım oranları ile dönüşürler. Denkleın (3-81) e birinci devreden bak ıldığında saf direnç gibi gözükmektedir. Özel olarak birinci sarg ının öz-indüktans ı kendisini göstermektedir. Bu demektir ki bir transformatö ı , etkin direnci bir devreden ötekine de ğiştiren fakat kendi ba şına bir indüktans ı olmayan bir aygıt olarak davranmaktad ır. Gene bir transformatörde birinci ve ikinci devrelerin elektriksel olarak ba ğlanına şlığına ve iki devreni ıı doğru ak ırnlardan yalıtıltl ığına dikkat ediniz.

03

TEMEL ELEKTRON İ K

Pratik TransforMatörler Çoğu " transformatörler önceki kesimlerden birinde aç ıklanan çekirdekli ş ok bobinlerine benzer biçimde yap ılır fakat ku şkusuz çekirdek üzerinde birden fazla sarg ı bulunur. Transformatörlerin. büyük sar ım oranı olması durumunda alçak-gerilim ve yüksek-ak ını - sarsılan, I2R kayıplarını azaltmak için uygulamada kalın telden sar ılırlar. Öteki sarg ılar ince telden yap ılmış bir çok sarımlardan oluşturulur, çünkü bunlarda ak ım küçüktür. Yaprak yaprak yap ılmış - çekirdekler girdap-ak ımı kayıplar ını azaltmak için kullan ılır fakat 100 000 Hz den bütük frekansh transformatörlerde genellikle yüksek-özdirençli ferit çekirdekler kullan ılır. Birinci devrede bir tek sargısı fakat ikinci devrede ayr ı ayrı sargılan olan transformatörler vakum tüp ve transistör ayg ıtlarına farklı gerilimler vermek için kullanılır. Böyle bir • güç, transformatörünün birinci devresindeki sarg ısı 115 V, 60 Hz lik kayna ğa ba ğlamaya uygun yap ılır ve ikinci sargılar ise 700, 6,3 ve 5,0 V verecek biçimde sar ılır. Böyle güç transformatörlerinin uygulamaları ilerdeki bir bölümde ineelenmi ştir. Birçok amaçlar için transformatör sarg ılarının indüktif etkileri önemsiz yapılabilir ama dikkatli bir çal ış mada transformatö ı ün özelliklerini daha kesinlikle hesaplamak gerekir. Pratik bir transformatörü.n e ş değer devresi Sek. 3-20 de gösterilmiş tir. Birinci ve ikinci devrelerdeki indüktarislar her iki sarg ıdan. birine girmeyen s ızıntı Magnetik akı tarafindan yarat ılır ve böylece ak ıların tam olarak birbirlerini yok etmesine kar şı olarak davran ırlar. Gösterilen dirençler tel sarg ıların dirençleridir. L n, indüktansı , yük bulunmadığı zaman küçük mıknatıslayıcı birinci devre akımma karşıhk gelir. Birinci ve ikinci taraflardaki s ığaçlar sar ım katları aras ındaki sığalardan do ğan • o: 4

L„

Birinci!

o

000

- —1'000 R„ -

R,

L, C,

c> L Il t CP ı

-o

tr„nsfornı atör

Şekil 3-20. Pratik transformatöriin e şde ğer devresi,

Bu e şdeğer devreye göre bir transformatör alçak frekanslarda etkin değildir, çünkü L m nin reaktans ı o kadar küçük olur ki ak ını , ideal transformatöıiin birinci devresinde ş öntlenir. Yüksek frekanslarda transformatörün çalışması sızıntı indüktanslan ve sar ım sığaçları ile bozulur. Bu smulamalara rağmen transformatörler kullan ılacak frekans aral ıklan için iyi bir çal ışma

or,

A.A. DEVRELER İ N İ N Ç'ÖZÜMLENNWS İ

gösterebilecck biçimde yapdahilir. Denklern (3-81) sadece transformatiir sa•iml ıum ı n oran ı n ı n önemli oldu ğ unu göstermesine ra ğmen uygulamada birinci ve ikinci devrelerin sa ı nnlarilun kullanılaca ğı yakla şık impedans düzeyleri, belirtilir. Bu belirtilen de ğeller Ş ek. 3--20 deki rı ansfor ınatöı ün indüktans ve dirençierinin, birinci ve ikinci yük impedanslar ı ile kar şılaştırıld ığında önemsiz olabilece ğini ve bunun sonucu olarak transformatöriin yakla şık olarak ideal transformatiir gibi çal ış aca ğı nı göstermektedir. KAYNAKLAR ./1.M.P.Brciokes: "Basic 'Electric Cirtuits", The lacmillan Company, York, 1963

NC,NY

S,Fich and J.L.Potter: "Theory of AC Circuits", Prentice-Flall, Inc.„ Englewood Clifft, J.N., 1959 "The Radio Amateu ı s Handbook" (Published annualy by the American Radio Relay League, West Hani ford, eonn.)

ALIŞTIRMALAR 3-1 Ohnı yasas ının a.a. lardaki lıiçimini kullanarak seri bir RC devresindeki akımı bulun ve sonuctm Mil. 2 deki diferensiyel denklemin çözümü ile ayn ı olduğunu gösterin. 3-2 Şekil 3-21 deki devrenin e ş de ğer impedans ım h esaplayin. Sanal terim sığasal mı yoksa indüktif midir? C,

Rİ

7.

--

Şekil 3-21.

Cev : Sığasal 3-3 Ş kil 3-22 deki devrede 1000 luk direnç üzerindeki ak ı mın kok de ğerini hesaplaym. Akım indüktif mi yoksa s ığasal m ıd ır? Cev : 6,5 mA; sığasal 3-4 Frekansı n 100 Hz olm.ası durumunda Şek. 3-23 deki devrenin e şdeğer impedansmı hesaplaym. 1000 Hz için problemi yineleyin.

97 •

TEMEL ELEKTRONIK

şekil 3-22. 0,01 u F

o 250 mH Z 0,1 j.£ F

10 10 mH

Şekil 3 - 23.

Cev' : 0,198+j2,23 x 10 6 Q: 384+j2,47 x 10 9 3-5 Frekans ın 900 Hz olmas ı durumunda Şek. 3-4 deki devrenin her bile şeni üzerindeki akım ve gerilimlerin kok de ğerlerini bulun. Gerilinderin faz aç ılarını dikkate alarak ilmek boyunca gerilimlerin toplam ı ile ilgili Kirchhoff kural ı= geçerli oldu ğunu gösterin. Cev : 2,75 x 10 -2 eit'29 A; 2,75 e9 1 '29 V,; 48,6 e-i0,27 V; 3 , 8 e.j2,28 V. 3-6 Bir 'paralel rezonans dev ı esinin rezonans durumundaki impedans ı indüktanstaki sarımlarm direnci ile s ınırlanır. Şek. 3-24 deki devrenin impedans ı için bir ifade türetin ve çizimde verilen bile şenleri kullanarak re zonanstaki değerini hesapkaym.

Cev : 4 x 10 4 Q, 3-7 Ş ekil 3-7 deki devrenin bile şenlerindeki akunlar ı hesaplayın. İşlemleri co =0.9 / 2 için yineleyin. Her iki durumda ak ımların faz açılarını dikkate alarak Kirchhoff ak ım kurahnın geçerli oldu ğunu gösterin.

0,2mH

98 -

A.A. DENRELER İ NIN ÇÖZÜMLENMESI

Cen: 0 A; 3,1610

e, : - 21!57 .A;3,1.61- 10 -2 ej1 ,57 Az 2 x10-3 e —j0'042

9,67 ><10- '3 c.—:»:042 A; 6,67 x io- 4 ej3,q0 A.

3-8 Şekil 3-12 deki sığa köprüsünün denge ş artlar ını bulun. Cev : RR 3

R İ R,, R i /R,

Cu /C3

3-9 Bir köprü T-siizgceinin frekans ve faz belirtgenlerini Denk. (3-74) ü kullanarak çizin. Belirtgin frekans 1 kHz, R, == 1000 R1 , C 1 == C, ve R, 1.04Q, olacak biçimde bile ş enlerin de ğerlerini bulun. 3-1.0 Ş ekil 3-17 deki ikiz T siizgecinin frekans ve faz belirtgenlerini çizim Bu süzgecin tepki belirtgenleri

cip ve R1 C İ

( 1 j( oo R ı

C i +2C2 co /(0 O — W0 /0.)

(3-82)

4R2C, olduğunda rezonans frekans ı 2 w °2 --- R 2 İ C ı C,

dir. Belirtgin frekans ı 1 kllz'e e şit kalmak için C i uygun de ğerlerini bulun.

(3-83) 2C, alın ve bileşenlerin

BÖLÜM DÖRT

Diyod Devreleri

Dirençler kondansatörler ve indüktanslarda, Ohm yasasına göre akım uygulanan gerilintle doğru orantılı olarak arttgından bu elemanlara doğrusal bileşenler denir. Bu doğru oranttlıltğtn geçerli olmadığı bileşenlere doğrusal olmayan aygttlar denir ve bunlar kullanılan bütün elektronik devrelerin temelini olu ştururlar. Bu bölümde, doğrusal olmayan önemli bir aygtt olan diyod doğrultucu incelennıektedir. Diyod sözcü ğü doğrultucuların iki ucu veya iki iki elektrodu olmasından kaynaklardır., Bir doğrultucu uygulanan gerilimin kutuplarına göre, bir yönde öteki yönden daha büyük ak ım geçirmesinden ötürü doğrusal değildir. Eğer bir a.a. devresinde bir doğ rultucuya uygulanan gerilimin kutuplart ters yönde olduğu zaman doğ rultucudan geçen aktm önemsiz olur. Bundan ötürü do ğrultucudan tek bir yönde aktm geçer ve bu durumda alternatif aktm doğrultulmuş olur. Doğrultucuların en çok kullan ıldığı yerler güç kaynaklarıdır. Güç kaynağı 115—V, 60—Hz lik a.a. gerilimlerini vakum tüp ve transistörlerde kullanılmaya uygun d.a. gerilimlerine dönüştürür. Güç-kaynaklarında vakum tüp ve yar ı iletken eklem diyodu gibi iki çe şit doğrultucu kullanılı r fakat üstün özelliklerinden ötürü eklem diyod çoğunlukla vakum diyodun yerini almt ştır.

103

DiYOD DEVRELERI

DOĞRUSAL OLMAYAN DILESENLER Akım-Gerilim Belirtgenleri Doğrusal olmayan bir devre bile şeninin en yararlı biçimde tanımı bu bileşendeki akım ile uygulanan gerilim aras ındaki ba ğıntıdır. Gerçekten bu ba ğıntı doğrusal bileşenler için tanımlanan Ohm yasas ının önemine benzer, çünkü Ohm yasası bütün do ğrusal-devrelerin çal ışma ve çözümlenlelerinin temelidir. Akım ve gerilim aras ındaki bağıntı alışılmış oldu ğu üzere grafik şeklinde aygitın aktm-gerilim (IV) belirtgenleri olarak gösterilir. Do ğrusal olmayan bir devre elemanının herhangi bir devredeki çalışması uygun akım-gerilim belirtgeni yardımıyla çözümlenebilir. Doğrultucuları da içine alan çe şitli, kullanışlı elektriksel bile şenlerle ilgili çok sayıda değişik akım gerilim belirtgenleri vard ır, bunlar bu ve bundan sonraki bölümlerde tart ışılmıştır. Birçok durumlarda bu do ğrusal olmayan bağıntıların nedenini temel fiziksel ilkeler yard ımıyla anlamak mümkündür. Örneğin aygıttaki elektronlaıın hareketleri uygulanan gerilimle do ğrudan doğruya akımın değişmesini sağlayabilir. Bu, Böl. 1 deki Ohm yasas ı durumudur, yani elektronlar ın iletkende sürüklenmesi do ğrusal bir /V belirtgeni oluş turur. Daha iyi akını-gerilim özellikleri olan yeni ayg ıt yapımlarının geliştirilmesinde işe karışan fiziksel ilkeleri anlamak ço ğu kez önemli olmasına rağmen aygıtın gördüğü işi ve devredeki çal ış masının çözümü için bunu anlamak gerekli değildir. Gerçekte, kulland ım doğrusal olmayan aygıtların /V belirtgenleri aygıtlarm yapısındaki do ğal karışıklık nedeniyle, ço ğu kez teorik çözümden çok deneysel ölçüleri° belirlenir. Ticari ayg ıtların belirtgin akım-gerilim eğrileri yapımcıların çizelgelerinde geni ş biçimde bulunabilir. Devre çözümlenmesinin tüm ilkeleri, özellikle Kirchhoff kurallar ı doğrusal olmayan bile şenleri kapsayan devrelere uygulanabilir. Ço ğu kez çözümlemelerde grafik teknikleri uygulamak yararl ıdır. Çünkü akım-gerilim, IV, belirtgenleri matemafiksel biçimde kolay ifade edilemezler.

ideal Doğrultucu Basit fakat çok önemli do ğrusal olmayan bir akını-gerilim belirtgeni Sek. 4-1 de verilen ideal doğrultucu belirtgenidir. Bn, ideal do ğrultucunun direncinin, gerilim bir yönde uygulandığı zaman sıfır ve öteki yönde uyguland ığı zaman ise sonsuz oldu ğunu gösteriyor. Etki olarak diyod gerilime duygun bir anahtar gibidir, yani kutuplarnı bağlanışı doğru yönde ise kapalı ve ters bağlamış durumunda açıktır. Çeşitli diyodlarm bu belirtgene yak ın belirtgenleri vardır ve bu belirtgen önemli birçok elektronik devrelerin. temelidir. Ek E de tartışılan vakum diyodlar ve yar ı iletken eklem diyodlarm ikisi de geni ş

101

TEMEL ELEKTRON İ K

bir biçimde kullan ılmaktad ır, fakat eklern diyodlar belli özel uygulamalar dışında t7akum tiiplerinden daha çok kullan ılmaktadır.

Ters yön

Do ğru yön

Şekil 4-1. ideal bir do ğrultucunun

belirtgeni.

Eklem Diyod Bölüm 5 de gösterilece ği üzere germanyum veya silisyum gibi saf yar ı iletken maddelere yabanc ı atomların katılması elektrik akımın" taşıyan serbest elektronlar oluşturur. Böyle yabanc ı atomları kapsayan bir yar ı iletken örgüde akımı ta şıyanlar elektronlar, yani negatif yükler oldu ğundan bu örgüye n-tipi denir. Aynı biçimde baş ka çeşit atomlar katılmasıyla yarı iletkenin pozitif akım taşıyıcılar' ile ak ımı ilettiği görülür. Böyle bir örgüde ak ım taşıyıcılar pozitif yükler oldu ğundan, bu tür yarı iletkene p-tipi iletken denir. Aynı bir örgünün istenilen bir bölgesinde bir çe şit yabanc ı atomların sayısını ötekiler yanında birden bire de ğiştirerek iletkenli ğin n-tipinden p-tipine çevrilmesi mümkündür. Bir yar ı iletkende n-tipi bölge ile p-tipi bölge aras ındaki eklenme yerine pn ekimi denir ve bu bölge do ğrusal olmayan farkl ı elektriksel belirtgenler gösterir. Gerçekten basit uygulamalarda kullan ılan gerilimler için pn eklem diyodu yaklaşıkça ideal bir do ğrultucu gibi davran ır. Bu durum Şek. 4-2 de gösterilen seçkin germanyum ve silisyum pn eklemlerinin akını-gerilim belirtgenleri ile açıklanmıştır. Her iki durumda da uygulanan gerilim bir voltun onda birinin birkaç katından daha büyük oldu ğu gerilimler için do ğru yön akımı önemli ölçüde artar ve büyük gerilimlerin ters yönde uygulanmas ı durumunda geçen ters yöndeki akını bunun yanında önemsiz olur. Germanyum diyodlar ın oda sıcaklığında iletken duruma geçmesi için gerekli öngerili ın yani do ğru gerilim 0,2 V dur ve bu gerilim silisyum için 0,6 V dur. Bu iki gerilim aras ındaki fark iki yarı iletken maddenin elektriksel özelliklerinin fark ına ba ğlauabilir ve bu durum gelecek bölümde daha ileri bir düzeyde incelenmi ştir. Germanyum pn eklemleri için oda s ıcaklığında ters aklın birkaç mikroamper ve siliyum diyodlar için birkaç pikoamperdir. Bu fark da iki yar ı ilet-

102

Dİ YOD DEVRELERI

10 r -

• 8 E Gertrumvurn

•

2 6_ Silisyum •

4

2

3 —2 Uygulanan gerilim. V Şekil 4-2. Germanyum ve silisyum eklem tliyodlarnun

belirtgenleri.

kenin temel özelliklerine ba ğlıdır. Bu değerler ideal bir diyodun akını-gerilim belirtgenlerine yakla ş acak kadar küçüktür. Daha çok ilgilenilecek bir olgu da ters yöndeki akımın sıcaklikla üstel olarak artmas ıdır. Bu hızh artış diyodların ancak s ıcaklığın az artt ığı durumda kullanılabileceğini gösteriyor, örneğin silisyum diyodlar 200°C den yukarı sıcaklıklarda hemen hemen çal ışmazlar. Sıcaklık değiş iklikleri doğru yönde olan belirtgenleri de etkiler. Örne ğin Sek. 4-3 de görüldüğü gibi silisyum bir diyodun 20°C lik s ıcaklık yükselmesi ile doğru yönde uygulanan gerilimi 0,1 V kadar bir dü şüş göstermektedir. Devrede kullan ılan eklem diyodlann üzerlerindeki güç birkaç watt'tan büyük ve watt mertebesinde olursa bunlardan geçen ak ım sonucu ortaya ç ıkan joule ısısım dağıtmak için diyodlar so ğ utulurlar. Uygulamada eklem diyodlar, ısıyı kendilerinden öteye da ğıtmak için da ğıtıcı kanatlar ı olan metal yuvalar içine yerle ştirilmişlerdir. Bütün yan iletken ayg ıtların ortak bir belirtgeni olan s ıcaklık duygunluğuna ra ğmen eklem diyodlar son derece iyi do ğrultuculardır. Ticari olarak satılan eklem diyodlar Böl. 5 de tammlananlara benzer i şlemlerle silisyum veya germanyumdan yap ılır. Uygulamada bu aygı tlar, yarı iletkeni kirlenmekten korumak için koruyucu içine ahnm ışlardır. Bu iş , diyodu içi asal atmosferle dolu bir küçük metal kutuya veya plastik bir sand ıkçığa koyarak yapılır. Silisyum ve germanyum eklem diyodlarm ın üstün elektriksel belirtgenlerinden ötürü bunlar selenyum ve bak ır oksit yarı iletkenlerinden yap ılan eski

103

TEMEL ELEKTRONIK

10 45°C

25 °C

6

?ı

4

2

—110

—0,5

0,5 0 Uygulanan gerilim, V

Şekil 4-3. Silisyum eklem diyodlarmın akım-gerilim belirtgenlerine s ıcaklığın etkisi.

yan iletken do ğrultucıdarm yerini alrıuşlardır. Bu son do ğrultucularm ticari olarak kullan ılan ilk yan iletken aygıtlar oldu ğu bilinmelidir. Bütün yarı iletken diyödlann gösteriminde, ,Sek. 4-4 ,ok ayg ıttaki doğru aklın yönünü göstermektedir.

Q Şekil 4-4. Yar ı iletken diyodun devrede gösterimi.

pn ekleminin do ğru yönde çok iyi iletmesi kullan ışh diyodların oldukça küçiik olabilece ğini anlatıyor. Öyleyse buna kar şılık kaçak s ığasal reaktansları küçük olaca ğından eklem diyodlar yüksek frekanslarda kullam şhdırlar. Bu özellik nokta-değnıeli diyodlarda yani metal bir telin yan-iletken örgü ile dokunduğu diyodlarda daha da art ınlır. Bu diyodlar yap ılırken dokunma noktas ı altında küçük bir prrAlemi oluşur. Böyle küçük aygıtlar milimetre dalgaboyuna kar şılık gelen frekanslarda çal ış abilir ve örne ğin radar ve yüksek hızlı hesap makineleri devrelerinde kulland ırlar. Eski bir nokta de ğmeli diyod Şok. 4-5 de görülüyor.

104

D İ YOD DEVREITRI

Şekil 4-5. Nokta-de ğnı eli diyod (Ohmite Manufacturing Coınpany).

DOĞRULTUCLI DEVRELER

Yarını-dalga D oğrultueusu Şekil 4-6 daki basit do ğrultucu devrede bir eklem diyod bir a.a. kayna ğı ve bir direnç ile seri olarak ba ğlanmıştır. Kaynağın kutbu do ğru yönde ise diyod iletir ve yükte akım oluşturur. Ters yar ım devirde diyod iletmez ve yükte ak ım sıTırdır. Bundan ötürü ç ıkıştaki akım Ş ek. 4--6 da gösterildi ği 'gibi arka arkaya yarım sinüs dalgalarmdan oluşur ve bunun için bu devreye yarım-dalga doğrultucusıt denir. Yarım sinüs dalgalar= ortalama de ğeri sıfır olmadığından böylece çıkıştaki akımın bir d.a. bileşeni bulunur. Yani giri şteki sinüs dalgası böylece dU ğrultumuş olur.

14

/
(\_

t

a-L

Şekil 4-6. Yarım•dalga do ğrultucusunun basit bir devresi

Gerçekte, diyoçl üzerinde gerilim dü ş mesi oldu ğundan çıkış geriliminin tepe de ğeri kayrıağın geriliminin tepe de ğerinden küçüktür. Buna benZer biçimde ters yarım-devir s ırasında geçen akım tam sıfır değil yani diyoddan ters yönde geçen akıma e şittir. Bununla birlikte birçok do ğrultucu uygulamalarında diyod üzerine dü şen gerilim ve ters yön ak ımı iinemsiztlir,

TEMEL ELEKTRONiK

105

Tam-Dalga Do ğrulyucusu Yanrri-dalga do ğrultucusu giri ş iş aretinin bir devrinin yar ısı sırasında çalış madığından mümkün olan daha az verimlidir. İki diyod Şek. 4-7 de görüldüğü gibi yani her diyod yan devirlerinde iletecek dunnr ıda yerle ştirilirse tamdalga doğrultucusu yapıldığı görülür. Bu durum orta uçlu bir transforma-

Şekil 4-7. Tam dalga do ğrultucusu.

törlerle yap ılır. O zaman D2 diyodu ters beslenmekte iken D 1 diyodu iletir. Değişen yarım-devirde bu durumlar de ğişmiştir ve çıkıştaki akımın dalga biçimi Şek. 4-8 de gösterildi ği gibi, yarım-dalga do ğrultucu devresinin aksine, çok kısa süreler için s ıfır değerlerini alır.

ip

i ı +i2

şekil 4-8. Tam -dalga dogrultueusumm dalga biçimleri.

106

DİYOD DEVRELERI

Tam dalga do ğrultucuda her diyodun transformatör sargismin tepeden-tepeye gerilimin dayanmas ı gerekti ğine dikkat ediniz. Bundan ötürü diyodlarm ters gerilimlerinin tepe değerleri en azından çıkış geriliminin tepe değerinin iki katı olmalıdır. Bu durum yüksek gerilimlerde çal ış an devreler dışında ciddi bir engel oluşturmaz. Şekil 4-6 ve 4-8 de gösterilen yar ım dalga ve tam-dalga do ğrultucular ının çıkıştaki dalga biçimlerinin kar şılaştırılması yarım-dalga doğrultucuda temel frekans ın kayna ğm fekansına eşit olduğunu fakat tam-dalga do ğrultucusu durumunda ise frekans ın kaynağm frekansıum iki katı olduğunu ortaya koymaktad ır. Bu durum ilerde belirtilece ği üzere güç-kayna ğı devrelexi için önemlidir. Tam-dalga do ğrultucu devrelerinde orta uçlu transformatör giri ş geriliminin her yarı devrinde akım verir ve böylece yarım-dalga do ğrultucusu durumundan daha verimli bir transformatör düzeninin oluşmasına izin verir. Bununla birlikte çıkış geriliminin transformatörün ç ıkış geriliminin sadece yar ısı olduğuna dikkat ediniz.

Köprü Doğrultucu Orta uçsuz transformatörlü, tam-dalga do ğrultucu devre Şek. 4-9 da gösterilen köprü doğrultucudur. Bu devrenin çalışması giriş geriliminin değişen yarı devirlerinde akımı izleyerek açıklanabilir. Örne ğin transformatörün üst ucunun pozitif olduğunu varsayahm. Bu durumda D2 ve D3 diyodları iletken olur ve yük direncinden ak ım geçer. Öteki yar ı-dönüde D4 ve D 1 diyodları iletir ve yük direncindeki akımın yönü biraz öncekinin ayn ıdır. RL üzerindeki gerilim tam-dalga do ğrultucuya karşılık gelir ve gerilimin tepe değeri transformatör geriliminden diyodlar üzerinde dü şen gerilim kadar azd ır.

Şekil 4-9. Orta üçlu transformatör olmadan yap ılan köprü doğrultucu bir tam dalga dogrultueusudur.

İki diyod, yük ile seri olduklar ından çıkış gerilimi ile diyoddaki gerilim düşmes inin iki katı kadar azd ır. Öte yandan cliyodlarm ın ters tepe gerilim değeri, bundan önceki tam-dalga doğrultucusunun aksine, sadece transformatör gerilimin eşit olur.

107

TEMEL ELEKTRON İK

Gerilim Katlayıcı ` Şekil 4'-10 da iki diyodun ters yönde gerilim kayna ğına ba ğlandığı devreyi dikkate akın. Kayna ğm üst ucunun pozitif oldu ğu yarı-devirde D 1 ile. tir ve C 1 giriş geriliminin tepe de ğerine- eşit bir gerilimle yüklenir. Ters yar ımdevirde D2 iletir ve bu kez C 2 de tam giri ş gerilimi de ğerinde yüklenir. Bu,s ı rada D ı üzerindeki gerilim ters yönde oldu ğundan C 1 üzerindeki yük olduğ u gibi durur. Böylece C 1 ve C2 üzerindeki gerilimler kaynak geriliminin tepe değerini aldığından d.a. çıkış gerilimi giriş geriliminin tepe de ğerinin iki katına eşit - olur. Bunun sonucu olarak bu devreye gerilim katlayta denir.

2 Vp 'T= c2 D2 Şekil 4-10. Gerilim-katiapci dogrultueusu devresi giri ş geriliminin iki katma e şit bir çıkış gerilimi verir.

Yukarıdaki çözümleme yük üzerinde hiçbir akım akmadığı zaman uygulanır. Yük direnci bağlandığı zaman kondansatörlerin yüklerinin bo şalması ile akım sağlamr. Değişik yarı-devirde kondansatörler arka arkaya yeniden yüklenirler. Bununla birlikte bu durum, yük alt ında gerilimin art ık d.a. olmadığını fakat a.a. bile şeni bulunduğunu anlatır. Akım sızmalarnaı ve kaynağm frekalım' gözönüne alarak çıkış gerilimindeki değişmeleri en az yapmak için C 1 ve C2 sığalarının yeter ölçüde büyük yap ılması gerekir.. Bu devredeki kondansatörlerin süzme işlemi gelecek kesimde ayr ıntılarıyla açıklanmaktadır. SİİZGEÇLER Çoğu kez do ğrultulmuş dalgabiçiminin alternatif bile ş eninin azaltılması yani çıkışı n temel olarak d.a. gerilimi olmas ı istenir. Bu durum uygun biçimde ba'ğlanmış kondansatör indüktanslardan olu şan süzgeçlerle yapılır. Güç kaynağındaki süzgeç alçak-geçiren bir süzgeçtir ve bütün alternatif bile şenleri doğrultulmuş dalgabiçimine indirger ve d.a. bile şeni geçirir: Bir süzgecin etkinliğinin ölçüsü, dalgalanma çarpant r ile verilir ve bu a.a. bile şeninin kok değerinin d.a. bileşenine yani ortalama de ğere oramdır, Yani r

V kok V da

(4-1)

dir. Bu tamına göre dalgalalma çarpan ınm mümkün olduğu kadar küçük yapılması istenir. Dalgalanma çarpan ı giriş geriliminin frekans ının birçok harmo-

108

D İ YOD DEVRELER(

niklerini bulundurmasma ra ğ men genel olarak sadece temel frekans için bulunması yeterlidir. Bu böyledir., çünkü temel frekans en etkindir ve alçak-geçiren .süzgeç belirtgenleri ile yüksek harmonikler temel harmonikten daha çok zayıflatıhr. Kondansatörlii Süzgeç En basit siizgeç devresi Ş ek. 4—ii de gösterilen köprü do ğrultuculu alçak gerilim güç kayna ğı devresinde gösterildiği gibi yük direncine paralel ba ğlı bir kondansatörden oluşur. Eğer güç hatt ı frekansmda kondansatörün reaktans ı yük direnci R L ile karşılaştırıldığında küçükse, a.a. bile şeni kısa devre yapılmış olur ve yük direncinde sadece d.a. ak ımı kalır.

..100 SI

—6 Şekil 4-11. Kondansatörlii süzgeç kullanarak yap ılan pratik bir alçak-gerilim güç kayna ğı.

Kondansatörlii süzgecin belirtgenleri, Şek. 4-12 devresindeki dalgabiçimberi incelenerek bulunur. Kondansatör, do ğrultulmuş gerilimin tepe de ğeri Vp ile yüklenir ve do ğrultulmuş gerilim tepe de ğerinden azaldığı zaman RL üzerinden bo ş almaya başlar. Yükleyici pulslar aras ında. kondansatör gerilimir;.deki azalma RC zaman sabiti ile giriş geriliminin periyodunun birbirlerine göre değerlerine ba ğlıdır. Küçük zaman sabiti azalman ın büyük ve dalgalanma geriliminin de biiyiik oldu ğunu gösterir. Öte yandan büyük zaman sabiti küçük bir dalgalanma bile şeni bırakır. Diyodlar sadece devrin bir k ısmı

Diyod akımı Şekil 4-12. liondıınsatürlü süzgecin ç ıkış gerilimi d.a. gerilimi ve küçük, üçgen dalgalan ına geriliminden oluşur.

109

TEMEL ELEKTRONIK

sırasında, kondansatörler yüklenirken iletirler, çünkü sadece bu zaman aralığında kaynak gerilimi ve kondansatör gerilimi toplam ı diyodlan do ğru yönde öngerilimler. E ğer RC zaman sabiti periyod yan ında uzunca yani R LC » T ise dalgalanma gerilimi yaklaşık olarak üçgen bir dalgad ır. Bir periyod sürecinde kondansatör gerilimindeki üstel azalma yakla şık olarak Vp x T /RÇ ile verilir. Üçgen bir dalgannt kok de ğeri Böl. 2 de hesaplanm ıştı . Denk. (2-87). Buna göre kondansatör süzgecin dalgalanma çarpan ı, 1

r

Vp

1

1

VpT

1

fRLC

V 3 2RLC

(4-2)

dir. Burada basit olsun diye d.a. ç ıkış gerilimi Vp ye eşit alınmıştır. Bu sonuç sigaran de ğerini art ırarak dalgalanmanın küçiiltülebilece ğini gösteriyor. Yük akımı sıfıra eşit olduğu zaman (R L --> co) dalgalanma çarpan ı sıfır olur ve bu da çıkış geriliminin sadece d.a. olması demektir. Yük akımı artınlırken (Rr, nin küçük de ğerinlerMde) dalgalanma çarpan ı artar. Şekil 4-11 deki bileşerderin değerleri yukarıdaki ifadede yerlerine konulursa dalgalanma çarpanı 0,025 bulunur. Öyleyse dalgalanma ç ıkıştaki d.a. nın yüzde 2,5 idir. Tam dalga doğrultucusunun dalgalanma çarpan ının yanmdalga doğrultucusunun yakla şık olarak yarısı olduğuna dikkat ediniz, çünkü birinci durumda do ğrultulmuş bileşenin frekans ı ikinci durumdakinden iki kat daha büyüktür. Kondansatörlü süzgeçten ç ıkan gerçek d.a. ç ıkış gerilimi kondansatör üzerindeki gerilimin tepe de ğerinden dalgalanma bile ş eni kadar azd ır, yani Vda

= Vp

Vp T 2RLC

Vp

1 2fC

Ida

(4-3)

dır, ve burada yine basit olsun diye Ida Vp /KI; yaklaşıklığı kullan ılmıştır. Denklem (4-:3) e göre d.a. ç ıkış gerilimi yükten çekilen do ğru akımla do ğrusal olarak azalır. Çikıştaki gerilim ile ak ımın sabit olmalarına güç kaynağının düzenleyiciliği denir. Denklem (4-3), süzgecin s ığasmin büyük bir de ğerde olmasının düzenleyiciliği artırdığını gösteriyor. Bu denklemle verilen ç ıkış gerilimindeki azalışın a.a. dalgalanma bileşenindeki artış a eşlik eden bir de ğişikliğe karşılık geldiğine dikkat edilmelidir. Diyod .dirençlerine ve transformatör sarımlarının dirençlerindeki I.R düş meleri yük akımı artarken ç ıkış gerilimini daha da azalt ırlar. . Basit kondansatörlü süzgeç alçak ak ımlarda çok iyi süzgeçleme ödevi görür ve yüksek-gerilim alçak-akını güç kaynakiarnıda çoğu kez kullanılır. Basit olduğundan ötürü bu devre dalgalanman ın nispeten az önemli oldu ğu yüksek aklın kaynaklarında da kullanılır. Bu süzgecin d.a. gerilimi yüksek ve gerilim kaynağının tepe de ğerine eşittir, kondansatörlü süzgecin elveri şli olmayan yönleri, kötü düzenleyicili ği ve küçük yüklerde dalgalanmada art ış göstermekmesidir. •

D IYOD DEVRELERI

l ııı

Süzgeç Kondansatörlii süzgeç devresine, Ş ek. 4-13 de görüldü ğü gibi seri olarak bir indüktans eklemek yararlıdır. Bu L-biçimli veya Şok-girişti siizgeçdeki seri indüktans, akı mdaki ani değiş meler° z ıt yönde karşı koyar ve böylece süzgeçleme işlemine katk ıda bulunur. Dalgalanma çarpan ı , doğrultulmuş dalgabiçiminin a.a. gerilim bile şenlerinin indüktans ile direnç-kondansatör bile şiminin. impedansı Z aras ında bölü şümünü dikkate alarak ve d a ç ıkış gerilimini de basit olarak do ğrultulmuş dalga biçiminin d a bileşeuine e şit alarak hesaplaııır.. Buna göre L-biçimli siizgecin dalgalanma çarpan ı,

L-

Şekil 4-13. L-biçunli siizgeç. i.

=

Z

(V Ic. Vd0 k )

(4-4)

o, do ğ

olarak yazıhr. Tam-dalga do ğrultucusu ile do ğrultulmuş bir dalga biçimi için uygun kok ve rLa. de ğerleri Denk. (2-92) ve (2-88) burada yerine konursa

r

-\/2 3

114-w2LC V14-(1 /coRLC) 2

,N/ 2 eı2LC 3

(4-5)

olur, burada uygulamada her zaman yap ılan RI,C » 1 yaklaşıklığı yapılmıştır. Kondansatörlü süzgecin aksine dalgalanma çarpan ının yükten ba ğımsız olduğuna ve L ile C nin büyük de ğerlerinin süzgeçleme ialexnini ilerletti ğine dikkat ediniz, indüktans, do ğrultulmuş dalga biçiminin de ğişen bileşenlefini dıırdurur ve d.a. çıkışı , basit olarak do ğrultulmuş dalgamn ortalamas ı veya d.a. de ğeri olur. Bu, seri bir yarım-sinüs dalgas ı için d.a. çıkış geriliminin 2 Vp f n veya yaklaşık 0,6 Vp olması demektir. Öyleyse ş ok-girişli süzgecin d.a. çıkış gerilimi kondansatörlü süzgecinkinden oldukça küçüktür. Denklem (4-5) e göre dalgalanma yük akun ındau bağunsızdır. Bu demektir ki Denk. (4-3) de oldu ğu gibi yüksek akımlarda süz ıne işleminin azalması yüzünden çıkış geriliminde bir azalma yoktur. Bundan ötürü diyodlar ve transformatör sarunlar ındaki IR düşmeleri dışında çıkış gerilimi yükten ba ğım.sızdır. Bu nedenle L-Biçimli süzgeç yük ak ımında büyük değiş 'nelerin beklendi ği uygulamalarda kullan ılır Herhangi bir uygulamada bu süzgecin iyi düzenleyici olma üstünlü ğü nispeten dü şük çıkış gerilimi ile dengelenir.

TEMEL. ELEKTRON İ K

Il

Kondansatörlü- siizgeçte oldu ğu gibi yük ak ımı sıfır oldu ğ u zaman kondansatör, giriş dalgabiçiminin tepe de ğerine kadar yüklenir. O zaman ç ıkış gerilim.i Vp dir ve düzenleyicilik kötüdür. Kondansatörlü süzgeç ile ilgili olarak tart ışıldığı üzere bu durumda da diyodla ı uygulanan gerilimin devirlerinin sadece bir k ısmında iletirler. Bu i şleyiş ve gerçek L-biçimli süzgece geçiş , diyodlarııı gerilim devri boyunca iletti ği yük.akımlarıncla_ olur ve kondansatör üzerindeki gerilim do ğrultulmu ş dalgabiçiminin d.a. bile ş enlerinde kalır. Bir kondansatörlü süzgeç ve bir şok-girişli süzgecin Şek. 4-14 deki gerilim düzenleme e ğrilerinin karşılaştırılması birincinin kötü düzenleme yaptığını fakat yüksek ç ıkışı olduğunu, ikincinin iyi düzenleme yapt ığım fakat çıkış geriliminin daha küçük oldu ğunu gösteriyor. L-biçimli süzgeçte iyi düzenlemeyi garanti etmek için gerekli minimum ak ım açıkca görülüyor.

Ide Şekil 4-14. Kandasetör giri şli ve L-biçimli süzgeçIerin gerilim düzenleme belirtgenleri.

Süzgeç Şekil 4-15 deki güç-kayna ğı çiziminde gösterildi ği üzere bir kondansatör girişli süzgecin bir L-biçimli süzgeçte bile şimi çok kullanılan bir devredir. Bu n-biçimli süzgecin çıkış gerilimi hemen hemen kondansatör-giri şli süzgecinkine eşit ve düzenleme belirtgenleri de aş ağı yukarı aynıdır. Bununla birlikte iki kat süzgeçleme i şlemiyle dalgalanma çok çok azaltılmıştır. Gerçekten tüm dalgalanma çarpma' kondansatörlü süzgecin dalgalanma çarpan ı ile Lbiçimli süzgecin impedans oranının çarpımıdır. Az düzenleme özelliğine rağmen az-biçimli süzgeç çok iyi süzgeçleme i şlemi yapt ığından yaygın biçimde kullanılır. Süzgeç çeşitlerinin başka bileşimleri de kullanılmaktadır. Örneğin Şek. 4-16a da iki L-biçimli süzgeç çok alçak dalgalanma ile birlikte ş ok-girişli

süzgeç kadar da iyi düzenleme yapar. Herhangi bir süzgecin dalgalanma çarpanı yukarıdaki azbiçimli süzgeç durumunda belirtildi ği gibi her basit süzgeci ayrı ayrı dikkate alarak hesaplamr.

us

D İ YOD [)EVRraLRi

10 H

115 V 60 Hz

10 ı. F

10 ı F

Şekil 4-1.5. 100-V -Ink kullanışlı bir giiç kayna ğı .

000 _L_

(tı )

(1))

Şekil 4-16. (a) Iki

silzgeç ce (b) ,t-bis4nıli RC

süzgecin. özellikle dü şük-akım devreleri için kullamh şh bir değişik biçiminde indüktans yerinde Şek. 4-16b de görüldüğü gibi bir direnç bulunur. Bu devre, akımın direnç üzerindeki IR - düşmelerinin aşırı ölçüde yapmayacak kadar küçük oldu ğu ve düzenlemenin ikinci derecede önemli oldu ğu yerlerde kullan ışhdır. Bu sınırlar içinde bu devre basit kondansatörlü sözgeçten daha iyi i şlem yapar.

GERİLİM DÜZENLEYİCİLER Çoğu kez bir güç kayna ğının geriliminiu sabit kalması ve yük akunından bağıınsız olmas ı istenir. Şok-girişli süzgecin düzenlenmesinin iyi olmas ına rağmen tranşformatör ve şok süzgecin sarımlarınm dirençlerindeki IR düşmelerinden ötürü bu devrede bile ak ını artarken gerilim dü şer. Hat gerilimindeki değişmeler ve bileşenlerin eskimesi gibi ba şka de ğişkenler de güç-kayna ğının geriliminin değişmesine katkıda bulunabilir. Çıkış gerilimini sabit tutabilmek için güç. kayna ğının bir parças ı olarak gerilim düzenleyieileri yapılır. Eğer çok sağlıklı düzenleme gerekli ise sonraki bir bölümde tart ışıldığı üzere oldukça iyi düzenleme yapan elektronik devreler kullan ılır. Öteki durumlarda ise orta durumla gerilim kararl ılığı oluşturabilen özel bileş enler kullan ılır. fener Diyodlar ı Özel bir ters besleme gerilim de ğerinde pn eklemindeki ak ım çok hızlı bir biçimde artar. Bu durum, elektronlar eklemde elektrik alan ı ile yüksek hızlara doğru ivın.elendirilip atomlarla .çarpi şarak ba şka serbest elektronlar olu ş -

:113

TEMEL ELEKTRON İ K

tudukları zaman Ortaya ç ıkaı . Bu elektronlar alan taraf ı ndan aynı biçimde ivmelendirilir ve s ırası gelince ba şka iyonlanınalaı a neden olurlar. Bu ç ığ süreci çok büyük ak ım oluşturur ve eklemin bu durumda k ırılma etkisinde kaldığı söylenir. Bununla birlikte güç tüketimi yerel erimelerin yar ı iletkeni bozacağı sıcaklık noktasına varmad ıkça kırılma, yapının bozulması anlamına gelmez. Eklem üzerindeki gerilim k ırılma bölgesinin oldukça geniş bir kısmı boyunca hemen hemen sabit kal ır. Bu olay bir güç kayna ğının çıkışını kı rı lma geriliminde tutmakta Ilk olarak Clarence Zener k ırılmada, akımdaki hızlı artışı n nedenini ilk açıklayan oldu ğu için bu pn eklemlerine Zener diyodlart denir. Bir zener diyodun akım-gerilim eğrisinin Şek. 4-17 de görüldü ğü üzere keskin bir

• 50

100 Şekil 4-17. Zener diyodun ak ım-gerilim belirtgeni.

geçiş gerilimi ve kırılmanın yukarısmda düz bir akım çizgisi vardır. Kırı lma gerilimleri ikiden birkaç yüz volta ve ak ım özellikleri birkaç miliamperden birçok ampere kadar olabilen zener diyodlar ı yapılabilir. Bir zener diyodun bir güç kayna ğının çıkış gerilimini düzenleme yolu Şek. 4-18 de aç ıklanmıştır. Kayna ğın düzenlenmemiş çıkış gerilimi Vs, diyo300

Şekil 4-18. Gerilim diizenleyici olarak kullan ılan bir zener diyod.

111,

D İ YOD DEVRELER

duıı zener k ı •ı ltna geiliminden büyük olmal ı d ır. O - zaman diyod ak ııııı nedeniyle Rs üzerindeki gerilim dü şmesi artı diyodun kırılma gerilimi toplamı güç kaynağının gerilimine e şit olur. Yük akım ı artarken diyod akımı azalır ve böylece Rs üzerindeki dü şme her zaman kirilma gerilimi ile güç kayna ğının gerilimi aras ındaki farka e ş ittir. Güç-kayna ğı gerilimi yük altında değişse bile diizelmiş çıkış gerilimi diyodun kı rılma gerilimine e şit bir değerde sabit kalir. Zencr diyod gerilim düzenleyicisi, Rs nin akını gerilim. belirtgenini diyodun akun=gerilim belirrgeni ile ayn ı eksenler üzerine çizerekçözümlenir. Şekil 4-18 e uygulanan Kirchhoff kural ı

Vs-IRs-V = 0

(4-6)

(lir. Buradan / çözüliirse, /

Vs

-

Rs

1

Rs

V

(4-7)

bulunur. Bu, e ğimi — 1 / Rs ve kesim oktas ı I = VS /Rs olan bir doğru denklemidir. Devre çizimindeki say ısal değerler yerine komnsa Denk. (4-7) diyodun akım-gerilim belirtgenini Şek. 4-17 de gösterilen A noktasında keder. Bu kesim noktası Rs deki akı mı verir. Yük ak ımı tam V E IRLdir ve Vn diyodun kırılma Yükün / belirtgenini, 1 ,

R"

(4-8)

Şok. 4--17 üzerinde çizmek yararl ı olur. Yük akımı, Denk. (4-8) in diyod helirtgeni ile kesim noktas ı, B, ile verilir. Yük akımının Rs deki akımdan küçük olması gerekti ğine dikkat ediniz, aksi durumda Rs üzerindeki gerilim düşmesi çok büyük olur ve zener üzerinde V B gerilimi kalmaz böylece düzenleme i ş lemi durur. B kesim noktas ı A noktasına kar şılık gelen akı nıd.an küçük oldu ğu sürece devre düZgün iş görür. Zener diyodlar güç kayna ğında de ğişikliklere ra ğmen, dalgalanma da içerilmek üzere, çıkış gerilimini sabit tuttuklarmdan biraz da süzgeçleme i şlemi göriirler. Bundan ötürü gerilim düzenleyicilerle birlikte ço ğu kez sadece kondansatörlü süzgeci kullanmak yeterli olabilir.

Denetimli Doğrultueular Çoğ u kez elektrik motoru yahut bir f ırırun ısıtıcı eleman gibi bazı yüklere verilen gücün denetimi gereklidir. Seri dirençler yahut gerilim bölücüler güç harcarlar, ve bu durum yüksek-güçlü devreler için gerçekten kötüdür. Denetimli doğrultuettlar gücü az kayıpla vermeyi ayarlama yetene ğinde geliştirilmişlerdir.

TEMEL ELEKTRONIK

115

Bu çeşit en uygun eleman denetimli sislisyum do ğrultucu, DSD, dur. Bu yarı iletken aygıt Böl. 5 de ayrıntılarıyla açıklandığı üzere dört paralel pn eklemini içerir. Şimdilik bu öğenin, geçit olarak adland ırılan bir denetim elektrodundaki ak ımla do ğru yöndeki iletimin denetlendi ği bir eklem doğrultucu olduğunu söylemek yeterlidir. Geçit elektrodu, DSD gösteriminde belirtilmi ş tir. Sek. 4-19. Anot

Geçit Katot Şekil 4-19. Denetimli silisyum bir do ğrultueunun devrede gösterimi.

Seçkin bir DSD nun ak ı m gerilim belirtgeni Şek. (4-20) de görüldü ğü üzere ters yönde bir eklem do ğrultucuya özde ştir. Doğru yönde, eklem do ğrultucuda normal iletime özde ş olan bir "aç ık" durum ve bir de alçak-ak ım "kapalı" durum vard ır. Do ğru yönde anot-katot gerilimi belli bir kritik de ğerin (gerçekte buna karşılık gelen akım kritiktir) alt ında kaldığı sürece do ğru yön akımı

Açık durum

Kapal ı durum

IQı

it

Ters önbesleme

Do ğru öngerilim

4-0

Vkri t •

Şekil 4-20. DSD nin ak ım-gerilim belirtgeni. Bu ö ğe geçit ak ımı ile açık duruma tetiklenebilir. Binada

1 g2

gı > 0 dir.

küçüktür. Bu kritik de ğerin üstünde DSD yüksek-ak ım alçak-gerilim aç ık durumundadır. Kritik ak ı m geçit elektrodu ile sa ğlam'', yani DSD geçit ucuna bağlanan küçük bir ak ı mla (100 ti. A kadar küçük) aç ık konuma tetiklenebilir. Geçit akı mını sürekli olarak uygulamak gerekli de ğildir, çünkü bir kez DSD yüksek iletim durumuna tetiklendikten sonra anot gerilimi s ıfır yapılıncaya kadar bu durumda kal ır.

116

Di1/01-3 Dt\iltELER.i

Şekil 4-21 deki basit; DSD devre gözönüne al ınırsa motorun h ızının kendisine verien güçle denetlendi ği görülür. Transformatör geriliminin tepe değeri Vp kritik geriliınden küçüktür ve DSD geçit ak ımı ile tetiklenmedikçe yük akımı sıfırdır. Geçiti)] transformatör geriliminden a faz aç ısı kadar geride

l).a. motoru

Şekil 4-21. Bir d.a. motorunun hı zını denetlemek için basit bir DSD devresi.

olan bir akım pulsu ile her devirde beslendi ğini varsayalım. Bu durum Şek. 4-22 de açıklanmıştır. Doğru yöndeki iletim her devirde bu noktaya kadar geeiktirilir ve böylece ç ıkışta elde edilen do ğrultulınu ş dalgabiçimi yarım-dalda doğrultucusununkine benzer yaln ız her devirde ilk kesimi k ırpılnuştır. Motordaki akımın ortalama yani d.a. de ğeri, çıkış akımın tam bir devir için integre ederek bulunur. Tela

Ip

22z

f

sinoit dost

(4-9)

burada /p ak ımın tepe de ğeridir. İntegral alınırsa,

crt

og

wt

eı Şekil 4-22. Çıkış akımının dalgabiçimi transformatör gerilimi ve geçit ak ımı pulsu arasındaki faz açısma bağlıdır.

117

TEMEL ELEKTRONIK

(1+ COS,7.)

(4-10)

bulunur. Denkleın (4-10) a göre motor ak ı mı maksimumdan (x =0 )sıfıra (tx = jı) kadar basit olarak geçit pulslarm ın faz aç ısını değiştirerek ayarlanabilir. ileride bir 'bölümde açikland ığı üzere böyle pulslar olu şturan basit devreler vard ır. Denetim elektrodunda tüketilen gücün DSD nun bozulmas ına neden olabilen bir limit de ğerden a ş ağı olmas ına dikkat edildi ği sürece geçit devresinde puls kullanmak gerekmez. Ş ekil 4-23 deki faz-kaydtrmayla denetimli devreyi dikkate al ırım. Orada geçit ak ımı anot gerilimine göre faz ı kaydırılmıştır. Geçit gerilimi ikinci gerilim v 1 ve R üzerindeki düşmenin toplam ı olduğundan •

Ri e

(4-11) dir. Bu denklem geçit gerilimi ve v 1 ile aynı fazda olan anot gerilimi aras ınsındaki faz aç ı s ını verecek biçimde kolayca çöziilür. Sonuç g 61 2' g= v ı —

Şekil 4-23. DSD - nun faz-kayd ırmayla denetimi.

g = arctan

2 MoC -1 = – 2 aractanRoC (RoL) 2

(4-12)

geçit geriliminin anot gerilimi ile ayn ı faza ( R 0 )veya yakla şık 180° lik faz dışına (R = oo) getirilebilece ğini gösteriyor. Ş ekil 4-24 deki dalgabiçimleri o y nin de ğiş mesinin geçit gerilimi her devirde kritik de ğerinden daha büyük oldu ğu zaman diyodun iletim zaman ını nasıl değiştirdiğini gösteriyor. Geçit i ş aretinin ters yar ı -devirde de açık kaldığı na dikkat ediniz, fakat bunun ters belirtgenler üzerine bir etkisi yoktur. Ş ekil 4-23 deki devrede R 1 direnci ve D ı diyodu geçit akımını emin bir de ğere sınırlandırı r ve ters geçit ak ımına engel olur, aksi durumda ikisi de DSD için zararl ıdır.

118

DİYOD DIWR EU, R İ

wt

uı 1.

Wt

Şekil 4-24. Faz kaydırnı ayla denetimli DSD devresinde dalga biçimleri.

DİYOD DEVRELERI Diyodlar güç kaynaklar ından başka yerlerde de yararl ıdır. En büyük uygulamaları sonraki bir bölümde tart ışılaca ğı üzere kare-dalga pulslar ı ile çahş mak için düzenlenen devrelerdedir. Diyodlarna do ğrultma belirtgenleri sinüs dalga işaretleri ile görev yapan devrelerde de kullan ılır Bu uygulamalarda doğrusal olmayan diyod sinüs-dalga iş aretini özel bir biçimde de ğiştirir. Kırpıcılar Şekil 4-25 de iki diyodun bir a.a. gerilim kayna ğına paralel olarak ba ğlandığı iki diyoddan oluşan diyod kırpleı devreyi gözönüne al ınız. Vi ve V2 her bir diyodu ters yönde öngerilimler. Giri ş gerilim işareti V i den büyük olur olmaz . D 1 diyodu iletir ve seri R direnci üzerinde gerilim dü şmesine neden olur. Benzer biçimde giri ş gerilimi V2 den daha negatif oldu ğu zamanlar D2 diyodu iletir. Böylece çıkış dalgabiçimi, ters öngerilimler olan Vi ve V2 ile -O

R

I J+ . 'Y

.J.....-

1

Şekil 4 - 25. Diyod kırpıel.

119

TEMEL ELEKTRON İ K

bu gerilim de ğerlerine ktrpılmış veya s ınırlandırılmış olur. Kırpma i şlemi, seri direnç yük impedans ından çok daha büyük oldu ğu zaman en etkindir. Şekil 4-26 daki dalgabiçimleri ile aç ıklandığı üzere kırpıcı devreler, bir sinüs-dalga üreteci dalgalar ından kare dalgalar olu ştururlar. E ğer V i = V2 ise ve giriş iş aretinin genli ği önbesleme gerilimlerinden oldukça büyükse ç ıluştaki dalgabiçimi hemen hemen bir kare dalgad ır. E ğer, örne ğin V2 0 ise çıkış hiçbh zaman negatife kaymaz ve böylece dalgabiçimi pozitif olarak devam eden bir kare pulslar treni olur. K ırpma işlemi girişteki herhangi bir dalgabiçimi için yürür ve ters önbesleme gerilimleri V i ve V, değiştirilerek ayarlanabailir

Şekil 4-26. Diyod kirmemin çıkış dalga biçiminde maksimum genlikler önbesleme gerilim de ğer. lerine snurlandiribruslardir.

Kırpıcı devre, önbesleme geriliminin ayarland ığı emin gerilim değerlerine giriş gerilimlerini suurlandırdığı için koruyucu bir devre olarak da yararl ıdır. Radyo-alıcı devrelerinde s ınırlandırıcılar çoğu kez kuvvetli gürültü pulslarnun genliklerini istenilen işaretin bütüklü ğünün mertebesine s ınırlayarak bu pulslarm etkilerini azaltmak için kullaruhrlar. İş aretin dalgabiçiminin ani genli ği önbesleme gerilimlerinden küçük kald ığı sürece i ş aret bozulmadan yay ınlanır. Kıskaçlar Diyod kıskaç devresi Ş ok. 4-27 de görülüyor. Önce önbesleme gerilimi Vnin sıfıra e şit olarak ayarland ığı durumu dikkate alınız. Diyot giriş geriliminin her bir negatif devrinde iletir ve böylece' konda ıısatörü giri ş işaretinin negatif tepe de ğerine eşit bir gerilimle yükler. E ğer yük akımı sıfırsa kondansatör o

-o Şekil 4-27. Diyod kiskaç.

120

D İ YOD DEVRELERI

yükünü pozitif yarı devirde korur, çünkü bu durunida diyod gerilimi ters yöndedir. Öyleyse ç ıkış gerilimi (4-13) vo = wi --İ- VP dir, burada - Vp giriş geriliminin negatif tepe de ğeridir. Denklern (4-13) e göre çıkış geriliminin dalgabiçimi giri ş iş aretini yineler yaln ı z iş aret kondansatör üzerindeki d.a. gerilimine e ş it bir miktarda kayd ı rıhr. Sinüsel bir giriş e kar şılık gelen ç ıkış dalgabiçimi, Şek. 4-28, sinüs dalgas ının negatif tepelerini s ıfır gerilim değerine ktskaçlar. Bu her zaman böyledir ve giriş geriliminin genli ğinden de ba ğımsızdır. Bundan ba şka negatif tepeler, giriş dalgabiçimi ne biçim al ırsa als ın, her zaman s ıfır volta kıskaçlanır. Diyodun uçlar ı kendi araları nda de ğiş tirildiğinde ayn ı devre çözümlenmesi uygulanır ve bu durumda da ç ıkış taki dalganın pozitif tepeleri s ıfıra kıskaçlanır. E ğer Şek. 4-27 deki önbesleme gerilimi, V, sıfırdan ba şka bir de ğere ayarlamrsa kondansatör Vp 4- V'ye eşit bir gerilimle yiiklenir. Bundan ötürü negatif tepeler V gerilimine kıskaçlanır. Aynı biçimde önbesleme-V oldu ğunda negatif tepeler bu gerilime k ıskaçlanır. Diyodurı kutupları ters çevrilirse giri ş dalgasınm pozitif tepeleri önbesleme gerilimine e ş it bir gerilime kıskaçlanm ış olur.

Şekil 4 28. Ş ekil 4-27 deki diyod ktskaç devre$inde V=0 oldu ğu zaman -çık ış dalgabiçiminin negatif -

tepe de ğeri sıfıra kiskaçlannti ştir.

Diyod kı skaçlar, devrelerde belli noktalarda gerilimlerin tepe de ğerlerinin sabit olmas ımn gerekli. oldu ğu yerlerde kullan ılır. Bu, örneğin, eğer dalgabiçimi sonradan verilen bir gerilim düzeyine k ırpılaeaksa önem kazan ır. Ço ğu diyod kıskaç devrelerinde ç ıkış uçlar ı aras ı na büyük bir direnç ba ğlamak yararlıdır", çünkü böylece kondansatördeki yük sonunda ba şka yere s ızabilir. Bu i ş lem giri ş geriliminin genli ğindeki de ğ iş ikliklere devrenin kendisini ayarlamasını mümkün kılar. A.a. Voltmetreler Diyodlarna do ğrultma iş lemleri birinci bölümde tart ışılan d'Arsonvalrnetre gibi d.a. ölçen bir d.a. voltmetresiyle a.a. gcrrliml.e ı ini öknıcyi mümkün kılar. Bu iş in VOM metrelerle ba ş anlmas ıum iki yolu Ş ek. 4-29 da aç ı klanmış tır. Şekil 4-29 a da D 1 diyodu bir yar ım-dalga do ğrultucudur ve do ğrultulmu ş dalgabiçiminin d a bileş enini de voltmetre gösterir. D2 diyodu giri ş dalgabiçiminiıı devrini do ğrultmak için konmu ştur. .02 diyodu çal ıştığı nda

121

TEMEL ELEKTRON İ K.

(a)

(b)

Şekil 4-29. (a) Yar ım-dalga ve (b) tam-dalga a.a. voltmetreleri.

ölçü cihazında hiçbir akım do ğınamasına rağmen bu diyod a.a. geriliminin her iki yarısının da doğrultulması için devreye yerle ştirilmiştir Bu diyod voltmetrenin devreyi her iki yar ım devirde eşit olarak yüklenmesini sa ğlar ve mümkün olan dalgabiçimi bozul ınalarım oluşturmaz. Şekil 4-29 b deki köprü devresinin yarım-dalga devresinden daha büyük duyarlık*" vardır, çünkü köprü bir tam-dalga do ğrultucusudur. D'Arsonval metredeki sapma, ortalama ak ımla orantılıdır, yani Şek. 4— 29 daki voltmetreler a.a. geriliminin ortalama de ğerini ölçerler. Bununla birlikte bu cihazlarm ölçekleri, d.a. ölçekleri ile kar şılaştırmayı kolaylaştırmak için kok de ğerlerine göre ayar edilmi şti, . Bu ayar a.a. dalgabiçiminin sinüsel olduğunu varsaymaktadır ve e ğer durum böyle de ğilse cihazın gösterdi ği değerler gerçek dalgabiçimi cinsinden aç ıklanmandır. D:a. voltmetrelerinde oldu ğu gibi a.a. voltmetrelerinde de ölçü bölgesini geni şletmek için seri direnç çarpanlar ı kullanılır. Ş ekil 4-30 daki yarım-dalga do ğrultucu, eğer voltmetre devresinden s ızan akım küçükse, yararlı bir, tepe-değerleri okuyan, voltmetre olur. Bu durumda kondansatör her yar ım periyodda giri ş dalgabiçiminin pozitif tepe de ğerine kadar yüklenir ve d.a. voltmetresinin gösterdi ği sapma da bu değere karşılık gelir. Burada da gene cihaz ın ölçeğini bilinmeyen gerilimin sinüsel olduğunu var-

Şekil 4-30. Tepe-de ğerleri okuyan a.a. Voltm T etresi.

122

Dİ YOD DEVRELER İ

sayarak, kok de ğeri cinsinden ayar etmek yayg ın bir uygulamad ır. Bu durum, ölçek tepe de ğerlerin ,N/ 2 ye bölünmü ş de ğerlerini gösterecek biçimde düzenleneı ek yapılır. Bilinmeyen gerilim sinüsel olmad ığı durumlarda, tepe de ğer, ölçüleri sistemin bir d.a. yolu bulundurma .zor ımluluğudur. E ğer d.a. yolu yoksa ve devrede seri kondansatör varsa C üzerindeki gerilim iki kondansatörün birbirlerine göre de ğerlerine ba ğlıdır, çünkü ileri devirde bu kondansatörler seri durumda olurlar. Bu ise gerilimi hatal ı okumaya neden olur. Diyod kıskaç, yukar ıdaki güçlü ğü olmayan tepe de ğer ölçen bir devredir. Kıskaçlanan dalganna a.a. bile ş enini yok etmek için Ş ekil 4-31 de olduduğu gibi bir .RC süzgeci koymak yararl ıdır. Şekil 4-28 deki dalgabiçimine

--T --NİNA----

R

c 2

K ;kar

Siizgeç

Şekil 4-31. Tepe-de ğ er okuyan bir voltmetre olarak kullan ılan bir diyod kıfikaç,

bakıldığında ortalama de ğerin, giri ş geriliminin negatif tepe de ğerine e şit olduğu görülür. Öyleyse d.a. ölçü cihaz ı= okumaları negatif tepe gerilim de= ğerlerine karşılık gelir. Ölçülerek devrede seri bir kondansatörün k ıskaçlama işleminin bir parças ı olduğuna ve voltmetrenin yanl ış göstermesine neden ok madığnıa dikkat ediniz. E ğer Şek. 4-31 deki süzgeç yerine bir diyod tepe do ğrultueusu konursa, Şek. 4-30 bu birle şim giriş dalgasmın tepeden-tepeye değerini gösterir Alıştırma 4-9. Ço ğu kez bir siniis dalgasının kok değerleri cinsinden ayarlanmasına rağmen tepeden-tepeye de ğer ölçen bir voltmetre karışık dalgabiçimlerini ölçmek için çok kullanışlıdır.

Dedektörler Doğrusal olmayan diyod özellikleri gerçek do ğrultma i şlemlerinden baş ka yerlerde de yararl ıdır. Uygulanan a.a. gerilimlerin çok küçük oldu ğunu ve diyodun belirtgeninin, a l ve a, sabitler olmak üzere,

i = a iv

a2v2

(4-14)

ifadeyle gösterilebildiğini varsayalım Bu biçimdeki bir ifade, uygulanan gerilimin yeter ölçüde küçük de ğerleri için diyod belirtgeninin uygun bir göstirimidir. Denklem (4-14) e göre ak ımın bir kısmı giriş geriliminin karesiyle orantılı dır.

123

TEMEL ELEKTRONIK

Şekil 4-32 de birbirinden biraz farkl ı o) i ve w2 frekansh iki sinüsel i şarettin bir diyoda uygulandığı devreyi gözönüne abiniz Diyoddaki toplam gerilim her dalgan ın toplamıdır, yani (4-15)

v = Visinco it -}- V2sinco,t

dir ve burada V i ve V2 tepe genlikleridir. Akı m, bir an için diyodun impedanemin devı edeki öteki impedanslardan büyük oldu ğunu varsayarak, Denk. (4-15) i Denk. (4-14) de yerine koyarak bulunur. Yani, i

Vi sino it a V,sinco,t+ e, Vi2sin2w it+ a2 v.,2sin2(02 t 2a, Vi V,sinw 1tsinoı2t (4-16)

Şekil 4-32. Diyod karıstırıel, diyodun doğ rusal olmayan özellikleri kullan ır.

dir. Denldem. (4-16) y ı her terimin toplam dalgabiçiminde verilen bir frekans ı temsil etti ği Fourier serisi tipinde bir ifadeyle aç ıklamak *ö ğreticidir. Bu ise sin2 ve sinw it sino,t Yerine trigonometrik özde şleri konarak yapılır ifade düzenlenirse. a22

(

V 2-F V)2) -Fa1(VIsiliw ıt+ V2sinw2t) 1

a22 Vı2cos20-) ıt+ V,2cos2o2t)

a2 V2cos (o) i-o),) t-a 2 V2cos (o l co,)t

(4-17)

olur. Denklem (4-17) deki ilk terim do ğru akımdır, ikinci terim ise giriş gerilimlerine karşılık gelir. Son iki terim ise giri şte olmayan frekanslar ı bulundurmaktadır. w 1 ve w2 nin çok farklı olmadığı varsayıhrsa; o zaman w 1 -co2 yi bulunduran terim ötekilere göre alçak frekanst ır. Şekil 4-32 deki diyod kartştırtet devresinde çıkış devresi L2C2, frekasına akord edilmiştir, öyleyse çıkış uçlarında sadece bu bile şenin gözlenebilir bir genliği vardır. Demekki frekans ı o l olan giriş işareti, frekans ı co2 ıyla karışmıştır ve OJ 1 -0)2 çıkış frekansına çev- olansbitgeküdla rilmiştir. Bu olay frekanslann indirgenınesi (heterodynig) olarak bilinir ve ür-

121

DIYOD DEVRELERI

ıle ğin radyo alıellarında dikkate de ğer önemi vardır. Gelen yüksek-frekansh i ş aret geldi ği, kolayca yüksehilebilen daha alçak frekansh i ş arete dönü ş türliir. Bundan başka to r-aıl sabit olacak biçimde
i

2

2 ( Vİ 2 V.,2)--1- a l.17,sinat,t

(171 2cos2(o ı t I/22cos2w2t)

-F- a l Vi sincı 2a,, V i (17-,sino2t) sinaı (4-18) Şimdi of, nin (o l den çok küçük oldu ğunu ve çıkış devresi L,C 2 nin
Şekil 4--33. Modüle edil ıııi ş dalgabi şimi.

radyo ve televizyou haberle ş me cihazlar ının temelidir ve burada a ı i yüksek -frekansl ı taşıy ıcı dalga, yay ınlanan ses veya resime kar şılık gelen o2 alçak frekansh i ş aretle modüle edilir. Yüksek-frekansh gerilim, verici istasyondan işaretin dalgabiçiminin yeniden elde edildi ğ i _alı cı istasyona do ğru gönderilir. işaret, modüle edilmi ş dalga biçiminden Şek. 4-34 de gösterildiği gibi:bir diy od tepe do ğrultueu ile modüleyi çözerek elde edilir, Tepe do ğrultueuS'unun ç ıkış

125

TEMEL ELEKTRONIK

gerilimi giriş geriliminin tepe de ğerine e şit oldu ğundan çıkıştaki kondansatör üzerindeki dalgabiçimi Şek. 4-35 de oldu ğu gibi modüle edici işarete karşılı k gelir. Bu uygulamada tepe do ğrultucu, dalgabiçimini al ı cı devrede ikinci kez de ğiştirdi ğinden, •ikinci detektör ad ını alır. Şekil 4-34 deki ikinci detektör radyo ve televizyon al ıcılarında geniş bir biçimde kullaml ır .

J Şekil 4-34. Modüle edilmi ş dalgabiçiminin modülasyonunu çözen diyod tepe do ğrultucusu.

t.

Şekil 4-35. Ikinci dedektörün ç ıkışında elde edilen modüle dalgabiçimi.

KAYNAKLAR Paul M. Chirlian and. Armen H. Zemanian: "Electronics", M° Graw-Hill Book Company, New York, 1961. W. Ryland Hill: "Electronics in Engineering", Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1961. Iacop- Millman and Samuel Seely : "Electronics", Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1951. ALIŞTIRMALAR 4-1. Şekil 4-6 da v = 10 V, R 1, 100 S2 ve doğrultucu bir silisyum diyod ise bu yarım-dalga do ğrultucusumun ç ıkışındaki d.a. akımın! bulun. Aynı iş lemi Şek. 4-7 deki tam-dalga do ğrultucusu için yap ın. Cev : 0,045A, 0.09A

126

DİYOD DEVRELERI

4-2 Ş ekil 4-10 daki gerilim katlaynn devresinde giri ş gerilimi 60 Hz frekanslı 115 V kok de ğerindedir. E ğer yük direnci 10 000 O, ise yükleyici pulslar • arası ndaki zaman . süresince gerilim dü ş mesinin çı k ış geriliminin yüzde 10'u olmas ından emin olunmas ı için gerekli s ığalarm minimum de ğerleri nedir? (-)ei,t: 4,2 X 10-6 F 4-3 Ş ekil 4-11 deki D 1 ve .1) 4 diyodlar ı kaldı rddı ktan sonra devrenin ç ıkış gerilimini ve dalgalanma çarpan ı m bulun. Cev : 12,9 V; 0,04.8 4-4 Şekil 4-15 deki tam-dalga do ğ,rultırcusunun d.a. ç ıkış ve dalgalanma gerilimlerini 200 mA lik akını değerine kadar çizin. 4-5 Bir tam-dalga do ğrultacusunda kullan ılan 10 H lik bir ş ok ve 8- [../.F" l ık bir kon.dansatörden oluş an bir L-biçimli süzgecin dalgalanma çarpamn ı bulun. Bu süzgeci 8- NF lik bir süzgeçle, yük ak ı mının 50 mA ve 150 mA değerleri için çı kış gerilimini ise 50 V varsayarak kar şılaştırm.

Çev : 0,0104; 0,300; 0,900 4-6 Ş ekil 4-18 deki zener diyod ge ı iliin düzenleyicisinin Rs — 1500 O. ve kaynak gerilimi V 150 V olmas ı durumunda devrenin yararl ı olduğu yük direnci bölgesini bul ımuz; diyodun k ırılnıa gerilimi 100 V ve dayanaca ğı maksimum akl ın 1.00 nıA dir. Sabit ve R', = 10 000 ü için hangi giri ş gerilimleri aralığnada bu devre düzenleme yapar?

Cev : 3 Id2 dan büyük; 115-265 V 4-7 Ş ekil 4-18 deki zener diyod gerilim düzenleyicisinin 0 dan 75 mA kadar yük akı mlar ının fonksiyonu olarak d.a. ç ıkış gerilimini çiziniz. Hangi ak ını bölgesinde düzenleme etkindir?

Cev : 0-50 mA 4-8 Şekil 4-23 deki faz-kaymal ı denetimli devreyi kullanarak, transformatörün ikinci devresindeki gerilimin etkin de ğeri 100 V yük direnci 10 ü ve C = 0,1 Iı.F ise, yük akımını denetim direnci R'nin fonksiyonu olarak çizin. DSD nin, geçit gerilimi katoda göre pozitif olur olmaz aç ıldığını varsayın. 4,-9 Ş ekil 4-36 daki tepeden-tepeye de ğerleri ölçen voltmetre devresini, A,B ve C noktalarmdaki dalgabiçimlerini çizerek ve A daki giri ş geriliminin sinüsel oldu ğunu varsayarak, çöziimleyin. Devrenin bir diyod tepe do ğrultucu ile bunu izleyen bir diyod k ıskaç devresi oldu ğ una dikkat edin.

TEMEL ELEKTRONIK

127

4-10 Şekil 4-36 Baki tepeden-tepeye de ğerleri ölçen voltmetrenin bir testere di şli dalgabiçimini ölçerkenki ç ıkış gerilimi 1,4 V dur, Dalgabiçiminin gerilimi nedir i Çet, : 1,15 V (tepeden tepeye 4 V) Cı

T • Şekil 4-36.

BÖLÜM BEŞ

Yarı - iletken Aygıtlar

Doğrusal olmayan elektronik bile şenlerdeki çok yönlülük bir kontrol elektroduna uygulanan işaretlerin aygıttaki akım ı etkileme yetene ğiyle büyük ölçüde artar. Eski vakum triyodu (üç elektrodu oldu ğundan bu isim verilmi ştir) da çağdaş transistör de bu görünümü doğrular. Bunlar pasif bileşenlerden çok aktif ayg ıtlar olarak düş ünülür, çünkü kontrol elektrodu ayg ıttaki i şaret akım ıyla aktif etkileş meyi mümkün k ılar. Aktif ayg ıtları n elektriksel özellikleri, ba şka doğrusal olmayan bileşenlerde olduğu gibi akıtn-gerilim belingenlenyle belirlenir. Çoğu kez, temel fiziksel olaylar cinsinden bu akım-gerilim belirtgenlerinin temeli için bir yaklaşım getirmek yararlıdır. Böylece herhangi bir uygulamada doğrusal olmayan bir. elemanın işleyi ş ini belirgin hale koymak ve, istenilen elektriksel özellikleri gösteren daha geliştirilmiş bileşenler yapmak mümkündür. Demek oluyor ki elektronik ayg ıtların akını-gerilim belirtgenleri temel olarak içlerindeki serbest elektronların hareketlerine bağlıdır. Transistörlerin elektronik fonksiyonlar ı yarı-iletken denilen kat ı maddeler içinde yer alır. Buna uygun olarak, transistörler ve eklem diyod gibi yan-iletkenlerin özellikleri yan-iletken kristallerdeki elektronlann davran ışına doğrudan bağlıdır. Yan-iletkenlerin çok yönlülü ğü nedeniyle ve transistörün de ke ş[edilip gelişmesinden sonra yan iletken rtyg ıtların çeş itlerinin gittikçe artması mümkün görünmektedir.

TEMEL ELEKTRONIK

129

YARI-İLETKENLR Enerji Şeritleri Yarı-iletkenlerle birlikte herhangi bir kat ı maddenin özellikleri, içinde bulunan atomlarm özelliklerine ve atomlarm birlikte grublanma biçimine ba ğlıdır. Yani bu özellikler hem atomlarm atomik yap ısının ve hem de kat ınııı kristal yapısının bir fonksiyonudur. Deneyler atomun pozitif yüklü bir çekirdekle bunun etrafında ayrı yörüngelerde yerle şmiş elektronla ı dan oluştuğunu göstermiş tir. Gerçekte elektronlar, atomun enerji düzeyleri denen ve çekirde ğin yakınında belli kesikli enerji de ğerlerinde olan kararl ı yörüngelerde bulunurlar. daki enerji düBir atomdaki elektronlar ın alabilece ği enerjiler Şek. zeyi şeklinde yatay çizgilerle gösterilmi ştir. Şekildeki e ğri çizgiler, çekirde ğin yakınındaki bir elektronun potansiyel enerjisini temsil etmektedir. Pauli'nin dtşarlama ilkesinin bir sonucu olarak, verilen bir enerji düzeyini yaln ızca belli, maksimum sayıdaki elektronlar doldurabilir ve bunun sonucu olarak da herhangi bir atomda elektronlar önce en dü şük düzeyleri doldururlar. Atomlar bir katı kristal olu şturmak için bir araya geldiklerinde kom şu atomlarin üst düzeyindeki elektronlar, atomlar ı birbirine ba ğlayacak biçimde etkileşirler. Bu dış veya bağ elektronlarm ın birbiriyle kuvvetli etkile şmeleri nedeniyle üst enerji düzeyleri belirgin bir biçimde de ğişir. Bu durum tüm kristal için bir enerji-düzeyi şekli ile belirlenebilir. Önce iki yal ıtılmış atom düşünün, her biri Şek.5-la da verilen benzer d ış elektronlara ait bir enerji düzeyi şekline sahip olsun. İki atom birbirine yakla ştırıldığında, Şek.5—lb, her iki atomun bağ elektronları her iki çekirdek tarafından da çekilir. Sonuç olarak bir elektronu çeki ı değin birinden ayırmak ve ötekine yerle ştirmek için gerekli enerji azalır. Bunun anlamı , bir dış elektronun her iki çekirde ğin yanında bulacak şekilde yerleşebilmesidir. İki atomun bir arada yerle şmesinin uygun enerji düzeyi şeklinde, her bir atomun merkezi yak ınında iki enerji düzeyi vardır. Yerleşilmemiş olan üst düzeyler de iki elektron alabilece ğini gösterecek biçimde yarıhr. Üç atom bir araya geldi ğinde, Şek.5-lb, üç atomun tüm dış elektronları üç çekirdekten herhangi biri ile birle şebilir. Sonuç olarak üç enerji düzeyi olabilir. En küçük kristal bile milyonlarca atomdan olu şur, bundan ötürü her çekirdekle ilgili çok sayıda enerji düzeyi vard ır ve tüm kristale has uygun enerji düzeyi ş ekli bu düzeylerden olu şan bir şerittir. Var olan enerji düzeylerinin her birinde bir elektron bulunan ve böylece elektronlarla büsbütün dolu olan en düşük enerji ş eridine dolu şerid denir, Şek. 5-1c. Buna kar şılık en üst enerji şeridi elektron bak ımmdan boştur çünkü buras ı, yalıtılmış atomlarda dolmamış yüksek düzeylere kar şılık gelir. Bu şeride aş ağıdaki nedenlerden ötürü iletkenlik şeridi denir. Kristal içinde dolu şeridle iletkenlik şeridi aras ın-

I 39

YARI — İ LETKEN AYG İTLAR

Baki enerji bölgesine, ini aral ığa karşılık gelen enerjide elektron bulunmad ığından, yasak enerji aralıgı denir. Şekil 5-1 deki enerji-düzeyi şeklinin kar şılaş tnılmasından görüldü ğü gibi yasak enerji aral ığy, yalıtılmış atomlarda enerji düzeyleri aras ındaki enerji bölgesine kar şılık gelir.

(e)

(b)

(e) Şekil 5—l. Enerji düzeyi çizgeleri: (a) yal ıtılnuş atom için, (b) iki ve üç atom bir araya geldi ğinde, (c) katı kristal için. Kristalde enerji düzeyleri şeritler olu şacak biçimde geni şlemiştir.

K•istaldeki elektronik enerji düzeylerinin bu biçimi bir kristalin enerji şeridi modeli olarak bilinir. Kristal içinde elekt•oular ın nasıl hareket etti ğini göstermesi bak ımından herhangi bir katliam elektriksel özelliklerinin belirlenmesi oldukça yararl ıdır. Herhangi bir kat ının ş erit modelinin genel özellikleri belirttiğinliz gibi olmasına rağmen pek çok önemli ayrıntı, özel atomun ve kristalin yap ısına ba ğlıdır. Özellikle metal, yarı-iletken ve yal ıtkanlar aras ındaki farklar enerji şerit modellerinde yans ıtılmaktadır. Metallerin atomik ve kristal yap ıları dolu ve iletkenlik şeritleri üstüste gelecek biçimdedir, bu durum Şek. 5-2a da bir metal için gelene ğe uygun enerji- ş eridi modeliyle gösterilmi ştir. Bir metal kristalinde yasak enerji şeridi olmadığından birçok ba ğ elektronundan herhangi biri kat ı içinde amaçsız gezebilmekte serbesttir ve bir elektrik alan etkisinde hareket edebilir. Bundan ötürü metaller kusursuz elektrik iletkenleridir. Yalıtkan. bir kristalin geniş bir yasak enerji aral ığı vardır, Şek. 5-2c, dolu olan şerid elektronlarla büsbütün dolu, iletkenlik şeridi ise boştur. Açık-

131

TEMEL. ELEKTRONIK

ca anlaşıldığı gibi'ta şıyıellığı üstlenecek hiçbir elektron olmad ığından üst şerit elektronik iletke ıaliği oluşturarnaz. İlk bakışta aykırılık varmış gibi görünebilir ama dolu şeridi büsbütün dolduran elektronlar elektri ği iletemez. Bir elektrik alan etkisinde hareket eden bir elektron öncekinden biraz daha h ızlı hareket etmelidir. Sonuç olarak elektron daha büyük enerji edindi ğinden biraz daha yüksekte bo ş bir düzey bulmalıdır. Bununla birlikte her kom şu düzey dolu olduğundan dolu ş eriddeki herhangi bir elektronun elektrik alanla h ızlandırilması mümkün değildir ve bundan ötürü kristal yal ıtkandır. Bir yaıı -iletkenin enerji- şeridi modeli, Sek. 5-2b, yasak enerji aral ığnun yahtkanlarınkine göre daha dar olmas ı bir yana yal ıtkanınkine benzer. Oda sıcaklığındaki kristalin ısı enerjisi nedeniyle dolu şeridden birkaç elektron yasak enerji aral ığın' geçerek iletkenlik şeridine ç ıkabilir. İletkenlik şeridine çıkan elektronlar elektri ği iletebilirler. Dolu şeridde oluş an elektron bo ş lukları da bu ş eritte elektronlarm iletime katk ıda bulunmasını sağlar. Metallerden daha az say ıda taş lyıcısı olduğundan yarı-iletkenler metallerden daha zayıf iletkenle ı dir ama yalıtkanlardan daha iyidirler.

(a)

(b)

(c)

Şekil 5-2. Enerji ş eridi modelleri (a) metal için (b) yar ı-iletken için (c) yal ıtkan

Çizelge 5-1 de birçok seçkin yar ı-iletken kristal için görüldüğü gibi yarıiletkenlerin yasak enerji aral ığının genişliği 1 elektron volt mertebesindedir. eV biçiminde kısaltılan elektronvolt bir elektronun 1 V luk gerilim fark ını aşarken kazandığı kinetik enerjidir. Yarı-iletkenlerle çal ışılırken bu birimin kullanılmasmda uygunluk vardır. Genel olarak, yasak enerji arah ğı geniş olan maddeler yarı-iletken aygıtlar için aranan maddelerdir. Çünkü bunlarda yüksek sıcaklıkta iletkenlik şeridine çıkan elektronlarm say ısı küçük ve yasak enerji aral ığı geniş olduğundan sıcaklıkta aygıt belirtgenlerindeki de ğişim daha az şiddettedir. Bu nedenle silisyum kristalleri germanyum kristallerinden daha çok kullanılır. Çizelge 5-1. Seçkin yarı iletkenlerin yasak enerji araliklart

Adı Silisyum Germanyum Galyum arsenit indiyum antimon Kadmiyum sülfit Çinko oksit

Kimyasal gösterim

Yasak enerji aral ığı, eV

Si Ge GaAs InSb CdS ZnO

1,1 0,72

e

1,34

0,18 2,45 3,3

132

YARI - iLETKEN AYG İTLAR

Elektron ve Elektron Bo şlukları Yukardaki tart ışmaya göre dolu olan şeriddeki elektronlann neden olaca ğı net akını sıfırdır. Bununla birlikte oda sıcaklığında bulunan bir yar ıiletkenin dolu şeriddeki elektronlan, iletkenlik şeridine çıkanların geride bıraktıkları az sayıda boş düzey nedeniyle ak ım iletebilirler. Dolu şeriddeki bu boş düzeylere elektron boşlukları denir. Sonuç olarak dolu şeriddeki bu boşluklar, iletkenlik şeridindeki negatif yüklü elektronlara benzetilerek pozitif yüklü ta şıyıcılar olarak dü şünülebilirler. Şekil 5-2b de görülen enerji ş eridi modeli hiç bir atomun gerçek yerini değiştirmediği ve kimyasal safsızlığın bulunmadığı kusursuz kristali göstermektedir. Bundan ötürü katliam özellikleri bir ideal yap ının özellikleridir ve bu kristale doğal yart-iletken denir. Gerçek kristallerde kusursuz yap ıya ulaşmak mümkün olmamakla birlikte ideale yakla şılabilir ve do ğal davranış deneysel olarak gözlenebilir. Yapma Yarı-ıletkenler Bir yan-iletkenin elektriksel özellikleri, yabanc ı ya da safsızlık atomlarının kristal içine yerle şthilmesiyle belirgin bir biçimde de ğişir. Bu durumda özellikler kuvvetli olarak safs ızlık katkısma bağlı olduğundan kat ıya yapma yaniletken denir. örne ğin, önemli bir yan-iletken maddesi olan silisyumu dü şünün. Her silisyum atomunun, silisyum kristalinde dolu ş eridin bir parças ı olan, dört ba ğ elektronu vard ır. Şimdi fosfor, arsenik, ya da antimon gibi be ş ba ğ elektronlu bir atomun kristalde bir silisyum atomunun yerini ald ığını varsayın. Safsızlık atomunun dört elektronu, yeri al ınan silisyum atomunun dört elektronunun rolünü oynar ve dolu şeridin parças ı olurlar. Be şinci bağ elektronu ısı enerjisi ile kolayca ayrılır ve iletkenlik şeridinde serbestçe hareket eder. Fosfor, arsenik ya da antimon safs ızlık atomlan silisyum içinde elektronlan iletkenlik şeridine ç ıkardığından bunlara verici (donor) safsızlık-lar denir. Kristal içinde her bir verici atom için iletkenlik şeridinde bir elektron bulunur ama dolu şeridde e şit sayı da bo şluk bulunmadığına dikkat ediniz Kristal iletkenlik şeridindeki elektronlar arac ılığıyla elektri ği iletir ve böyle bir kristale negatif yüklerin ak ım taşıyıcı olması nedeniyle n–tipi yan-iletken denir. Benzer biçimde, bor, alüminyum, galyum ya da indiyum gibi üç ba ğ elektronu olan atomlar silisyum içine yerle ştiğinde dolu şeridde boşluklar oluştururlar. Yalnızca üç elektron elveri şli olduğundan bitişik silisyum atomundan bir elektron safs ızhk atomuna geçer. Bu durumda yabanc ı atomun bir bağ elektronunu kabul etti ği söylenir ve böyle safs ızlıklara alıcı (accoptor) denir. Kristal içindeki alıcılar dolu şeridde bo şluklar yarat ırlar ve her bo şluk üzerinde pozitif yük etkin oldu ğundan bir p-tipi yan-iletken oluştururlar.

TEMEL ELEKTRON İ K

133

Verici ve alıcı safsızlıklarım ikisini de içinde bulunduran bir kristal safsızlık yoiğunluğunun büyüklüğüne bağlı olarak ya ıı-tipi ya da p-tipidir, çünkü verici atomların elektronlar ın uygun alı cı düzeylerin hepsini doldurur. E şit yoğunlukta alıcı ve verici atomlar ıyla doğal kristal olu şturulabilir böyle kristallere denklenmi ş kristal denir. Yasak enerji aral ığından atlayarak gerçek' uyar ılmış duruma geçen baz ı elektronlar olduğundan bir n-tipi kristalin dolu şeridinde birkaç bo şluk bulunduğuna dikkat ediniz. Bağıl yoğunlukları nedeniyle bu bo şluklara azınlık taşıyıcılar" ve elektionlara da ço ğunluk taşıyıcılar' denir. Buna ra ğmen bir ptipi yarı -iletkende iletkenlik şeridindeki elektronlar az ınlık taşıyıcılar' olduğundan elektron boşlukları çoğunluk taşıyıcılarıdır. Çoğunluk taşıyıcilarmın istenen yo ğunluğunu oluşturmak için yarı -iletkenler içine katk ı atomlarının istenilen oranda katılmasına katk ılama (doping) denir. YARI-İLETKEN DİYODLAR pn Eklemi • Birçok yarı-iletken aygıtta, aynı yarı-iletkenin tek kristali içinde p-tipi bölgesi ile n-tipi bölgesi aras ında kalan basit eklem yap ıya pn-eklemi, denir. Gelecek kesimde 'pn eklemi oluşturman ın birbirinden farkl ı çe şitli teknikleri anlat ılacaktır. Bütün bunlar, kristal içinde bir yerde al ıcı safsızlıklardan verici safsızlıklara geçiş olgusuna dayanır. Eklemde n bölgesindeki elektronlar p bölgesine sızma eğilimi gösterirler. Denge durumunda ters yöndeki elektron ak ışıyla bu sızma dengelenir. Eklem yerinde, rı bölgesinde elektron akışını azaltacak bir gerilim doğmamışsa elektron yo ğunluğu fazla olan n maddelerinde n bölgesinden p ye doğru olan elektron ak ımı daha büyük olacakt ır. Buna özdeş bir tartışma elden" bölgesindeki elektron bo şluğu akımı için de düşünülebilir. Eklem bölgesinde do ğan gerilimin büyüklüğü ve iş areti sözü edilen iki akımı eşitler ve Böl.4 de belirtildi ği gibi bu gerilimin oluşması pn ekleminin çok iyi doğrultma işlemi yapmasını sağlar. Yukarıda tartışıldığı gibi gerilim yükselişinin iş areti Şek. 5-3 de görülen pn ekleminin enerji-şeridi modelinde elektronlar ı n bölgesinde elektron bo ş luklarım: da p bölgesinde tutmaya yöneliktir. V, gerilim engelinin büyüklüğü, eklemdeki alıcı düzeylere geçen verici elektron say ılarma, yani safs ızlık yoğunluğuna ve yasak enerji aral ığnım büyüklüğüne bağlıdır. Eklem bölgesinin genişliği, d, safsızlık yoğunluğuna ve eklem gerilimin basit olarak d2

,A

V,

Na

(5-1)

biçiminde bağlıdır, burada A bir sabit ve Na alıcı safsızlık atomlarının yoğunluğudur. Denklem (5-1) e ula şırken n-tipi tarafındaki verici safs ızlık yoğunluğunun p-tipi tarafındaki alıcı yoğunluğundan çok büyük oldu ğu varsayıhnış tır.

134

YARI — İ LETKEN AYGITLAR

Şekil 5-3. pn ekleminin enerji şeridi modeli.

Denklem (5-1) e göre safs ızlık yoğunluğunun büyük olması halinde eklem dardır. Bu ilke zener diyodun k ırdian gerilimini istenen de ğere ayarlamada kullanılır. Çığ kırılma sürecinin eklemdeki elektrik alan ına bağlı olduğu Böl. 4 de tart ışıldı . Buna göre kırı lmanın olu ştuğu gerilim dar eklemlerde küçük geniş eklemlerde büyüktür.

pn eklemi dengedeyken n taraf ından sızan elektronlarm olu şturduğu / 1 ımı p tarafından ayrılan elektronlarm olu şturduğu /2 akımına eşittir, Şek.ak 5-4a. Şimdi iç engeli yükseltmek için ekleme bir dış gerilim uygulandığını varsayalım. ıı bölgesinden gelerek eklemden s ızan elektronlarm say ısı, daha büyük gerilim engelini a şmaya yetecek kadar enerjiye sahip çok az elektron oldu ğundan azalır. Öte yandan p tarafından n tarafma hareket edenlerin sayısı değişmez, çünkü bu elektronlar engelle kar şılaşmaz. Böylece belli bir akım oluşur fakat bu akım p bölgesinde az sayıda elektron oldu ğundan sınırlıdır. Dış gerilimin kutupları ters çevrilirse, Ş ek. 5-4c iç engel küçülür ve n bölgesindeki elektronların sayısının çok büyük olu şu nedeniyle .1.1 akımı büyür. Gene p-tipinden n-tipine akan /2 elektron akımı etkilenmez. Bu durumda net akım büyüktür ve do ğru yöne kar şılık gelir. Eklem diyodun ak ım-gerilim belirtgenlerini hesaplarke ıi taşıyıc ıların elektron olması durumunda olduğu gibi elektron bo şluklarınıııı akım taşıması durumuna da aynı düşünce uygulanır ve toplam akını bu iki akımın toplamı olur. Önce dikkatimizi elektronlar üzerine çekelim: n bölgesinden p bölgesine geçen elektron akımı Boltzmann yasas ına göre eklemde do ğan gerilimle denetlenir, = Cr, 0— e(Vo—V) /kT (5-2)

135

.TEMEL, ELEKTRON İ K

(a) Denge durumu

(b) Ters öngerilim

(e) Do ğru öngerilim engelinin yüksekligine bağlıdır ve bn yükseklik de Şekil 5-.4. Akımın geçi şi (a) pn ekleminde do ğan (b) ters öngerilim ile artar. (e) do ğru öngerilim ile azalır.

burada k Boltzmann sabiti, T mutlak sıcaklık ve C„ yaıı-iletkenin özelliklerine ve eklem yüzeyine göre belirlenen bir sabittir. Uygulanan V geriliminiiı. denge durumunda sıfır olaca ğına dikkat ediniz, bu halde I i = /2 olur ve bundan ötürü net elektron ak ımı

= Cn e -ev o ikr(c ev/kT_ İ )

In = II —

(5-3)

olarak yazılabilir. Benzer bir aç ıklama elektron bo şluğu akımlarma da uygulanır ve böylece toplam eklem ak ımı tam olarak =

I o (e eV lIcT_ İ )

(5-4)

yazılabilir. Bu denklemdeki I o a doyma ak ım ı denir ve /0 , = Cnc —eV o lkT

(5-5)

ile verilir. Denklem (5-4) doğrultucu eşitliği olarak bilinir Uygulanan gerilimin kutuplanma durumu, do ğru öngerilimdep bölgesi pozitif olacak biçimdedir. Denklem (5-4) e göre do ğru yöndeki akım üstel olarak artar. Bunun tersine ters yön ak ımı temel olarak /0 a eşittir ve bir voltun onda

136

YAR - iLETKEN AYGITLAR

birinin birkaç kat ı kadar ters öngerilimierden büyük, ters öngerilimlere ba ğlı değildir. Uygulanan gerilimin küçük de ğerleri için do ğrultucu eşitliğinin bir e ğrisi Şek. 5-5 de görülmektedir. Uygulamadaki eklem diyodlarm deneysel akını-gerilim belirtgenleri Şek. 4-2, do ğrultucu e şitliğiyle iyi bir uyu şum göstermektedir.

Şekil 5 - 5 pn, ekiminin do ğrultnen eşitliğine göre çizilen alurn-gerilim belirtgeni.

Tünel Diyod

pn ekleminin her iki n ve p tarafında safsızlık yoğunluğu çok büyük oldu ğunda yararlı bir olay oluşur. Böyle bir eklemde uygulanan gerilimin s ıfır olmasına karşılık gelen enerji- ş eridi modeli Ş ek, 5-6a da görülmektedir. Çok büyük safs ızlık yoğunluğu Denk. (5-1) e göre eklemin çok dar olmas ı aniamındadır. Atom.çaprmn 10 ile 100 kat ı nıertebesinde eklem geni şliklerine germanyum diyod ve benzer ayg ıtlar-da ulaşıhr. Bu durumlarda n taraf ında iletkenlik ş eridindeki bir elektronun p tarafındaki dolu şeride tilnel olayı denen bir süreçle atlamas ı mümkündür. Tünel geçi şi elektronların enerjilminde de ğişikliğe yol açmaz. Bir elektronun tünel olay ı ile eklemdeki gerilim engelini aşması elektronun dalga özelli ği de göstermesi olgusuyla anla şılır ve, elektronun engeli geçebilmesi kuantum. n ıekaniği ilkelerinden hesaplanabilir, Tünel akımı, eklemin genişliğine, tünel olayı ile eklemi geçebilecek elektronlarm sayısına ba ğlıdır. Denge durumunda, Şek. 5-6a, eklemi geçen tünel ak ından iki yönlü ve e şittir, bundan ötürü görünen net ak ım sıfır:din Küçük bir do ğru önbesieme gerilimi uygulandığında elektronlar n taxafindaki iletkenlik ş eridinden tünel olay ıyla p tarafında bulunan dolu şeridin boş düzeylerine geçerler ve bunun sonucu olarak. do ğru yönde akım. do ğan. Akım, n tarafındaki elektronlar p tarafındaki elektron bo şluklarıyla aynı çizgide oluncaya kadar gerilimle artar, Şek. 5-6b. Bu noktanm ötesinde öngcrilim iletkenlik şeridindeki elektronlar dolu şeridin düzeyinin üstüne ç ıkarlar ve tünel ak ı mı azal ır. Bu bölgedeki do ğru öngerilimdc, gerili-

TEMEL ELEKTRONİK

137

min her küçük art ışı akımda bir azalmaya neden olur. Sonunda, Şek. 5-6c, elektrohlar ve elektron bo şlukları düzeyin oldukça uza ğında kalırlar ve eklem akımı doğru yön pn-eklemi ak ımına karşılık gelir.

(a)

Denge

Alim

Elektronların tüneli geçi şi (b)

Küçük do ğru öngerilim -

(e) Ar tirdmi ş do ğru öngerilim Şekil 5-6. Tünel diyodun enerji- şeridi modeli (a) dengede, (b) küçük do ğru öngerilimde (e) artirilmt ş doğru öngerilimde. Elektronun tünel geçi şi nedeniyle (b) deki ak ımın (e) dekinden daha büyük olduğuna dikkat ediniz.

Bir *linet diyodun (bulan anmak için Esaki diyodu da denir) Şek. 5-7 deki akım-gerilim belirtgenleri Şek. 5-6b deki şarta karşılık gelerek akımın bir maksimum de ğere kadar artt ığını ve bundan sonra do ğru öngerilim artarken azaldığını göstermektedir. Belirtgen e ğrinin tepe ve vadisi aras ında kalan parçasın.da: gerilim artarken ak ım azaldığnıdan negatif direnç etkisi göstermektedir. Bu etkinin kullan ışhlığı, çok kullanılan elektronik devre elemanlar ının pozitif dirence sahip olmalar ı ve bundan ötürü güç kayb ına neden oluşları düşünülürse anlaşılır. Bir rezonans devresinde tünel diyod kulland ırsa net direnç

138

YARI - İ LETKEN AYGITLAR

sıfır olur ve bunun sonucu güç kayb ı olmaz. Bundan ötürü bu devre. Böl 9 da incelenece ği gibi kendi rezonans frekansıyla titre şir.

4

Negatif direnç bölgesi

E

0

Normal do ğru yön belirtgeni/ 0,1

0,2

Do ğ ru öngerilim, V Şekil 5-7. Tünel diyodun deneysel ak ını-gerilim belirtgeni. Negatif direnç bölgesi tepe ve vadi akmilar ı arasındadır.

Azınlık Taşıyıellarmın Enjeksiyon"' Doğru öngerilimde oldu ğunda pn eklemindeki iç gerilim engeli küçülür. Do ğru yön akımı, eklemin p-tipi tarafından elektron boşluklarının ve n-tipi tarafından da elektronların diffüzyon yoluyla eklemi geçmesi sonucu do ğar. Sonunda it bölgesine elektron bo şluğu, p bölgesine de elektron enjeksiyonu yap ılmış olur ki bunlar her iki halde de azınlık taşırcılarıdır. pn eklemine yapılan bu aztnItk taştytetlan enjeksiyonu gelecek kesimde tan ımlanacak olan eklem transistörün temelini oluşturur. Enjeksiyon etkisini kuvvetlendirmek için ço ğu zaman daha çok do ğru yön akımının ya elektron bo şlukları ya da elektronlarla ta şınması istenir. It

bölgesine yap ılan katkılama az, p bölgesine yap ılan çok ise doğru yön

akımı daha çok elektron bo şluklarıyla olur ve sonuç olarak n bölgesine enjeksiyonla verilen elektron bo şluğunun yo ğunluğu oldukça büyür. E ğer katk ılama oranı karşılıklı olarak de ğiştirilirse gerçek biraz önce söylenen tersi olur ve p bölgesine elektron enjeksiyonu yap ılmış olur. Enjeksiyonla yerle şmiş elektron boşlukları yoğunluk gradiyantları nedeniyle eklemden öteye diffüzyon yoluyla uzaklaşırlar. Bunlar diffüzyon yaparlarken ço ğunluk taşıyıcılar]. elektronlarla birle şirler, bundan ötürü eklemden uzaktaki elektron bo şluğu yoğunluğu n-tipi yarı-iletkenin belirtgenidir. Çe şitli bölgelerdeki elektron boşluklar ının yoğunluğu Şek. 5-8 de grafik olarak gösterilmi ştir.

Elektron boşluğu yoğunluğu, p

TEMEL ELEKTRONIK

13)

Po

Şekil 5-8. Do ğru öngerilinole pn ekle ııii yakınındaki elektron bo ş lukları yo ğunluğ u.

EKLEM TRANSİSTÖRLER Toplayıcı Belirtgenleri Eklem transistör paralel olarak iki pn ekleminin yan yana ayn ı tek kristal içinde biti ştiı ilmesiyle oluşturulur. İki ayrı tipi mümkündür ve bunlar ortak bölgenin iletkenliğine ba ğlı olarak pnp ve npn transistörlerdir. Öngerilimin kutuptulu ğu, azınlık ve ço ğunluk taşıyıcılarımn birbiriyle yer de ğiştirmesi dışında bu iki -işleyiş düşünce bakımından özde ştir, bunun için pnp transistörünü tart ışmak yeterlidir. Gelecek kesimde bu ikili eklem düzenlenmesinin yapısal örnekleri incelenecektir. Öngerilimin uygulanmamas ı durumunda bir pnp transistörü için enerjişeridi modeli, Şek. 5-9a, basit olarak iki pn ekleminin arka arkaya yerle şimidir. Çalışma sırasında doğru yönde beslenen ekleme yay ı cı , ters yönde beslenme . toplayıcı denir, bu durum Ş ek. 5-9b de görülmektedir. Yay ıcı eldenı.den ise n-tipi taban .bölgesine giren elektron bo şlukları toplayıcı ekleme doğru toplayıcı eklemdeki elektrik alan etkisiyle diffüzyonla geçerler. Elektron bo şlukları yoğunluğunun kaba taslak çizimi, Şek. 5-9c de verilmi ştir. Toplayıcı-taban gerilimindeki de ğişimler karşılıklı olarak enjeksiyon ak ı mini değiştirir ve bu işaret toplay ıcı ekleminde gözlenir. Do ğru öngerilimli yayıcı küçük bir direnç ve ters-öngerilimli toplay ıcı büyük bir direnç gösterir. İki halde de ,akım hemen hemen ayn ı oldu ğundan büyük bir güç kazanc ı olur. Maksimum yükseltme için toplayıcı akımın ya- yıcı akımının büyük bir kesri olması istenir. Taba.ndan yay ıcıya geçen elektronlar toplay ıcı akımında etkin olmadığından yayıcı eklemine do ğru akan akını temel olarak elektron bo şlukları arac ılığıyla ta şınmalıdır. Bu iş ıı -tipi taban bölgesinin az katk ılanması ile baş ardın Ikinci olarak, toplay ıcı ekleme ulaş madan önce çok az say ıda elektron boşluğu kaybolmas ı için taban bölgesi ince olmal ıdır. Eklem genişliğini . ırmak için toplay ıcı bölgesine az katk ılama yap ılması uygunluk sağlar. art Bu, toplayıcı eldemin s ığasını küçiiltür ve ters ktr ılma gerilimini art ırır. .

i

'YARI ILETKEN AYG1TLAR

'b)

Yuyıci eklerni -'1

Toplay ı cı eklemi

(e )

Şekil 5.9(a) Denge durumunda prıp transistörn ınin enerji- şeridi tasla ğı ve (b) önbesleme alt ındaki durumu, (c) :(b) durumu için elektron bo şluğu yoğunluğu.

Bir transistörün niteliği a akın kazancı çaıpanı ile belirtilir ve de ğer olarak a, sabit toplayıcı gerilimi için toplayıcı akımındaki değişikliğin yayıcı akımındaki değişikliğe oranı dır. Bir transistörün çe şitli bölgelerindeki ta şıyıcı aklınları yayıcı akımma göre Şek. 5-10 da verilmiştir. Yayıcı eklemdeki le akımı al, toplayıcı akımın]. oluşturıir. Yarc ı ve toplayıcı akımları aras ındaki fark (1—a)/ e, tabanın dış devreye bağlantısmda görülür. Akım kazancı bire eşit olduğunda tüm. yayıcı akımının toplayıcıda görülece ği ve taban akımının sıfır olacağı açıktır.

141

TEMEL ELEKTRON İ K

Şekil 5-10. Yayıeı akımı ve akını- kazanç çaxpanlylaprıp transtöründe ak ımların açıklanması .

Gerçekte pek çok ayg ıt için cz bire çok yak ındır ve bundan ötürü tabantoplayıcı akını kazancı olan p, transistör niteli ğinin daha kesin bir ölçüsüdür. Taban-toplay ıcı akını kazanc ı ile c:c aras ındaki bag ınt ı ş ek.5-10 darı yararlanarak

P-

(5-6) b

bulunur. Taban-toplayıcı akan kazanc ı , Cz bire yakla ştığında büyür. Pratik transistörlerde belirgin 3 değerleri 20 ile 10 3 aras ındadır. Enjeksiyon yoluyla tabana giren az ınlık taşıyıcıları diffüzYon yoluyla toplayıcıya hareket ederler ve ta şıyıcıların taban ı geçmesi için geçen zaman transistörlerin yüksek frekansda kullan ılmas ı nı sınırlar. Zekice yap ım teknikleleriyle çok dar taban bölgesi olu şturmak x 10 -7m) ve 10 9 Hz'de kullan ış lı yükseltme elde etmek mümkündür. Eklem s ığ alar ındaki ters etkileri minimuma indirmek için yüksek frekans transistürünün ekle ın alanının da küçültülmesi gereklidir. Bir transistörün ak ı m-gerilim belirtgenlerini göstermenin en basit yolu Şek.5-11. de görüldü ğü gibi farklı yay ıcı akı mları için toplay ıcı belirtgenleri elde etnıektir; I e = 0 oldu ğunda belirtgeu basit olarak toplay ıcı eklemin. ters duyma e ğrisi olur. Yay ı cı ak ımı , eğriyi akı nı ekseni boyunca kayd ırır. Bıı belirtgen.ler önceki tart ış maların ışığında elde edilmi şlerdir ve Şek.S-10 da düzenleıamiş tabanı -topraklı devreye aittirler. Taban ı -toprakl ı devrenin bağlan.-tı sında taban ucu devrenin hem giri ş hem de ç ıkış uçları için ortakt ır. Gelecek bölümde daha ayr ıntılı olarak görülece ği gibi yay ıcıs ı topraklı dü.zenlemede yayıc ı ucu devrenin giri ş ve ç ıkış uçlar ı için ortakt ır ve bu düzenleme biçimi daha iyi özellikler gösterir. Tabani-toprakl ı düzenlernede ak ı m kazancı cz bire çok yak ın ve toplay ıcı cklemdeki ters ak ım kaça ğı bütün pratik araçlar için önemsiz oldu ğ undan

142

YARI — ILETKEN AYGITLAR 1Prry ı cı

ın.N.

1,5

1.0

1,0

0,5

0.— -----,

. 0

4

8

12

16

ToplaV IC1 geli İİ II:. V Şekil 5-11. Tabanı toprakl ı pul> tramistöriinün deneysel toplay ıcı lıelirtgenleri.

pratik transistürlerin nitelikleri oldukça elveri şlidir. Bunun sonucu olarak tabanı-topraklı düzenlemede toplayıcı belirtgenleri çok düz, do ğru ve düzgün olarak daffilmışlardır. Gerçekte bu e ğriler çok az yeni bilgi verdi ğinden hemen hemen hiç ölçülmezler. Yarc ısı topraklı düzenlemenin Şek.5—I2 deki top-

10

Şekil 5-12. Yayıcı topraklı , 2 N 3521-npn, tipi silisy ıım transistöriin toplay ıcı bclirtgenerri.

11,3

TEMEL ELEONKTR İ K

layı cı belirtgenleri çok daha ayd ı nlatıcıdırlar. Özel olarak, yayıcısı-toprakhn ın akım kazancı /3 nın herhangi bir de ğeri, verilen bir taban akı mı için toplayı cı akımı eğrisinden doğrudan hesaplanabilir. Bir eklem transistörün çal ış ması ,. do ğru öngerilimli yayıcı ekleminin. ve ters öngerilimli toplay ıcı ekleminin özelliklerinin sonucudur. Yay ıcı eklemin ve toplayıçı eklemin s ıcakhğa duyarl ı özellikleri (Denk..5-4) ve (5-5) , de görüldüğü gibidir. Şekil 5-13 de görülen yüksek s ıcakhktaki toplayıcı belirtenlerinin aynı . transistörün Şek.5-12 de oda sıcaklığındaki belirtgenleriyle karşılaştırılması akımların sıcaklıkla belirgin bir biçimde artt ığını göstermektedir. E ğrilerin genel biçimi korun ınaktadır bundan ötürü transistörün uygun davranışı bu sıcaklıkta da mümkün görünmektedir.

g

mA 7r-

10

2N3521 125° C

4

t

I ____.

r

1

2

4

6

8

30

17,,,„ V

Şekil 5-13. Yayleasi-toprakb, 2 N 3521 transistöriiniin 125° C sleakliktaki toplat ıcı belirtgenleri.

Denetimli Silisyum Doğrultucular Özellikleri Böl.4 de tartışılmış olan denetimli silisyum dogrultucuytt (DSD) şimdi daha ayrıntılı olarak tanıtmak uygun olur. Bu ayg ıtın yararlı işleyişi

tI

YAR1 - it.rTKEN AYGITI,AR

ekle ın transismiir yap ı sma üçüncü bir pn ekleminin eklenmesiyle olu şturulur. Bunun sonucu Sek.5-14a da görüldü ğü gibi elde edilen dört-katlı papn aygıt-ma, devreye yaln ızca iki dış kat ı ndan ba ğlama yap ıldığnıda, dört-katlı diyod da denir. p-tipi ucuna uygulanan pozitif bir gerilim iki d ış eklemi do ğru öngerilimde tuttu ğu halde merkezdeki pn eklemini ters öngerilimde tutar. B ıı ayg ı da Sek.5--14b deki gibi pnp transistörüyle npn transistöribaiin arka arkaya hirle ştirilmi ş biçimi gibi bakılabilir, bu durumda iki transistör bir ortak toplay ı cı eklerne sahipmi ş gibi görünür. Geçit

aı lı jı

cı 2 /2

(a) şekil 5-14. (a)

'

(b)

gZ5 erirni ve (b) bunun pnp trausisti'rriiniin npn trarı ,:istörüne 13•41anmasiyle arıklampagı.

lıııp transistöründe yay ı eı akı m ı nı n .1 1 , toplayı c ı akı m ı nın 7. 1 1 . 1 olduğ una dikkat ediniz. Benzer biçimde, npn transistöründe yayun ak ı m ı T, ve toplayıcı ak ı mı x,I dir. Toplay ı c ı eklemin.e Kirchhoff ak ı m kuralmm uygulanmas ından Y.1 1 1 ;( 5-7 ) li ıılunıı r.Aygı t içindeki bir uçtan öbür uca kadar olan aknnla ı gözönüne ahn ı rsa, (5-8) yaz ı hr, burada f, geçit ucundaki ak ı md ı r. I 1 i Denk. (5-7) ye ,erleştirip f, — Ot 1.

( Y-

'

Y-2)

t g

(5-9)

brıhıııu r. Denklem (5-9) a göre e ğer ak ını kazançlar ı toplam ı w + x, bire yak ın akı mı çok büyük olabilir. E ğer gerçekise geçit ak ımı küçük oldu ğu halde mı olmadığı durumnda bile akı nı büyüktür ve cı. 1 -- 1 ise geçit akı ten cı., yalnı zca yan-iletkenin ohmik direnciyle s ınırlanır. Bir DSD nıııı akı m-gerilim belirtgenlorinin, Sek.4-20., aç ı klanmas ı a ş a ğı daki gibi yapılır. Ig geçit akımı s ıfır olduğunda Sek.5-14b- deki pnp transistö-

TEMEL ELEKTRON İ K

1415

ründe taban-yay ıcı öngerilimi yoktur ve bunun sonucu olarak bu transistör iletmez. Toplayıcı ekleme uygulanan gerilimin kritik bir de ğerinde toplayıcı eklemdeki çığ kırılımı akımı artırır ve bu durum her iki transistörü de iletime geçirecek biçimde öngerilimler. pnp transistörünü iletime getirme /g akımını artırarak uygulanan gerilimin daha küçük bir de ğerinde sa ğlanabilir Bu da npn transistörünü iletime getirecek biçimde öngerilimler. İlk olarak transistör iletkenlik durumuna tetiklendikten sonra, iki transistörde de aygıt akımı önbesleme akımını oluşturdu ğundan geçit akımı sıfıra kadar azaltılabilir. DSD nun Şek. 4-20 de görülen ak ını-gerilim belirtgenleri negatif direnç özelliği göstermektedir Çünkü kapal ı durumdan aç ık duruma geçiş olduğunda gerilim azal ışı akım artışma-neden olmaktadır. Bu negatif direnç tünel diyodunkinden farkl ıdır. İkisi arasındaki fark, Şek.5-7 de negatif direnç bölgesinden gerilim eksenine paralel olarak çizilen bir do ğrunun belirtgen e ğrileri başka bir noktada daha kesti ği görülerek anlaşılır. Bunun tersine böyle ikinci bir kesim noktası Şek.4-20 de aranırsa negatif direnç bölgesinden çizilen çizgi akım eksenine parâlel olmalıdır. Birbirlerine göre olan şekilleri yüzünden tünel-diyodun eğrisine N-tipi negatif direnç belirtgeni ve DSD nun e ğrisine de S-tipi negatif-direnç belirtgeni denir.

Tek Eklemli Transis tür DSD nun S-tipi negatif-direnç belirtgenlerine biraz benzer e ğriler tek eklemli transistör taraf ından da olu şturulur. Tek eklemli transistörün devre simgesi Şek. 5-15 de görülmektedir: ayg ıt iki ohmik de ğmeli yarı-iletken çubukla bunlar arasında küçük yüzeyli bir tek yay ıcı pn, ekleminden oluşur. E ğer yayıcı akıma yoksa, taban uçlar ı arasına uygulanan Vb geriliminin bir kesri, yar ı iletken çubu ğun gerilim bölücü etkisi nedeniyle yay ıcı eklemde ortaya ç ıkar. Yayıcı geriliırıi bu kesirden küçük ve bunun sonucu yayıcı eklemi ters öngerilimde olduğu sürece yayıcı devresinde yaln ızca ters akını oluşur. Öte yandan yayla doğru öngerilimde olacak biçimde eklem gerilimi, Ve artırıhrsa, yayıcı akımı artar ve yarı-iletkenin yayıcı ve B I bölgesine taşıyıcılar sokulmuş olur.

Şekil 5-15. Tek eklemli transistörün devre simgesi.

11t>

YARI - i ı .ETKEN AYGITLAR

Bunun sonucu olarak bu .k ı snmlaki direnç azal ır N e gerilim bölücü etki Vb nin eklemde gözüken kesrini azalt ır. Bundan ötürü yay ıcı gerilimi düşse bile yayıcı akı mı artar. Bu ise Ş ek.5-16 da belirtilen çok kararl ı negatif-direnç belirtgenlerini olu şturur. Tek eklemli transistörün devredeki uygulamas ı ileriki bir bölümde ineelemnektedir. 15

10 E

10

15

20

17 V ,,

şekil 5 - 16. 2N-192 tipi tek eklemli transistürün ak ım-gerilim belirtgeni.

Transistörlerin Yapıhşı İki pn eklemi bulunduran tek bir yar ı-iletken kristal olu şturma= çe şitli yolları vardır. Bunlardan en çok kullanılan dört tip; büyütülmüş-eklem, alaşımlı-eklem, diffüzyonlu tepe ve yüzeysel transistörler, Şek.5-17 de görülmektedir. Önerilen bu dört tip üzerinde birçok düzeltmeler yap ılmış fakat bu düzeltmeler çok küçük ayr ıntılar olmuştur. Büyütülmeş -eldem transistör tarihi bakımdan yapımına geçilmiş ilk eklem çeşididir ve şimdi yerini ba şka çeşitlere bırakmaktadır. Büyütülmüş -eklem, kristal eriyik içinde kat ılaşırken çekilerek ve eriyik içindeki sazs ızhk katkıları= değiştirilmesiyle hazırlarım. Bir tek transistör 1 mm kare kadar oldu ğu halde tipik bir kirstal 1 ya da 2 em çaplı olabilir, buna göre ilk kristalin kesilmesiyle birçok transitör elde edilebilir. Bağlantılar yayı cı , taban ve toplayıcı bölgesine lehimlenir. İyi elektriksel değme oluşturmak için iletkenlik çe şidine göre lehimlerde biraz safsızhk katkısı kullanılır. Bunun için p bölgesine elektriksel ba ğlatı için kullanılacak lehime indiyum ve taban için kullamlana antimon kat ılır. Bu işlem çok dar olan taban bölgesi yapmada özellikle önemlidir, çünkü ıı-tipi safs ızhk ıttipi tabana iyi bir elektrik ba ğlantısı ve aynı zamanda p bölgeleriyle bir pn eklemi olu şturur. Buna göre, lehimli tabandan lehim içinde taban bölgesi d ışına taşsa bile bundan tabanın yayıcı ve toplayıcı bölgesinden elektriksel olarak yalıtılmış olduğu anlamı çıkar.

147

TEMEL ELEKTRONIK

0,01 m m

1 Taban

Toplayıcı

Yareı

(a) Büyütülmii ş eklem

(b) Alaşımlı eklem

Toplayıcı

P Difüzyonlu' taban

Difüzyonlu taban-- \

2 mm n Difüzyonlu

yay ıel

P 0,001 mm

(c) Difüzyonlu tepe

Oksit filmi

(d) Yüzeysel

Şekil 5-17. Eklem transistörlerin yap ısı .

Günümüzde çok de ğişik süreçlerle yapılan pnp alaşım-eklemli transistör temel olarak bir n-tipi tek-kirstalin iki yüzüne indiyum topaklar ı yerleştirmek ve öteki yüzünü ısıtmakla .oluşturulur. İ ndiyum erirken alttaki germanyum dan birazc ık çözer. Bundan sonra so ğuma sırasında çözülmüş germanyumlar yeniden taban kristali üzerine kristalle şirler ve yapısı içine birçok indiyum atomu almış olur. Bundan ötürü tekrar kristalle şen madde p-tipindedir ve böylece bir transitör yap ısı oluşur, Yareı ekleme gönderilen ta şırcılarm daha etkin bir biçimde toplanabilmesi için toplayıcı topa ğını . yayıcı topağından daha büyük yapmak uygundur. Böylece ala şım-eklemli transistör, geometrisi bak ımından büyütülmü ş-eklem biçimden daha doyurucudur. Daha önce tart ışıldığı gibi doyurucu yüksek frekans i şlerliğine ulaşmak için transistör bölgelerinin mümkün oldu ğu kadar küçük yapılması gereklidir.

148

YAR İ - İ LETKEN AYGITLAR

Bu amaca ula şmak için yukarı daki süreçte birçok incelikli de ğişimler yapılmasına rağmen alaşım-eklemli transistör yap ımında bu durum güçtür. Bununla birlikte difüzlenmiş -tepe transistörü Sek. 5-17c yüksek frekans transistörrü için daha uygundur. Çünkü eklemin yap ım süreci daha kesinlikle denetlenebilir. Toplayıcı eklemi, antimon atomlar ının sıcak gazı içine bir p-tipi kristal diliminin yerle ştirilmesiyle olu şturulur. Dilim ısmırken antimon atomları lenebilir. Topayıcı eklemi, antimon atomlar ının sıcak gazı içine bir p-tipi kristal içinde 10 -3 mm ye kadar girerler. Kristal sonradan maskelenir ve küçük bir de ğişmiş bölge ya da 2 man çap ında tepe elde etme i şi kimyasal yolla (örne ğin asitle) yapılır. Sonra tepe iistünden 0,3 mm çap ında iki bölge ç ıkarılacak biçimde maskelenir ve buralara uygun metaller yüksek vakumda buharlaştırıhr. Bundan sonra iki metal birikintisi n bölgesi içine yay ılırken dilim yüksek sıcaklıkta tutulur. Böylece metal birikintisinden birisi taban bölgesine de ğerken öteki p-tipi yay ıcı bölgesini oluşturur. Toplayıcı eklemin yüzeyi tepenin büyiiklü ğüyle tam olarak tan ımlanır. Öte yandan yayıcı-eklemin yüzeyi buharla biriktirilmi ş metal yüzeyle belirlenir. Her iki süreç kesinlikle denetlenebilir ve oldukça küçük bir hacim elde edilir. Taban bölgesinin genişliği gaz difüzyonu süreciyle ve sonraki birikinti metal difüzyonuyla belirlenir. Her iki süreç, çimdiye kadar do ğru olarak tanımlanmış çok ince taban bölgesi olu şturması için kristal diliminin sıcaklığlyla kolayca ayarlanabilir. Bundan ötürü yap ım tekniğinin tümü bizi transistör geometrisinin denetlenmesine götürür. Ele al ınacak kadar büyük dilimler üzerinde çok ince aktif bölgeler olu şturabilir. Tepe transistör de büyütülmü ş eklem ve ala şım-eklemi transistörlerde olduğu gibi yayıcı .ve toplayıcı eklemleri yar ı-iletkenin yüzeyine ç ıkacak biçimde yapılabilir. Eklemdeki yüksek elektrik alan nedeniyle eklemin elektriksel özellikleri çevrenin kimyasal safs ızlıklarma oldukça duyarlıdır. Eklem bölgesi yüzeyindeki yabanc ı atomlarm az sayıdaki kalıntıları bile teorik olarak beklendi ğine göre transistörün normal i şleyişini bozar. Bunun önüne geçmek için yapımından hemen sonra transistör temiz bir metalle kaplanarak hava ile teması kesilir. Yüzey kirlenmesini önlemek için doyurucu bir çözüm yolu ısıtarak oksitlemeyle yarı-iletken yüzeyi üzerinde ince bir oksit film olu şturmaktır. Silisyumun önde gelen özellikleri nedeniyle bu teknik öncelikle silisyuma uygulanabilir durumdadır, bu işlem sonucu yarı-iletken aygıt atmosfer kirlenmelerinden tamamen korunmu ş olur. Bunun yanında oksit film gaz halindeki safs ızlıklarm difüzyonuna engel olur, böylece yap ım sırasında film maskeleme görevi de yapar. Bu teknik yüzeysel transistör yap ımını mümkün kılan, Sek. 5-17d, bu transistörlerin bu ad ı almasının nedeni de tüm transistörün basit bir silisyum dilimi yüzeyinde olu şturulmasındandır.

TEMEL ELEKTRONIK

149

Bir yüzeysel 'npn transistörün yap ı m ına bir n-tipi silisyum tek-kristal dilimiyle ka şlanır. Oksijenli ortamda ıs ıtmayla -üst yüzeyde ince bir oksit tabakas ı oluşturulur. Asitle yakma yoluyla oksidin a çapl ı dairesel bir kesimi temizlenir. Bundan sonra dilim s ıcak bor gaz ına tutulur. Açıkta kalan silisyum bölgelerine bor atomlar ı sızar, p-tipi taban bölgesi ve toplay ıcı eklem olu şur. S ızan bor atomları oksit filminden yanlara do ğ ru ta ş ar böylece taban bölgesinin çap ı a dan büyük olur ve toplay ıcı eklemi oksit tabakas ının yüzeyi tarafından korunur. Bu i şlemden sonra dilim, tüm yüzeyi kaplanacak biçimde yeniden oksitlenerek bir örtü filmi olu şturulur. Oksitlenmi ş yüzeyin b çaplı alanı asitle temizlenir, sonra dilimin aç ıkta kalan kısımları sıcak fosfor gaz ı safs ızlığına tutulur. Bu n-tipi safs ızlık atomları silisyum içine s ızar, yayıcı bölgesi ve yayıcı eklemi olu şur. Fosfor atomlar ının oksit filmi altında yanla.ra sızması oksit tabakas ı tarafından korunan yay ıcı eklemini emniyet alt ına alır. Son olarak, tepe transistöründe oldu ğu gibi ala şım yoluyla ve buhar birikintisiyle elektriksel dokunma olu şturulur. Böylece nplı transistörü tümüyle bir yüzey dilimi üzerine kurulur su ve hava geçirmez oksit filmiyle örtülür. Gaz sızdı rma tekni ğinin kolayca denetlenebilir olmas ı nedeniyle eklem konumlarmm geometrik boyutlar ı ve taban genişliği oldukça do ğru olarak belirnebilir. Bir santimetrelik çap veya dilimlik silisyum içinde ayn ı anda yüzlerce transistör yb.p ılabilir ve bunlar-sonradan ayr ı dilinder biçiminde kesilebilir. Seçkin bir yüzeysel transistörün büyütülmü ş görünümü Sek. 5-18 de oldu ğu gibidir. Bu resim üzerinde yay ıcı ve taban bölgelerinin ba ğlantıları açıkca görülmektedir.

Şekil 5-18. Yüzeysel transistörün büyütülmü ş fotoğrafı (Raytheon Semiconductor)

150

YAR İ - İ 1TTKI-N AYGETTAR

ALAN-ETMLİ TRANSİSTİMILER Ak itlel Belirtgenleri

pn eklemine uygulanan ters-öngerilim i ş aretiyle ço ğunluk t a şıyiedarm ın akışımn denetlendi ği alan- etkili transistör, AET, de çok, etkin denetim elde edilir Bir ucunda ohmik de ğme, kaynak, ve öteki ucunda yine ohmik de ğme, akıtıct, bulunan Şek. 5-19 daki n - tipi yarı-iletken çubuğu (çoğu kez silisyum) düşünün. Akıtıcı gerilimi Va,. etkisindeki elektronlar kaynaktan ak ıncıya hareket ederken iki p bölgesi arasındaki kanaldan geçerler. Bu pn eklemine geçit denir, çünkü ters öngerilimli geçit ekleminin geni şliği kanal geniş liğini ve sonuç olarak kanal ile akıtıcı arasındaki akımın büyüklüğünü belirler. Geçide uygulanan gerilim i ş aretleri akıtıcı akyoundaki de ğişikliklere neden olur.

Şekil 5-19. n-kanal ı eklem AET.

Temel olarak AET, pn eklemindeki elektrik alanla denetlenebilen bir değişken dirençtir ve ad ı da kendisini tan ı mlayacak niteliktedir. pn eklemindeki • küçük ters akım nedeniyle uygulanan i ş aretten çok küçük güç harcamr. Tan ımlanan bu ayg ıtın n-kanall ı AET olduğuna dikkat ediniz. p-kanall ı AET de mümkündür. Bu halde akıtıcı ve geçide uygulanan gerilim z ıt kutupludur, bunun için geçit eklemi yine ters öngerilim alt ındadır. n-kanall ı -AET ün devre simgesi Ş ok. 5-20 de görülmektedir. p-kanall ı AET için çizilen simgede geçit eklemini temsil eden ok z ıt yönde olacaktır. Ok yönünün eklem diyod içindeki geleneksel ak ım yönünü gösterdiğine dikkat ediniz. Bir AET ün akım-gerilim belirtgeni kanalda akan ak ımın çözümlenmesiyle elde edilir Ş ekil 5-19 da çizildi ği gibi eklem geni şliği geçidin ak ıtıcı ucu kenarında en büyüktür çünkü buradaki ters öngerilin ı geçit öngerilimi ile

151

TEMEL ELEKTRONIK

akitle]. geriliminin toplamıdı r. Elden', kaynak tarafındaki uçta en çok daral ır çünkü kanal boyunca gerilim dü ş mesinin anlamı ters öngerilimin yalnızca geçit gerilimi yüzünden olu ş masıdır. Vg ve Vd nin toplamı eklem içinde kanalı tümden kapatacak kadar büyük olabilir. Asl ında bu normal i şleme ş artı dır ve daralma için gerekli ters öngerilime Vp denir. D

S Şekil 5-20. n-kanall ı AET 'için devre simgesi.

Kanal boyunca düzgün olmayan gerilim dü ş mesi ve do ğrusal olmayan kanal genişliği, kesin biçimde çözümleme yapmay ı karışık duruma getirir. Bu iş , kanal direnci içindeki akı mın Ohm yasasına göre Vp ile orantilı olduğuna ve yukarıda tart ışılan Vg - Vp ye dikkat edilip basitle ştirilerek yap ılabilir. Sonlu bir akıncı akımı da kaynak ucundaki s ıfır' değerinden akıncı ucundaki —Va değerine kadar de ğiş en ek bir ters öngerilime neden olur. Bir yakla şıklık olarak eklenen ters öngerilim basit ortalamayla —Vd /2 alınır. Bu durumda akıncı akımı

2N2499

—0,5 V

ta 0,5

10 ,

es E6 4s

3,0 3,5 40 0

5

10

15

20

Vds ' V Şekil 5 21.2N 2499 tipi p-kanallı bir AET'ün akıın-gerilim belirtgenled. -

152

YARİ - L1.,ETKEN AYGULAR

:= K (V —Vp —

V 2

V„

(5-10)

olur, burada K bir sabittir. D aralma yerinde geçit gerilimi ile akıncı geribmi toplam ı daralma <İeri limine eşittir, öyleyse Vg—Vp = Vd dir. Bundan ötürü Denk. (5-10) b ' •

=K

V —Vp

( Jıg--

idş,

K

Vg-- Tıp)

2

- Vp.) 2

2

V-

(

i --- —rfp—

(5-11)

2E

e 1

-5

-1

-3

V gs , V Şekil 5-22. iı-kanall ı AEriin aktar ıın belirtgenleri.

biçimine girer. Burada Idss temel olarak AET ün geometrik biçimine ba ğlı olan bir sabittir. Kanal ın kapanması durumunda ak-ıtıel akımı akıtıcı gerilimine ba ğlı değildir. Denklem (5-10) ve (5-11) p-kanall ı pratik AET ün akıfte ı • be-

153

TEMEL ELEKTRON İK

lingenlerinin iyi , bir temsilidir, bu durum Şek. 5-21 de belirtilmektedir. Maksimum kaynak akıtıcı gerilimi geçit eklemindeki ters kırılma gerilimiyle smırlainr. Aktarım Belirtgeni Geçit elektrod ıındaki gerilim de ğişikliklerine karşılık gelen ve Denk. (5-11) ile belirlenen ak ıtıcı akımı değişimleri, akitle' ak ımının geçit geriliminin fonksiyonu olarak çizilmesiyle daha açık olarak gösterilebilir. Bunlara aktanm belirgenleri denir, çünkü bunlar ç ıkıştaki de ğişimleri, giriş iş aretlerine ba ğlarlar. Şekil 5-22 de verilen seçkin aktar ım belirtgeni Denk. (5-11) ile verilen kare yasası bağlılığını göstermektedir. Aktarım belirtgenleri AET ün do ğrusal olmayan elektriksel özelliklerini tammlamanm de ğişik bir yoludur. Bu, akitleı belirtgenlerini tamamlayıeı niteliktedir ve geçit gerilimini ıı birim değiş mesine karşılık akıtıcı akım değişimini doğrudan gösterir. Bu oralı, aygıtm denetim özelli ğinin ölçüsüdür ve bunun büyük olması yükseltmenin istenen biçimde olaca ğını anlatır. AET ün denetim belirtgenlerinde giri ş iş aretinin akımdan çok gerilim olması nedeniyle ekiem transistörünkinden temelde farkl ı olduğuna dikkat dilmelidir. Bu farklılığın sonuçları gelecek bölümlerde çe şitli yollarla aç ıklanacakt ır. Gerçekten iki tip denetleme de bizi oldukça etkin yükseltme i şine götürür, fakat AET ün işleme özellikleri ve devre kurgular ı eklem transistörünkinden farklıdır. AET içindeki akım akışı ço ğunluk taşıyıcılarıyla olduğundan eklem transsistörün tersine bunun elektriksel özellikleri s ıcaklığa daha az duyarl ıdır. Bununla birlikte Şek. 5-23 de belirtilen aktarım belirtgenlerinin s ıcaldıkla de5,0 -

-55°C 3,0 st

E a

®

2,0

1

,

1,0

1,5

2,0

Vgs,V Şekil 5-23. 2N5267 tipi p-kanall ı AET'üıı üç farklı ,sıcaldıktaki aktarım belirtgenleri

154

YARI — İ LETKEN AYGITLAR

ğişimi bu etkinin önemli olduğunu gösterir. Uygun devre kurgular ı sıcaklıkla değiş imini minimuma indirecek biçimde düzenlenebilir, böylece iki tip transistör de pratik sıcaklık bölgelerinde kullanılabilir. YGAET ler ve MOYAET ler Yarı-iletkenden yalıtılmış uygun bir metal geçit elektrodu kullanarak pn eklemi olmadan bir yarı-iletkende akını ta şıyıcıları üzerine denetim yapmak mümkündür. Böyle yal ıtılmış -geçitli transistörlere YGAET ler denir. Bunun en başarılı pratik biçimleri silisyumdan yapılır ve silisyum dioksit tabakas ı yalıtkan olarak kullanılır. Tarumlayıcı terimlerle metal oksitli yarıiletken alan-etkili transitöre MOYAET denir. n-tipi kaynağı ve p-tipi kristal içine yerle şmiş akıtıcı bölgesini gösteren MOYAET Şok. 5-24a da belirtilmektedir. Metal geçit elektrodu yüzey üzerinde ince film tabakas ının üzerine tutu şturulmuştur. Ço ğunlukla p tabakası kayna ğa tutturulur ve geçide negatif gerilim uygulan ır. Negatif geçit gerilimi elektronlar ı n-tipi kanala iter ve boşalıcı tabaka taşıyıcısız duruma gelir; Bu bo şalıcı tabaka pn ekleminin n-tipi ve p-tipi tarafları arasında kalan bölgeye oldukça benzemektedir. Geçit gerilimiyle boşahm tabakanın yarat ılması n-karıahnın iletkenliğini artırır ve akitlei ak ı mım azaltır. Bo şalıcı tabaka n-tabakasuia do ğru büsbütün genişlediğinde daralma olu ş ur ve boşalıcı MOYAET ün akıncı belirtgenleri eklem AET lerinkine oldukça benzer biçime girer. Kaynak ve akıtıcı aras ındaki n-kanah kaldırılırsa " Şek. 5-24b" kaynak ve p-tipi alt kata göre pozitif tutulan geçit gerilimiyle yine ba şarılı çalışma elde edilebilir. Kaynak ve ak ıtıcı uçlarmdaki pn eklemi nedeniyle geçit öngeakıncı akımı sıfırdır. Geçit gerilimi sıfırdan başlayarak rilimi pozitif olarak art ırılırken geçit alt ında p alt tabakas ındaki elektron bo şlukları Kaynak Geçit 9

Kaynak Geçit

Akdam

Akıtıcı

O

9

Oksit tabakası

la) Boşaheı MOYAET

(b) Artırıcı MOYAET

Şekil 5--24. ıı-kanallı MOYAET'ler. (e) bo ş alıcı ve (b) art ırıcı durumları ,

TEMEL ELEKTRONIK

155

hemen itilirler ve yüzey tabakas ı ıı-tipi olma e ğilimi gösterir. E şik geçit geriliminin ,177. değerinde bir n-kanal ı oluşur ve kaynak ile akitle' aras ından akını geçer. Daha büyük geçit gerilimi akitiei ak ımın daha da artım. Geçit gerilimi n-kanal ının iletkenli ğini artırdığından bu yap ıya artırıcı MOYAET denir.

-

Z

+V

VP (n ı Bo şabeı

+ vg

Vg Vp (b) Bo şalıCı—art ı rı cı

Vg

O VT

+v,

Kanal geçit gerilimiyle daralt ılabildiği kadar genişletilebildiği için bir boşalıcı MOYAET artırıcı olarak da çah şabilir. Şekil 5-25 deki aktar ı m belirtgenleri yardımıyla çeşitli tipte AET ler aras ından en uygunu yap ılabilir. pn geçit eklemi doğru öngerilimli değilse Şek. 5-25a, AET eklemi bo ş alıcı tiptel çalışır. Artırıcı MOYAET pozitif geçit öngerilimi gerekli ise, Şek. 5-25c, boşalıcı MOYAET her iki geçit kutupluluğunda kullanılabilir. Şekil 5-25b. Bununla birlikte üç aktar ım belirtgeni de yanlara do ğru kaymalar dışında birbirine oldukça benzemektedir. Pozitif ve negatif geçit ğerilimlerinin

156

YARİ - İLETKEN AYGİTLAR

uygulanmas ı dışında pozitif bir MOAYET ün ak ı tıc ı belirtgenleri AET ekleıninkilere benzemektedir. Bu durum Şok. 5-26 da görülmektdir. Şekil 5-27 de n-kanall ı MOYAET için çizilen devre simgesi yal ıtılmış geçit yap ıs ını göstermektedir. Beklendi ği gibi p-kanalh MOYAET ler ok ucu ters yönde çizilerek belirtilir, ok yönü de al ışılmış akl ın yönünü gösterir. 1VIOYAET ün çok yönlülüğiinii gösteren daha geli ş miş bir diizenek iki-geçitli 1410YAET dür ve burada ayr ı iki geçit elektrodu kanal boyunca yerle ş tirilmiştir. Kay• na ğa benzer büyük bir n-tipi bölgesi iki geçit aras ında yer alı r ama dış arıyla bağlantısı yoktur. Ak-ı tıcıya en yak ın olan geçit, akıtıcı sığas ını azaltarak denetim geçidini ak ı tı cıdan yal ıtı r. Böylece yüksek-frekanslarda daha iyi çalış mas ı sağlanmış olur.

10

8

6 E 4

belirtgenleri.

şekil 5-26. 2N3797 ıipî u-kanalli

s Şekil 5-27. n-kamdle MOYAET'ün devre simgesi.

TEMEL ELEKTRONIK

157

INTEGRE DEVRELER Integre Devrelerin Ilkeleri Başta silisyum olmak üzere yan-iletkenlerin özellikleri bir tek kristal içinde tüm elektronik devreyi oluşturmak mümkündür. Böyle bir integre devre, elektronik devreleri küçülterek küçücük hale getirir ve kar ışık elektronik devrelerdeki ayrı bileşenlerin sayısını da azalt ır. Bunun için tam bir integre devre yalnızca tek bir parça biçiinindedir. İntegre devrelerin yap ılışının temeli. transistörler, diyodlar ve dirençler gibi birçok elektronik bile şenlere dayanır. Bunlar uygun n-tipi ve p-tipi bölglerine sahip silisyumdan yap ılır. Bir tek kristal içine yerleştirme, her bir bile şen devre içindeki kendi yerini koruyacak biçimde yapılır. Bileş enlerin birbirine basit bir biçimde tek dilim içine yerle ştirilmesi kendi aralarında elektriksel etkile şmelere neden olur. Bu sorun, n-tipi ve p-tipi bölgelerin uygun düzenleni şi sonucu bileşenler aras ında yalıtım sağlanarak çözülür. Örneğin bir p-tipi kristal içinde n-tipi silisyum bir direnç dü şünelim. Direnç ve dilim arasındaki pn eklemi yardımıyla direncin dilimdon yaht ılacağı şüphe götürmez. Bu yal ıtkanlık pn-eklem sığası yüzünden yaln ızca d.a. gerilimine karşı etkilidir. Tüm eklem sığalarmın aracılığıyla oluşacak rastgele etkile şimlerde belirlenerek devre kurgusunda gözönüne al ınır. Gerçekte, bir pn-eklem s ığasına integre devre içine bir kondansatör olarak bakdabilir. Küçük indüktansl ı helisel biçimli iletken indüktanslarm yerleştirilmesi de mümkündür. Bununla birlikte içinde transistörler, diyodlar ve dirençler bulunduran toplu devre ço ğu kez kendiliğinden oluşur ve gerekli kondansatör ve indüktanslar d ışarıdan ayrıca bağlanır.

Yapım Teknikleri Silisyumlu integre devreler, yüzeysel transistör yap ımında yürütülene benzer şekilde üretilir. İlk olarak özel fotopolimer maddeler oksit tabakas ıyla kaplanarak safs ızhk sızıntıları için oksit tabakas ı içinde uygun kalıplar oluşturulur. Fotopolimer şiddetli ışığa tutuldu ğunda asitle yakılmaya karşı direnç gösterir. Böylece uygun bir maskelemeyle ışığa tutulan fotopolimerin ışık görmeyen bölgeleri çözülür. Bundan sonra alttaki silisyumdan aç ılan yerin farklı bir asitle yakılmasıyla oksit tabakas ı içinde uygun bir kalıp ortaya çıkar. n-tipi safs ızlıklarmın gaz difüzyonundan sonra dilim tekrar oksitlenir ve katkılama yapılmış yeni diziler elde etmek için süreç yinelenir. Fotoğrafik süreç, integre devreyi oldukça küçük bir biçimde olu şturur. Büyük yapıdaki maskeler optiksel olarak mikroskopik boyutlara ula şacak kadar küçülmüştür. Bu, aynı silisyum dilimi üzerinde birçok integre devrenin.

158

YARI — İ LETKEN AYG İ TLAR °kak filmi

(a) Aynı kristal yap ı da büyütne

(c) Yal ı t ı mlı difüzyon

id Taban difüzyon -

.1121

•

a

Direnç

(d) Yayıcı difüzyon. b

e

Diyodlar Transistör (e) Metalik ba ğlant ı

Direnç

?+

gnd

(f) Devre çizimi Ş ekil 5.28. (f) deki toplu devrenin olu şumu için (a) dan (e) ya kadar yap ılan ad ımlar.

TEMEL ELEKTRONIK

15,/

oluşturulabilece ği anlamındadır, oluşturma işi bir maske, üzerinde istenen devrenin birçok kez yinelenmesiyle olur. Daha sonraki safs ızhk difüzyonu admaında çe şitli bileşenleri birle.ştirmek için ince metal tabakas ı biriktirilir (fotopolimer 'tabakas ında da) ve dış bağlantılar için 'açlar ç ı karılır. Bu olay Şek.5-28 deki basit devrenin yap ım adımlarnada en iyi biçimde belirtilmektedir. Ba şlarken, bir p-tipi tek-kristal dilimi, içinde n-tipi safs ızlık atomlarım bulunduran silisyurn buharma tutulur. Bunun sonucu Şek.5— 28a daki n-tipi üst tabaka elde edilir. -Üst tabaka, p-tipinde oldu ğu gibi n-tipi tabakasının da aynı kristal yap ıya sahip olduğu anlamını ta şar. Yüzey oksitlenir, maskelenir ve asitle yakılır, sonunda Şek.5-28b de görüldü ğü gibi çeşitli n-bölgeleri p-tipi difüzyonuyla yal ıtıhr. Bu adımlar Şek.5-28c de ve Şek.5— 28d de tekrarlanmaktad ır. Sonunda aradaki metalik ba ğlantılar Ş ek.5-28e deki gibi eklenir. Bu olay sonunda Şek.528f de çizilen deVreye Şek.5-28e deki ayr ıtılardan sonra ula şılabilir. Burada direnç ve diyodlarm p-tipi alt bölgelerinden her kezinde bir pn eldı miyle nasıl yalıtıldığnıa özellikle dikkat ediniz Bunun yanında devre çiziminde npn transistörü için kullanılan alışılmış akım iş aretine de dikkat ediniz. Bu devre, Böl.11 de ayr ıntılarıyla inceleneeek olan DTM (Diyod Transistör Mant ığı) VE DEC-IL geçidi denen devreye özde ştir. Pratik Devreler Şekil 5-29 daki pratik integre bir devrenin büyütiilmü ş görünümü içinde çe şitli bileşenleri tanımak mümkündür. Fark-yükselteei devresi denen bu devrenin çizimi Ş ek.5-30a da görülmektedir ve gelecek bölümde aç ıklanacaktır. Büyütülmüş resim içindeki metalik ba ğlantıları silikgöründiiğiine ve gerekli direnç de ğerlerini sağlamak için kıvrıntılar yapıldığına dikkat ediniz. Basit görünümlü olan bu deYre Şek.5-30b de görüldüğü gibi bir tek transistör büyüklü ğü içine 12 bile şeni almas ı bakımından dikkatle incelenmeye de ğer. İntegre devre olarak daha kar ışık devreler de kullanılabilir, bunlar gelecek bölümlerde tart ışılacaktır. Böyle devrelerin her biri çe şitli amaçlar için çalıştırılabilir ve ba şka integre devrelerle birle ştirilerek bunlara tam bir görev yaptırılabilir. Sayısal hesap makinalarmın yapımında çeşitli integre. devreler birleştirilerek yeni integre devreler olu şturulabilir. Böyle büyük ölçekli integre devreler yani BÖ İD ler elektrönik devreleri küçücük hale getirir ve devre içindeki iş aretlerin daha çabuk yol almas ını sağlar. 1000 veya daha fazla transistör bulunduran BOID yapmak mümkündür. BOID in üstünlüklerine MOYAET integre devreleri toplulu ğuyla daha kolay ulaşıhr. Çünkü MOYAET ile yapılacak integre devrenin yapım tekniği eklem transistörle yap ılacak olandan daha kolayd ır. MOYAET transistör yap ısının daha basit olması ve yapısındaki kullanışhlik yüzünden eklem transistör-

160

YAR! iLET 'EN AYGITLAR

lerle yap ılan devrelerden üstündür. Özellikle ta ınamlayıcı simetri MOYAET • integre devreleri, gelecek bölümlerde tart ışılacak sayısal elektronik BÖ İ D uygulamalarında çok kullanışlidırlar.

Şekil 5-29. Şekil 5-30'daki fark yükselticinin integre devresi. (ffiı iorola Sendeonductor Products, Inc.)

KAYNAKLAR Leonid V.Azaroff and James J.Brophy: "Electronic Processes i ıı Matcrials" Mc Graw-Hill Book Company, New York, 1967. James J.Brophy: "Semiconductor Devices" Mc Craw-Hill Book Company, New York, 1964. Edwin R.Joues: "Solid-satate Electronics", Intext .Educational Publishers, Scranton, Penn., 1974. Rodney Bruee Sorkin: "Electronics", Mc Graw-Hill Book Company, New York 1970. ALIŞTIRMALAR 5-1 Bir germanyum ve bir silisyum pn ekleminin do ğru öngerilim belirtgenlerini 10 inA o kadar çizin. Germany= için /0 = 10-6 A ve silisyum ıçin

161

TEMEL ELEKTRONIK

(a) Devre

11,2 kS2

(b) Şekil 5-30. (a) Fark yükselteci devresi ve (b) Kullan ışlı biçimi

Io = 10-12 A alın ve doğrultucu eşitliğini kullanın. Silisyam diyod halinde 10 mA lik akım elde etmek için ne kadarl ık bir doğru öngerilim gereklidir? 1 mA için aynı soru.

Cev : 0,4 V; 0,4 V. Eklem diyod için Denk.(5-4) ile verilen do ğrultucu eşitliğinin türevini alarak eklem direnci R = (

dV

) -1 . içi n

ifade türetin. Oda s ıcaklığnı.da

e IkT = 38 V- I ile verildiğine göre 1 V luk gerilimde do ğrultma oranın]. hesaptayin.

YARI Cev

İ L.FTKFN AYGITI AR

1 033

5-3 Bir tipli transistörünün dengede ve transistör olarak öngerilimli durumunda enerji- şeridi modellerini çizim 5-4 2N2499 AliT iin akıncı belirtgenlerini Denk.(5-10) ve (5-11) i kullanarak hesaplaym ve çizin. Bu i şi yaparken Şek.5-21 deki Vg = O eğrisinden yararlan ıp 48, ve Vp yi yok ederek yap ın. Şekil 5-21 ile karşdaştırm. Cev : 9 ınA; 6,6 V. 5-5 Tabanı topraklı silisyum transistörünün toplay ıcı belirtgenlerini oda s ıcaklığında ve toplayıcı geriliminin 0,5 V maksimum değerine kadar hesaplayin ve, çizim Akım kazanemın 1 e eşit ve / 0 = 1 t.LA olduğunu yanayız. 5-6 Alıştırma 5-5 i 150°C için yineleyin. varsayın ve V, .= 0,7 V alın.

ın •Denk.(5-5) e göre artt ığını

5-7 Denklem (5-11) i kullanarak 2N2499 AET ün aktar ım belirtgenlerini hesaplayın. Ahştırma 5-4 deki Id,„ ve Vp değerlerini kullanın. 1.5 V akıncı gerilimi için Şek.5-21 den tiiretece ğiniz bir deneysel .e ğriyle sonucu karşilaş tırın. 5-8 Ş ekil 5-11, 5-12, 5-13, 5-21, 5.26, 6-14, 6-28, 7-12 ı ye 7-13 ile verilen akım-gerilim belirtgenlerinden transistörlerin hepsinin deneysel aktar ım belirtgenlerini çizim Bu yerlerde sergilenen ak ı nı ve gerilimlerin de ğerlerine dikkat edin. 5-9 Ahştırma 5-8 deki her ayg ıt için verilen yerlerin orta de ğerleri etraf ında giriş işaretindeki de ğişim başına çıkış akınundaki de ğişimi hesaplaym. Dayanılabilecek güçle bu oran ın büyüklü ğündeki herhangi bir ilgiye dikkat edin. Cev : Yüksek giiçlerde daha küçük. 5-10 . Şekil 5-12 deki oklern transistör ile Şekil 5-21 deki AET için ç ıkış akımındaki değişmenin giriş gerilimindeki de ğişime oranın' karşdaştınn. Bu i şi yaparken giri ş akımın giriş gerilimine çevirmek için eklem transistörün ak ım kazancı oranı ni yayıcı eklemin direncineCev : 41. mho, 2,6 x

ınlı o

BOLOM ALTI

Transistörlü Yükselteçler

Bir vakum d ı)iodundaki akım ın üçüncü bir elektrodla kontrol edilerek bu triyodun oldukça güçlü bir yükselteç yap ılınasından sonra elektronik önemli bir bilim dalı haline gelmiştir. 1948 y ılında transistörün bulunuş uyla elektronik devrelerin yap ısındaki kaçınılmaz geliş meler de oldukça geni şledi. Yar ı-iletken ayg ıtların büyük bir çe ş itlilik göstermesi, bunlar ın birçok uygulamalarda vakum tüplerinin yerini 'almasına neden oldu. Transistör ve Ek-E de incelenen vakum tüpleri do ğrusal olmayan aygıtlardı r. Bunları n herhangi bir devredeki işleyebilirliğ i, elektrik özelliklerini veren akını-gerilim belirtgenlcri kullanılarak grafik yoluyla belirlenir. Vakum triyod, alan-etkili transistör gibi gerilim kontrollu aygıtları nki ile, eklem transistör gibi akıın kontrollu aygıtların analizi karşı laştırıldığı nda çözümleme yaln ızca ayrıntılarda farklılık gösterir, fakat ilke olarak farkl ılık yoktur. Bundan ba şka her iki durumda da devre analizi için en doyurucu olan yararlı eşdeğer-devre te ınsilleri geliştirmek mümkündür.

164

TRANSİ STÖR1.6 YOKSELTEÇLER

ÇALIŞMA NOKTASI Yük Doğruları Bir AET ün yükselteç olarak çal ış ması, içinde bir p-kanalh AET bulunan Şek. 6-1, temel yükselteç devresinin yard ımıyla kolayca incelenebilir. Bu devrede akıtıcı , Vdd bataryas ı yardımıyla kaynağa göre negatif bir gerilimde tutulmaktadır. Aynı anda geçit de Vgg geçit öngerilim bataryas ıyla pozitif olarak beslenmektedir. ,6 Vg, giriş işaretinin etkisiyle geçit geriliminde olu şan değişimler akrtıcı akımının de ğişimine neden olur. Bu de ğişimler de R L yük direnci üzerinden ,/\, Vds gerilim iş areti olarak gözlenir. Devrenin analizi Kirchhoff kurallar ıyla alışıldığı gibi yap ılabilir, yalnız

burada AET ün alum-gerilim özellikleri do ğrusal olmadığı ndan analiz, grafik yoluyla yapılmalıdır. Çıkış devresi etrafındaki gerilim eşitliği (6-1)

Vdd — IdRT, — Yd s = 0

dir. Bu eşitlik

Id

Vdd —

RL

1 RL

(6-2)

y as

biçiminde yazılabilir. Denklem (6-2) AET ün akitle' belirtgenleri üzerinde doğru bir çizgi belirler, bu do ğrunun Id = 0 için Vds = Vdd ve Vds = 0 için Vdd /RL kesim noktaları vardır. Bu doğru gerçekten RL nin akım-gerilim belirtgenidir ve yük do ğrusu adını alır. Yük doğrusu ile birlikte AET ün ak ıtıcı belirtgenleri, bilinmeyenleri V. ve Id olan iki bilinmeyenli iki bağıntı gösterirler. Her bir geçit gerilimine kar şılık gelen akıncı akımı, Şek.6-2 de görüldü ğü gibi akitle' belirtgen eğrileri

üzerine yük doğrusunun çizilmesinden sonra gözönüne al ınan geçit gerilimi için çizilen belirtgen e ğriyle yük doğrusunun kesim noktas ından bulunur. 1d

2N2497 RL

Vd3

10 kç2

AVgs

R + I MS2 0,8V — Vgg

o

Atidi

T

20 V

+T

Vdd

Şekil 6-1 p-kanalli AET'lü basit bir yiikselteç.

o

165

TEMEL ELEKTRONIK

< 2,0 - 2N2497 E \

Vgs = 0 V

0,2 1,5 0,4

0,6

0,8 0,5

1,0 ,2

—5

—10 -Wds -

i —15

—20

Vds,V

Şekil 6 2 Calışma noktası geçit öngerilim e ğ risiyie yük doğrusu/nı n kesim noktası dır, -

Çalışma noktas ı, geçit öngerilimine kar şılık gelen belirtgen e ğriyle yük doğrusunun kesişme noktas ıdır. Geçit gerilimi, uygulanan giri ş işaretine ba ğlı olarak de ğişirken akıtıcı-akımı , yük do ğ rusu boyunca ileri geri hareket eder ve Denk.(6-2) her an sa ğlanır. Örneğin Şek.6-2 de 0,4 V luk giri ş iş areti akıtıcı akımında yaklaşık 0,6 mA lık değişime neden olur ve bu çıkışta yaklaşık olarak 6 V luk bir değişikliğe neden olur. Yani, devre giri ş iş aretini 6 — 15 çarpanı kadar yükseltir. 0.4 Geçit ak ımının önemsiz olması nedeniyle giri ş gücünün çok küçük olduğuna dikkat ediniz Bunun tersine, ak ıtıcı gerilimi değişimiyle akıtıcı akımı değişiminin çarpımına eşit olan çıkış gücü, farkedilecek kadar büyük olabilir. Bu güç, akıtıcıyı besleyen Va,/ geriliminden al ınır ve geçidin süpap gibi aç ılıp kapanma hareketiyle kontrol edilir.

Kaynak iingerilinıi Ayrı bir geçit öngerilim bataryas ı birçok devrelerde ekonomik olarak kullan ışlı değildir. Bundan ötürü geçit öngerilimi ":, Ş ek.6-3 de görüldü ğü gibi kayna ğa seri bir direnç ba ğlayarak elde edilir. Geçit gerilimi ak ıtıcı gerilim kayna ğına bir gerilim bölücü ba ğlayarak belirlenir. Böylece R s kaynak direncinden akan akım, geçit eklemini ters öngerilim alt ında tutacak uygun i ş aret ve, genlikteki

TRANS İ STÖRITI YOK SEI TFC:I FR

166

geçit %gerilimini. doğurnr. 13u devrenin. kullarw,ıb bir görünümü ş öyledir: Örne ğin, sıcakbk değiştiği.nde akı nc ı akımı artarsa kaynak direnei üzerindeki gerilim dü şüşü geçit %gerilimini art ım-, bu da akıcı akımmı ilk değerine çevirecek şekilde olur. Yani ak ıtıcı aklım ve çalışma noktas ı dış etkenlere karşı kararl ı hale gelir. Vdd

+ 20V

r--

Vo

Şekil 6-3 Kaynak 6ngefilimii kullanarak yapflan pratik n-kanafir

yükaelteç.

. Kaynak direncindeki a.a. akitle' ak ımlarının geçit devresinde görünmesini önlemek için kaynak direncinin büyük bir kondansatörle şöntlendiğine dikkat ediniz. Çalışma noktasını değiştirebilecek d.a. gerilimlerinden yükselteci yal ıtmak için giri ş ve ç ıkış a da kondansatörler eklenir. Çalışma noktası, çıkış devresindeki d.a. gerilim dü ş naelerinden yük da ğ-. rusu için eşitlik yazarak belirlenir, Vdd — IdRL Vas

.1dRs = 0

(6-3)

Bununla birlikte geçit öngerilimi bilinmedi ğinden daha önce çözümlenen basit devrenin tersine burada ba şka bir ba ğıntıda gereklidir. Bu ba ğı/ıl' da giriş devresi etrafındaki d.a. gerilim dü şmelerinden bulunur, Vdd

R

R2 Rz

— Vg8 I dR$

O

(6-4)

167

TEMEL ELEKTRONIK

Her iki e şitlik aynı biçime sokulabilir. Denklem (6-3) den yük do ğrusu I =

V dd

Rs I R1,

1

Vd s

R,

(6-5)

ve Denk.(6-4) den öngerilimlerne doğrusu da Id

Vdd

( R1 + R,) Rs

Rs Vgs

(6-6)

olarak bulunur. Denklem (6-5) in Denk.(6-2) ye benzedi ğine ve Denk.(6-6) nın da aynı biçimde oldu ğuna dikkat ediniz AET ün ak ım-gerilim belirtgenleriyle birlikte bu ifadeler üç bilinmeyen V d s, Id ve Vg, li üç denklem oluştururlar ve grafik yolu ile 'çözülebilirler. Denklem (6-6) ile verilen öngerilimieme do ğrusu, Şek.6-4 deki aktar ım belirtgeni üzerinde gösterilen bir do ğrudur. Bunların kesişme noktası akitle' akımın" ve geçit gerilimini verir. Akitle" gerilimi ise ak ıtıcı belirtgenleri üzerine çizilen yük do ğrusu ile geçit gerilimi e ğrisinin kesişme noktasından bulunur. Böylece çalışma noktas ı tam olarak belirlenir. Geçide uygulanan giriş işareti, Şek.6-4 deki aktar ım belirtgeninin gösterdiği gibi, akitle" alum ında de ğiş imlere neden olur. Önceki devrede oldu ğu gibi yük direnciiizerinden geçen ak ıtıcı akıllılar' bir ç ıkış işareti oluşturur. Bu durum, akıtıcı belirtgenleri üzerine a.a. yük doğrusu çizilerek Şek.6-4 de grafik yoluyla belirtilmi ştir. işaret frekansinda kaynak yan-geçit kondansatörünün ş önt etkisini vurgulamak için kaynak direnci s ıfır yapılır ve bu halde a.a. yük doğrusu basit olarak d.a. yük do ğrusu olur, Denk.(6-5). Sinüsel girişlerin çıkışta daha büyük genlikli sinüsel i şaretler olaca ğına dikkat ediniz Ancak aktar ım belirtgerlindeki eğrilik yüzürıden çıkıştaki dalga biçimi, tam olarak giriştekinin yükseltilmişi olmaz. Bu bozulma, uygun devre kurgusu ve uygun çalişma noktası seçimiyle minimuma indirilir. Şekil (6-4) e bakarak geçit gerilimindeki bir art ışın çıkış geriliminde bir azah ş oluş turacağma da dikkat ediniz. Bu olgu, devrenin giri ş ve çıkış işaretleri aras ında 180°lik bir faz kaymas ı yarataca ğı anlamını taşır. Şekil 6-3 deki devrenin basit biçimi R 1 direncinin aradan çıkarılmış olanıdır: Bununla oldukça doyurucu bir çal ışma sağlamr ama do ğru geçit öngerilimi elde etmek için küçük kaynak direnci kullanılması gerektiğinden uygulanan gerilim ve sıcaklık değişimlerine eşlik ederek çalışma noktasının kayması devrenin kararlılığını bozar. Her iki devrede de uygun çal ışma noktas ını bulma, grafik yoldan çok, bir "kes-ve-dene" süreciyle daha rahat yap ılı r. Bu işe Vgs geçit öngerilimi için uygun bir de ğer seçimiyle başlamr ve sonra ak ıtıcı belirtgenlerinden I d belirlenir. İlk belirlemeyle karşılaştırmak için bu değer öngerilimleme belirtgeninden Denk.(6-6) yard ımıyla Vgs yi hesaplamada kullanılır. E ğer ikisi uyu şuyorsa çalış ma noktas ı bulunmuş olur; uyuşmuyorsa yeniden

168

TRANSiSTÖRLÜ YeKSELTEÇIEK

bir kararla Vus alınır ve olay yinelenir. Ço ğu zaman böyle iki ya da üç deneme uygun bir uyuş uma 'ula ş mak için yeterlidir. 4 4

2N5246 -= O V

3 3 - - 0,5

E D.a. Yük do ğrusu

—1,0

Ongerilimleme doğrusu

A.a.yük doğrusu Çalışma noktas ı

—1,5 —2,0 —3 Vg,,V

0

—2ı

5

20

ı 15

110

1

Vds, V Vo

Giriş işareti

Çıkış işareti

t Şekil 6-4 Kaynak-öngerilimli yükselteein çal ışma noktası aktarım belirtgeııleriyle üngerilimleme doğrusunun kesi şme noktasından bulunur.

Kaynak öngerilimli devrelerde kayna ğa göre elektrot gerilimlerini ölçmek kolaydır ve özellikle birden fazla transistör bulunduran devrelere gerek görüldüğünde izlenen güvenceli bir yoldur. Ama daha çok kullan ışlı olanı, tüm gerilimlerin toprak denen ortak bir noktaya göre ölçülmesidir. Toprak noktasının elektrik bak ımdan nötr oldu ğu düşünülür, bu 'nedenle iki ayrı devre birbirlerine toprak noktalanyla ba ğlandığında çalışma sırasında birbirkri üzerine etki yapmazlar. Özel bir devre olan Şek.6-3 de alt giriş ve çıkış uçları ile kaynak direncinin alt ucu toprak noktas ı olarak kullaml ınıştır. Küçük-işaret Değişkenleri Bir AET yükseltecine uygulanan işaretlerin gerilikleri, ak ıncı belirtgenlerinin yayıldığı tüm gerilim bölgesi yan ında küçük kalır. Bu durumda AET ün çal ışması için grafikle analiz işlemi doğru de ğildir, çünkü akıncı belirtgenleri yeterli kesinlikle verilmemi ştir. Daha doyurucu bir süreç AET yerine e şdeğer devresini yerleştirerek alışılmış devre analiziyle yap ılabilendir. Grafik olarak çalışma noktasının belirienmcsind.en sonra küçük i şaretlerin çalışma nokta-

TEMEL ELEKTRONIK

169

sında neden oldu ğu küçük kaymalar AET ün do ğrusal bir aygıt olduğu varsayı mıyla hesaplaıiır. Akıncı belingenlerine göre, ak ıtıcı akımı, geçit ve akıtıcı gerilinainin her ikisine de ba ğlıdır. Bundan ötürü çal ış ma noktas ı yakınında akıtıcı akımmdaki küçük bir QI,/ değişimi (6-7) Q/ci = k 1 Z\ Vg, ± k, QVcis olarak yaz ılabilir. Burada Q Vgs ve QVd8 elektrot gerilimlerindeki küçük değişimler, k 1 ve k, ise sabitlerdir.

6,rd /A Vd, oran ı, akıtıcı direnci denen eşdeğer direncin tersine özde şlenebilir,

Pid A Vcıs

1

rd

(6-8)

Buna benzer biçimde P/ d //\, Vg, oranı da geçit devresindeki gerilim de ğişmesi sonucu ak ıtıcı akımmdaki değişimi verir. Bu, nitelik iletkenlik boyutundad ır ve karşılıklı aktart ın-iletkenliği adını alır, Aid

gm

(6-9)

VdsA

ile gösterilir. Akıncı akımındaki toplam de ğişim Denk.(6-7), (6-8) ve (6-9)fian

1

Aid = gm Q Vgs

,6Vds

(6-10)

olarak bulunur. Şimdi çalışma noktası etrafındaki küçük sapmalann a.a. iş aretleri olduğunu varsaynnz, bu durumda Denk.(6-10)

ı ,

gm Vgs

rdS

(6-11)

biçimine dönüşür. Bu eşitlik, Şek.6-5 de görülen paralel dirençli bir akım üreteci için devre denklemi olarak dü şünülebilir ve şekildeki üst noktadaki akımların toplamı do ğrudan Denk.(6-11) i verir. Ş ekil 6-5, AET -ün a.a. eşdeğer devresidir. Bunun, Böl.1 de tart ışılan Norton eşdeğer devre düzenleni şinde olduğuna dikkat ediniz. Bu durum, AET ün ak ıtıcı belirtgenlerinin sabit ak ım özellikleri ile uyumludur. .

Karşılıklı aktanm-iletkenli ği ve akıtıcı direncine AET ün küçük i şaret değişkenleri denir. Kar şılıklı aktanm-iletkenliği, aktanm-belirtgeninin çalışma noktasındaki eğimidir. Akıncı direnci ise çalışma noktas ındaki akıtıcı belirtgeninin eğiminin tersidir. Çizelge 6-1 de verilen özel küçük i ş aret değişkenleri çeşitli AET lerin karşılaştınlabilir olduğunu göstermektedir. Bunun yan ında uygun AET kurgusu seçimiyle daha geniş bölgede de ğişken değerlerine ula şılabilir. AET do ğrusal olmayan bir aygıt oldu ğundan küçük işaret de ğişkenlerinin

170

TRANSİ STÖRLÜ YÜKSELTEÇLER

büyüklüğü aslında d.a. akıtı cı akımma da bağlıdır, Şek.6-6. Bu nedenle ço ğu zaman g,,, ve rd nin çalışma noktas ında grafik yolu ile bulunan de ğerlerini hesaba katmally ız. Ş ekil 6-6 ya göre çal ışma noktas ının seçimiyle küçük i şaret değişkenlerinde göze çarpan de ğişiklikler elde edilebilir. Bu durum özel çal ışma gerektiren AET devreleri kurgusu yapmakta önemlidir. eşdeğ er devre yöntemiyle Şek.6-3 deki basit AET yükseltecini çözümlemek öğretici olacakt ır. Şekil 6-5 e göre, yükseltecin e ş değer devresi Şek. 6-7a da oldu ğu gibi AET yerine paralel dirençli bir sabit-ak ını üreteci yerleştirilmekle elde edilir Geçit ucunun, e ş değer devrenin geri kalanına bağlanmadığ ma dikkat ediniz. Bu, ters-öngerilimh geçit ekleminin çok büyük giri ş dirençli olmas ının bir sonueudur. Bununla birlikte bu devrede geçit-eklern sığası önemsizdir ve bu durum yalnızca bu sığasal reaktansm önemsiz oldu ğu alçak frekanslarda do ğrudur. Bu konu Böl.7 de daha geni ş olarak incelenecektir.

Vds

gm V.y•

Şekil 6-5. AEriin a.a. e şdeğer devresi.

qzelge 6-1.. AET Küçük i şaret değişkenleri Tipi

gm 10-8 mho

TA

2000 1700 2300

50 000 15 000 40 000

2000

17 000

_...._ 2N5484 2N5268 2N3797 3N157

n-kanallı AET p-kanall ı AET n-kanallı MOYAET (boşahm) p-kanall ı MOYAET (artırıcı)

Benzer biçimde, ço ğu zaman çiftlenim kondansatörleri s ığasal reaktanslar ı ve kaynak yan-geçit s ığaları da ilgilenilen frekanslarda önemsizdir. Bu. bizi Şek.6-7b de görülen basitle ştirilmiş eş değer devreye götürür. Bu yakla şımların yapılmasına ra ğmen Şek.6-7b deki devre birçok amaçlar için gerçek yükseltecin yararlı bir temsili olabilir. Çıkış işareti, akitici direnci ve yük direncinin paralel ba ğlanmasından elde edilen direnç üzerindeki gerilim dü ş mesi olarak yaz ılabilir, = — grıa vgs

rd R L rd + RL

(6-12)

-

-

171

TEMEL ELEKTRON I K

çıkış işaretinin giri ş işaretine oran ına yükseltecin kazanc ı denir ve kazanç a

g

rd

rd RL Ri,

(6-13)

ile verilir. Ço ğu hallerde ak ıtıcı direnci yük direncinden oldukça büyüktür, bu durumda Denk. (6-13) deki kazanç (6-14)

a = - g„, R1, biçimine indirgenir.

300

3000

200 — 2000 o

E

o

0

100 -

1000

0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

• /d , mA

Şekil 6:6 2N5268 tipi p kanalk 1.1Lriin küçük-i ş aret de ğişkenlerinin akitici akutnyla -

Çizelge 6-1 e göre 7000 x 2000 x 10 -6 = 14 e yakın bir kazanca ula şılabilir. Daha kesin bir de ğer, karşılıklı aktarım-iletkenli ğinin çalış ma noktas ındaki gerçek de ğerinin belirlenmesinden sonra hesaplan ır. Daha önce tart ışıldığı gibi Denk.(6-14) deki eksi i ş areti giri ş ve çıkış iş aretleri aras ındaki 180° lik faz kaymas ını belirtmektedir. AET lü yükseltecin önemli bir özelli ği de temel olarak Ş ek. 6-7b deki , Reş e eşit olan büyük giriş impedansma sahip olmasıdır. Çıkış impedansı da ilgi çekicidir, bu impedans Denk.(6--14) e ula şırken varsayıldığı gibi akitlei direnci büyük oldu ğu sürece yük direncine e şit olur.

TRANS İ STÖRLÜ YOKSELTEÇIER

0,01 uF

0,01(LF d

o I(

gm vg, R1

R2 1 MO

rd

20 MS2

RL

7 k S2

Vi

Vo

Rs

3 ki2 0

(a

)

Rey Vi R 1 R2

Ri+ R2

• gniVgs

( MŞekil 6-7. (u) Şekil 6-3 deki AET'lü yükseltecin a.a. e şdeğer devresi ve (b) s ığasal reaktanslarm önemsiz sayılmasıyle de ğiştirilmi ş biçimi.

AET'Lü YCKSELTEÇLER Kaynak İzleyici A.a. işaretleriyle ilgilenildiğinde basit bir AET lü yükselteç devresinde kaynak, giriş ve çıkış uçlanyla ortaklan ır. Bu en çok kullan ılan bir kurgudur ve ara sıra kaynağı topraklı bağlantı, adıyla da ambr. Ba şka bir düzenleme de akıtıcısı-topraklı yükselteçtir, Şek.6-8. Akıtıcıya yük direnci konmam ıştır ve çıkış iş areti kaynak direnci üzerinden al ınmıştır. A.a. iş aretleri kullanıldığı sürece bu düzenlemede akıtıcının giriş ve çıkış devreleriyle ortak ve toprak geriliminde olduğuna dikkat ediniz. Bununla birlikte ak ıtıcı, kaynak ve toprağa göre bir d.a. geriliminde kal ır. Geçit öngerilimi R ı-, üzerinden verilir ve çalışma noktası da kaynağı-topraklı yükselteçlerde oldu ğu gibi bulunur. Bu devrede, kaynaktaki çıkış iş areti' geçitteki giri ş iş aretini çok yak ı ndan izlediği için bu devreye genellikle kaynak izleyici denir. Kaynak izleyicinin e şdeğer devresi Şek.6-9 a. da görülmektedir. Bunu Şek.6-- 8 ile karşılaştırmız. Şekil 6-9b de ise eşdeğer devre daha aç ık .bir biçim-

173

TEMEL ELEKTRONIK

o Vcid

20V

2N 5484 0,01 ;.ı F

Rg 1MS2

68052

R2 5 kç-2,

_c> Şekil 6-8. AET lü kaynak-izleyici yükselteç.

va

(a)

vg

(b)

d

vekil 6-9. (a) Kaynak-izieyid yükseltecin e şdeğer devresi ve (b) ayn ı d,ıvrenin yeniden düzenlenmiş • biçimi.

TRANS İ Slör. ı ü Yl:JKSEL .1 EÇ'LER

de çizilmi ş tir. Ç ı k ış iş areti, seri R İ . R, ile bunlara paralel ba ğlı rd dirençIerinin l ı irle şiminin uçlar ı aras ındaki gerilim dü ş mesi olarak verilir.

tın

g m Vy s

rd. ( R rd

R2) + R2

gm Vg.5 k2

(6-15)

Denklem (6-15) de yap ı lan yaklaşı klı k R 2 direnci R i den Çok büyük ve ak ı tıc ı direnei de .R a i .11,, den büyük oldu ğu sürece geçerlidir. Devreden (6-16) tıgs =2 ıi – gıraUjS.R , olduğu görülmektedir. Burada da. İ-d nin R 1. .11, yanında büyük oldu ğu yarsayım! yap ılmış tı r. Denkle ın (6•16) dan vus çözülür Denk.(6_] 5) de kullan ılırsa gmR2 Vo n R, (6-17) vi 1 + gmR, + gmR, bulunur. Burada da ço ğu kez yap ıldığı gibi gni & » tı r.

yaklaşıklığı yapılmış -

s. Denkle ın (6-17) ye, göre kaynaktaki ç ıkış işareti geçitteki giri ş işaretme e şittir. Bu da kurgunun kaynak izleyici olarak adlandırılmasma uygundur. Devrenin gerilim kazanc ı bire e şit olması na rağmen^ güç kazanc ı büyüktür. Bunun böyle olmas ının nedeni kaynak geriliıninin giriş gerilimini daha küçük dirençli bir devrede yinelemesidir. A.a. i ş aret gücü iş aret geriliminin karesinin dirence oranı olduğundan güç yükselmesi büyüktür ve bu devreler yük direncine oldukça büyük güç aktarabilir. Çıkış geriliıni giriş devresinde de bulundugundan ve ç ıkış işareti giriş iş aretine karşı olduğundan kaynak izleyicinin etkin giri ş impedansı çok büyüktür. Bu giriş direncinin Rg den daha büyük oldu ğunu söyleyebiliriz. Benzer bir -düş ünce devrenin etkin çıkış impedansının çok küçük olacağı sonucuna götürür. Burada da etkin ç ık ış impedansmın R 1 -± R2 den daha küçük oldu ğunu söyleyebiliriz. Bu durumda kaynak izleyici büyük giri ş impedansı ve küçük ç ıkış impedansı olan bir impedans-denkle ştirici yükselteçtir. Bu nedenle çok katl ı yükselteç devrelerinin giri ş ve çıkışında oldukça kullan ışlı bir aygıttır. Bu öıelIik Böl.8 de daha nicel olarak aç ıklanacaktır. Buna ek olarak Denk.(6-17), yaklaşıklıkların olması için akitleı direncinin ve kar şılıklı aktarım-iletkenliğinin yeteri kadar büyük oldu ğu sürece, devrenin çal ışmasının devre de ğişkenlerinin ya da AET ün küçük i şaret de ğişkenlerinin de ğişiminden etkilenmeyece ğini göstermektedir. AET lü Voltmetre AET ün yükseltme ve büyük giri ş inapedansl ı olmas ı özelliklerinden yararlanarak bunu standard bir d'Arsonval miliampermetreye ha ğlamakla duyarlı bir elektronik voltmetre yapabiliriz. Çok kullan ılan bir örnek devre Şek.6-10 cila gö.ı.-iil ınektedir, Bu devre, kaynak uçlar ı aras ına ba ğlı bir gösterge ile bir

175

TEMEL FLEKTRON1K -- 6 V

2N2497

2N2497

0-100 bı A

100 k1. 2

(D--- 1

--"VV‘r 10 MS2

4,7 k12

2 :5 Id2

10 MÇ',

12 kç2

12 ki 2,5 k1

Rh

-f-6 V Şekil 6-10. AET la elektronik voltmetre.

dengeli kaynak-izleyici yükseltecinden olu şmaktadır. Geçitlerden birisi kullanılmaz ve toprağa bağlanır, öteki ise bilinmeyen gerilime bağlanır. n-kanall ı elemanlarla da e ş değer bir voltmetre yapmak mümkündür ama şek.6-10 da p-kanallı AET lerin kullanıldığına dikkat ediniz. Kaynak izleyici büyük giriş ve küçük ç ıkış impedanslar ını içerdiğinden bu devre özellikle voltmetre yapımında kullanışhdır. Bu dengelenıniş devre, her bir AET içine durgun ak ımların sıfır olmamasına rağmen giriş işareti sıfır iken sıfır sapma verecek uygun d'Arsonval metre bağlantısı mümkündür. Bundan ba şka devre simetrisi eskimi ş bileşenlerin değişmesine kar şı da işlerliğini kararlı durumda korur. Devreye, her iki koldaki kaynak dirençleriyle birlikte her bir kolda AET içeren bir köprü gibi bak ılabilir. Geçide uygulanan d.a. AET ün direncini de ğiştirir ve köprünün dengesini ' bozar. Devre, bildi ğiniz eşde ğer devre yöntemi kullan ılarak çözümlenebilir. Göstergeyle seri durumda bulunan ayarlanabilir R a direnci bir ayarlama direncidir. Rb gerilim bölücü ise denge ayarı içindir; AET ler ya da öteki bileşenlerdeki simetri bozuklu ğunu düzeltir. Devre, s ıfır gerilimin uygulanması durumunda gösterge s ıfır akımı gösterecek biçimde . Rb ile ayarlanır. Birçok VOM devrelerinde olduğu gibi ticari aygıtlarda geni ş ölçü alanı elde etmek için giriş geçidine ço ğaltıcı-dirençler ba ğlanır. Daha çok duyarlı olması için elektronik ayg ıtlarm direnç de ğerleri daha büyük al ınır. Ilginç bir özellik de göstergeye zarar vermeyecek biçimde olan maksimum gösterge a? kınudır. Bu, akım AET lerden biri tümden kesilime gittiği zaman ortaya çıkar. Bundan ötürü giriş, tam-ölçek de ğerini aşacak büyüklükte bir gerilim kayna ğına farkında olmadan ba ğlansa bile göstergenin hareketlili ği bozulmaz.

TRANS İ STÖRLÜ Y ÜKSELTKLER

Standard ayg ı tlar, daha önceki bölümler& tart ışılan diyod doğrultucu devrelerini içinde bulundurarak a.a. ölçülerini da yaparlar. Kaynak izleyicinin giriş impedans ımn büyük olması do ğrultucu devrenin ç ıkışını ölçmeyi elverişli kılar. A.a. ve d.a. gerilimleri yan ında Böl. 1 de tart ışılan ohmetre devreleri yardım ıyla dirençleri de ölçen ayg ıtlar yap ılmıştır. Bunlarda gösterici olarak AET lü voltmetre kullan ılı r ve çok geni ş bir çalış ma bölgesine izin verir. Örne ğin 1 S2 dan 100 MS2 a kadar bilinmiyen dirençleri ölçebilen ayg ıtlar oldukça ucuza yap ılabilir. Bu tip devrelerin ikili triyod içeren ilk çe şitlerine z ıalcum tüplü voltmetre ya da VTVM denir. MOYAET lii Yükselteçler . MOYAET bi yükselteçlerin devre düzenleni şleri eklem AET lerinine oldukça benzemektedir. Bu, • özellikle bo şalıcı MOYAET hallerinde böyledir, çünkü bunun geçit öngerilimi kutuplulu ğu AET ünkiyle aynıdır. Benzet devreler artırıcı MOYAET lere de uygulan ır, yalnız bu halde devre de ğişkenleri geçit öngerilimi akıtıcıyla aynı işarette olacak ve genli ği de geçitin e şik gerilimiııi aş acak biçimde olmalıdır. • Artırıcı MOYAET ün özellikleri birçok uygulamalarda elveri şli olan ve Şek. 6-11 de görülen basit yükselteç devresinin yap ılması mümkündür. Ge.. çit öngerilimi, geçidin büyük bir direnç yoluyla ak ıtıcıya ba ğlanmasıyla elde edilir. Çalışma noktas ı , yük doğrusu üzerinde -d.a. a.kıtıcı geriliminin geçit gerilimine e şit olduğu yerde seçilir, A.a. e şdeğer devreleriyle bundan sonra yapılacak devre çözümlemesi oldukça kolayd ır. lıdd +20 V

Şekil 6--1l. Basit bir art ırıcı MOY.A.171"Iii yiikselteç.

• Çalışma noktasının dış değişimlere karşı kararlılığını korumak için geçidi öngerilimieme direnci, ak ıtıcıyı öngerilimleyen kaynaktan çok ak ıtıcıya ba ğlan ır. Örneğin eğer ekıtıcı akımı biraz dü şerse akıtıenun yük direnci üzerindeki

177

TEMEL ELEKTRON İ K

gerilim de dü ş er. , Bu ak ı ncı ak ım ını esas de ğerine çevirme e ğiliminde olan geçit öngerilimini artırır. Bu kararlılık, alışılmış kaynak öngerilimi düzenli,lenişinde akıtıcı öngerilim direnciyle ba ş anlana benzemektedir. Akıncı devresinden gelen i ş aret gerilimi geçit öngerilim direnci üzerinden girişe döner. Bu istenmeyen durum ço ğunlukla önemsizdir, çünkü i ş aret kaynaklarının impedans ı, çok büyük geçit öngerilim direnci yan ında küçük kal ır ve bundan ötürü giri ş devresinde görülen ak ıtıcı iş aretleri küçülür.

EKLEM-TRANSİSTÖRLÜ YUKSELTEÇ öngerilim Devreleri Bir transistörün yay ıcı eklemi doğru öngerilim ve toplayıcı eklemi ters öngerilim ister. Şekil 6-12 deki yayıcısı-toprakli basit yükselteci dü şününüz, burada taban önbesleme akı mı RB direnciyle sa ğlanmaktad ır. Yay ıcı eklemin doğru yön direnci çok küçük oldu ğundan, taban ak ımı 17,,, /R B ile verilir.

R a Ic 5 M9

j

R, 5 k.S2

4C0

-

o

2N3521

Çık ış Giriş o

-

o

Şekil 6 12. Yayleisi-toprakil basit bir ytiksebeç. -

Toplayıcı akımın yaklaşık değeri 13/b olduğundan böylece çalışma noktas ı tam olarak belirlenmi ş olur. Akım kazanc ı çalışma noktasına ba ğlı olduğundan Şok. 5-12 deki gibi uygun toplay ıcı belirtgenleri üzerine RL ye kar şılık gelen yük doğrusunun çizilmesi daha do ğru olur. Ib V„ / RB için taban akı mı e ğrisiyle yük do ğrusunun kesi ş me noktası çalış ma noktasıdır. Bu basit önbesleme devresi genel olarak doyuruct ı değildir, çünkü çalışma noktası sıcakhkla şiddetli bir biçimde kayar. Yüksek bir s ıcaklıktaki toplay ıcı belirtgenlerinin, Şek. 5-13 oda s ıcaklığındakilerle, Şek. 5-12 kar şılaştınlması daha yüksek sıcaklıklarda daha büyük toplay ıcı akımının var olaca ğını göster-

TRANSISTÖRI. li YÜKSEI.1[0.ER

(b)

(a)

Şekil 6--13. (a) Pratik transistör imgerilin ıleıne devresi. 2N338 tipi npn transistürü kullanıldığına dikkat edin. Eğer Vec nin kutupluluğu ters çevrilirse devre e şdeğer olarak pnp tipine de uygulan ır. (b) çal ışma noktasını hesaplamak için cl.a. e şdeğer devresi kullanılır.

ı nektedir. Taban besleme ak ımı devre tarafından sabitle ştirilmiş oldu ğundan çalışma noktasının transistör belirtgenlerinin kullan ışsız bölgesine kaymas ı mümkündür. En kullanışlı besleme devresi transistörün yay ıcı devresine bir direnç ba ğlamakla elde edilir, Şek. 6-13a. RE üzerindeki gerilim, yay-ıcı eklemi ters yönde önbesleme eğilimindedir ve R ] ve R 2 yi içeren gerilim bölücü taban gerilimini kurar, böylece taban-yay ıcı gerilimi doğru yönlü olur. Bu devrede transistör ak ımmdaki bir art ış RE üzerindeki gerilim dii ş mesini art ım, bu durum t ıpkı bir AET ün kaynak iingerilimi durumunda oldu ğu gibi taban önbesleme akı mın]. zayıflatır. Dürgun çalışma noktas ı şöyle bulunur: Önce ç ıkış devresi etrafındaki gerilim eşitliğinden uygun yük do ğrusu hesaplanır. Ie

Ve e

1

,77" ..:

RE+ R L

RE

.

RL

V,

`'

(6-18)

Bundan sonra giri ş devresi etrafındaki gerilim dii şmelerinden öngerilimleme do ğrusu türetilir, V eş

Re

RE

.R Eş

fb

(6--19)

varsayımınt Denklem (6-18) ve (6-19) a ula şırken basit olsun diye kullandık. Öngerilimleme do ğrusu aktar ı m ..belirtgeni üzerine çizilebilirs ve kesişme noktas ından AET halinde olduğu gibi çalışma noktas ı belirlenir. Gerçekte eklem transistörlerin aktar ım belirtgenleri daha do ğrusal olduğundan aktrar ım belirtgenleri için basit bir ifade kullanmak daha kolay olur. I c = hFEI b

(6-20)

179

TEMEL ELEKTRONIK

Denklem (6-20) deki hFE ye d.a. akın kazana denir. Ço ğu zaman yapımında belirlenen bu kazanç herhangi bir durumda toplay ıcı belirtgenlerinden do ğrudan hesaplanabilir. Denklem (6-20) Denk. (6-19) içine yerle ştirildiğinde elde edilen ifade taban ak ımı için çözülebilir.

Ve --- V b e

Ib —

Ş

(6-21)

hFERE

.1b ve I, nin bilinmesiyle Denk. (6-18) den V ce için bir değer hesaplanabilir ve çahşma noktası tam olarak belirlenir. Vb e nin germanyum için 0,2 V a eşit ve silisyum transitör için 0,6 V a e şit birer sabit olarak dü şünülebildiğine dikkat ediniz, bu durum Şek. 4-2 dekipn ekleminin do ğru yön belirtgenlerinden görülebilir. Şekil 6-13 deki yay ıcısı-topakli yükseltecin, bu süreçle bulunan çalışma noktası Ş ek. 6-14 deki toplayıcı belirtgenleri üzerinde gösterilmi ştir. lb =»100 ııA

2N338

so 60

E 40

20 Yük doğrusu

Çalışma noktası

0

t

4

6

8

10

14

Vc, , V Şekil 6-14. Yayımsı ortak tram3istörün toplayıcı belirtgenlerini kullanarak Şek. 6-13 devresinin çalışma noktasnu bulunması.

Şekil 6-13 deki gibi bir transistörlü yükselteç devresi kurmak için önce istenen çalışma noktasının seçilmesi gereklidir. Bu i ş transistör için verilen yapım özelliklerine bakıldıktan sonra en iyi biçimde yap ılır. Bundan sona istenen kazanca (bundan sonraki kesime bak ın) ve ideal çıkış impedansma uyan RL seçilir. R 1 ve R2 den oluş an gerilim bölücünün yükseltmeyi ciddi bir biçimde bağlemaması için R„ direnci transistör giri ş impedansından 5 ya da 10 çarpanı kadar büyük olmalıdır. Çalışma noktasının kararlılığını sağlamak için yayıcı. direnci RE 2' Reş /5 olacak biçimde seçilmelidir. Bundan sonra gerekli d.a. önbesleme gerilimi V„ , I, (R L + RE)+V,, olur. Yukarıda seçilen R, değeriyle birlikte R 1 ve R 2 için aynı zamanda sa ğlanan e şitliklerle Denk. (6-18) ve Denk. (6-19) kurguyu tamamlar. Bu aç ık tanımlama, daha önceden

130

TRANSİ STÖRLD YÜKSELTKLER

belirlenen alışılmış gerekli ş artlarla transistör devre kurgusu!~ tüm olarak tamamlanmış olmayaca ğını göstermektedir. Bu nedenle birçok farkl ı devreler geli ştirilmiştir. Bunlar ın her biri, kazanç minimum ak ını şart ı ya da çalışma noktasının kararlı:O gibi ilginç özellikleri geli ştirmek için düzenlenmiştir. T-Eşdeğer Devresi Bir eklem transistörünün elektriksel belirtgenleri Ş ek. 6-15 deki gibi bir Teşdeğer devresiyle temsil edilebilir, sözü edilen devre Şek. 5-10 da belirtilen tabanı-topraklı düzenlemeye kar şılık gelir. T-eş değer devresinde sabit-ak ım üreteci aie, toplayıcı-eklem direnci r e ile paraleldir. Toplayıcı direnci, toplay ıcı belirtgen eğrilerinin eğiminin tersidir ve uygulamada 1-10 MS2 mertebesindedir. Yayıcı direnci re yayıcı eklemin do ğru yön direncidir, 1 mA lik önbesleme akımmda yakla şık 26 S2 kadardır. T-e ş de ğer devresindeki taban direnci iki kaynaktan do ğar, birincisi taban bölgesinin ohmik direnci (taban çok ince olduğundan ortaya çıkabilir) ikincisi de toplayıcı ve taban aras ındaki geribesleme etkisidir. Bu etkinin temeli toplay ıcı gerilimliyle toplayıcı eklemi genişlerken taban geni şliğini daraltmas ıdır. Bu bileşik etkilerden do ğan taban direncinin tipik bir de ğeri 500 S2 dur. Transistörlerin T-eşdeğer devresi AET ün a.a. e ş değer devresinde yap ıldığı gibi devre çözümlenmesinde kullanılır. T-E ş değer devresi özellikle bu i ş için uygundur, çünkü bunun de ğişkenleri transistörün temel fiziksel yap ısıyla doğrudan ilgilidir. AET lü durumdan farkl ı olarak buradaki T-e ş değer devresinin, giriş ve çıkış arasında do ğrudan bir bağlantı bulundurdu ğuna dikkat ediniz. Bu, çeşitli akım ve gerilimler için Şek. 6-15 deki T-e şdeğer devresinin çözümüyle tam olarak belirlenebilir. Kirchhoff kurallar ını kullanarak je

ib

ic =O Va) = i ere — ib rb

4) re — i b rb

ve b = (aie

yazılabilir. Bu e şitliklerden "ie ve v eb çözülürse

rr

b

Şekil 6-15. Transistörün T-e şdeğer devresi.

(6 22) -

181

TEMEL ELEKTRONIK

ic

= — 7.

i e -1--

1 re

— OC) r b]i e

V e b = [re +

(6-23)

Vcb

rb rc

ve b

(6-24)

bulunur. Burada r, » r b yaklaşıklığı yapılmıştır. Böylece AET için bir tek ifade yeterli oldu ğu halde burada bir transistörün çal ışmasını tanımlamak için iki eşitlik gerekli olmaktad ır. Gerçekte Denk. (6-23) bir AET için yaz ılan ifadeye çok benzemektedir ve Denk.(6-11) ile kar şılaştırılmalıdır. Öteki bağıntı, Denk. (6-24), giri ş geriliminin, giriş akımı i e ye olduğu kadar çıkış gefilimi ye l, ye de bağlı olduğunu göstermektedir. Bu, bir transistörün giri ş ve çıkışı arasındaki bağlantı= doğrudan bir sonucudur. Melez Parametreler

T-eşdeğer devresi transistörün çal ışmasının doyurucu bir temsili olmasına rağmen devrenin çe şitli direnç de ğişkenlerinin transistörler üzerinden do ğrudan ölçümle belirlenmesi oldukça zordur. Bu nedenle bir e şdeğer devre, daha çok devre çözümlenmesinde kullan ılmakta olup melez parametreler denen değişkenleri içerir. Bu temsil Denk. (6-23) ve Denk. (6-24) ü ic = hfb ie f hob Vcb

(6-25)

Veb = hib je

(6-26)

hrb 'Vcb

biçiminde yazarak belirlenebilir. E şitlik içindeki h lar melez parametrelerdir. h-parametrelerindeki altindisler i, giriş ; r, ters; f, doğru; o, çıkış anlammdadır. Bunların böyle olduğu Denk. (6-25) ve (6-26) daki her katsay ının anlamının incelenmesiyle anlaşılabilir. b altinidisi bu e şitliklerin ortak tabanlı düzenle niş için çıkarıldığını göstermektedir. Bu gösterim a şağıda tartışılan ortakyayıcıh ve ortak-toplay ıedı bağlantılar için olan değişkenlerden bu durumdakini ayırır. Altindis gösterimlerinin bir özeti Çizelge 6-2 de verilmi ştir. Çizelge 6-2 h parametleri için altindis gösterimi Altindis

Anlamı

Oaı

giriş değişkenleri ters de ğişken doğru değişken çıkış değişkeni ortak yayıel ortak taban ortak toplayıcı

Denklem (6-26) ya göre, toplay ıcmın toprağa kısa devre yapılması ve bu yüzden ne t> = 0 olması halinde hib yi yayıcı-taban geriliminin yay ıcı akımına oranı olan v e / i e den hesaplamak mümkündür. Benzer biçimde toplay ıcı akı-

182


/umm yayıcı akımına oranı , ic / i e ,toplayıenurı kı sa devre yap ılması ve Denk. (6-25) in kullanılması hfb yi verir. Yay ıcı açık-devre yani i e = 0 yapıldığı nda hrb = v e b I V c b Ve hob = ı c Iv c b obir.v e b = O Ve i e -= O ş artlarının a.a. iş aretleri ile ilgili olduklarma dikkat edin, d.a. gerilimleri transistörün özel çal ışma noktas ında tutulur. Transistörün küçük yayic ı direnci ve büyük toplay ıcı direnci nedeniyle istenen d.a. gerilimlerinde tutulmakta iken a.a. i ş aretleri için kısa devre toplayıcı ya da açık-devre yay ıcı durumuna ula şmak özellikle kolaydır. Bu yolla küçük i şaret h parametreleri a.a. köprü tekni ği kullanarak ölçülebilir. Melez parametlerin büyük üstünlü ğü bunların kolaylıkla doğrudan ölçülmesi olgusundandır. Tabanı-topraklı düzenleni şin melez e şdeğer devre temsili Denk. (6-25) ve (6-26) nın incelenmesiyle hesapland ığından Şek. 6-16 da verilmiştir. Kirchhoff kuralı giriş ilıneğine uygulanırsa do ğrudan Denk. (6-26) elde edilir. Çıkış ilmeği etrafındaki gerilim e şitliği ise °e

b

t, Şekil 6-16. Tabam-toprakh melez e şdeğer devre.

Vob =

L

(ic-h f e )

(6-27)

"ob

verir. Bu e şitlikten ic çözülürse Denk. (6-25) bulunur. Bundan ötürü melez eş değer devre, Denk. (6-25) ve (6-26) ile verildi ği üzere transistörün çal ış masını temsil etmektedir. Bu e şitlikler transistör yap ısındaki pn eklemiyle ilgili temel olaylar üzerine kurulur. T-eş de ğeriyle karşılaştırıldığında melez eş değer devresinde giri ş ve çıkış arasındaki doğrudan ba ğlantı hemen görülecek biçimde aç ık değildir. Bununla birlikte giri ş devresindeki hr b'Oc b gerilim üretecinin toplayıcı-taban gerilimini içerdiğine ve çıkıştaki hfb i e akım üretecinin yayıcı akımını içerdi ğine dikkat ediniz Bu durumda giriş ve çıkış devreleri gerçekten çiftlenimlidir. Denk. (6-16) ya göre hr b ve h f b basit sayılar oldu ğu halde hi b bir direnci, ho b ise bir iletkenliği göstermektedir. Bu nicelikler farkl ı fiziksel nicelikleri gösterirler ve bundan ötürü melez parametreler ad ını alırlar. Melez parametreler ile T-eş değer değişkenleri arasındaki bağıntı Denk. (6-25) ile (6-23) ve Denk. (6-26) ile (6-24) ün kar şılaştırılmasından doğrudan bulunur. Bu ba ğnıtılar değişkenlerin seçkin nicel de ğerleriyle birlikte Çizelge 6-3 de özetlenmi ştir.

TEMEL ELEKTRONIK

183

Çizelge 6-3. Transistör değişkenleri aras ındaki bağıntılar Ortak yayicı Ortak yayla

Ortak taban

Ortak toplay ıcı

T-eşdeğer

h e =1400 ohm hre =3,4 X10-4 bre = 44 hoe = 27 X 10-6mho hib =h re l(l+hfe) hrb = hrehoe /(1 +hfe)-hre hfb= -hfe 1( 1 + hfe) hob=hoe /(1 -Hire) hic =hie hre =1-hre hfe =-(1+hfe)

Ortak taban

hıbi(l +hfb) hibhob /( 1 +hfb)-hrb -hfb /(1 +km) hob /(1 + hfb) 31 ohm 5 x 10-4 -0,98 0,6 x 10-6mho hrb /(1+hfb) 1 -1 /(1+lıfb)

Ortak toplay ıcı

T-eşdeğeri

hre 1-hre -(1+hfe) hoe

rb -Frc i(1-04) re /(1-0c)re oc /(1-oz) 1 /(1-a)re re + (1-oc)rb - hic hfc re-l-hrehee Ne. rb / re h - ( 1 +hd -hoe hfe 1400 ohm 1,0 - 45 27 X 10-6mho (1 +lif.) /hfe

-cc 1 /re

rb+ re /(1-ct) 1-re /(1-oc)re -1 /(1-oc) 1 /(1-0:)re hob /( ı +hfb) hoc = hac 0,98 oc=hfe /(1+hfe) -hfb 1,7 X 10 6ohm (1-hrb) ilibb re = (lıfe +1) /hoe -lıfe ihoe " 13 ohm re = hre /11.0e hib-(11-hfb) hrb ihob (1-hre)/hee hie +hfe(1-hre) /hee 830 ohm rb=hie-hre(ı +hfe)/hoe hro ihob

Ortak-yarc ıh düzenleniş ortak-tabanlı devreden daha çok kullan ılır. Ortak-tabanlı düzenleniş ortak-yarcıh durumuna uygulamak için uygun e şde ğer devreyi yeniden düzenlemek mümkün olmakla birlikte e ş değer devrenin aynı biçimini kullanmak ve ortak-yarc ıh düzenleme için de ğişkenler uydurmak daha kolaydır. Yarcısı-topraklı h parametreleriyle taban ı topraklı devreninkiler aras ındaki bağıntılar bundan sonraki bölümde geli ştirilmektedir.

h parametreleri özel transistör tiplerine ba ğlı olduğu kadar transistöriin d.a. çalışma noktas ına da ba ğlıdır. Yayıeısı-toprakh ya da taban ı toprakl ı düzenlemeler için h parametlrerini trasistör veri sayfalar ından alıp kullanmak genellikle kullanışlı bir yoldur. Çizelge 6-3 deki ba ğıntılar gerekecek başka parametrelerini hesaplamak için kullan ılabilir. Ayrıca parametlerin çalışma noktasıyla değişimi belirlenir ve böylece verilen de ğerine uygun düzeltmeler uygulanabilir. Ortak-yarc ıh h parametlerinin belirlenen de ğerleri ve bunların yareı akımıyla değişimi Şek. 6-17 de verilmektedir. Do ğru yön alum kazancı hfe r e nin akla yakın bir biçimde sabit oldu ğuna, vetrsgilmyükçaph bunun yanında giriş direnci h ie ve çıkış iletkenliği hoe nin belirgin bir biçimde değiştiğine dikkat ediniz. Transistör niteliğini daha duyarlı olarak veren iki nitelik yarc ı-toplarcı akım kazancı hfe ve tabanı topraklı çıkış iletkenliği !te l, dir. Maksimum yükseltmeye ulaşmak için büyük de ğerli akım kazancı istenir. hfe ve fi nın aynı nitelik için kullanılan daha önce belirlenmi ş iki genel simge oldu ğuna dikkat ediniz. Çıkış direncinin büyük ve geri besleme etkisinin küçük olmas ı için hob ğerleri istenir. h o b nin küçük de ğeri, toplayıcı direncinin büyük de- niküçde '

184

TRANS1STÖRLÜ YÜKSELTEÇLER

100

10 x 1 0 4

4

3-

2

25

J2

0

4

0

Yerel akımı, mA Şekil 6-17. Melez parametrelerinin yayıcı akımıyla

ğerli olduğunu gösterir (Çizelge 6-3 ile kar şılaştı r). Böylece başlıca lıfe ve hob gibi iki önemli değişken yayıcı ekleminin, taban bölgesinin ve toplayıcı ekleminin niteliklerini gösterir.

EKLEM-TRANSİSTÖRLII DEVRELER Ortak Tabanlı npn transistörü kullanılarak yap ılan pratik bir ortak-yay ıcılı yükseltecin tam devresi Şek.6-18 de görülmektedir. Giri ş ve çıkış çiftlenim kondansatörleri Cı ve C, a.a. i ş aretlerini geçirir ve transistörün d.a. çal ışma noktasının kaynak ve yük şartlarından bağımsız olmasını garantiler. Yayıcı yan-geçit kondansatörü CE, yarcı öngerilim direnci RE yi a.a. işaretleri için kısa devre yapar.

Şekil 6-18 in sözü edilen üç kondansatörün reaktans ım önemsiz varsayarak düzenlenen melez e ş değer devresi Şek. 6-19 da görülmektedir. Bunun tabanı topraklı düzenlemeyle aynı biçimde olduğuna dikkat ediniz, Şek. 6-16. Yayıcısı topraklı ile tabanı-toprakhnın h parametreleri aras ındaki bağıntı Şek.6-19 için yazılan devre denklemlerinden elde edilir, ic

== hfe ib

hoe Vce

(6-28)

hie ib + hre vce

(6-29)

185

TEMEL ELEKTRON İK

Şekil 6-18. 2N 930 tipi npn transistör kullanarak tap ılan paratik bir ortak-yay ıellı yükselteç.

Şekil 6-19. Şekil 6-18 deki yükseltecin melez e şdeğer devresi.

buradaki h parametrelerinin altindisleri Çizelge 6-2 den' al ınmıştır. Tabanıtopraklı düzenleni şe karşılık gelen bağıntılar yani Denk.(6-25) ve (6-26), her düzenlemeye uygulanabilen Vbe ± Vec je

ib

Veb = 0

(6-30)

io = 0

(6-31)

genel bağıntılar yardımıyla yukarıdaki biçime sokulabilir. i e ve v e b den kurtulmak için Denk.(6L30) ve (6-31) kullan ılarak Denk.(6-25) ve (6-26) —hf b İ —F hfb

i b -F

b

Vbe

1

hfb

ib —F

hoö ı

( hibho b hfb 1

(6-32)

Vo e

/.,fö

hrb )

vce

(6-33)

biçiminde yaz ılabilir. Denklem (6-32) ve (6-33) e ula şılırken hrb ve ho b nin küçük oldukları gerçe ği kullanılmıştır. Bu denklemlerin (6-28) ve (6-29) ile karşılaş tırılması Şek.6-19 daki devrenin geçerlili ğini ortaya koyar ve aynı zamanda ortak-yayıedmın h parametreleriyle ortak-tabanlm ın h parametreleri aras ındaki bağıntıları verir. Bu ba ğıntılar Çizelge 6-3 de daha önce özetlenmişti.

186

TRANSISTÖRLC YÜKSELTEÇLER

Yayıcısı topraklı yükseltecin çalış ması eş değer devre analizi ile şimdi yapacağımız gibi incelenir. Ç ıkış gerilimi, 1 Ihoe ve RL nin paralel ba ğlı bileşiminden geçen akımdan do ğrudan yazılabilir,

vo

RL

hfe i b

(6-34)

1 --F hoeR L

Kirchhoff kural ınm giriş devresine uygulanmas ı da (6-35)

vi = hi ei b + hrev o

verir. Denklem (6-35) den i b çözülür ve Denk.(6-34) de kullan ılır. Sonuç gerilim kazancım verecek biçimde düzenlenerek a=

vo

–

vi

=

hi 0(1

hoeRL) I RLhfe –hre

(6-36)

bulunur. Çizelge 6-3 e bakarak h parametrelerinin T-e ş değer parametreleriyle karşılaştırılma.sından hr e nin küçük olduğu ve hoeRL nin 1 in yanında önemsiz oldu ğu anlaşılır. Bundan ötürü Denk. (6-36) yakla şık olarak RL it

a = – hfe

(6-37)

ıe

biçimini alır. Denklem (6-37) ye göre gerilim kazanc ı, transistörün do ğru yön akım kazanc ının, yük direncinin giri ş direncine oramyla çarp ımına eşittir. Ortak-yayıcilı yükseltecin gerilim kazanc ı her iki çarpan da büyük oldu ğunda elverişli bir de ğere ula şır. Eksi iş areti giri ş ve çıkış iş aretlerinin 180° faz dışı olduğunu gösterir. Transistör bir ak ım-kontrollu aygıttır ve giri ş akı mının çıkış alçimma oranı olarak bilinen akım kazancı da önemlidir. Ç ıkış akımı , Denk. (6-34) den b

RL

1

(6-38)

hoe RL

olarak hesaplan ır. Basit olsun diye önbesleme devresindeki sizdir, böylece ak ım kazanc ı

io ib

hfe

1 + hoeRL

Re, in etkisi önem-

g(6-39)

;:: 1 oldu ğundan yakla şık aklın kazanc ı hf e olur. olur. Burada da hoe RL <,," Giriş geriliminin giri ş akımına oran ı olan giriş direnci Vi

R

ib

iisi b

+ hrevo

]

i

olarak yazılabilir. Denklem (6-34) kullan ılarak

i

hi e – hr e

hoeRL

fe

R

hoeRL

(6-40)

187

TEMEL ELEKTRONİK

bulunur. DenkleM (6-40) a ula şırken Denk.(6-35) kullan ılmış ve Re, in etkisi düşünülmemiştir. denklemde bulundurulmak istenirse Re, ve Ri nin paralel bağlı değeri hesaplanarak denkleme sokulur. Denklem (6-40) daki ikinci terim ço ğu kez atılır, bundan ötürü giri ş direnci yakla şık olarak hi, olur. Bununla birlikte kesin giriş direncinin RL yük direncinin de ğerine ba ğlı olduğuna dikkat ediniz Bu durum transistörün kullan ımında giriş ve çıkış uçları arasında kaçınılmaz olan çiftleniıni. belirler. Giriş ve çıkış uçları arasındaki çiftlenim yüzünden yükseltecin ç ıkış direnci içinde, giri ş -iş areti kayna ğının iç direnci de bulunur. Yükseltecin ç ıkış uçlarından görülen etkin iç direnci Thevenin e ş de ğer devresi kullan ılarak hesaplarar. Th&verıin devresindeki e ş değer iç direnç aç ık-devre (R L = oo) geriliminin kısa-devre (RL O) akımma oranıdır. Buna göre (v

ı ,. °

R, ---,-

(hf , lhoe) (ib)ad -hfe(i b)kd

) ad

kd

(6-41)

olur. Bu oran ın payında R L = co de ğeriyle Denk.(6-34) kullan ılmıştır ve payda da Sek.6-19 daki ç ıkış ilmeğinden gelmektedir. Kirchhoff kural ı giriş ilmeğine uygulandığında Vg

ib

( Rg

(6-42)

hi e) + hre v o = 0

verir, burada vg ve Rg sırasıyla işaret kayndğaun gerilimi ve iç direncidir. Denklem (6-42) den i b çözülebilir ve Denk.(6-34) deki v o kullanılarak (ib) ad bulunabilir. Benzer biçimde Denk.(6-42) de v o = 0 değeri kullanılarak (i b) kd bulunabilir. Bu değerler Denk.(6-41) de kullanild ığında yükseltecin. ç ıkış direnci, Ro =

1

ho, — h rehf , I (hi e

(6-43)

Rg)

bulunur. Önceden tanımlanan mertebede bir yakla şıklıkla, çıkış direnci oldukça yüksek bir de ğer olan 1 lhoo ye eşit olur. Özet olarak, ortak-yay ıcıh transistör yükselteci hem gerilim ve hem de akını kazancı oluşturur. Bu kurgunun giri ş direnci büyük ve çıkış direnci küçiiktür. Sözü edilen dört niceli ğin uygunluğu yüzünden bu kurgu, genellikle en çok kullanılan transistör yükselteç devresidir. Bu önemli de ğişkenlerin 2 mA yayıci akımı için Sek.7-17 deki h parametrelerinden hesaplanan biiyiiklükleri Çizelge 6-4 de sergilenmektedir. Bu çizelge haz ırlanırken yukarıda tanımlanan çeşitli yaklaşıklıklar kullanılmıştır. Çizelge 6-4. Transistör yiikselteçlerinin yakla şık paraınetreleıi* Devre biçimi

Ortak yayıcılı Ortak tabanlı Ortak toplaymılı

Gerilim kazancı

280 280 1

Akım kazancı

47 0,98 48

* Ie = 2 mA ve RL, = 10 4 £.2 için Şek 6-17 kullanılarak.

Giri ş direnci, 12

Çıkış direnci 0,

1700 35 5 X 105

4 X 104 1,9 x 10'3 22

18a

TRA NSiST OKU) Y ÜKSELTEÇ'LER

Ortak Tabanlı Bir. npn transistör kullan ılarak yapılan tipik bir ortak-tabanl ı yükselteç devresi Ş ek.6-20 de görülmektedir. Bu devrenin ortak-yay ıcılı düzenleni şle ş Şek. 6-18 dikkatlice kar şılaştırılması öngerilimleme düzenlemelerinin özde ş olduğunu gösterir. Bundan ötürü ortak-yay ıcılı ,yükselteç için daha önce belirlenen çalışma noktasını belirleme yöntemleri ve öngerilimleme dü şünceleri ortak-tabanl ı devresine de uygulan ır. CI o

2N930

l

Q

15 ,u F

15 uF 10 K.2 930 K/ 3 k2

o

RE

R2 250 K:2

0

1- 20V

o

Şekil 6-20. Ortak -tabanl ı trausistörlü yükselteç. Ongerilinaleme devresinin ortak•yay ıeılı durumundakine özdeş olduğuna dikkat edin.

C, sığası R2 direncini ve bataryan ın alçak impedanslı Ri direncini a.a. işaretleri için kısa devre yapar. Sonuç olarak, uygun melez e şdeğer devresine, Şek.6-16, bu dirençier konul ınamıştır. Bu devrenin özellikleri, Şek.6-16 nın ortak-yayıcıli durumun melez e ş değeri olan Şek.6-19 ile karşılaştırılmasından doğrudan bulanur. Şekil olarak ikisi özdeştir, bunun için daha önceki gerilim ve akım kazancı ifadeleri Denk.(6-36) ve (6-39) giri ş ve çıkış direnci denklemleri Denk.(6-40) ve (6-43) uygun h parametreleri kullan ılarak do ğrudan uygulanabilir. Ortak-tabanl ı düzenlemeye geçerken denklemlerde Reı yerine RE ve ib yerine i e geleceğine de dikkat edilmelidir. Bu durumda gerilim kazanc ı yakla şık olarak -hf bRL lhi bdir. &nin çok büyük olmas ı ş artıyla bu kazanç büyütülebilir. Bunun yan ında akım kazancı yalnızca -hf b dir ve yaklaşık olarak 1 e eşittir. hfb nin negatif bir nicelik olduğuna, Çizelge 6-3, ve bu nedenle giri ş ve çıkış gerilim iş aretlerinin ayn ı fazda olduğuna dikkat ediniz Yakla şık giriş direnci hib çok küçüktür çünkü bu temel olarak do ğru-öngerilimli yayıcı ekleminin direncidir. Tersine, ç ıkış direnci 1 /k b ters-öngerili ınli toplayıcı ekleminin direncidir ve çok büyüktür. Giriş ve çıkış dirençleri aras ındaki bu büyük farkl ılık özel amaçlı uygulamalar dışında ortak tabanlı devresini ortak-yarc ılı yükselteçler yanında daha az tutulur hale getirmektedir. Seçkin ortak-tabanl ı devre özelliklerinin bir özeti Çizelge 6-4 de verilmiştir.

TEMEL ELEKTRONİK

189

Yayıcı İzleyici Kaynak izleyici devreye benzerli ği nedeniyle ortak-toplay ıcıh yiikseltece, Şek.6-21, çoğu kez yayıcı-izleyici denmektedir. Burada da öngerilimleme düşünceleri önceki tart ışmalara özde ştir ve melez eş değer devresi de ortak-yay ıcıh ve ortak tabanlı devrelerdeki ş ekli alır. Ortak-toplay ıcılı h parametreleri ve öteki düzenlenişlerinkiler ile bunlar aras ındaki ba ğmtılar yukarıda kullamlana özdeş bir devre analiziyle bulunur. Bu ba ğmtılar Çizelge 6-3 de özetlenmi ştir.

Şekil 6-21. Ortak-toplay ıcil ı transistör yükselteci. Bu devreye yay ıcı izleyici de denir.

Devre özellikleri, önceki ba ğmtılarda uygun yerde ğiştirmelerle do ğrudan bulunur. Ortak-toplayıcılı h parametrelerinin de ğeri gerilim kazancı bire e şit olacak biçimdedir. Bundan ba şka çıkış işareti girişle aynı fazdadır. Yaklaşık alum kazancı —hp büyüktür. Re4 önemsiz ise giri ş direnci basit olarak —hf c Ri dir. Bu yüzden giriş impedansı da büyüktür. Yakla şık çıkış impedansı —(hac Rg) ihfc ye indirgenir. Rg iç direnci işaret kaynağı nın iç direnci oldu ğundan yükseltecin çıkış impedansı çok küçüktür.

Fark Yükselteci Laboratuvar cihazlar ının kurgusunda ço ğu z.ı man giriş olarak kullanılan çok yönlü devreye, Şek.6-22, fark yükselteci denir. Bu ad ı almasına neden olan şey iki giriş ucu arasındaki gerilimlerin fark ı ile orantılı olan bir çıkış iş areti vermesidir. Benzer iki transistörün taban uçlar ına uygulanan iki i şaret ortakyayıcı direnciyle bağlantı yapar. Çıkış iş areti toplayıcı uçları arasından alınır. Bu yükseltecin yararl ı özellikleri Şek.6-23 deki eşdeğer devrenin çözümlenmesiyle anlaşılır. Her iki toplay ıcı ilmeğine Kirchhoff gerilim kurahn ın uygulanmasıyla

TRANSİ STÖRLÜ YÜKSELTEÇLER

190

—10 V

f 150 k!:2

5Izi2 RL

R2 270 ki-2

0

_L. -=.. Şekil 6-22. Eklem transistörlü fark yiikselteei.

Ş ekil 6-23. Fark yükselteeinin e şdeğer devresi. s

i c ı. RL

(icl — hfel: b1)

+

, c2— hfei b2)

İ. RE(ic ı

hoe 1 1,, '''0 e

4-

RE(

İ

ic2)

=0

L,2) = 0

(6-44)

191

TEMEL ELEKTRONIK

bulunur. Denklem (6-44) elde edilirken basit olmas ı için her transistördeki yayla alummm toplayıcı akımına eşit olduğu varsayılmıştır, yani toplayıcı akımları yanında taban akımları önemsiz alınmıştır. Bu, ortak-yayıcı direnci üzerinden akan ak ımın tam olarak i ci ic2 olduğu anlamını taşır. Taban ilmekleri üzerindeki gerilim e şitlikleri v ı—i bihie—hr ev e c i—R E (41

-F

42)

Q

(6-45)

i c7) = 0

v2—i b2hie—hreve c2—RE(ic ı

dir. Çıkış iş aretinin her iki yük direnci üzerindeki gerilimlerin toplam ı olduğuna dikkat ediniz. (6 -46) vo = - RL(ic ı-ic2 Yayıcılar birbirine ba ğlandığından çıkış iş areti yarc ı-toplarcı gerinderi arasındaki fark olarak da ifade edilebilir, (6-47) vo = V e et—V e C2 Bu devre eşitliklerini çözmek için önce Denk.(6-44) ba ğmtıları birbirinden çıkarılır, 1

( RL

icl— 2) —

‘.0e

hfe ı ..,0 e

b b2) = 0

(6-48)

ve benzer ç ıkarma işlemi Denk.(6-45) ba ğmtılarıyla da yapılırsa (6-49) e( b 1 —i b2)— hr e(V ec ı—V ec2) = O Denklem (6-47), Denk.(6-49) içine ta şınır ve sonra bu Denk.(6-48) ile birlikte b2)yi denklemden kald ırmak için kullanıhrsa bulunan sonuç dilzenlenerek (v

hie [(1

v2-vj hoe RL) I( RLIVe)]--hre

(6-50)

elde edilir. Bu ifade bir tek yay ıcısı topraklı yükseltecin gerilim kazanc ı için yazılan Denk.(6-36) ya özde ştir. Küçük iş aret de ğişkenleri için her zaman kullanılan yaklaşıkhklar kullanıhrsa = hfe

RL

(V2 —

(6-51)

hie

bulunur. Denklem (6-51) e göre fark yiikselteci v 2 = v i olduğunda yani her iki uçta eşit gerilim iş aretleri varsa ç ıkış vermez. Yani cihaz, ortak gerilim kiplerini dışarlar, giriş uçlarına aynı bir işaret uygulanı rsa bu durumda v i = vi /2 ve v2 = - vz /2 olaca ğından normal olarak yükseltilir, yani o

- hfe

L vvi

(6-52)

olur. E ğer işaret giriş uçlarından biri ile toprak aras ına uygulanırsa, bu durumda'vi = vi ve v2 = 0 olur, gene aynı biçimde yükseltme yapar. 60 Hz lik temel

ı (ı 2

TRANS İ STÖRLO YÜKSEL -FF(3.ER

gücün neden oldu ğu geçici elektrik alanlar ı nedeniyle do ğ an ortak kip işaretlerini dıs,arladığı ndan bu devre' duyarl ı yükselteçlerin giri ş kısmı olarak kullamşlıdır. Bundan ba şka giriş hiç bir ucu topraklanmam ış işaret kaynağına bağlanabilir, bu durum ço ğu kez rahatlık Sağlar. Fark yükseltecin ortak-kip i şaretlerini dışarlama özelliği devrenin iki yarısında tam bir simetri olmas ına dayanır. Bu duruma pratik yükselteçlerde seyrek olarak rastland ığından küçük simetrisizliklerin etkisini incelemek yararlı olur. Örne ğin, do ğru yön akını kazancı değişkenlerinin biraz farklı oldu`- hfel , varsay ı n. Bu durumda Denk.(6-44)deki ç ıkarma i şlemi ğunu yani hf ,-, =,-,--1

( RL !-ho

e

•1 hoe °Veli b 1.—h f e2 i b, ) ", 0

(i ct -i e2 )

(6-53)

verir. Bu denklem, Denk.(6-45) ve (6-46) ile birlikte çözülür ve Denk.(6-51) de verilene benzer- biçimde ç ıkış işareti hesaplan ırsa tşo -- h feRL

(6-54)

hi eV2:+fhıfhel ılıh:lhe",))1RE ( fe ,e2

bulunur. Denklem (6-54) e ula şıhrken hfei ve hf,2 in her ikisinin de sözde bilinen hf , değerinden çok farkl ı olmadığı varsayılmıştır. Şimdi v i = v2 = vi olduğunu varsayal ım, buna göre vt„

1-hfei flıf e,

hf,RL

hi ,

(hfei --hf,,)RE

Vi

(6-55)

olur. Yani devrenin dengesizli ği böyle bir çıkış işareti doğurur. Denklem (6-52) ile verilen fark i ş aret çıkışının Denk.(6-55) ile verilen ortak-kip i ş aretine oran ı vo

hf ,

hie + (hfer-Itte2)RE

hfei-hfe2

V o

hfe hte

RE

(6-56)

ortak-kip dışarlama oranı olarak bilinir. Bu oranın büyüklüğü ve bu nedenle fark yükseltecinin ortak-kip i şaretlerini dış arlama özelli ği, ortak-yayıcı direnci RE nin büyük değerleri ile art ırılır.

ÖZEL YUKSELTEÇLER Tamamlaym Simetri Transistörlerin daha de ğişik devre uygulamalarından biri, npn ve pnp transistörlerinin besleme ve i şaret gerilimi kutuplulu ğunun ters simetrik düzenlemeleri temeline dayanır. Örneğin, Şek.6-24 deki tainamlaytcl-siınetri devresini düşününüz, burada npn ve pnp yayıcısı-toprakh yükselteçlerin giri ş ve çıkışları ortaktır. Taban önbesleme gerilimi her iki transistörde de s ıfırdır, bu yüzden

TEMEL ELEKTRONIK

19

Şekil 6-24. Içinde npn ve pnp transistörleri bulunduran tamamlayıeı simetrili yükselteç.

iş aret gelmediği zaman transistörler kesilimdedir. Bundan ötürü giri ş iş areti gerilimi transistörün yayıcı eklemini yalnız do ğru yönde beslediği zaman ilgili transistörde bir ak ını do ğar. Bu giriş iş areti dalgabiçiminin de ğişik yarım periyodunda olur, çünkü transistörler z ıt olarak kutuplanmıştır. Böylece pnp transistörü kesilimde iken npn transistörü yük direncine alum verir ve sonra transistörler görev de ğiştirir. Transistörlerden her biri zaman ın yalnız yarısında çahşmasına rağmen çıkış işareti girişle aynı biçimdedir. Durgun akım sıfır olduğundan ve her transistör, belirtgenlerinin kaplad ığı tüm bölgede çalıştığından bu basit devre etkin bir güç yükseltecidir. Bundan başka /2 R kaybı küçüktür, çünkü yük direncin.deki d.a. her zaman s ıfırdır. Ne yazık ki özde ş belirtgenli npn ve pnp transistörlerinin yap ımı kolay de ğildir ve hiç bir ucu topraklanmam ış orta-uçlu toplay ıcı ön gerilimi biçimsiz bir karışıklık oluşturmaktadır. Tamamlay ıcı simetri kullanarak yap ılan pratik bir yükselteç Böl.7 de incelenmi ştir. Darlington Bağlantısı Şekil 6-25 de gösterilen ve Darlington bağlantısı adını alan iki benzer transistörün birle şiminin üstün birçok devre özellikleri vardır. Q2 transistörünün do ğ-

Şekil 6-25. Darlington ba ğlantılı - ükselteç.

19.i

TRANSSTÖRLÜ YOKSELTEÇLER

rudan Q t e ba ğlandığına ve Q, nin taban-toplay ı cı geriliminin Q i in yayıcıtoplayıcı gerilimini olu şturdu ğuna dikkat ediniz. Bundan ba şka Q i in yayıcı çıkış akını' Q, nin taban giri ş akımıdır. Bu devreye Q I den oluş an bir yarc ı izleyici ve Q2 den oluşan bir yayıcısı topraklı yükseltecin birle şimi gözü ile bakılabilir. Bu birle şim çok büyük bir akım kazanc ı oluşturur ve bu kazanç yakla şık olarak —hfC x lıfe = 18 2 dir. Aynı zamanda bu devre, her ikisi de istenen özellikler olan yay ıcı-izleyici yükseltecin büyük giri ş impedans ı ile ortak yay ıcılmın gerilinı kazanc ına da sahiptir. Birçok amaçlar için bu birle şim bir tek aygıt gibi düş ünülebilir. Gerçekten, ticari olarak bir kutuda iki transistörden olu ş an aygıtlar vardır. Uygun öngerilimler alışılmış transistör önbesleme devreleriyle, Ş ek.6-13, uygulanır. Yarcısı-toprakh bir tek transistörün yerini burada Q i ve Q2 transistörlerinin birleşimi almaktadır. İntegre MOYAET Devresi Yükselteç devrelerinde bir transistörün ba şka bir transistörün yük direnci olarak kullanılmasında yararlar vard ır. Özellikle MOYAET integre-devrelerinde bu yola başvurulur, çünkü yalnızca MOYAET lerin uygun dizilişleriyle yükselteci tamamlamak mümkündür. Bu, özel bir yap ım gideri olmadan kurgu yapmada kolayl ıklar sağlar. Bu tekniğin yararlı bir örne ği Ş ek.6-26 da görülen art ırıcı MOYAET yükseltecidir. Bu devrede geçidi do ğrudan akıtıcıya bağlanan Q2, Qi için akıtıcı

0

Şekil 6-26. Artırıcı MOYAET yükselteci.

395

TEMEL ELEKTRONIK

yük direnci gibi davran ır Vad ve Vi nin her ikisi de yeteri kadar büyüktür, bu yüzden,her durumda geçit gerilimi e şik geriliminin üzerindedir. Akıtıcı akımı da Denk.(5-11) den

Vdd—V, )2

Idss = Idss, (1 —

VI,

Vi )2

vp

= Idssl

(6-57)

olarak bulunur.Denklemin her iki taraf ının karekökü al ınarak V, için çözülürse

Vo = (Vdd

(Idssl )

Vp)

1-

(Vj -

. ds82

I- VP)

(6-58)

bulunur. Denklem (6-58) e göre ç ıkış gerilimi giri ş iş aretinin do ğrusal bir fonksiyonudur ve kazanç a =

(

•

Idssi ) -2-

dss2

(6-59)

ile verilir. Yapımında Q 1 i Q2 den daha geniş kanallı yapmakla yani Ictss ı in /d8s2 den büyük olmasını sağlamakla kazanç birden büyük yap ılabilir Denklem (6-58) in MOYAET ün tüm çalış ma bölgesi üzerinde temel olarak doğrusal oldu ğuna dikkat ediniz. Yani, giri ş ve çıkış gerilimleri aras ındaki doğrusallık sadece küçük iş aretler için geçerli de ğildir. Bu kullanışlı özellik MOYAET yükselteçlefinde ve MOYAET akınc ı yük direnchade do ğrusallılığın sağlanmas ından doğar. Bu düzenlemeyle yap ılan integre M:OYAET devreli yükselteçler Böl. 11 de tart ışılan sayı sal elektronik uygulamalarına özellikle uygun dü şer. KAYNAKLAR E.J.Angelo, Jr.: "Electronics: BJT's, FET's and Microcircuits", McGrawHill Book Company, New York, 1969. "General Electric Transistör Manuel", latest edition, General Electric Company Semiconductor Products Department, Syraeuse, N.Y. Joseph A.Walston and John. R. Miller (eds.): "Transistör Circuit Design", Mc-Graw-Hill Book Company, New York, 1963. ALIŞTIRMALAR 6-1 Şekil 6-27 deki kayna ğı-topraklı AET lü yükseltecin çalış ma noktasını belirleyin. Şekil 5-21 de verilen akıncı belirtgenlerini kullan ın. Cev : —6 V, 4,5 mA, 1.8 V 6-2 Alıştırma 6-1 deki yükseltecin çalış ma noktasmda küçük-i şaret de ğiş kenlerini belirleyin. Yükseltecin kazanc ım hesaplayın. Cev 2,5 x 10-3 mho, 1,5 x 104 ohm; 2,5

196


V

—15 V

Şekil 6-27.

6-3 Şekil 5-12, 6-14 ve 6-28 de toplayıcı belirtgenleri verilen eklem tansistör-

rün aktarım belirtgenlerini çizin.

hFE

nin değerini her durum için hesaplaym.

Cev : 500, 50, 300

6-4 Bir 2N338 tranistörü için R E = 470 S2 R1 = 16000 S2, R2 = 6200 fl, RL = 700 S2, ve Vcc = 12 V de ğerleini kullanarak Şek. 6-13 deki yayıcısı 12 I—

=Z E

10

15 V„, V

Şekil 6 - 28.

20 -

25

TEMEL ELEKTRONIK

197

topraklı npn yükseltecin çal ışma noktasını belirleyin. Şekil 6-14 deki belirtgen eğrilerini kullanın Gel; : 75 p. A, 4 mA

6-5 Şekil 6-18 deki 2N930 ortak-yay ıcilı yükseltecin çalışma noktasını belirleyin. 2N930 un belirtgen e ğrileri Şek. 6-28 de verilmi ştir. Cev : 4 p. A, 4mA

6-6 Alıştırma 6-5 deki yükseltecin gerilim ve ak ım kazancım, giriş ve çıkış impedanslarını hesaplayın. h parametreleri hie = 3600 Q, hr e .-------- 3 X 10-3, hfe = 150, Ito , = 1,4 x 10 -4mho dur. Devredeki bütün kondansatörlerin sığasal reaktansm ın önemsiz oldu ğunu ve kaynak direncinin de 1000 Q olduğunu varsayın. Cev : 362, 416; 62,4, 150, 1700 Q, 3600 Q; 2,4 x 10 4 Q, 7,1 x 103 Q.

64. Şekil 6-20 deki 2N930 taban ı-topraklı yükseltecin çal ışma noktasını belirleyin. Alış tırma 6-6 da verilen melez parametreleri kullanarak bu devre için gerilim ve akım kazancım ve giriş impedanslarmı hesaplaym. Bunları konuda tartışılan yakla şıklıklarla karşılaştım. Rg = 100 Q alın. Cev : 200, 413; 0,99, 0,994; 27,5 Q, 24 Q. 6-8 Şekil 6-21 de verilen 2N930 tipi yay ıcı-izleyicili yükseltecin çal ışma noktasını belirleyin. Alıştırma 6-6 daki h parametlerini kullanarak gerilim ve akım kazancım, giriş ve çıkış impedansmı hesaplaym. B ıllduğunuz sonuçlar ı konu içinde belirtilen yakla şıklıklarla karşılaştım. Kaynak direnei 10000 L-2 dur.

Cev: 1, 1; 63, 151; 6,3 x 105 Q, 1,5 x 106 Q; 90 Q. 6-9. R2 = 90kQ, R2 =45 kQ, R L = 10 kO, RE =6 kS2 ve lıce = 36 V de ğerlerine sahip 2N3521 tipi transistörü kullanılarak yapılan yayıcısı-toprakh yükseltecin çalışma belirtgenleri için Şek. 5-12 de verilenleri kullanın. Sıcaklığın 125°C yakınlarında olmas ı durumunda Şek. 5-13 ile verilen toplayıcı belirtgenlerini kullanarak ayn ı hesapları yineleyin. Her iki durumda da yükseltecin gerilim kazanc ım hesaplaym. Bu devre s ıcaklık değişikliklerine karşı kararlı duruma getirilmi ş midir.? Cev : 5,9 V, 1,9 mA; 5,9 V, 1,9 mA 750, 750; evet.

6-10 Alıştırma 6-9 daki devreyi yay ıcı-izleyici yükselteç olarak yeniden düzenleyin, giri ş ve çıkış impedanslarını hesaplaym. Bu devrede 2N930 tipi transiştörün kullanıldığını varsayın. Şekil 6-28 deki toplay ıcı belirtgenlerini kullanarak çalışma noktasını belirleyin, giriş ve çıkış impedanslarım hesaplaym. Devrenin işleyişi transistörün de ğiştirilmesine karşı duyarlı mıdır?

Cev : 7,2 X 106 Q, 13 Q; 5,5 V, 1,9 mA; 5,1 x 106 Q, 18 Q; hayır.

BÜLCM YEDI

Yükselteç Devreleri

Transistörlerin baş lıca uygulamaları elektrik i şaretlerini yükseltme özelliklerine dayanmaktadır. Bazı devreler küçük gerilim i şaretlerini milyonlar çarpanı kadar yükseltir, baz ıları elektrik motoru gibi mekanik bir cihaz ı işletmek için i şaretin elektrik gücünü artırır. Bazı devrelerde akıınları yükseltir. Bu uygulamaların her birinde giriş işaretinin frekans bölgesi önemlidir. D.a. yükseltmek için ve yüksek radyo frekanslarında kullanmak için farklı devrelerde geliştirilmiştir. istenen çık ış-işareti gen14,5 ine çoğu zaman birçok yükselteç katlar ının peş peşe eklenmesiyle ula şılır. Bu halde yükselteç katlar ı arasındaki etkile şmelerin dikkate alınması gerektiğinden oldukça karışık şebekeler oluşur. Ama önceki bölümlerde özellikle transitörlerin a.a. eşdeğer devrelerinin devre çözümleme teknikleri tüm yükselteç devrelerinin doyurucu bir biçimde anlamaya yeterli olduğundan kendimizi şanslı sayıyoruz.

199

TEMEL ELEKTRONİK

GERİLİM YUKSELTEÇLERİ Katlama Önceki bölümlerde tart ışılan transistörlü devreler, gerilim i ş aretlerinin dalgabiçimini ideal olarak minimum bozuklukla yükseltmeye uygundurlar. Bir tek katla mümkün olandan daha büyük kazanç çarpanlarn birçok yükselteç katlarının peş peşe eklenmesiyle elde edilir Bir yükselteç katm ın çıkışı başka bir kat tarafından yükseltilir ya da istenen düzeyde gerilim işareti elde dilinceye dek katlama yinelenir. Örne ğin Şek. 7-1 deki iki-katlı transistör yükseltecini düşününüz. Bölüm 6 da tartışılana benzer biçimde iki ayr ı devre Ce2 çiftlenim kondansatörüyle birbirine bağlanmıştır. Bu kondansatör Q 1 den yükselerek geçen a.a. i şaretlerini Q2 nin tabanına verir. Aynı zamanda ikinci transistörün taban ından Q lin topayıcı gerilimini ayırır. Buna benzer biçimde C, ' ve Cc3 kondansatörleri de d.a. gerilimleri bak ımından giriş ve çıkış devrelerini yalıtır. • +12 V

Cı

R

R Li

22 kg

6 kg

2N338

RI

16 kg

C,2

5 ı.İ F

R I,2

700

2N338

Ara

C ,3

5 AF Q2

5 bı F R2

3,3 kg

1 kg

C El

50/2F

R;

6,2 k

E2 470

CE2

504E

O--

Şekil 7-1. İki-katlı transistörlü yükselteç.

Katlamalı transistörlü gerilim yükselteçierinde hem gerilim ve hem de alum kazanc ı istendiğinden yayıeısı topraklı biçimde kullandırlar. Ne ortaktabanlı ne de yayıcı-izleyici dlizenlemeyle yap ılan katlamada yay ıcısı toprakhlarda elde edilen gerilim kazanma ula şılabilir. Bu durum, bir kat ın çıkış impedansı ile ondan sonra gelenin giriş impedansı arasındaki impedans uyuş mazlığ' ının bir sonucudur. Şekil 7-1 deki ikinci kat ın önbesleme dirençlerinin, transistörlerin aynı olmasına ra ğmen birinci katınkilerden farkl ı olduğuna dik= kat ediniz h parametrelerinin en üstün de ğerlerini elde etmek için her katta çalış ma' noktaları farklı yerlerde kurulur. Bu yükseltecin a.a. tam e ş değer devresi Böl. 6 da tart ışılan ilkeler kullanılarak çizilebilir ve sistemin i şlediği tam bir .a.a. devre analizi ile belirlenir.

200

Y VICSELTE Ç DEVRELERI

Devredeki ilmek say ıları yüzünden aslında bu yöntem kullanış sızdır ve buna seyrek başvurulur. Bu yöntem yerine devre, her biri en az matematik i şlem içeren birkaç ad ıma ayrılarak çözümlenir. Bu çözümleme önemli etkiler yahtılabildiği ve devre daha aç ık bir biçimde incelenebildi ği için öncekinden daha üstündür. Örneğin, yarcı yan geçit kondansatörlerinin ikisinin de reaktanslar ı ihmal edilecek kadar küçük varsay ılabilir. Bu nedenle yükseltecin a.a. e ş değer devresinde bu bile ş enler bulunmaz, Şek. 7-2. Buna benzer olarak çiftlenim kondansatörlerinin reaktanslar ı da önemsizdir. Buna göre ç ıkış gerilimi, v o = a2v' = a ı a2vj

(7-1)

h le i b2 111

h

Birinci kat

e2

I kinci kat

Şekil 7-2. Şekil 7-1 deki iki-katlı transistörlü yükseltecin e ş değer devresi.

yazılabilir. Burada ai ve a, sırasıyla birinci ve ikinci katın kazançlarıdır. Peş peşe eklemeli bir yükseltecin tüm kazanc ı her katın kazançları çarpımına eşittir. Her katın kazanç hesab ında işe giren birinci kat ın çıkış yükü, ikincinin giriş impedansım içerir. Bunun anlamı ikinci katın giriş impedansınıııı daha önce hesaplanmas ımn zorunlu olduğudur. Bir transistörlü yükseltecin giri ş impedansı çıkışı n yük impedansına bağlı olduğundan devrenin ç ıkış uçlarından başlayarak geriye do ğru çalışma zorunluluğu vardır Çıkış yükü, kazanç ve ikinci katın giriş impedansı önceki bölümlerde geli ştirilen sonuçlar kullanılarak ve giriş impedansı buna göre hesaplanır Bu süreç pe ş peşe eklenmiş AET katları halinde gereksizdir, çünkü AET ün olu şumundaki çok büyük giri ş impedansı daha önceki kat ı yüklemez. Bundan ötürü AET lü yükseltecin tüm kazancı yalıtılmış bireysel kazançlarm çarp ımıdır. Kondansatörlerin reaktansları önemsiz olduğundan her bir durumda hesaplanan sonuç yükseltecin ortaşerit kazancı olarak adlandırılır. Bu yaklaşıklık, reaktanslar ı önemli yapacak kadar alçak ve ba şka etkilerin kazanc ı düşürecek kadar yüksek oldu ğu frekanslarda uygulanmaz.

TEMEL ELEKTRONIK

201

Alçak Frekans Kazanc ı Oldukç'a alçak frekanslarda s ığasal reaktanslar art ık ihmal edilmezler. Çiftlenim kondansatörlerinin etkisi, yay ıcı ya da kaynak yan geçit kondansatörlerinkinden belirgin biçimde büyüktür. Her ikisi de alçak frekansta kazanc ı azaltmasına ra ğmen durum böyledir. Çiftlenim kondansatörlerini oldukça büyük yapmak kullanışlı değildir. Çünkü büyük değerli kondansatörler ak ım kaçaklarını artım ve bu art ış taban ve geçit öngerilimini bozma e ğilimi gösterir. Transistörlerin alçak giri ş impedansı on mikrofarad ya da birkaç kat ı değerdeki çiftlenim kondansatörleri kullanmaya izin verir. Bununla birlikte uygulamadaki çiftlenirn kondansatörleri AET devrelerinde 0,5 gf de ğerinin altındaki değerlere smırlanmıştır. Yayıeı ve kaynak yan-geçit kondansatörleri devrenin bu bölümünde kaçak akımları daha az önemli oldu ğundan 1001./. F ya da daha büyük olabilir. Peş peşe eklenen katların tüm kazanc ı her katın kazançları çarpımı olduğundan yalnızca yalıtılmış bir yükselteç kat ılım çiftlenim kondansatörüniin reaktansmm etkisini incelemek yeterlidir. Şekil 7-2 deki a.a. e şdeğer devresine göre bu etki çiftlenim kondansatörünü ve yükseltecin giri ş impedansmı içeren basit bir RC devresiyle incelenebilir. Kolay anla şılması için devrenin bu bölümü Şek. 7-3 de ayrı olarak gösterilmi ştir. AET yükselteç durumunda giriş impedansı basit olarak geçit direncidir ama transistör katlarmda transistörün giriş impedansm ı da içerir. Her iki durumda da Şek. 7-3 Böl 2. de tartışılan RC yüksek frekans geçiren süzgeçtir. Yüksek frekans geçiren süzgecin etkisini de içeren bu yükselteç kan= kazanc ı.

Şekil 7-3.

av' vi

(7-2) .V1 + (.fo İ.0 2 ile verilir. Burada Denk. (2-45) deki tüksek frekans geçiren süzgecin frekans tepki belirtgeni kullan ılmıştır. fo ise yarı-güç frekans ıdır. işaretin frekansı yarı-güç frekansmdan küçük oldu ğunda kazancın, orta- şerit kazanç de ğeri a dan daha küçük olaca ğına dikkat ediniz. = vo vi a(f)

Aynı zamanda, giriş ve çıkış işaretleri aras ında oluşan ve yükselteein dalgabiçimi bozulmasında etkin olan bir faz kaymas ı da işe karışır. Karışık bir işaretin dalgabişiminin Fourier çözümlemesinde, çıkış dalgasmm girişin yükseltilmiş bir kopyası olması için tüm frekans bile şenlerinin genliklerinin

YÜKSELTEÇ DEVRELER İ

202

ve ba ğıl fazlar ının korunması gerekti ğini anımsayınız. Denklem (7-2) nin her kata uyguland ığını anlamak ünemlidir. Katlamak yükseltecin kazanc ı her katın kazançlarna ın çarp ımına eşit olduğ undan tüm yükseltecin alçakfrekans tepkisi herhangi bir bireysel kattan daha kötüdür. Yüksek Frekans Kazancı Bir yükseltecin yüksek-frekans kazanc ı devre kurgusunda amaçl ı olarak yer almayan saptırıcı sığasal etkilerle dü ş er. Basit bir AET lü yükselteç kat ına bakarak Şek. 7-4, bu sığaların AET ün geçit-kaynak s ığası C ı , geçit-akıtıcı sığası C2 ve akıtıcı-kaynak s ığası C 3 olduğunu görürüz. Tellerle geçit ve akitle' uçlarına bağlanan bileşenler aras ındaki saptırıcı sığalar da C ı ve C3 içindedir. Bu üç kondansatör s ığasal reaktans ı küçük yapmaya yeten büyük frekansh işaretleri geçirirler. +V

V,

C

R ,9

o+ Şekil 7-4. AET lü yükselteçteki sapt ırıcı kondansatörler.

Geçit-akıtıcı sığasımıa etkisi de özellikle önemlidir. Uygun bir e ş değer devre olan Ş ek. 7-5 i dü şününüz. Burada C2 geçit ve akıtıcı uçlarına bağlıdır ve öteki sapt ırıcı sığalar öncmsizdir. Yükselteç kat ımn giriş impedansı, C2 nin reaktans ının en etken oldu ğu varsayımıyla hesaplan ır,

vo = avi

vi

Şekil 7-5.

203

TEMEL ELEKTRONİK

Zi —

ia

(vi+avi) / (1 /j(oC2)

1

(7-3)

jco (1+a) C,

Bu sonuç C, nin etkisinin, geçidi topra ğa bağlayan daha büyük (1+ a)C, gibi bir sığa olduğunu göstermektedir. Kat ın kazancının neden oldu ğu etkin şönt sığasındaki artış a millet etkisi denir ve bu etki, AET lü ve eklem transistörlii yükselteçlerin ikisinde de yüksek frekans tepkisini hesaplamakta en etkendir. Uygun yüksek frekans e şdeğer devresi geçit ya da taban ucu ile toprak arasına bağlı bir ş önt sığası içerir ve bu s ığa, C, = C1

(7-4)

C3 H— (1 jr- a) C,

dir. C, nin etkisi Şek. 7-6 daki giriş devresi yalıtıldıkan sonra belirlenir. Bu devrede R eş, önbesleme dirençlerinin e şdeğerini, bir önceki katın çıkış direncini ve transistörün giri ş direncini de içeren topraklanm ış tüm şönt direncini temsil etmektedir. Şekil 7-6, alçak frekans geçiren bir RC süzgecidir ve kazanç Denk. (2-27) den av' vi

a(f) =

,

a

(7-5) (f ifo)2

v,

Şekil 7-6.

dir. Burada fo yarı-güç frekans ı ve a orta- şerit kazanc ıdır. Denklem (7-5) e göre yükseltecin kazanc ı, iş aret frekans ı yarı-güç frekansm ı aştığında orta- şerit değerinin altına düşer. Gerçekten birçok eklem transistörün yüksek-frekanslar ı yükseltmesi taban bölge s ine diffüzyonla geçen ta şıyıcıların geçiş zamamyla sınırlanır. Bu etki yüksek frekans kazanc ı için Denk. (7-5) e özdeş bir ifadeyle verilir, yalnızfo transistörün fiziksel sabitleriyle, örne ğin taban genişliğiyle belirlenir. Bu berlitgen frekans transistör yap ımcdarı tarafından belirtilir. Özel olarak yap ılmış yüksek frekans transistörlerinde alfa düşme frekanst' yeteri kadar büyüktür ve kazanç yukarıda tartışıldığı gibi devre değişkenleriyle smırlamr. Denklem (7-2) ve (7-5) kullan ılarak herhangi bir gerilim yükseltecinin bulunup frekans tepkisi Şek.7-7a da belirlenene benzer. Her kat ın alçak frekans kesilimi Denk. (7-2) den bulundu ğu halde yüksek frekans ke.silimi Denk.

2 ı )i

Y Ü KSELTE(.; DEVRELERI

Bir kat için Iki kat için !\ İ

"6" 0,1 • 0,01

Yükselteein yiikseltti ği şerid Alçak frekans Yüksek frekans kesilimi kesilimi

1,0

10

0,1

V

0,1

1,0

ıo

flfo -

80 60 40 t 20 İleri 0 Geri —

20

—40 —60 —SOL 10

1,0

0,1

1,o

O ,1

10

fl

(b)

Şekil 7-7, (a) Bir tek yükselteç kat ımn frekans-tepki belirtgenleri. İki katlı yükseltecin belirtgenleri kesik çizgilerle gösterilmi ştir, (b) Bir tek yükselteç kat ının faz -kaymas ı belirtgenleri.

(7-5) den hesaplan ır. Tüm yükseltcin yükseltme şeridi, kazancın orta-ş erit kazancınm 1 / sine dü ştüğü yüksek ve alçak-frekans noktalar ı arasındaki frekans bölgesidir. Kazanç ve frekanslar ın bölgesi çok büyük oldu ğundan Şek. 7-7a da oldu ğu gibi kazanç ve yükselttne şeridi belirtgenlerinin her iki ekseninde de logaritmik ölçek kullanmak al ışkanlık haline gelmi ştir. Telefonun bulucusu olan Alexander Graham Bell'in ad ını anmak için düşey ölçekte ço ğu zaman beli birimi kullanılır. Uygulamada bu birimin onda biri olan desibel daha çok kullan ılır ve kısa gösterimi dB dir. Desibel -

-

dB = 20 log

a (f) a

(7-6)

olarak tammlan ır. Çoğu kez orta- ş erit kazanc ı , desibel'in dB = 20 log

vo

vi

biçimindeki tanımı kullanılarak desibel cinsinden verilir.

(7-7)

TEMEL ELEKTRONİK

205

Bu birimin yararlı yönü, birçok yükselteç katlar ının dB olarak toplam kazancinin Bireysel kazançlar ın desibel olarak toplam ı olmasıdır. Denklem (7-7) ye göre yükseltecin kazancı, üst ve alt yan-güç noktalar ında 3 dB in altındadır. Bir tek yükseltecin faz-kayma belirtgenleri Şek.7-76 de aç ıklanmıştır. Çıkış işareti faz bakımından girişe göre alçak-frekans kesiliminin alt ındaki frekanslarda ilerde, yüksek-frekans kesiliminin üstündeki frekanslarda geridedir. Tüm yükseltecin faz-hyma belirtgenleri her kattan gelen katk ılar eklenerek belirlenir. Çoğu kez dalgabiçimi bozulmas ını minimuma indirmek için bir yükselteç geniş yükseltme- şeridi aralığına sahip olmalıdır. Bu sonuca ula şmak için devrede birçok küçük de ğişiklikler geliştirilmiştir. Örneğin, kaynak ve yayıcı yangeçit kondansatörleri amaca uygun olarak küçültülür, böylece s ığasal reaktans yüksek-frekans kesilimi yak ınlarındaki frekanslar d ışında önemli kalır. Bu orta-şerit kazancın azaltır, ama sığasal reaktansm küçük oldu ğu yüksek frekanslarda ise kazanc ı artırır. Bunun net sonucu tüm yüksehmenin küçük olmasına rağmen genişletilmiş yüksek-frekans tepkisi elde edilmesidir. E ğer gerekli ise kazançtaki kay ıp, başka bir kat ın eklenmesiyle giderilir. Yüksek-frekans tepkisini geni şletmenin yararl ı bir yolu Şek.7-8 de görüldüğü gibi yüke küçük bir indüktans eklemekle ba ş arılır. Yük impedansı yüksek frekanslarda artar ve Denk.(6-14)e göre yükseltecin kazanc ı büyür. Frekans-tepki belirtgenlerinin yüksek frekans ucunda tepe yapmasmdan ötürü bu yönteme tepe yapma tekniği denir. +20 V

RL 10 k1-2 L 300 pH

0,01 p F

1 M2

2 ki"2

Şekil 7-8. Yük olarak küçük bir indüktans kullan ıldığında kazanç büyük yük impedanslar ında arttı • ğından yüksek frekans tepkisini art ırır.

206

YÜKSELTEÇ DEVRELERİ

Geliş tirilmiş alçak-frekans tepkisine Şek.7-9 da görüldü ğü gibi çıkış a bir seri R 3 ve C3 direnç-s ığa düzenlemesinin yerle ştirilmesiyle ula şılabilir. C3 ün reaktans ınua küçük oldu ğu frekanslarda kazanç a.a. yük direnci R 3 ün etkisini içerir. Alçak frekanslarda s ığaçın reaktansının artmasıyla kazanç da artar ve çıkış yükünün bir parçası olan R 3 ün etkisini kaldırır. Sonuç olarak ortaş erit kazaneinda azalma pahas ına genişletilmiş alçak frekans tepkisi elde edilir

Şekil 7-9. C3 ün reaktansmm büyümesi nedeniyle R3 C3 birlesimini yükseltecin alçak frekans tepkisini geliştirir.

Ayırına Üç ya da daha fazla yükselteç kat ı peş peş e eklendiğinde ço ğ u kez giri ş katı mu güç kayna ğını, yükseltecin geri kalan ından ayırmak gerekli olur. Bunun nedeni kaynak geriliminin güç kayna ğının etkin iç impedans ı yüzünden akımla değiş mesidir. Güç kayna ğındaki herhangi bir küçük de ğişim birinci katın öngerilimini de ğiş tirir ve bu de ğişim bir giri ş iş areti gibi yükseltilir. E ğer öngeritimdeki de ğiş im birinci kattaki akl ını yükseltirse, yükselteç kat ındaki180°lik faz kaymas ından ötürü ikinci kattaki ak ım azal ır. Bununla birlikte ikinci kattaki ikinci bir 180° lik faz kaymas ı nedeniyle üçüncü katta ak ım artar. Üçüncü kattaki de ğiş me, yükseltecin kazanc ı yüzünden başlangıçtaki de ğişimden çok daha büyüktür. Bu yük, güç kayna ğı gerilinünde bir dü şüşe neden olur. Bu birinci kat ın öngerilimini daha da de ğiş tirir ve süreç birikir. Değişiklikler bir transistörün kesilime ya da doyuma ula ş masına dek sürer. Bu ise tüm kazanc ı sıfıra düş ürür. - O zaman güç kayna ğı gerilimi normale döner ve süreç kendi kendine yinelenir. Ç ı kış ta:o. giri ş e olan bu geri -besleme sonucu yükselteç kesilimden doyuma devre bile ş enlerinin fonksiyonu olan bir h ızla titreşim yapar. -

Ş ekil 7-10 daki gibi birinci kat ı izleyecek biçimde güç kayna ğının' önüne bir alçak-frekans geçiren RC siizgeci koymakla sözü edilen güçlük giderilir : ırma süzgecinin zaman sabiti güç kayna ğı değişimlerini yeteri kadar za- Buay

TEMEL ELEKTRONIK

207

yıflatacak ve geribeslemeyi yok edecek biçimde seçilir. Gerçekten, belirtgin süzgeç 'frekans ı, kazancın geribesleme titre şimlerini desteklemeye yetmedi ği frekans de ğerinde yani yükseltecin alçak frekans kesiliminin alt ında seçilir. R

Şekil 7-10. Basit bir RC süzgeci, ortak güç kayna ğından gelen geribesleme etkisini azaltarak yükselteçdeki kararsızlığı yok eder.

GÜÇ YÜKSETEÇLER İ Transformatör Çiftlenimi Transistörlü yükselteçler önemli ölçüde güç verdiklerinde art ık toplayıcı devresinde dirençlerin kullanılması uygun olmaz. Çünkü büyük güçlere kar şılık gelen yüksek akımlarda /2 R kaybı büyük değerlere ulaşır. Direnç yerine şek.7-11 de görüldüğü gibi bir transformatör devreyi yüke ba ğlar. Sargı tellerindeki d.a. toplay ıcı akımı yalnızca küçük bir güç kaybma neden olur, bunun yanında RL direncinin birinci devreye yans ıması yükselteçte uygun a.a. yük direnci oluşturur. Bundan ba şka yükseltecin çıkış impedansı transformatörle yük direncine uyu şturulur ve gerçek yük direnci kullan ışlı herhangi bir değerde olabilir. Sarım oranı 10 : 1

Şekil 7-11. Güç yükselteçIerinde yük direncindeki d.a. güç kayb ını azaltmak için taranistöre yük olarak bir transformatör ba ğlanır.

208

YÜKSEITEC: DEVRELERI

D.a. yük do ğrusu temel olarak Şek.7-12 de görüldüğü gibi toplayı cı lıelirtgen eğrileri üzerinde dü ş ey. durumdadır. Çünkü transformatörün birinci sarg ı dirençleri küçüktür. Durgun çal ış ma noktas ı Böl. 6 da özetlendi ği gibi belirlenir. Çıkış transformatörünün birinci taraf ından görünen yans ımış yük direnci R'L ye kar şılık gelen a.a. yük do ğrusu çalışma noktasından geçer. Her zaman olduğu gibi a.a. yük do ğrusunun e ğimi —I. /1TI, dir, Şek.7-12.

V„, V Şekil 7-12. Şekil 7-11. deki güç yilkselteeinin çal ışma noktas ı d.a. ve a.a, yük do ğrularutın konumu.

Bir güç yükseltecinin çal ış ma noktas ı yükseltecin verimini maksimuma ç ıkaracak ve s ıcaklıktan ötürü kaymalar ı minimuma indirecek biçimde seçilir. Toplayıcı akımının transistörde neden oldu ğu güç tüketimi toplayıcı ekleminin dayanaca ğı sıcaklıkla sınırlanır. Çal ış ma bölgesi transistöre verilebilecek toplay ıcı akımı ve geriliminin olu ş turduğu maksimum-güç hiperbolünün solunda kalır, Şek.7-13. Güç transistörü ço ğu kez iyi bir ısı iletkenine sıkıca tutturulur. Bu, maksimum-güç hiperbolünü ba şlangıç noktasından daha da öteye kaydırır ve mümkün alan çal ış ma akımı ve gerilimi bölgesini geni şletir. Bundan ba şka ısıyı transistörden ortama maksimum biçimde da ğıtmak için ço ğu kez so ğutma kanatlar ı da kullanılır. Çalışma noktas ı , bozulmamış güç çıkışını maksimum yapmak için mümkün olan en büyük a.a. i ş aretleri olu şturabilecek konuma yerle ştirilir. Ani maksimum toplayıcı gerilimi, toplayıcı ekleminde ters k ırılma gerilimiyle sınırlanır. Aynı biçimde ani maksimum transistör ak ımı toplayıcı akımının yayıel-eklem akınıtyla daha fazla artmad ığı akıma, yani toplayıcı doyumuna

209

TEMEL ELEKTRONİK

900

10

800 700

> Toplayıcı doyumu \

600

8 Akım gezinimi

500 \

400

Maksimum güç hiperbolü

6

I

\

300 mA

-

•CC

Toplayıcı kırılum 200

En uygun çalış ma noktas ı

8

i•"4 ee ‘ 8

0 10

30

20

40

50

Vce , v !

Toplayıcı tepe de ğeri Gerilim gezinimi

Toplayıcı tepe de ğeri I Gerilim gezini ıni

Şekil 7-13. Güç yükselteci için çalışma noktasının en iyi konumu toplayıcı doyumu ve toplay ıcı kırıhnuy. la belirlenir.

karşılık gelir. Bunlardan birisi s ınırı aştığmda dalgabiçimi kötü bir biçimde bozulur ve işaret dalgasınm tepeleri kesilir. Bundan ötürü çal ışma noktasının en iyi konumu, toplayıcı kırılması, toplayıcı doyumu, sıfır toplayıcı akımı ve sıfır toplayıcı gerilimleriyle sınırlanan dikdörtgenin merkezidir, Şek.7-13. Burada toplayıcı akımı ve geriliminin çalışma noktasın ın her iki tarafındaki değişimleri bozulmaksızm maksimum duruma getirilir. Bir güç yükseltecinin verimi, a.a. i şaret gücünün güç kayna ğından gelen ortalama güce oran ına eşittir. Ortalama güç basit olarak durgun ak ımla durgun toplayıcı geriliminin çarp ımı yani /c V, dir. Eğer çalışma noktası en iyi konuma yerleştirilirse çıkış akımının tepe de ğeri ic ye ve çıkış geriliminin tepe de ğeri V, ye eşittir. Sonuç olarak güç yükseltecinin maksimum verimi yüzde 50 dir. Minimum bozulma için işaret de ğişimleri maksimum de ğerden biraz küçük seçilmesine ra ğmen uygulamada transistörlü yükselteçler ideal

210

YOKSELTEÇ DEVRELERI

durumlara oldukça yakla şırlar. Yani, uygulamada yüzde 48 mertebesinde verimlere ulaşırlar. Güç yükselteçlerinin e şdeğer devre gösterimi i ş aret geriliminin büyük değişimleri yüzünden kullan ışlı değildir. Bundan ötürü tüm çözümlemeler grafik yöntemle yap ılır. Şekil 7--14 de görüldü ğü gibi toplayıcı çıkış akımın' taban giriş akımmın fonksiyonu olarak çizmek yani yükseltecin dinamik aktarı m belirtgenlerini belirlemek en kullan ışlı bir yoldur. Aktar ım belirtgenleri Şek.7-13 deki toplay ıcı belirtgen e ğrileri ile dinamik yük do ğrusunun kesişme noktasından bulunur. Herhangi bir e ğrilik, çıkış dalgabiçiminde bozuklu ğa neden olaca ğından minimum bozulma olması için aktarım belirtgenleri do ğru bir çizgi olmalıdır. 10

2N20/6 R,--4552 8

4

1-- . / 0.2:

0,4

ib

I

ı

0,6

0,8

1,0

lb , A

Şekil 7-14. 21‘1. 2016 güç yükseltecinin yükseltilmi ş dalgabiçimini belirlemek için dinamik aktarım belirtgenleri kullaml ır. Do ğrusal olmayan aktar ım belirtgenlerinin çıkış akımında neden oldu ğu bozulmaya dikkat ediniz.

İt-çek Yükselteci Şekil 7-15 de görülen iki-transistörlü it-çek (push-pull) yükşeltecinin çıkış gücü ve verimi tek transistörlü bir devreden daha fazla, ç ıkış dalgabiçiminin bozulması ise daha azdır. Ortadan uçlu giriş transformatörü, transistörleri 180° faz

TEMEL ELEKTRONIK

211

Şekil 7 15. İ t-çek güç yükselteci. -

farkı ile çalıştırır ve bu devre it-çek ad ını bu nedenle almıştı r. Yükseltilmiş toplayıcı akımları orta uçlu çıkış transformatöründe birle şir ve giriş iş areti ile aynı biçimde olan bir yük ak ımı oluştururlar. Giriş transformatörü ayn ı zamanda sürücü kat ı yükseltecin giri ş impedansına uyuşturur. İt-çek yükselteci kesilime yak ın gerilimle ön beslendi ğinde verim artar. Giriş -işaretinin tüm devri boyunca transistör içinde ak ımın var olduğu bilinen ve daha önce belirlenen devrelerin çal ışmasından bunu ayırmak için bu devreye B s ıntfı çalışan yükselteç denir. Çünkü her transistör kesilime yak ın gerilimle beslenmekte, durgun akım çok küçük, i şaret-gerilimi ve ak ımı uygun maksimum toplay ıcı gerilimi ve akımma e şit olacak biçimde _de ğişebilir, Şek.7-16. Her transistör sinüs-dalga i şaretinin bir-yan ısmı çıkış transfermatörürıe verir ve her transistördeki ak ım giriş -işaretinin bir-yar ısı olduğu halde çıkışta dalgabiçimi korunur. Bu çal ış ma biçimi Böl.6 da tart ışılan tamamlayıcı simetrili yükselteçlerde aç ıklanmıştır. İt-çek sürecinde ç ıkış geriliminin tepe de ğeri d.a. önbesleme gerilimiyle ayn ı olan maksimum toplayıcı gerilimine eşit olabilir, Şek.7-16. Bunun sonucu i ş aret akımının tepe de ğeri maksimum toplayıcı akımına eşittir. Belli bir zaman aral ığnıda yaln ı zca bir transistör çalıştığından bu yükselteç katı nın ortalama gücü yarım-sinüs dalgasmın gücüne eşittir. Bu bizi B sınıfı it-çek yükseltecinin maksimum veriminin yüzde 78 olduğu sonucuna götürün ve bu sonuç tek-transistörlü yükseltecin dü şünülebilen verimini aşmaktadır. Küçük ak ımların yükseltilmesi durumunda her transistörün aktar ım belirtgenlerindeki do ğrusallıktan ayrılmanın neden oldu ğu aktarım bozulması tabana verilen küçük .bir durgun ak ımla minimuma indirilir. Bu durum Şek. 7-17 de açıklanmaktadır. Burada iki transistörün aktar ım belirtgenleri, birbirlerinin ters i şaretli kutuplarma kar şılık gelecek biçimde z ıt bölgelerde miştir. Tüm yükseltecin birle ştirilnıiş aktarım belirtgeni her e ğrinin orta-

212

YOKSELTEÇ DEVRELER İ

Ib 700 ınA 600

oor

Çalışma noktas ı 10

20

30

40

Vce , v

Toplayı cı tepe değeri

• Gerilim gezininı i Ş ekil 7-16. Toplay ıcı belirtgenlerinin maksimum bölgesi üzerinde salman gerilimleri alabilen B s ınıfı it-çek yükselteein çal ışma noktası .

lamasıd ır ve bu iki belirtgenin her birinden daha çok do ğrusaldır. Do ğrusal olmayan kısımlar özellikle transistörlerin her ikisinin de çal ıştığı başlangıç noktası yakınlarında birbirlerini yok ederler. Bu yok etme olay ı it-çek devresinin tek kattan olu ş an bir yükselteçten daha az bozulmu ş çıkış verece ği anlamın ı taşır. Özel Devreler Güç yükselteçlerinin frekans tepkisi transformatör belirtgenleriyle önemli bir biçimde smırlamr. Özellikle alçak-frekans tepkisi iyi bir biçimde elde edilmek istenirse büyük (ve pahalı) transformatörlere gerek duyulur. Bu ise sapt ırıcısığalardan kaçınılamadığından yüksek-frekansta zay ıf çalış maya neden olur. Çıkış transformatörünü kald ırarak bunun yerine küçük çıkış impedanslı yayıcı izleyici kurgu biçimi kullanılabilir ve geni ş bir frekans bölgesinde doyurucu çalış maya ulaşılabilir. Şekil 7-18 deki seçkin devre transistörlü kurgularda de ğiş en ş artlara uyabilirlirgi helirtilmektedir.

TEMEL ELEKTRON İK

10 -

213

üst transistör

9;

-

Taban iş areti akan*, A —1,0

-0,5

0,5

Birleşik aktarun belirtgeni

Alt transistör

10

ib

Şekil

7-17. İt-çek güç yükselteeinin birle ştirilmiş aktarım belirtgeni bile şen transistörlerinin her birininkinden daha do ğrusaldır, Bunu Şek. 7-14. de görülen tek transistör durumundaki ç ıkış-işaret altımımn genliği ve dalgabiçimini ile kar şılaştırımz.

Giriş katında yayıcısı topraklı Q ı transistörü tamamlay ıeı-simetrili Q2 ve Q3 transistör çiftine do ğrudan ba ğhdır. Bu çift, B smıfı çalışma için önbeslenmektedir ve daha önce Şek.6-24 deki tart ışmayla ilgili olarak her transistör giriş dalgasının bir yarısı için işaret olu şturur. Aktarım bozulmasmı minimuma indirgemek için Q2 ve Q3 e küçük- bir öngerilim verilir. Bu öngerilim, doğru öngerilimdai 1N536 silisyumlu diyor dun uçları arasındaki gerilimle sa ğlanır. Transistörün yayıcı direnci artan sicaklıkla açık olarak azalır. Aynı biçimde diyodun do ğru yön direnci de sıcaklıkla azalır ve bu nedenle de Q2 ve Q 3 taban öngerilimi küçülür. Bundan ötürü Q3 ve Q2 deki durgun ak ım sıcakhğa karşı dengelenir. .

Tamamlayıcı simetri çifti, çıkıştaki Q4 ve Q5 transistörlerine göre Darlington bağlantısındadır. Önceki bölümde belirtildi ği gibi bu ba ğlantı büyük akım kazancı oluşturur. Aktarımdaki bozulmayı minimuma indirmek için üzerindeki gerilimle küçük bir öngerilim veren 390-f2 luk direnç d ışında Q4 ve Q5 in ikisi de B sınıfı olarak çalışır. Q2 ve Q 3 ün geliştirdiği it-çek iş aretlerinin giriş

214


10 k52 T

100 kQ, —

--o —40 V

T---

Q,

6.8 kft

2N1924

17o İ

Q4 2N553

,

1N536.

C, 1600

Q3 2N696

Lı

F

100 kQ Q. Q,

25 bı F 18 kr!

2N553 RL 16

2N1924 h

ı 390

390

! I

ı

_ı

•

Şekil 7-18. Tek katlı it-çek yükselteci.

dalgabiçiminin değişen yarı-devirlerde Q4 ve Q5 i çalıştırdığına dikkat ediniz. Bu durum giri ş iş aretinin kare dalga oldu ğu varsayımıyla daha açıkca görülebilir. Girişteki kare dalganm pozitif yar ısında olduğunu varsayın ız. Bu durumda Q ı hemen hemen kesilimdedir. Öyleyse Q 3ve Q5 kesilimdeyken Q2 ve Q4 iletimdedir, çıkış işareti negatiftir ve C3 sığası RL üzerinden yüklenir. Değişen öteki yarı-devirde Q2ve Q4 kesilimde iken Q3 ve Q5 yük üzerinden C3 ş altır. Her çıkış transistörü birbirinden ba ğımsız olarak davrand ığı için bo devre, gerçekten tek ç ıkışlı B sınıfı bir it-çek kurgusudur. Şekil 7-19 da bir integre devre güç yükselteci belirtilmektedir. Devre, 58 dB lik bir kazanç ve —2— W l ık bir çıkış gücü oluşturmaktadır. Bölüm 5 de belirtildiği gibi tüm yükselteç küçük bir silisyum blok içine s ığdırılmıştır. Ş ekil 7-19a daki yükselteç devresi Q i ve Q2 den oluş an bir giriş fark yükseltecinden olu şmaktadır. Q2 ve Q i den çıkan işaretler Q 3 ve Q4 ü it-çek olarak beslemek için uygun fazdadırlar .Q 3 ve Q4 transistörleri Q 5 ve Q6 çıkış transistörlerine do ğrudan bağlıdırlar. 07 transistörü ayrı bir elemandır ve istenirse yükseltecin geri kalan kısmına ba ğlanır ya da at ılır.

TEMEL ELEKTRONIK

215

(a)

(b) Şekil 7-19. (a) CA 3020 integre yükselteç devresinin çizimi, (b) pratik bir güç yükselteci.

Rio ve R11 in birleşimi üç diyod ile birlikte giri ş devresi için sicaklikça den ' geleurniş gerilim düzenleyici oluşturmaktad ır. Doğru-öngerilinideki silisyum diyod üzerinde düşen gerilim 0,6 V oldu ğundan Q i ve Q2 için taban önge-

216


filimi 1,2 V ve toplayıcı öngerilimi 1,8 V tur. Bundan ba şka bu gerilim kaynaklarında sıcaklıkla oluşan gerilim de ğişimleri bu sıcaklıklarda transistör özelIiklerindeki de ğişimleri karşılayacak niteliktedir. R5 ve R7 dirençlerinin Q5 ve Q6 nin taban gerilimleri üzerinden Q i ve Q2 ye öngerilim sa ğladıklarına dikkat ediniz. Bundan ötürü, Q5 in taban öngerilimi diyelim s ıcaklık de ğişimi nedeniyle artarsa Q i in öngerilimi de artar. Bu ise Q3 ün tabanında bir gerilim düş mesi ve dolaylı olarak Q5 in öngeriliminde bir dü ş me oluşturur. Gerçekten gerçek değişim kısmen dengelenir. Bu tür geri-besleme, sıcaklık değişimlerinin ve bileşenlerin belirtgenlerindeki yava ş değişimlerin neden oldu ğu kaymalara karşı transistörlerin çal ışma noktalarmı kararlı kılar. Bu integre devreyi kullanarak yap ılan pratik bir güç yükselteci Şek.7-19b de görülmektedir. Bu ba ğlamada Q7 transistörü yüksek impedans giri şi için bir yayıcı izleyici olarak düzenlenmiştir ve 10—kQ luk gerilim bölücü de ğişken kazanç kontrolu yapar. Q2 nin tabanı 5—t/Y lik kondansatör üzerinden a.a. i ş aretleri için topraklanmış tır ve standard it-çek ç ıkış transformatörü Q5 ve Q6 yı yüke bağlar. Eğer tüm devre ayr ı bileşenlerden yap ılsaydı ne kadar sayıda bileş ene gerek duyulaca ğma ve integre devre yükselteç durumunda bu sayının ne kadar azalaca ğına dikkat ediniz.

AKORTLU YÜKSELTEÇLER Akortlu Çiftlenim Bir tek frekanstaki ya da yaln ızca bir dar şeritteki frekans i ş aretlerinin yükseltilmesine gerek duyulduğu zaman rezonans devreleri bir kat ın çıkışmı ondan sonraki kat ın girişine ba ğlar. Bölüm 3 de tart ışıldığı gibi paralel rezonans devrelerinin impedans ı rezonans durumunda çok büyüktür. Bundan ötürü bir akordu devre bir transistörlü yükseltecin yük impedans ı olduğu zaman rezonans frekans ında oldukça büyük bir kazanç elde edilir Gene akortlu bir yükselteç rezonans frekans ından uzak frekanstaki i ş aretleri dışarlar. Bu oldukça büyük bir üstünlüktür. Buna ek olarak devredeki sapt ırıcı sığalar rezonans devresine katıhrlar ve yüksek frekansh i şaretleri ş öntlemezler. _ Şekil 7-20 deki basit iki-kath transistörlü akortlu yükselteçte her transistörün çıkış yükü ve giriş devresinde paralel rezonans devreleri kullan ılmaktadır. Çiftlenim s ığacı C, bir kattan sonrakine i şaret ta şır. Her transistörün çalışma noktası standard yoldan belirlenir. C 1 , C,, C3 ve C4 akort konsandatörleri uygulamada ayarlanabilir biçimde yap ılır böylece devre her kattaki tüm saptırıcı sığaların etkisini de, içeren ayn ı rezonans frekansma getirilebilir. Akordu devreler rezonansta direnç gibi davramrlar ve bundan ötürü yükselteç daha önce geli ş tirilen yöntemlerle çözümlenebilir. Sapt ırıcı kondansatörler önemsiz olur fakat bu durumda ilgilenilen frekans için uygun h parametreleri kullan ılmalıdır, Rezonans frekans ından başka frekanslarda devre

217

TEMEL ELEKTRON İK

100 kc ı

100 kil Şekil 7-20. Iki-katl ı akortlu yükselteç.

çözünllemesi yapmak reaktans etkileri yüzünden daha kar ışık duruma gelir ama a4a. e ş değer devre yöntemi kullanılarak kısa yoldan incelenebilirler. 'Eğer tüm dört rezonans frekans ı aynı frekansa akortlan ırsa belirtgen tepki rezonans frekansmda daha keskin bir rezonans tepkisi olu şturur. İşaretlerden özel bir frekans yükseltilmek istendi ğinde böyle bir belirtgen daha kullanışhdır. Bundan ba şka her devre az farkl ı frekanslara akortlanabilir, bu durumda tepki belirtgeni tepesinde Şek.7-21 deki gibi bir düzlük olu şur. Bu Böl.4 de tartışılan modüleli sinüs dalgaya benzer bir frekans şeridinin yüksela

Toplam tepke

L,C,-Lz C2

3 C3.

L, C,

Ş ekil 7-21. Farklı frekanslara akortlu yükselteç bir ölçüde düz tepeli tepki belirtgenine sahiptir.

218


tilmesi mümkün olur. Böyle biraz farklı frekanslara akordu yükseltecin orta şerit kazanc ı, her katın maksimum yükseltmesi farkl ı frekanslarda olu ştuğundan tek-frekansl ı devreninkinden daha küçüktür.

L? ve L 3 aynı çekirdek üzerine sar ılırsa tepki belirtgeni iki-tepeli olabilir ve birinci ve ikinci sargılarm merkez frekans ına akortlanması durumunda bile Şek.7-21 deki düz-tepeli yakla şık tepkiyi oluşturabilir. Bu durum, sarımlar arasındaki kar şılıklı etkile şme nedeniyle olu şur ve bu duruma aşırı çiftlenim denir. Karşılıklı indüktans iki kangal arasındaki uzakhğı ayarlayarak de ğiş tirilir ve bu yolla frekans-tepki e ğrisi ya keskin tepeli ya da ba ğı] olarak düz-tepeli yapılabilir. Aşırı çiftlenim durumu biraz farkl ı frekanslara akortlu yükselteçten daha büyük orta- şerit kazancma sahip oldu ğundan özellikle kullam şhdır ve tepki eğrisinin kenarları daha dik olarak yükselir. Bu nedenle devre yükselt ıne şeridinin hemen dışındaki frekanslardaki i ş aretleri d ış arlar. I ş aret bir kattan yanındakine karşılıklı etkileşme yoluyla geçti ğinden artık çiftlenim kondansatürüne gerek kalmaz. Gerçekten L,C 2 ve L3C3 birleşimine akortlu transforrnatör olarak bak ılabilir. Nötürleştirme Birçok transistörlerde toplay ıcı-eklem sığası toplayıcı ve taban aras ında istenıneyen bir geri-beslemeye neden olacak kadar büyük olur. Yüksek frekanslarda sığasal reaktans küçülür ve yükselteç titre şime geçer. Çünkü yükseltilmi ş toplayıcı işareti girişe geri döner ve burada yeniden yükseltilir ve durum böylece tekrarlamr. Bu olay olu ştuğu zaman devre kullan ışsız bir yükselteç olur. Toplayıcı sığasuun etkisi geribesleme s ığasıyla oluşturulan büyüklükte bir işareti tabana vererek nötürleştirebilir ama bunlar 180° faz d ışı olmalıdır ancak bu durumda iki geribesleme i şareti birbirini yok eder. Bunu ba şarılı yapan bir teknik Şek.7-22 de belirtilmektedir. Burada ç ıkış iş aretinin bir kısmı C„ nötürle ştirme kondansatörü arac ılığıyla girişe geri verilir. Geri dönen işaretin geni şliği C„ değeriyle oldu ğu kadar Cp sığası ve seri bağlı küçük L, indüktanslarmın bağa] de ğerleriyle belirlenir. Geri dönen i ş aret toplay ıcı sığası yüzünden 180° faz d ışıdır, çünkü seri indüktans ile devreye indüksel bir faz kayması sokulmuştur. Ba şka devre düzenleni şleri de kullan ılabilir. Transistör yapımında toplayıcı sığasuu minimuma indirmek için her çeşit çaba gösterilir, bu yüzden nötürle ştirme gereksiz olabilir. Akıtıcı-geçit sığası yüzünden alan-etkili transistörlerde de buna benzer etkiler oluş ur. MOYAET ün akıtıcı-geçit sığasıtun büyüklüğü, kontrol geçidi ve akitleı arasına ikinci bir geçit yerle ştirınekle istenilen biçimde azalt ılabilir, Ş ek.7-23, böylece nötürle ştirıne gereksiz olur. A.a. i ş aretleri için perdeleme oluşturma bakımından ikinci geçit topraklan ır.

219

TEMEL ELEKTRONIK

CiL

Şekil 7-22. Çıkış devresinden gelerek C n üzerinden geri dönen i şaret aracılığıyla toplay ıcı -taban sığasının etkisi nötürle ştirilir.

+15 V Şekil 7 23. İ ki geçitli MOYAET yükselteci. -

Transistörlü yükselteçlerde tabanı topraklı, düzenleme ile de geribesleme etkisi ortadan kaldırılabilir, Şek.7-24. Bu devrede toplay ıel-yayıel sığası çok küçük olduğundan nötürleştirme gereksizdir. Bundan ba şka tabanı toprakl ı kurgunun h parametreleri ba ğı! olarak frekanstan ba ğnnsızdır, bu yüzden cc-kesilim frekans ına yakın frekanslarda transistör kullan ışlı bir yükselteçtir. Tabanı topraklı katın alçak giri ş impedansı , akordu transformatör kullan-

220

YÜKSELİ EÇ DEVRE,LERİ

Şekil 7-24. Tabanı topraklı akortlu yiikselteç.

makia uyuşumlu duruma getirilebilir. L2 yalnı zca birkaç sar ımlıdır ve genellikle transformatörün ikinci sargilar ında rezonans sa ğlamanın bir üstünlüğü yoktur. Ş ekil 7-24 deki devrede toplay ı cı , L 3 C 3 rezonans devresine indüktansm ortasından bağlanmıştı r. Bu resonans. devresi üzerindeki transistör ç ıkış impedans ını n rezonans devresi üzerine yüklenmesini azaltt ığuadan Q yü artırı r ve rezonans e ğrisini daha keskin yapar. Bundan ba şka rezonans s ığasını belirlemede toplayıcı s ığası çok daha az etkin olur. Toplay ıcı sığ ası sı cakhkla de ğiştiğinden bu olay önemlidir. E ğer toplayıcı tüm rezonans devresi üzerine ba . ğlanırsa toplay ıcı sığası akort s ığası C 3 ile paralel duruma girer ve rezonans frekans ı s ı c.aklıkla de ğiş ir.

PULS YÜKSELTEÇLER İ Kare dalga gibi bir gerilim düzeyinden ba şka bir düzeye çabukça de ğişen bir senden olu şan iş aretler de sinüsel dalgabiçinderi kadar önemlidir. Böyle pulslu dalgabiçimleri Fourier çözümleme yöntemi kullanarak sinüsel harmonik bileşenlerine çevrilebil ınekle birlikte onlar ı kendi durumlarında incelemek daha uygundur, Ideal puls yükselteçleri puls biçiminde hiç bir de ğişiklik yapmadan yalnızca genli ği yükseltir, pratik devrelerle bu çal ış ma biçimine yaklaşılabilir.

Yükselme Süresi Puls yükshlteçlerinin önemli belirtgenleri kazanç, frekans tepkisi, kararl ılık ve bozulma daha önce tart ışılan alışılmış yükselteçlerinkine benzer. Özellikle frekans tepkisinin önemini belirlemek için Ş ek.7-25 de görülen ideal karesel p ı llsları ve bunun pratik bir yük.selteçten geçmesiyle sonuçlanan ideal olma-

TEMEL ELEKTRONİK

V 0,9 V

221

Egilme

Düşünsel kare dalga atı m 0,1 V 0

Şekil 7-25. ideal karesel gerilim pulsuyla yükseltilmi ş ve ideal olmayan pulsun kar şılaatuılması.

yan puls biçimini düşünün. Yükseltilmi ş pulslarm aniden maksimum de ğerine yükselemediğine dikkat edin. Bu durum yükseltecin yüksek-frekans kesilimin.de şönt sığasunn neden oldu ğu bir sonuçtur. Transistörlü ya da vakum tüplü tek katlı bir yükselteç durumunu dü şününüz. Bu durum Ş ek.7-26 daki giri ş devresiyle temsil edilebilir, burada C s toplam şönt sığasım ( Şek.7-6 ile kar şılaştır), Ri giriş impedansını ve Rs önceki kat ın impedans ını göstermektedir. 0 anında başlayan karesel gerilim pulsu v i nin neden olduğu vg çıkış geriliminin dalga biçimi Böl2de belirlenen geçici ak ımların devre çözümlenmesi tekniğiyle bulunur.

Şekil 7-26.

Denklem (2-59) a göre ç ıkış işareti,

Cs 1 I R8+1 I Ri

(7-8)

ile verilen devre zaman sabitiyle üstel olarak artar. Pulsun yükselen kenarında bozulmay ı minimınna indirmek için zaman sabitinin mümkün oldu ğu kadar küçük yapılması istenir. Giriş atımının sonunda, ç ıkış iş aretinin s ıfıra do ğru üstel olarak bozulması da devrenin zaman sabitiyle belirlenir. Bununla birlikte pulsuu sonunda bundan önceki kat ın tamamiyle kesilime uğradığı/il bu yüzden R8 nin yeterince

222

YÜKSELTE Ç DEVRELERI

büyümesi sonucu Denk.(7-8) de R, ile ilgili terimin atılabileceğine dikkat ediniz. Bu, puls dalgabiçiminin yükselen kenar ı ile alçalan kenarımn farklı zaman sabitlerine sahip oldu ğu anlamını taşır ve yükselme süresi genellikle daha çabuk geçer. Bu farkl ılık ekle ın transistörlü puls yükselteçlerinde minimuma indirilir çünkü bu transistörlerin alçak giri ş impedansı Denk.(7-8) de önemli olmaktadır. Şekil 7-25 de belirtildi ği gibi bir pulsun tepe değerinin Yüzde 10 undan yüzde 90' ına kadar yükselmesi için gereken zaman ı yükselme süresi t r olarak tanımlamak kolaylıklar Sa ğlar, t, için kullanışlı olan yaklaşık bir ifade Denk. (2-59) dan L_e-ir/T (7-9) ifadesiyle elde edilir. Buradan t, yi çözer ve Denk. (2-46) dan yükseltecin yüksek frekans kesilim ş artını , 2:7rfo -= 1 /T, araya sokarak ln 10 2 n fo

1 3 fo

(7-10)

bulunur. Denklem (7-10) a göre e ğer pulsun yükselme süresi kısa ise bu pulsu yükseltmek için iyi yüksek frekans tepkisi olan bir yükseltece gerek duyulur. Örneğin, eğer pulsun yükselme süresi 1 p.s ise yükseltecin şerit-genişliği 370 kHz'e kadar uzanmand ır. Sırası gelnüşken çok katlı yiikselteçlerin şerit-geniş liginin herhangi bir tek kat ınkinden daha dar oldu ğunun hatırlanması yerinde olur. Eğilme Pulsun bozulması nı n ikinci bir çeş idi de Şek. 7-25 de görüldü ğü gibi pulsun-sabit tepe de ğerinden ayrılmasıdır, sabit de ğerden ayrılmayı gösterdi ği için buna eğilme denir. E ğilıne yükseltecin alçak-frekans kesiliminin bir sonucudur. Gereçkten puls uzunlu ğ u kısa süreli bir d.a. i ş aretini gösterir. Bundan ötürü Ş ek. 7-27 deki tek-katl ı uygun e şdeğer devre Ş ek. 7--3 de oldu ğu gibi C, katlararası çi.ftlenim s ığasını içermektedir. Bu yüksek frekan şları geçiren bir süzgeçtir ve geçici gerilim, zaman sabiti (7-11) T = (Ri -H Rs) Cc olan üstel bir dalga biçimidir. Aç ıkça anlaşıldığı üzere puls siirecince ç ıkış geriliminin miniınum bozulmas ı için devrenin, zaman sabiti uzun olmal ıdır. Bu da büyük de ğerli bir C„ nin gerekli oldu ğu anlamına gelir. -

c,

D

Şekil 2 27. -

TEMEL ELEKTRON İ K

223

Birçok uygulamalarda e ğilme kiiçüktür, bu yüzden üstel terim. geri. aç ı lımmın ilk iki terimiyle, Vg

t

Vi (1

yazılabilir. Böylece t,, puls süresinin sonunda P

p =

tw

Z,Vg

vi

(7-12) /\v g /vi olan e ğilme yüzdesi (7-13)

olur. 2 '2./ fo = 1 f-t° alçak-frekans kesilicainin tan ımıyla Denk. (7-13) de tw

P =

2 2-ı fo

(7-14)

bulunur. Uzun bir pulsun alçak-frekans tepkisi için en iyi olan bir yükseltecin gerekli oldu ğuna dikkat . ediniz. Örneğin, eğilme bozulması= yüzde 1 den az olması gerektiğini varsay ını z. O zaman 1 iris ilk pulsları yükseltecek bir yükseltecin alçak kesilim frekans ı 1,6 Hz e kadar a şağı frekanslara inmelidir. Bu iki bölümün sonuçlar ı , yükelteçlerin tepki belirgenlerini belirlemek için kolay bir teknik getirmektedir. Giri şe bir kare dalga uygulan ır ve çıkış dalgabiçimi osiloskopta gözlenir. Kare-dalgan ın frekansı, çıkış dalgabiçiminden ölçülebilir bir e ğilme elde edilinceye dek küçültülür ve Denk. (7-14) kullanılarak alçak frekans kesilimi belirlenir. Buna benzer biçimde yükseltilmi ş pulsun yükselme süresi osiloskopta gözleninceye dek kare-dalgan ın frekans ı yükseltilir ve Denk. (7-10) yard ımıyla yükseltecin yüksek-frekans kesilim. bulunur. Şüphesiz kare-dalga i şaret üretecinin ve osikloskobun tepki belirgenlerinin oldukça iyi olduklar ını varsayıyoruz, yani bunlar ın pulsa getirece ği bozulmaları önemsemiyoruz. Böyle bir kare-dalga stnarrıası varsayılan en iyi tepkiyi elde edecek biçimde yükselteçleri ayarlamada özel yararlar Sa ğlar. Çünkü herhangi bir de ğişim çıkıştaki pulsun dalgabiçiminde hemen gözükür. Bu teknik yorucu biçimde yinelenmelerle siniis-dalga frekans-tepki belirtgenlerinin hesaplar ını gereksiz kılar. Kare-dalga frekans ı ve yükseltecin kesilim frekans ı= bağıl değerlerine bağlı olarak Şek. 2-28 ve 2-30 daki dalgabiçimlerine s ık sık rastlanır. D.A. YÜKSELTEÇLERİ Frekans sıfır olduğunda birleştirici kondansatörlerin reaktanslarm ın sonsuz olmaları yüzünden buraya kadar tart ışılan yükselteç devrelerinin d a i şaretleri için kazançları sıfırdır. d.a. ya da çok yava ş değişen işaretlerin yükseltilmesi birle ştirici kondansatörlerin tüm olarak kald ırılmasıyla yapılır. Böyle bir doğrudan bağlı yiikselteci d.a. tepkisine ek olarak yüksek frekansta çal ışması da geliştirilir. Bu olgu çiftlenim devrelerine e şlik eden saptırıcı sığalar yok edilmiş olduğundan kendili ğinden ortaya çıkar.

221

YOKSFI.TR: DEVRELERI

Daha önce tart ışılan Darlington ba ğlantısı iki-katlı temel bir d.a. yükseltecidir. Fakat büyük gerilim kazanc ı değerlerine ula ş mak için daha dikkatli hazırlanmış devrelere ihtiyaç vard ır. Örne ğin, Şek. 7-28 deki üç-katl ı direk bağlı yükselteci diisünün. Bu devre, bir ALT lü giri ş katıyla birlikte yarc ısı-toprakh iki transistör içermektedir. Yay ıcısı -toprakh iki katta ta ınamlayıel simettri kullanıldığına ve bunun her kattaki d.a. gerilim düzeylerini uygun de ğerlerde tuttu ğuna dikkat ediniz. Böyle•pe ş peş e ekli d.a. yükselteçlerindeki büyük güçlük, zaman ya da s ıcaklıkla transistör belirtgenlerindeki küçük de ğişimlerin o -4-16 V 3,6 k Q 4,3 ki.).

7,5 k Q 820

-7, 20 /.1.F

2N4402

2N4400

-J 7 50Q 3,3 20 1...ı F

2 kil

Şekil 7 - 28. t ız katlı d.a. yükselteci.

ve besleme gerilimlerindeki de ğişimlerin neden oldu ğu kaymadır. Çünkü girişteki herhangi bir küçük de ğişim yükselteçteki pe ş peşe katlarda yükseltiltrıekte dir. Doğrudan ba ğlı yükselteçlerin durgun çal ış ma noktasını kararlı kılınak genellikle izlenen kullan ışlı bir yoldur. Bu i ş , çıkış geriliminin bir kısmını girişe, kaymayı yerine getirecek biçimde geri veren bir yöntemle yap ılır. Bu kararlılık Şek. 7-29 da giriş transistörüne öngerilim sa ğlayan R İ direncinin konulmasıyla ba ş ardmıştı r. ikinci kattaki VE yayıcı gerilimi herhangi bir nedenle artarsa buna ba ğlı olarak birinci kat ın taban ak ımının da artaca ğına dikkat ediniz. Bu durum ise ikinci transistörün taban ak ımmda bir azalmaya neden olur. Bu azalma da VE yi ilk değerine döndürıne eğilimindedir. R ı in kararl ı kuma etkisi, Şek. 6-13b ye benzeyen biçimde, giri ş katmın ta-

225

TEMEL ELEKTRONIK

--o +18 V

r'

15 kf2 47 I
2N 1613

2N1613 2N1613

100

R 500 kS2

I VE

1 kS2 1 0 K2

5 kSt

'700 p F

0

Şekil 7 - 29. Doğrudan ba ğlı a.a. yükselteci.

ban devresinin e ş değer devresiyle en iyi biçimde incelenebilir. E ş de ğer devre etrafındaki gerilim dü şmeleri VE

R ı R2 b

Rı + R2

V be = o

dir, burada V be yayı cı -taban gerilimidir. Bunun VE için çözümü Rı V be (7-15) -) ± R ii b R2 olur. Şimdi Vb, bir ölçüde sabit bir ııiceliktir. E ğer devre, Denk. (7-15) deki birinci terim ikinciden çok daha büyük olacak biçimde düzenlenirse VE sabit olur ve yükselteç kararl ı duruma getirilmi ş olur. Denklem (7-15) ye göre VE nin hesaplanmasmdan sonra her transistördeki ak ımlar transistörlerin belirtgenlerinden hesaplanabilir ve yükseltecin durgun çal ış ma noktası tam olarak belirlenebilir. VE = (1

,

Bununla birlikte kaymaya kar şı kararlı duruma getirilen yükseltecin d.a. işaretlerin cevap vermeyece ğine dikkat ediniz. E ğer Denk. (7-15) deki ikinci terim atılırsa bir Ib giriş iş areti VE de herhangi bir de ğişime neden olmaz, böylece çıkış iş areti sıfır olur. Fakat 100 ş F lık kon.dausatör V E yi kısa devre yaptığı için a.a. i ş aretleri için hiçbir i ş aret girişe dönmez, bundan ötürü devre etkin bir a.a. yükselteci olur. Aygıt belirtgenlerindeki ve öngerilimlerindeki de ğişimlerin neden oldu ğu kaymalar. Şek. 7-30 da görülen dengelenmiş fark yükselteciyle minimuma indirilir. Devrenin bir yan ında oluşan değişimler öteki yandaki benzer de ğişimlerle giderilir. Bundan ba şka, giriş işareti sıfır olduğunda çıkış uçları aynı gerilimde olurlar. Ş ekil 7-30 un Ş ok. 5-29a ve Şek. 6--22 ye benzrli ğine dikkat ediniz.

226

,YeKSELTEC:, DEVRELERI

+15 V M2

270 kf2

270 kil ;

Ç ık ış

100

Giri ş

100 4

68 K2

o 15 V Şekil 7-30. Fark yuk şelteel dengeli bir d.e. ylikseltecidir. Q3 traıısitörü, kayma yatk ınlığım daha da azaltmak için fark-yükseltecine sabit ak ımlı kaynak sa ğlamak amacıyla kullanılır. Bundan ba şka Q3 ün temel olarak 1 lhoe ye eşit olan a.a. toplay ıcı impedansı çok büyüktür ve bu Denk. (6-56) ya göre devrenin simetrisizlik etkisini oldukça azalt ır. Bu durum büyük yayıcı direncindeu daha uygundur, çünkü Q, üzerinde dü şen gerilim 1 lhoe direnci üzerinde düş enden çok daha küçüktür. Q 1 ve Q3 nin taban öngerilimleri için kullan ılan dirençlerin birbirlerinin toplay ıcılarma bağlandığma dikkat ediniz. Bu ba ğlantı biçimi, kazancı azaltmaks ızın çalışma noktas ının kararlılığını sa ğlamaya yöneliktir, çünkü herhangi bir giri ş iş aretine cevap olarak toplayıcı gerilimleri z ıt yönde değişir.

Fark yükseltecinin ç ıkış işareti, Denk. (6-51) in kullan ılmasıyla vo = gen RL (v 2 -- v i )

(7-16)

olarak bulunur. Do ğrultucu eşitliği olan Denk. (5-4) ü kullanarak transistörün aktarım-iletkenliğini elde etmek üğreticilik bakımından uygun olur.

dIe

dVe — o:

dVe

—

cce kT

/0e eve iia"

o:e kT

/e

Bu devre dengelenmi ştir ve 21, = / 3 tür. Buna göre ç ıkış iş areti

(7-17)

227

TEMEL ELEKTRON İK

vo —

ae 2 kT

(7-18)

13 RL (v2 — v i)

olarak bulunur. Denklem (7-18) e göre yükseltecin kazanc ı Q 3 deki akunla belirlenir. Bu akım da Q 3 üzerindeki taban öngerilimiyle belirlenir ve gerekirse kazanç ihtiyacına göre uygun biçimde ayarlanabilir. Fark yükseltecinin dengesi ve kararl ılığı büyük değerde yükseltme yapmak için birçok katlarm pe ş peşe eklenmesiyle bozulmaz. Bu durum gelecek bölümde işlenecektir. Yararlı bir d a milivoltmetre olu şturan iki-katlı pratik bir yükselteç ,Sek. 7-31 de gösterilmi ştir. AET katın', yayıcısı-topraklı bir transistör kat ı izlemektedir. AET lü yükselteç büyük giri ş impedansı oluşturur ve 2N726 yayım transistörü ve 651-C4 zener diyodu ile gerilim de ğişmelerine karşı ve aynı zamanda taban öngerilim devresindeki 1N461 diyodu ile de s ıcaklık değişimlerine karşı kararlıdır. Tüm yükseltecin kazanc ı 50 x 10-3 V luk giriş işareti için ölçek üzerinde tam sapma olacak biçimdedir. Buna göre e şdeğer duyarlık' 40 NIS2 / V dur. Bunun yanında bu devre (50 x 10 -3) / (2 x 106) = 25 nA tam-ölçek sapmah bir miliampermetro olarak da dü şünülebilir. 50 11

2N2497

2N2497

Şekil 7-31. Dengeli AET'lü milivoltraetre

228

Y OKSELTEÇ DFNREI.Eki

Kesici Yükselteçler Doğrudan ba ğlı yükselteçlerin yap ı sında var olan kayma ve karars ızlığı ortadan kaldırmak için d.a. giri ş iş aretini a.a. gerilimine çevirerek a.a. çiftlanin ıli standard bir devre ile yükseltmek yararl ı olur. Bundan sonra, yükseltilen d.a. giriş işaretini yeniden elde etmek için yükseltecin ç ıkış iş areti do ğrultulur a.a. çiftlenimli yükelteçlerin oldukça iyi olan kararl ılık iirellihleri d.a. yükselteçlerinden daha büyük kazançlar sa ğlar. Bir d.a. gerilimini a.a. i ş aretine çevirme= kolay yolu mekanik kesici kullanmaktır. Bu iş sek. 7-32 de görülen elektromagnet arac ılığıyla çalış an çabukça titre ştirilen anahtarla yap ılır. Anahtar alternatif olarak aç ılıp kapa0,1 Rf R,

1 M S-2

1

10 k

Cf 10 kS-2

Vo

10 nf

Şekil 7-32. d.a. giri ş gerilimini a.a. iş aretine çevirmek için elektromagnetik olarak çal ıştırılan bir anahtar kullanarak yap ılan kesici yiikselteç.

ıurken genli ği d.a. iş aretinkine e şit olan bir kare dalga olu ş turulur. Kare dalganın frekans ı kesme frekans ına karşılık gelir, bu frekans ço ğu kez kesicinin ş ehir gerilimiyle çalıştırdması uygun oldu ğu için 60 Hz dir. Yükseltilmiş a.a. çıkış işareti Şek. 4-31 dekiıae benzer bir tepe-okuyucu voltmetre devre siyle d.a. i ş aretine çevrilir. Çok alçak düzeydeki d.a. i ş aretleri için kesici yükselteelerin duyarl ığı anahtarlarna iletim durumlar ındaki gürültü etkisiyle s ınırlanır. Mekanik kesici, anahtar kapal ı iken çok küçük ve aç ı k iken çok büyük dirence sahip olması nedeniyle oldukça etkin bir kesicidir. Gerçekten şek. 7-32 deki Rs direnciyle seri ba ğlı olan kesici direnci, gerilimi alternatif olarak bölen bir cihaz ı temsil etmektedir. Anahtarna aç ılma ve kapanmas ı= neden oldu ğu bölme oranında büyük bir de ğiş me, giri ş iş areti çok zay ıf olsa bile dokunmadan ileri gelen gürültü etkilerini a ş abilece ği anlamı nı taşımaktad ır. Birçok uygulamalarda, kesici yükselteçlerin giri ş teki iş aret de ğişikliklerini do ğru olarak yans ıtması istenir. Temel kural olarak bir kesici yükseltecin üst frekans limiti, kesme frekansm ın dörtte-biri kadard ır. Ara s ıra 400-Hz lik birimler kullanılmasına ra ğmen mekanik kesiciler 60-Hz de sm ırlanmıştır. Yüksek kesme frekans ı mekanik kesiciler elde etmek için çe şitli devrelerde diyodlar, transistörler ve ışığa duyarlı iletkenlerden v.b.'den olu ş an ve mekanik olmayan kesiciler kullanılır.

TEMEL ELEKTRONEK

229

Örneğin bir kare-dalga arac ılığıyla alternatif olarak kesilim ve doyuma sürülen bir MOYAET lü kesiciyi Şek. 7-32 ye yele ştirmek mümkündür. Daha doyurucu bir yaklaşım Şek. 7-33 de görülen integre-devre MOYAET lü kesicidir. Burada Q 1 ve Q2 giriş gerilimi bölücüsüniin iki elemamdır. Q3, Qi e uygulanan kesici iş aretin faz ını 180° kaydırma görevini üslenir, böylece Q2 iletimde iken Q 1 kesilimde olur ve hemen sonra bu durumun tersi olu şur. Giriş gerilimi bölücüsünün her iki kolu da aynı anda değiştiğinden kesme işlemi artar.

yo

Şekil 7-33, Integre devre MOYAET kesici.

Kesici yükselteçlerin en büyük üstünlü ğü, bunlarda iç giirültünün çok alçak olması ve böylece çok küçük de olsa giri ş işaretlerinin yükseltilebilmeleridir. Böl. 10 da tartışılacağı gibi rastgele gürültü etkilerinin neden oldu ğu girişim, yükseltecin şerit geni şliği ile orant ılıdır, bundan ötürü mümkün olan en dar şerit genişliğinde yükselticiler kullanmak yarar sa ğlar. Kesici yükselteç durumunda etkin şerit genişliğini tepe okuyucu voltmetrenin RC çıkış süzgecinin frekans belirgeni belirtir. Gerçekten tüm şerit genlişliği, d a (sıfır Hz) dan 1 12nRC ye kadar olan frekans aral ığına eşittir. E ğer, örne ğin RC zaman sabiti 108 ise etkin şerit genlişliği 0,016 Hz gibi gerçekten çok küçük bir de ğerdir. Re zaman sabiti lOs olduğunda çıkış işaretinin son değerine ula ş ması için kuşkusuz yakla şık olarak 30s lik bir zaman aral ığına ihtiyaç vardır. Bundan ötürü yükselteç, giri ş iş aretinin yalnızca de ğişimlerine çok yavaş cevap verir. Şerit genişliğiyle tepki aras ındaki bu terslik bütün ölçüm sistemlerinin genel bir özelliğidir. Basit bir kesici yükselteç çal ışırken karşılaşılan güçlük, çıkış işaretinin giriş iş aretinin kittuplulu ğundan bağımsız olmasıdır. Bu bir a.a. yükseltecinin giriş geriliminin her iki kutuplulu ğu için de bir a.a. ç ıkış iş areti oluşturması

230

YOKSELTEÇ DEVRELERI

nedeninden ileri gelmektedir. Kesici yükselteçlerdeki bu kusur ikinci bir de ğmeyle çıkış doğrultarak giderilir, Şek. 7-34. Mekanik kesici A ve B de ğme noktalarını alternatif olarak kapat ırken giri ş iş areti kare dalgaya çevirilir (bak Şek. 7-35a ve b) ve sonra yükseltilmi ş a.a. işareti, Şek. 7-25c d.a. iş aretine çevrilir Şek. 7-35 d ve e.

Şekil 7-34. E şzamanlı bir kesici yükselteç giri ş işaretinin kutupluluğunu korur.

Şekil 7-35 deki dalgabiçimlerinin kar şılaştırdması vi pozitif ise v o m da pozitif oldu ğunu göstermektedir. Buna benzer olarak e ğer giriş işareti negatif ise çıkış da negatif olacakt ır. Bu eşzamanlı doğrultucunun elektronik bir biçimi gelecek kesimde incelenecektir.

I ç-Kentli Yükselteç Eşzamanlı kesici yükseltecin ilkeleri cihaz!" sistemlerde çok rastlanan bir elektronik devrede kullanılmaktadır. Şekil 7-36 de belirlenen böyle bir devrede giriş iş aretini yükseltece uygun bir biçime çevirmek için bir modülatör diyodu ve giriş işaretinin yükseltilmiş biçimini ayırmak için de bir demodülatör diyodu. kullanılmaktad ır. Genel olsun diye giri ş iş aretinin çok yavaş değişen bir iş aret oldu ğunu düşünelim; eğer d.a. iş areti önemli ise giri ş transformatörünün yerine ortas ı-uçlu bir direnç kullan ılabilir. Giriş devresi Böl. 4 de tart ışılan teknikler kullanılarak çözümlenebilir. Diyod belirtgenlerinin ikinci dereceden bir ifadeyle gösterilebilece ği varsayılu.sa Denk. (4-16) dan D İ diyodu içindeki akım

i l = a ıv(t)

a l V2 sinco2t

a2 v2 (t)

a2 V22 sin2w2t -I- 2 a2v(t) V2 sin oı,t

(7-19)

olarak bulunur. Burada a l ve a2 diyod belirtgenleriyle ilgili sabitlerdir. v 2 = V2sinw2t kesme işaretine kar şılık gelir ve v(t) ise giri ş işaretidir. E şdeğer bir ifade D2 diyodu için yaz ıhr, yalnız bu durumda v(t) nin kutuplulu ğu: v, ye göre terstir. Yilkseltece uygulanan gerilim i ş areti va =

R (i i - i2)

(7-20)

231

TEMEL ELEKTRONIK

O

t

(a)

v, O

A

A

A

A t

(b)

V3

v

IffiwomMO

.1■0•1•••■■■■1

2

0 (d)

a v 2

0

t (e)

Şekil 7-35. Eşzamanlı kesici yükselteçte dalga biçimleri.

dir. D2 içindeki v (t) nin ters kutuplu olmas ı nedeniyle i l ve i2 nin birbirinden çıkarılması işleminde birçok terim birbirini gütürür. Sonuç olarak va = 2Ra i v(t)

4Ra2 v(t) V2 sinw2t

(7-21)

bulunur. Denklem (7-21) deki birinci terim yükselteç taraf ından geçirilmez çünkü co2, v (t) ile ilgili frekans bile ş enlerinin her birinden çok daha büyük varsayılmaktadır. İkinci terimin aı2 frekanslı modüle edilmiş bir siniis dalgası olduğuna dikkat ediniz. Bu dalganın genliğindeki değişimler giriş işaretine karşılık gelmektedir.

232

Y ÜKSELTEÇ DEVRELERI

Şekil 7-36. Eşzamanlı elektronik kesici yükselteç.

Bir an için C konda ıasatörlerini görmezlikten. gelip Denk. (4-16) y ı kullanarak D 3 içindeki akımı yeniden hesaplarsak i3

b+a V2sina 2t+ a2v 2 b

a2 V22 sin2w2t -F 2 a,v b V2sino.) 2t

(7-22)

buluruz. D 4 içindeki akım da, v2 ye göre v b nin kutupluluğunun ters çevrilmesi dışında benzer biçimde olacakt ır. Sonuç olarak ç ıkış gerilimi,

vo =R (i 3--i4) =2a I Rv b+ 16a22kR2v(t) V, 2 sin2w2 t

(7-23)

olur. Burada standard 2 sin 2aıt = 1 — cos2aıt özde şliği kullamhrsa 2a İ R vb 4- 8a2,kR2 V2,v(t) (1.—cos2w„t)

(7-24)

bulunur. Süzgeç kondansatörleri yüksek-frekat ısh terimleri, w 2 ve 2eı, yi yok eder. Bundan ötürü süzülmü ş çıkış iş areti basit olarak

v o = 8a,2kR2 V,2 v(t)

(7-25)

olur. Denklem (7-25)e göre ç ı kış gerilimi, giri ş geriliminin yükseltilmiş bir tekrarıdır. Yükselteein yükseltme şeridi, gürültü etkilerini minimuma indirmek için w2 de rahatlıkla tepeleştirilir. Aslında çıkış süzgeç devresi, etkin ş erit geniş liğini kesici yükselteçte oldu ğu gibi belirler ve böylece çok alçak-gürültülü çalışma mümkün olur. Cihazla uygulamalarda ilk modülasyonu, ölçülen fiziksel niceli ğe eşlik edecek biçimde olu şturma ço ğu kez mümkündür. Örne ğin, bir kırmızı ötesi spektrometresinin k ırmızı ötesi işim, kırmızı ötesi detektöre varmadan önce dönen bir kapayıeı aracılığıyla kesilir. Detektörden gelen yükseltilmi ş iş aret şek.7-36 ya benzer bir devre ile demodüle edilir Burada, dönen • kapay ıcının

TEMEL ELEKTRON İK

233

milinden alınan p2 gerilimi kullanılır. Devrenin alçak gürültülü çal ışması oldukça zayıf kırmızı ötesi iş aretlerinin detekte edilmesi mümkündür. Bu biçimdeki devreye al ışıldığı üzere iç-kenedi yükselteç denir. Çünkü detektör, giri ş iş areti adımında kilitlenir. Devrenin, giri ş işaretinin faz ını da detekte edebilmesi nedeniyle sisteme ayın zamanda faz duyarlı detektör de denir.

KAYNAKLAR E.J.Angelo, Jr: "Electronic Circuits", McGraw-Hill Book Company, New York, 1964. Edwin R.Jones: "Solid-State Electronics," Intext Educational Publishers Scranton, Penn., 1974. Jack J.Studer: "Electronics Circuits and Iustrumentation Systems," John Wiley & Sons, Inc., New York, 1963.

ALIŞTIRMALAR 7-1. Şekil 7-1 deki iki-katl ı transistörlü yükseltecin frekans-tepki belirtgenlerini çizin Ç ıkış direncinin 5000 Q oldu ğunu varsayın. Q i için ortak-tabanlı h pargmetreleri hi b =50 Q, hr b =300 X 10-6, hfb =-0,99, ki) =0,2 X 10-6 mho; Q2 için ise: 141) =11 Q, hr b =600 X 10-6, hf b =-0,99, hob =0,72 X 10-6 mho dur. Ci +C3 =50 pF ve C2 =8 pF varsayın.

7-2. Şekil 7-8 deki AET lü yükseltecin orta- şerit ve yüksek-frekans tepkilerini çizin. Bunları indüktansı olmayan yükseltecin tepkileriyle kar şılaştım. C +C3 =10 pF ve gm =8 x 10-3 mho olduğunu varsayın.

7-3. Şekil 7-9 daki tra.nsistörlü yükseltecin alçak-frekans tepkisini çizin Bunu, R3 ve C3 ü çıkarılmış yükseltecin tepkisiyle kar şılaştım'. Alıştırma 6-6 da verilen h parametrelerinin de ğerlerini kullanın.

7-4. Şekil 7-11 deki güç yükseltecini dü şünüp, Şekil 7-12 deki belirtgen e ğrileri kullanarak 5, 10, 20 ve 40 S) luk yük dirençleri için maksimum ç ıkış gücünü hesaplaym. Her yük için güç verimin hesaplaym. Cev : 0,08, 0,05, 0,025, 0,013 W; 0,41, 0,25, 0,13, 0,06.

7-5. Alıştırma 7-4 de çalışılan güç yükseltecinin dinamik aktar ım belirtgenini her yük direnci için çizin. Minimum bozulma hangi yük için olur? Cev : 5 Q.

7-6. 2N1415 tipi transistör kullan ılarak yapılan B sınıfı it-çek güç yükseltecinde çıkış gücü 0,3 W ve Vcc = 6V ise gerekli olan yans ımış yük impedans ı R'L yi hesaplaym. Cev : 60 Q.

234

YÜKSELTEÇ DEVRELERİ

7-7. Alıştırma 7-6 Baki yükseltecin birle şik aktarım belirtgenini çizin. E ğer her transistör 0,2 mA lik durgun taban ak ımıyla besleniyorsa aynı çizimi yeniden yapın.

7-8. Şekil 7-20 deki transistörlü akortlu yükseltecin e ş değer devresini çizin. Akortlu devrenin reaktans ının rezonansta sonsuz oldu ğunu varsayarak tepe kazancım hesapları'. Alıştı rma 6-6 da verilen h parametrelerini kullan ın. Cev : 3,7 x 10 5 .

7-9. Şekil 7-23 deki MOYAET lü akortlu yükseltecin e ş değer devresini çizin. Akortlu devrelerin reaktanslaruun rezonansta sonsuz oldu ğunu varsayarak tepe kazanc ım. hesaplayın. gm =9500 tı, mho, rd =5 X 10 5 ,Q alın. Cev : 4,75 x 10 3 .

7-10. Bir yükseltecin 20 den 20 000 Hz e kadar uzanan yükseltme şeridine sahip olduğunu doğrulamak için uygun kare-dalgalar ın deneme frekanslarm ı seçin. Seçti ğiniz iki frekansta beklenen dalgabiçimlerini çizin. Cev: 312 Hz, 3 kHz.

BÖLÜM SEKIZ

Işlemsel Yükselteçler

Çtk ış işaretinin bir kesrinin giriş uçlarına geri verilmesi ile transistörlü yükselteçlerin çalışması birçok yönlerden artırıhr. Bu yönteme geribesleme denir. Geribesleme i şareti ya giriş işaretini artırabilir ya da onu azaltma eğilimi gösterebilir. Bu bölümün temel amac ı negatif geribesleme adi verilen bu son duruındur. Negatif geribesleme ile geli ştirilmiş frekans tepkisi belirtgenleri ve azalt ılmış dalga biçimi bozulmalart elde edilir. Ayrıca yükseltecin çalışması, eskimesi ya da sıcaklık etkileri nedeniyle transistör değişkenlerinde görülen değişimlere, oldukça az bağlıdır. Negatif geribeslemeni ıı özel bir biçimi olarak bilinen işlemsel geribesleme, bir giriş işareti üzerinde toplama ya da integral gibi matematik işlemler yapan yükselteçlerde kullan ılır. Ticari olarak bulunabilen ve oldukça iyi çalışma yeteneği olan d.a.—çifilenimli sistemlere i şlemsel yükselteçler denir. İşlemsel yükselteçler, elektronik analog bilgisayarlannda olduğu kadar ölçüm ve kontrollu uygulamalarında da oldukça fazla kullandı rlar.

236

İŞLEMSEL Y ÜKSEb,TEÇIER

NEGATİF GERİBESLEME Gerilimk Geribesleme Çıkış işaretinin bir kesrini girişe geri veren standard bir yükseltecin devresindeki değiş iklikler, önceki l3ölümlerde geli ştirilen yöntemlerle incclenebilir. Bununla birlikte, devrenin geribesleme kesi ınini yahtmak ve onu ayrıca incelemek daha kolayd ır. /3 işaretli kutu ile belirtilen bir geribesleme devresi ve kazancı a alan standard bir yükselteçten olu şan Şek.8-1 deki geribeslemeli yükselteci dü şiinünüz. Bu devreye göre, f3v, de ğerinde bir gerilim, v i giriş iş aretine eklenir, böylece yükseltece gelen toplam giri ş iş areti uı

t

o

o o Yiikselteç a o o

UO

o

t

Şekil 8-1. Geribee emeli yükseltecin blok çizimi

(8-1)

fivo olur. v o

av e şitliği kullanılarak, • uvi

(8-2)

afiv o

dolayısıyla

vo -- ._.1 —

afi

(8-3)

ti

elde edilir. Denklem (8-3)e göre, geribesleme ile birlikte yükseltecin tüm

a 1

aa

fi

(8-4)

kazanc ı olur; bu de ğer, afi nın cebirsel i şaretine ba ğlı olarak geribeslemesiz yükseltecin kazancmdan büyük ya da küçük olabilir.

Bu bölümdeki en büyük amaç negatif geribeslentedir ve bunun şartı da afi nın negatif bir nitelik olmas ıdır. Bu durumda, Denk.(8-4) tüm kazanem azaltıldığım gösterir çünkü, etkin olarak, geribesleme gerilimi giri ş işaretinin bir kısmını yok eder. E ğer yükselteç kazanc ı çok büyük ise, yani — afi • » 1 ise tüm kazanç, a

1

P

(8-5)

TEMEL ELEKTRON İ K

237

ya indirgenir. Bn ifade kazanc ın yalnız geribesleme devresinin özelliklerine, bağlı olduğunu göstermektedir. Ço ğu kez, geribesleme devresi dirençlerin ya da sığaların basit bir birle şimidir. Bu nedenle kazanç, yükseltecin transistör de ğişkenlerin.deki de ğişimlerden ba ğımsızdır. Kararlılıktaki istenen bu geli ş melere ek olarak, kazanç yaln ız geribesleme devresinin devre verilerinden hesaplanabilir. Öyleyse, örne ğin devredeki tüm transistörlerin Iz paraınetrelerinin bilinmesine gerek yoktur. Negatif geribesleme, aynı zamanda, yükselteçteki dalgabiçimi bozulmaların' azaltmada da etkindir. Dalgabiçimi bozulmas ı doğrusal olmayan bir aktarım belirtgeninden ileri gelir; bu, aktar ım belirtgenin e ğiminin az olduğu yerlerde daha küçük bir kazanç ve aktar ım belingenin e ğiminin büyük olduğu yerlerde daha büyük bir kazanç elde edili şinin bir sonucudur. Bununla birlikte, Denk.(8-5) e göre, negatif geribeslemeli bir yükseltecin kazanc ı, tüp ya da transistör belirtgenlerindeki do ğrusal olmama durumunun neden oldu ğu değişimlerden gerçekten ba ğımsızd ır. Bu nedenle, aktar ım belirtgeni, daha do ğ rusaldır ve bozulma azaltılmıstır. Denklem (8-4) gere ğince, azaltıla.n kazanç pahas ına, negatif geribeslemenin yararlı yanları bulunmaktadır. Kazançtaki azalma önemli bir kay ıp değildir; çünkü transistör yükselteçlerinde yeterince büyük yükseltmeler kolaylıkla elde edilebilmektedir. Bölüm 10 da tart ışılacağı üzere kullan ılabilir maksimum kazanç, rastgele gürültü etkileri ile s ınırlandırılır ve geribelemenin varlığında bile, etkin bir şekilde kullanılabilen maksimum yükseltmeyi başarmak güç de ğildir. Yukardaki durumlarda, ç ıkış geriliminin bir kısmı giriş uçlarına geri verilmiştir, bu duruma gerilim geribesleme denir. Şekil 8-2 deki iki-katlı transistörlü yükselteç, birinci kat ın giriş devresi ile çıkış ucunu birle ştiren RF direncinin verdi ği geribesleme gerilimini kullan ır. Geribesleme gerilimi birinci katın yayla devresine verilir, çünkü herhangi bir iki-katli yükseltecin ç ıkış gerilimi giriş iş areti ile aynı fazdadır. Geribesleme çarpan ı RF ve R 1 den oluş an direnç bölücünün bir sonucudur, yani

—

R1 RF

R İ. = RF

(8-6)

dir. C i sığası iki katın d.a. bile şenlerini yalıtır. Aynı zamanda, bu yükselteçte katlar arasında d.a. ba ğlantısı kullanıldığına dikkat ediniz, bu ba ğlantı negatif-geribesleme dü şüncelerinden tümden ba ğımsızdır. R2 direnci, birinci kattaki öngerilimi belirler ve d.a. geribesleme Sa ğlar ve bu da Böl. 7 de tart ışıldığı üzere, do ğrudan ba ğlı yükseltecin yava ş tavas kaymalara kar şı kararlı kalmasına yardım eder. Bu, a.a. geribesleme devresinin bir parças ı değildir. Frekans tepkisi belirtgeni üzerinde geribesleme oran ının etkisi Şek. 8-3 de örülmektedir. Geribesleme yokken (RF direnci ç ıkarılmış) yükseltecin orta-

238

1 Ş LEMSEL YÜKSELTEÇLER 0 +15 V 33 ki?

-4

1 ki2

12 ki?. VVVvs

R2

3,3 ki-2

100 1.x F

ı R1 120

1,1 kIl

cI 15 PF

1,2 k2 RF

-o Şekil 8- 2. lkikatI ı geribesleıneli yükselteç. Geribesleme R i /Rf oranı ile belirlenir.

Geribeslemesiz

Rf ..15

3,9 ki?, 1,2 ki?,

0 100 liz

1 kHz

10 kHz

100 kHz

1.MHz

10 MHz 100 MHz

Frekans

Şekil 8-3, Şek. 8-2'deki yükselteein tepki belirtgeni üzerinde geribeslemenin etkisi.

şerit kazancı 1000 ve yüksek frekans kesilim noktas ı 100 kHz dir. RF nin daha küçük de ğerlerini kullanarak geribesleme art ırıldığı zaman orta- şerit kazanc ı azaltılır ve frekans tepkisi daha alçak ve daha yüksek frekanslara do ğru genişletilir. 1200 Ohm luk bir geribesleme direnci kullan ıldığı zaman kazanç 10 dur ve üst frekans kesilim noktas ı 15 MHz e ç ıkarılır. Bu durumda fl = 120/ 1200 — 0,1 ve böylece, at; = 100 olur. Denklent (8-5) e göre orta şerit kazanc ı

239

TEMEL ELEKTRONIK

1 dır ve bu de ğer Şok. (8-3) deki deneysel tepki e ğrileri ile uyuşmaktadır. Öyleyse, geribeslemenin kullan ılması ile oldukça kararl ı ve geniş -şeritli bir yükselteç yap ımı mümkündür. Devrede büyük bir geribesleme oran ı kullanıldığı zaman Şek. 8-3 deki tepki eğrisinin son kesiminde kazanc ın arttığına dikkat ediniz. Bu durum, bu frekanslarda yükselteçteki faz kaymas ının bir sonucudur. Etkin olarak, negatif geribesleme azalt ıhr çünkü geribesleme gerilimi art ık giriş is,aretine göre tam 180° ilk faz fark ında değildir. Geribeslemeli yükselteçlerin faz belirtgeni, yükseltme- şeridi dışındaki frekanslarda oldukça önemlidir. Özellikle büyük geribesleme oranlar ı kullanıldığı zaman, tepki eğirisindeki bu tür düzensizlikler küçük olmalıdır. E ğrinin son kesimindeki yüksek frekanslarda, pozitif geribeslemeye neden olacak biçimde faz kaymalarm ın yeter ölçüde büyüme ihtimali vardır. Eğer yükseltecin kararl ı kalması isteniyorsa bu şart önlenmelidir. Bu durum. sonraki bir kesimde daha ayr ıntılı bir biçimde incelenecektir. Eğer geribesleme devresi frekans seçici ise, yükselteç için özel bir frekans tepkisi belirtgeni geli ştirmek mümkündür. Örne ğin Şek. 8-4 de görüldü ğü gibi, katın birinde T-köprülü geribesleme devresi bulunan bir yükselteç dü şününüz. Bu devrede, yüksek bir giri ş impedansı ve alçak bir çıkış impedansı sağlamak için kaynak izleyicileri kullan ılmış . Böylece frekans seçici kat, giri ş ve çıkış yüklerinin bozucu etkilerinden yal ıtılmıştır. Geribesleme devresinin varlığında, katlar aras ındai çiftlenimi basit k ılmak amacıyla ilk iki katta bir fark yükselteci kullanılmıştır. —o 12 V 47 kil

2N2500 2N2500

0,1

4F

1 M1-2

2N2497

1HH 2N726

0,0016 0,0016 4F 4F

1 kç2

10 K)

18 kll

1

Çıkış

20 K.2

Şekil 8-4. T-k8prülü süzgeçten olu şan bir frekans seçici geribesleme devresi kullan ılan akortlu yükselteç.

İŞI T MSF" Y OKSELTEC,IER

?An

T-köprülii stizgeç ak ıtı enlan geçite ba ğlant ığından negatif geribesleme için gerekli ise, geribesleme gerilimi giri ş işaretine göre 180° lik faz fark ı gösterir. T-köprülü süzgecin tepki ei:.i,risine göre, geribesleme gerilimi süzgecin belirtgin frekans ı.nda. bir minimumdan geçer. Bu nedenle, yükselteç kazanc ı bu frekausta bir maksimuma cd şir ve sonuç akorthı bir yiikseiteçtir. T-köprülü süzgecin belirtgenleri nedeniyle geribesleme oran ı fi frekansı n bir fonksiyonudur ve Şek. 8-5 de gösterildi ği gibi geribesleme etkisi süzgecin seçicili ğini büyük ölçüde artım.

0,8 z

0,6 ,4

0,2

L. 100

300

1000

3000

10,000

Frekans . , Hz

Şekil 8-.5. Şek.

deki T-kiiprülh viikseltecin frekans-tepkisi belirtgeni.

Yüksek-Q indüktarıslarmın yerle ştirilmelerinin zor oldu ğu ses frekanslarında ço ğu kez geribeslemeli akordlu yükselteçier kullan ılır, yoksa büyük indüktans de ğerlerine ihtiyaç duyulur. Ayrıca, dirençleri de ğişken yapmak suretiyle yükselteei akord etmek oldukça kolay bir i ştir. Aynı zamanda bu yaklaşım indüktansların üretiminin zor olduğu integre-devrelerde de kullan ışlıdır. Akordlu geribeslemeli yükselteçlerde, ikiz-T ya da Wien köprüsü gibi ba şka frekans seçici geribesleme devreleride kullan ılmaktadır, Negatif geribesleme bir yükseltecin giri ş ve çıkış impedansım değiştirir. Bunun nasıl olduğunu görmek için, Şek. 8-6 da olduğu gibi, yükselteç yerine Thevenin e şdeğerini göz önüne al ını z. Bu durumda ç ıkış gerilimi ve giriş işareti (8-7) vo avi-ioro

ve v i = vi. -I- fiv o

(8-8)

olur. Denklenz (8-8) Denk. (8-7) de yerine konulursa, vo = av 1 4- afiv o---ior,

elde edilir. Buradan v a in çözümü,

olur.

v°

—

a

1 -a(3

—

ro 1—fla

(8-9)

TFMEI, El EKTROMK

211

Şekil 8-6. Gerilim geribesleme kullanıldı' zaman, yükselteein etkin giri ş ve çıkış irnpedanslarnu bulmaya yarayan devre.

Denklem (8-9) negatif geribeslemeli bir yükselteç için Th
Ri

ri (1

1

afi ro RT,

(8-10)

bulunur. Denklem (8-10) a göre, giri ş impedans ı negatif geribesleme etkisi ile artırılır. Önceki bölümlerde tart ışıldığı üzere hem çıkış impedansunn azalmas ı hem de giriş impedansının artmas ı yükselteçlerde istenen özelliklerdir.

Akımla Geribesleme Çıkış geriliminden çok ç ıkış akımı ile orantılı bir geribesleme i şareti olu şturma da mümkündür ve buna damla geribesleme denir. Şekil 8-7 de gösterildi ği üzere gerilim ve akında geribeslemenin her ikisi de ayn ı yükselteçte Şekil 8-7 nin çıkış devresi için gerilim ba ğıntısı , vo = av i—i, (ro

R F)

(8-11)

dir. Benzer biçimde giri ş devresi için, Kirchhoff gerilim denklemi vi = vi+ fivvo 4- PijoRF

(8-12)

verir. Denklem (8-12), Denk. (8-11) de yerine konur ve ç ıkış gerilimi çözülürse, .

v° elde edilir.

1-afiv

vj — t o

ro+(1-ai3i)RF 1-afiv

(8-13)

İŞ LEMSEI. YeKSELTEÇIER

vo

Şekil 8-7. Gerilim s e ak ımla geribeslemeniu birarada kullanılması .

Bu bağıntının yalnız gerilim geribesleme (fi i =0) için verilen Denk. (8-9) ifadesini de bulundurdu ğuna dikkat ediniz. Akım ve gerilimle geribeslemenin bir arada kullan ılması , yükseltecin ç ıkış impedansmın istenen biçimde ayarlanmas ı mümkün olur. Çıkış impedansı Denk. (8-13) deki i, o ın katsay ısıdır ve eğer ro

(1—afı i) RF == 0

(8-14)

ya da

afii = 1

ro RF

(8-15)

ise sıfır yapılabilir. E ğer Denk. (8-15) sa ğlanırsa, yükseltecin iç impedans ı sı fır olur ve bu nedenle herhangi bir yük impedans ına maksimum güç yenilebilir. Bunun, Denk. (8-15) e göre, pozitif ak ım geribeslemeyi gerektirdi ğine dikkat ediniz. Devrede bulunan negatif gerilim geribeslemeniu kararl ılık sa ğlayıcı etkisi nedeniyle, bu durumda pozitif ak ım geribeslemeye imkan sa ğlanır. Kararlılık Yükselteç kazanc ı a ve geribesleme çarpan ı fi, aslında kompleks sayılardır. Baş ka bir deyimle, özellikle yükseltecin yükseltme şeridinin dışında kalan frekanslarda çiftlenim s ığaları ve sapt ırıcı sığaların etkileriyle ilgili faz kaymalar ı vardır. Bu faz kaymaları , geribesleme geriliminin y ıkıcı bir biçimde giri ş işareti ile girişim yapması için gerekli 180'lik faz kaymas ından bir ayrılmaya neden olurlar. at3 yı pozitif yapacak biçimde, faz kaymasm ın tamamanın sıfır (yani, 360°) olma durumu do ğabilir ve bu nedenle geribesleme gerilimi giri ş işaretini destekler. Buna pozitif geribesleme denir ve geribeslemeli yükelteçlerde ciddi karars ızlık etkileri do ğurur.

TEMEL ELEKTRONIK

243

Özellikle, eğer afi = 1 ise Denk. (8-3) le verilen ç ıkış geriliminin, herhangi bir giriş işareti yokken bile, oldukça büyük de ğere ula ştığına dikkat ediniz. Bu demektir ki, daha önce transistörlerde toplay ıcı sığasnun geribesleme etkileri ile ilgili tart ışmada görüldüğü üzere, pozitif geribesleme bir yükseltecin salımm yapmas ına neden olabilir. Salınım yükselteçlerde zararlidır, çünkü, çıkış gerilimi giriş işaretinin bir kopyas ı olamaz. Bununla birlikte, gelecek bölümde tart ışılaca ğı üzere, pozitif geribesleme titre şken devrelerinde yararlı bir durumdur. Yükseltecin yiikseltme ş eridinin alçak ve yüksek frekansl ı kesimlerinde pozitif geribeslemeye götüren faz kaymalanna kar şı geribeslemeli yükselteçleri kararlı yapmak amacıyla onların yapımlarında oldukça titizlik gösterilir. Ş ans eseri, geribeslemeli yükselteçlerin kararhl ığmı hesaplamak için nygulanabilen kolay bir kural vard ır. Denklem 8-4 e gör, e ğer cıP pozitif ve bire e şit ise kararsızlık do ğal-. Bundan şu sonucu çıkarabiliriz; e ğer faz kaymas ı —360°ye ulaş madan önce cı9 nın mutlak de ğeri birisi altına düşerse, yükselteç kararl ı olacaktır. afi = 1 ve faz kaymas ınııı sıfır olduğu bağıl konumları bulmak için Şek. 8-8 de verildi ği gibi afi nın büyüklüğünü ve fazmı frekansm bir fonksiyonu biçiminde çizmek yararlıdır. Bu standarda göre, belirtgenleri Ş ek. 8-8 ile verilen yükselteç kararl ıdır.

Şekil 8-8. Kararl ı bir yükseltecin geribesleme genli ğinin ve fazının belirtgenleri.

Kararlılık için kullanılan bu kuralı uygulayabilmek için, geribesleme yokken yükseltecin kararl ı olması gerekir. Ayn ı zamanda, geribeslemeli bir yükseltecin ş artlı olarak kararl ı olabildiği belli durumlar vard ır; örneğin, bazı yükleme ş artları altında kararlı ve diğeri için karars ızdır. Bununla birlikte, bir devreyi en kolay bir biçimde incelemek için yukar ıda verilen ş art yeterlidir. Bu kararlılık ihtiyac ının ışığı altında birçok yükselteç çeşidinin af belirtgenlerini dü ş ünmek yararlıdır. Ço ğu durumlarda geribesleme oran ı fre-

244

İŞ LEMSEL YÜKSELTECLER

kanstan ba ğımsz oldu ğundan, yükselteç kazanemm gerilik ve faz belirtgen'elinin ayrı ayrı incelenmesi yeterlidir. RC-çiftlenimli bir tek yükselteç kat ı durumunda, Şek. 8-9a, faz kaymas ı hiçbir zaman 90' yi geçmez. Bu, af3 nın fazı her zaman 90+180 -= 270° den az olacak demektir. Bu de ğer 360° den az olduğundan, tek-katlı bir uegatif geribeslemeli yükselteç karars ız olamaz. Ardarda eklenmi ş RC-çiftlenimli iki özde ş kat, Şek. 8-9b da kabaca çizimi verilen ideal belirtgenine sahiptir. Faz kaymas ı , çok alçak ve çok yüksek frekanslarda 180° ye ula şır, buna kar şılık bu frekanslardaki kazanç oldukça küçüktür. Bu nedenle, toplam faz kaymas ının 180+180 = 360' oldu ğu yer-

(a)

(b) • 180
0 —180

(c) 270

56

O —270

Şekil 8 - 9. a) Bir - kath -yükselteein b) iki -katlı yükselteein e) -eç - atla yükselteein kazanç ve faz belirt-

genleri.

TEMEL ELEKTRONIK

245

lerde (IP nın bire eşit olabilme imkanı yoktur. Bununla birlikte, kullan ılan yükselteçlerde her zaman sapt ırıcı sığalarm etkileri olduğundan bu etkiler yüksek fı:ekaııslarda ek faz kaymas ı meydana getirebilirler. E ğer kazanç büyükse, saptırıcı sığalarm neden oldu ğu ek faz kaymas ı, yüksek frekanslarda, kararl ı olmayan durumlar ortaya ç ıkarabilir. RC-çiftlenimli üç özde ş katın Ş ek. 8-9c de verilen belirtgenleri en büyük faz kaymasmın 270° ye yakla ş acak biçimde oldu ğunu gösteriyor. Bu yüzden, alçak ve yüksek frekanslar ın her ikisinde de 180° lik faz kaymas ı ile karşılaşılır ve eğer orta- şerit kazancı yeter derecede biiyükse, üç-katl ı bir geribeslemeli yükselteç kesinlikle karars ı zlar. Bu durum için orta ş eritte afi nın mümkün olan maksimum de ğerinin 8 e e şit olduğu gösterilebilir, gerçekte bu de ğer bile yükselteci sabrın= eşiğine getirir. Bu istenmeyen zorluğu ortadan kaldırmak için kazanc ı minimuma indirmekten ba şka birçok imkanlar vard ır. Örne ğin üç-katlı bir yükseltecin iki katılım şerit genişliği geri kalan katın ş erit geni şliğinden çok büyük yap ılabilir. Bunun anlamı : Faz belirtgenleri etkin bir biçimde tek kat taraf ından hesaplanır, tek kat ise ş arts ız olarak kararl ıdır. De ğişik bir yol ise, katlar aras ındaki bağlayıcı devrelerden biri ile ilgili faz kaymasm ı yok etmek için herhangi iki kat aras ına d.a. ba ğlantısı yapmaktır. Özellikle yüksek frekanslarda kararlılıği artıracak biçimde faz ve kazanç belirtgenlerini de ğiştirmek amacıyla küçük sığalar kullanarak geribesleme ve kazanç belirtgenlerinin de ğiştirilmesi herkesce bilinen bir yöntemdir. Ortadan kaldırılması güç olan ve daha kötüsü bilinmeyen sapt ırıcı sığaları nedeniyle bu çe şit değişiklikler çoğu kez deneye dayanarak gerçek yükselteç üzerinde yap ılmandır.

İŞLEMSEL GERİBESLEME Sözde Toprak Pek çok işi baş arıyla yapabilen özel bir negatif-geribesleme ba ğlantısma

işlernsel geribesleme denir, çünkü devrenin giri ş işareti üzerinde birçok matematik işlemleri yapabilme yetene ği vardır. Bu uygulama için ço ğu kez yüksekkazançlı d.a. ba ğlantılı yükselteçler kullan ılmaktadır. Bu çe şit İşlemsel yükselteçler, yüksek giriş impedansı ve alçak çıkış impedansı gösterirler ve al ışılageldiği üzere giri ş iş areti ve çıkış gerilimi aras ında 180° lik bir faz kaymas ı oluştururlar. İşlemsel bir yükseltecin özelliklerini incelemek için Şek. 8-10 Baki geribesleme devresini dü şününüz, burada negatif geribesleme gerilimi ç ıkış ve giriş arasına bağlanan Rf direnci ile sa ğlanmaktadır. Yükselteçteki faz de ğişimi nedeniyle geribeslemenin negatif oldu ğuna dikkat ediniz. İşlemsel geribeslemede geribesleme oran ı, yüksek-impedansh bir kaynak için belirlenen 1 değerinden alçak-impedansl ı bir kaynak için belirlenen R 1 (R+ Rpf) değerine kadar de ğişebilir, çünkü geribesleme gerilimi, etki bak ımından, giriş

246

İŞLEMSEL YÜKSELTEÇLER Rf

t

vo

Şekil 8-10. İşlemsel yükseltecin blok çizimi.

iş areti kayna ğı ile paralel ba ğlıdır. İşlemsel geribesleme devresini, S dallanma noktasına Kirchhoff akım kuralın' uygulayarak incelemek daha kolayd ır. Yükseltecin giri ş impedans ı büyük olduğundan, bu koldaki ak ım önemsizdir, bunun anlamı R deki akımın Rf deki akıma eşit yani, vi - v i

v i - vo

R

(8-16

RF

- vo / a bağmtısı kullanılıp yeniden düzene sokulursa,

olmasıdır. v1 vo

aRfR = J

ı

—

Rf R

vt

(8-17)

elde edilir Kazanç oldukça büyük oldu ğundan Vo

Rf

R

(8-18)

vi

bulunur, bu demektir ki ç ıkış gerilimi, giriş iş aretinin sabit olan —R f / R çarpam ile çarpılmasmdan oluşmaktadır. E ğer Rf ve R için değerleri sa ğlıklı olarak bilinen dirençler kullnıhrsa bu çarpma işleminin doğruluğu oldukça iyi olur. İşlemsel yükselteçlerde S dallanma noktasının özel bir önemi vardır. Bu önem S ve toprak aras ındaki etkin impedans bulunarak gösterilebilir. Bu etkin impedans v 1 in giriş akımma oranı ile verilir. Z, —

1 Rf v1 — v ız v i-vo

Rf

Rf

1-vo /v

1+a

(8-19)

burada, giri ş akımının yerine Denk. (8-16) n ın sağ tarafındaki değer kullanılmıştır. Denklem (8-19) a göre, e ğer kazanç çok büyükse S ile yer aras ındaki impedans oldukça küçüktür. En çok kar şıla şılan değer Rf = 10 5 t) ve a = 104 olduğundan söz konusu impedans 10 L) olur. Küçük impedans negatif geribesleme geriliminden ileri gelir. negatif geribesleme gerilimi giri ş iş aretini S de yok eder ve S dallanma noktas ını yer geriliminde tutmaya çal ışır. Bu nedenle, S noktasına sözde - toprak denir. Geri Leslemenin etkisiyle S toprak geriliminde tutulduğu için bu noktadan topra ğa doğru hiçbir akını geçmez. S noktasındaki sözde toprak, giri ş uçlarından görülen impedasm R ye eşit olduğunu gösterir.

247

TEMEL ELEKTRONIK

Matematik Işlemler Şekil 8-10 daki işlemsel geribesleme devresi, giri ş iş aretini —R f / R sabiti ile çarpar. Toprak ba ğlantı noktaların' açık şekilde göstermeyerek devre çizimini Şek. 8-11 de oldu ğu gibi basitle ştirmek alışılagelmiştir. İşlemsel yükselteç, tepesi çıkış bağlantı noktasına doğru yönelmiş bir ikizkenar üçgenle gösterilir. Şekil 8-11 de verilen basitle ştirilmiş devre çizimi ile, asl ında Şek. 8-10 da verilen devrenin gösterilmek istendi ği anlaşılır. E ğer çarpma yapan devrede R = Rf ise, giriş iş areti yalnız —1 ile çarp ılır.Bu, pozitif bir sabitle çarp ılmış bir iş areti elde etmekte ço ğu kez iş e yarar. Bu uygulamada bu işlemsel yükselteç çarpanı belirleyen işlemsel yükselteçten önce gelir. —0,1 den —10 a kadar de ğişen çarpanlar olu şturmak mümkündür ve çarpanlarm do ğruluk derecesi esas olarak R ve Rf dirençlerinin do ğruluğu ile belirlenir. Rf

O

vo

Şekil 8-11. İşlemsel yükselteci belirtmek için kullan ılan devre gösterimi.

Ayrıca, işlemsel yükselteç, Şekil 8-12 de gösterildi ği gibi, S dallanma noktasına tok tek dirençleri ba ğlayarak birçok iş areti toplamak amac ıyla da kullanılabilir. Bu devrede, R İ ,R2 ve R 3 deki akımların toplamı Rf deki akıma eşittir, çünkü S noktasından topra ğa akan hiçbir akım yoktur. Ayrıca, S toprak 'gerilimindedir, böylece

O

U,

R3 t'3 o—AA/V--

Şekil 8-12. İşlemsel yükselteç kullanan toplama devresi.

vo

vi

V2

V -I

Ri

vo

R2

R3

Rf

Rf

(RP ı

4,

_ v2

R2

v3 ) R3

(8-20)

(8-21)

dir (Denk. 8-16 ile kar şılaştım:Liz). Bu şekilde birçok işaret toplanabilir. S sözde toprak noktas ı olduğu için toplanacak i ş aret kaynaklar ı arasında hiçbir etkileşme yoktur. Toplamaınn bu noktas ından ötürü, S ço ğu kez toplama noktası

248

İŞLEMSEL YÜKSELTEÇI ER

adını ahr. E ğer R ı = R2 = R3, v.b. ise her bir iş aret aynı çarpanla (ya da --1 ile) çarpıhr, yahut istenildiği biçimde çarpanlar seçilebilir. Şekil 8-13 de gösterildi ği gibi, eğer geribesleme direnci yerine bir kondansatör kullandırsa, devre integral i şlemi yapar. S nin toprak geriliminde Olmas ı düşünülerek,

Şekil 8-13. Integre edici devre.

vo =

t

1 C

i dt

C

1 RC

-

t vi dt

(8-22)

Denklem (8-22) ye göre, ç ıkış gerilim' giriş iş aretinin integraline eşittir. Bölüm 2 de tart ışılan basit RC integre edici durumunda oldu ğu gibi burada da giri ş iş aretinin frekans bile ş enleri üzerinde hiçbir ~dama yap ılmadığma dikkat ediniz. Ancak tüm i ş aret frekanslarm ı kulla,nmak şeritgenişliğinin yeter derecede büyük olmas ı gerekmektedir. Birçok iş aretin toplamının integrali, Şek. 8-12 de görüldü ğü gibi birçok giri ş direnci kullanarak elde edilir. Ş ekil 8-14 de gösterildi ği gibi, R ve C nin yerleri değiştirilirse, giri ş iş aretinin zamana göre türevini veren bir türev alma devresi olu şturulur. Yine toplama noktasındaki akımları eşitleyerek, R

c

't Q

1(--

o

Şekil 8-14. Türev alıcı devre.

vo R

dq dt vo

— — d uv•

dt

RC dvi

=--

dv• I' dt

(8-23)

(8-24)

ba ğıntısı elde edilir. Tüm işaret frekanslar ında yükseltecin kazanemm yeteri kadar büyük oldu ğu varsayımı altında türev alıcı devrede aynı biçimde bütün işaret frekanslarında frekans snurlamalar ından bağımsızdır.

TEMEL ELEKTRONIK

249

Basit Yükselteç İşlemsel bir yükselteç, kiiçük işaretleri kullanabilen etkin bir yüksek-kazanç yükselteci olu şturur. E ğer, bununla birlikte Şekil (a-10) da giri ş impedansı R = 10 5 D ise ve 103 lük bir kazanç isteniyorsa, geribesleme direncinin 108D olması gerekmektedir. Bu büyüklükte kararl ı dirençlerin bulunması pek kolay değildir, bu nedenle Şek. 8-15 de gösterilen de ğişik bir bağlantı kullanılır. İşlemsel geribesleme ba ğlantısını ayakta tutman ııı yanı sıra R 1 ve R2 nin gerilim bölücü etkisi ç ıkış işaretinin yalnız bir kesimini giriş e geri verir. Devre, S nin toprak geriliminde olduğunu hatırlayarak geribesleme ilmekleri çevresinde gerilim dü şmelerini yazmak surtiyle incelenir: Rf

R2

Şekil 8-15. Yüksek kazançl ı işlemsel yükselteç

vo — ( R2 --F R ı ) i ı -}- R1i2 -= 0 R 1 ) i2

(Rf

R ii i = O •

(8-25a) (8-25b)

i2 dir. Bu değer, S noktasından topra ğa hiç akım akmadığı için ,vi / R Denk. (8-25a) ve (8-25b) de kullan ılır ve sonuçta elde edilen ba ğıntıdan vo f vb oranı çözülürse, vo tıt

Rf R

R

— R1

(8-26)

elde edilir Ço ğu kez, Rf> R1 ve R, > R 1 olduğundan Denk. (8-26), i şlemsel bir yükseltecin daha önce Denk. (8-18) ile verilen kazanç ba ğıntı smın R2 fRı ı ile çarpımma indirgenir. E ğer, örne ğin R2 = 104 ve R 1 = 102 D ise, 105oran luk bir giriş impedansı ve Rf = 106 D luk bir geribesleme direnci ile 10 3 ğerinde bir kazanca de

İŞLEMSEL YÜKSELTEÇ DEVRELER İ Pratik Yükselteçler Pratik fakat oldukça basit bir işlemsel yiikselteç devresi, Şek. 8-16, önceki bölümde tartışıldığı üzere dengeyi geliştirmek amacıyla sabit bir akım kaynağı transistörii kullanan bir AET fark-yükseltecini giri ş katı olarak kullanmaktadır. İkinci kat, bir pnp transistörünü toplayıcı yük direnci olarak

250


kullanan bir npn yarcısı-topraklanmış yükselteçtir. Bu, do ğrudan do ğruya bir yarcı-izleyicisinin çıkış katına ba ğlıdır. Negatif geribesleme gerilimi, ç ıkış ile ikinci kat ın yarma, aras ına bağlanan 680 —k0 luk direnç ile olu şturulur. Ayrıca, pozitif akım geribesleme ise ç ıkıştaki yarcı direncini toparc ı üzerindeki yük tranistörünün yay ıcı direncinin bir kesimine ba ğlayarak elde edilir. -o 12 V I

1 kil 47 k52

6,8 kl-2

47 IsS) 2N735

2N1132

?

680 k5-2

-t 12l1 Şekil 8-16. AET giri ş katlı işlemsel yükselteç.

Bu devrenin, AET giri ş katı nedeniyle, 105 gibi büyük bir kazanc ı ve yaklaşık olarak 5 NIS2 de ğerinde büyk bir giri ş impedans ı vardır. Öte yandan, yarcı-izleyici ç ıkışı ve negatif geribesleme etkisi nedeniyle, ç ıkış impedans ı küçüktür. Pozitif geribesleme ak ımı üçüncü katta biraz kazanç sa ğlamak ve bozulma olmaksızın izin verilebilen maksimum çıkış -gerilimini artırmak amacıyla kullanılmıştır Fark alıcı giriş uçlarmın kutup iş aretleri ile belirlendi ğine dikkat ediniz. Negatif uç, giri ş işaretiyle z ıt işaretli bir çıkış işaretine neden olduğundan ötürü işaret değiştiren giriş admı alır. Öte yandan, işaret değiştirmeyen giriş adı verilen pozitif uç ise giri ş işareti ile ayn ı fazda bir ç ıkış işareti oluşturur. i ş aret de ğiştiren giriş , işlemsel geribeslemede 180° lik faz kayması gerekti ğinden, normal giriş ucudur. İntegre-devre i şlemsel yükselteçleri, hacim bak ımından küçük oluşları ve yararlı özellikleri nedeniyle oldukça kullan ışlıdırlar. Şekil 8-17 a da verilen seçkin bir yükselteç devresi Şek. 8-17b de gösterilen gerçek silisyum levha ile karşılaştırılabilir. Yükselteç devresinin tamam ı, Şek.8-17c ya da Şek. 5-29 da gösterildiği gibi küçük bir paket içerisine yerle ştirilir. Be ş -katlı devre, s ıcaklık etkisi yok edilmi ş bir yarcı transistör ile Darlington-ba ğlantılı bir fark yük-

in

8

7

9

9

o--

2

o—

3,4 kil

3,2 kS2

-..Mil

2,2 kS-1 1,5 k2

O -V

3 ,

4

4 (a)

Şekil 8-17. (a) İntegre-devre i şlemsel yükselteç. (b) Gerçek silisyum levha ve (e) Yassı-paket biçimli k ılıfı (Motorola Seıniconductor Products Inc.)

İŞ L.EmsEL vt)KsELTEc: ER

selte,cinden olu ş maktadır. Bunu, yay ıcı direnci olarak ba şka bir transistör oluş maktad ır. Bunu, yayıcı direnci olarak ba şka bir transistör kullanan bir yayıcı-izleyicisi yükseltecine ba ğlanan ikinci bir fark-yükselteci kat ı izlemektedir. Yayıcısı topraklannnş bir yükselteç, ç ıkış yayıcı izleyicisini beslemektedir. Aynı zamanda, yay ıcı izieyieisinde de yay ıcı direnci olarak bir transistör kullanılmaktadır. Giriş , ara ve ç ıkış katlarında sıcaklık dengelenmesinin, yayıcı direnci olarak davranan transistörlerin taban öngerilim devrelerinde bulunan diyodlarca sa ğdandığnı a dikkatinizi çekelim. Ş ekil 8-17 de gösterildiği üzere, giriş , çıkış ve güç-kayna ğı ba ğlantı noktalarından ayrı olarak giriş - katı transistöriiniin toplayıcısma ve üçüncü kattaki iç negatif geribesleme devresi ııe de giriş uçları bırakılmıştır. 7, 8 ve 9, 10 bağlantı noktası çiftleri yükseltecin yükseltme- ş eridinin yüksek ve alçak frekansh kesimlerind eki pozitif geribeslemeyi önlemek amac ıyla dış ardan faz dengeleyici devrelerin ba ğlanmas ına imkan Sa ğlar. Dengelemc ihtiyac ı iş it msel yükseltecin kullan ılma amacına bağlıdır ve bu nedenle faz dengeleyici devre integre devrenin bir - parçası olarak yapılmaktadır. Faz dengeleyici devre örnekleri, daha sonraki bir kesimde ele al ınacaktır. Oldukça iyi do ğrultulmuş kaynak gerilimleri kullandsa ve özenle yap ılsa bile d.a. yükselteçlerinde kaymalar ı önlemek pek güçtür. Yükselteç ç ıkışında kayan geriliralerin olmas ı demek işlemsel yükseltecin, S dallanma noktas ını, sözde toprak gerilimin de tutamamas ı demektir. Sözde topraktaki hata ofset olarak bilinir. Seçkin ofset gerilimleri 1 mV mertebesindedir; bu büyüklük kritik uygulamalarda dikkate de ğer olabilir. Sözde toprak gerilimini kararlı kılmak için Sek. 8-18 deki gibi bir keski yükselteç kullanarak daha iyi çal ışan yükselteçler elde edilmektedir. Burada kesici yükselteç a.a. çiftlenimli olduğu için ofset gerilimlerinden armnu ştır. Böylece S deki ofset gerilimini ölçer ve işlemsel yükseltecin pozitif giri şine yükseltilmi ş bir hata işareti verir. Bu işaret, işlemsel yilkselteçteki ofseti yok edecek biçimde etkisini gösterir ve böylece, uygulamada, ofset gerilimleri yakla şık olarak 10 g, V a indirgenebilir. R

R 0t -jkAA,

•

ytikelteç 0

.1

_J

Şekil 8-18. Kesici yiikselteçle kararl ı olan bir işlemsel yükselteç.

253

TEMEL ELEKTRONIK

S noktas ı ile işlemsel yükselteç aras ına bir kondansatör yerle.ştirildiğine

ve böylece ofset geriliminin yaln ız kesici yükselteç ile kontrol edildi ğine dikkat ediniz. Bu kondansatör i şlemsel yükseltecin d.a. işaretlerine tepki göstermesini önler, fakat kesici yükselteç gerekli tepkide bulunur ve ç ıkış iş aretini işlemsel yükseltece vermekle i şlemsel geribesleme devresinin bir parças ını oluşturur. Etki bakımından, işlemsel yükselteç d.a. çiftlenimli de ğildir ve yüksek frekansh i ş aretleri işler, öte yandan kesici yükselteç ise d.a. ve oldukça düşük frekansh i şaretleri i şler. D.a. kazanc ı oldukça büyüktür, çünkü kazanç, her iki yükseltecin kazançlar ı= çarpınuna e şittir. Bu 'demektir ki, tepki eğrisinin tamamı düzenli değildir, yani düşük frekansh bölgedeki kazanç yük sek frekansh bölgedeki kazançtan daha büyüktür. Denklem (8-18) gere ğince, bu durum pek önemli de ğildir çünkü ilgilenilen bütün frekanslarda kazanç büyük kaldığı sürece, geribesleme etkisi nedeniyle kazanç, ç ıkış işaretini veren bağıntıda kendini göstermez. Bir işlemsel yükseltecin karars ızlığını ortadan kald ıran kesici yükselteçle birleşimine de, çoğu kez işlemsel yükselteç denir. Böylece Şok. 8-18 deki kesikli çizgiler içindeki cihaz bir kesici ile kararl ı duruma getirilmiş bir işlemsel yükselteci göstermektedir. İşlemsel yükselteçlerin karars ızliğını ortadan kaldırmak amacıyla özel olarak yap ılan kesici yükselteçler ayr ı birimler biçiminde de bulunabilirler. Şekil 8-19 da gösterilen tipik devre, oldukça ah şılagelen bir a.a. çiftlenimli yükselteçtir ve d.a. i ş aretini yeniden elde etmek amacıyla eşzamanlı bir kesici kullanmaktad ır. Kondansatörlü olmayan yay ıcı ve katod dirençleri faz belirtgenlerini geli ştirebilecek geribesleme ak ımı sağlarlar, böylece e ş zamanlı olarak kesikli kılınan çıkışlar kesildi giriş iş aretleri ile aynı fazda olurlar. Gerçekte, d.a. çiftlenimi ayn ı sebebten ötürü kolayl ık için kul150 kS2 +48 V -[. 0,02 İ., F

1.3 Mil

330 kil

22 kS2 0,1 PF 2N929

20 kI2

0. 1 4F 2N735

2N929 82

Çıkış

82

Girip 0,02gF

220 kil

91 kil

22 pF

39 M.-1 15 k (.-2

22pF

0,1 pF

Şekil 8-19. Tipik bir kesici yükselteç.

1

251

İŞLEMSEL. YOKSELTEÇLER

lauılır. Giriş ve ç ı kış sığaları bulunduğ u i.Yin yükselteç gerçekle a.a. çiftleninali dir. Ş ekil 7-33 e benzeyen MOYAET kesicileri kullanan kesici ile kararl ı duruma getirilmi ş iş lemsel yükselteç integre-devreleri de ticari olarak bulunabilir. işlemsel bir yükselteçte ihtiyaç duyulan özellikler dü şünülen uygulama yerine ba ğlıdır. Bununla birlikte, bazı değişkenler birçok uygulamada belirgindir ve bunlar farklı sistemler aras ında karşılaştırma yapabilmek için bir bir temel ödevini görürler. Birçok çe şit işlemsel ,yükseltecin Çizelge 8-1 de özetlenen belirtgenlerini düşününüz. Bu çizelge, kesildi bile şenlerden olu ş an iki tipik transistör yükseltecini (birinin Ş ek. 8-16 dakine benzeyen bir AET giri şi vardır); Ş ek. 8-17 ye benzeyen iki integre-devre birimini ve kesici ile kararl ı duruma getirilmiş bir yükselteci kar şılaştırmaktadır. Bu temel çe şitlerin birçok değişik türleri de, farkl ı amaçlar için bulunabilir, fakat çizelgede verilen değişkenlerin büyüklükleri bu yiikselteçler için de geçerli say ılabilir.' Çizelge Çeşit

Traıasistör kesikli bileşen

Açık-ilmek gerilim kazancı

İşlemsel Yükselteçlerin özellikleri Açık-ilmek şerit-geni şli ği kazanç bir, Mile

Giriş impedansı S2

Giriş ofset gerilimi, mV

Ofset kayması [IV f°C

3 x 104

1

2x los

Ayarlanır.

A ET,kesikli bileşen

10'

10

10"

Ayarlarnr.

MC 1431. integre-devre

3500

20

6 x 105

5

10

ILA702 A, integre-devre

3600

30

4x 10 4

0,5

2,5

Kesici ile kararlı duruma getirilmi ş yükselteç

3 x 107

15

5 X 105

0,01

0,2

25

İşlemsel bir yükseltecin en önemli belirtgeni ku şkusuz kazanc ıdır. Bu değiş ken, çoğu kez açık-ilmek gerilim kazancı olarak belirlenir ve bunun en basit anlamı, herhangi bir işlemsel geribesleme ba ğlantısı olmaksızın yükseltecin kendi kazanc ı dır. Denklem (8-18) in geçerli olmas ı için kazancın büyük olmas ı istenir. Çizelge 8-1 deki ikinci siituna göre kazanç, 1000 den büyüktür ve 10 milyonu aşan de ğerler de almaktad ır. Şerit-genişliği de aynı ölçüde önem ta şır, çünkü bu genişlik yeterince büyük kazancın elde edilebilece ği işaret frekanslar ı bölgesini belirler. Düzgün bir frekans tepkisi gerekli de ğil çünkü, işlemsel geribesleme ifadesinde kazancın gerçek de ğeri gözükmemektedir. Bu nedenle, Bölüm 7 de kullan ıldığı gibi, yarı-güç frekansındaki şerit-geni şliğini belirtmek uygun de ğildir. Karşılaş tırma için yararlı bir ölçüt, kazanc ın bir olduğu durumdaki açık-ilmek şerit-

TEMEL ELEKTRONIK

255

genişliğidir, bu iSe kazanc ın do ğru akımdan bire düştüğü frekansa kadarki araliktır. Bu de ğişken karşılaştırma amaçları için yararlı olmakla birlikte, işlemsel bir yükselteç bu ş erit genişliğinin tamam ında kullanışlı değildir, çünkii alçak ve yüksek frekans uçlar ına yakın yerlerdeki kazanç doyurucu bir sonuç vermeye yetmez. Bununla birlikte üçüncü sütun çok yüksek i ş aret frekanslarının kullamlabildiğini göstermektedir. Denklem 8-18 ile sonuçlanan analize göre, giri ş akımının önemsiz olması için işlemsel bir yükseltecin giri ş impedansının yeteri kadar büyük olmas ı gerekmektedir. Bu, bir AET kat ı ile kolaylıkla ba ş arılabilir ve ço ğu kez aynı amaç için Darlington ba ğlantısı da kullanılır. Yayıcısı topraklanm ış basit bir fark yükseltecinirı giriş impedansı bu seçeneklerden (dördüncü sütun) küçük olmakla birlikte, pek çok uygulamalar için yeterlidir. E ğer giri ş fark yükselteci tam olarak dengelenmemi ş se, dış ardan bir giriş işareti uygulanmad ığı halde bir çıkış gerilimi vardır. Istenmeyen bu i ş aret, örneğin fark alıcı devrede oldu ğu gibi, rahats ız edici olbilir. Çünkü, Denk. (8— 22) ye göre sabit bir gerilim sürekli olarak artan bir ç ıkış iş aretine neden olmaktadır; bu durum ise sonunda yükselteci doyuma götürür. Daha önce belirtildiği üzere, yayıcı ya da kaynak devresindeki sabit bir ak ım transistörü, devre dengesizli ğinin etkisini minimuma indirse bile, ço ğu kez kesikli bile şenli yükselteçlerde ayarlanabilir bir denge denetiminin bulunmas ına ihtiyaç duyulmaktad ır ( Şek. 8-16) ile karşdaştırınız). Bile ş enler ya şlandıkça denge denetimi periyodik ayarlamalar gerektirebilir. Integre-devre yükselteçleri yeteri kadar iyi dengelenmişlerdir, bu nedenle denge kontrolu ayarlamas ına gerek yoktur._ Fakat herhangi bir kal ıcı simetrisizliğin ölçücünün bilinmesi istenebilir. S ı fır çıkış gerilimi elde etmek için giriş e uygulanması gereken gerilim, yani ofset kolay bir ölçüdür. Çizelge 8-1 e göre, ofsetin de ğerleri, ço ğu kez milivolt mertebesinde ya da daha azd ır. Giriş ofset geriliminin özellikle s ıcaklık etkisi ile !cayman önem ta şır, çünkü ofset gerilimindeki yava ş bir değişim, yavaşca de ğişen bir iş aretten ayırdedilemez. Çizelge 8-1 deki son sütuna göre, kayma i ş aretinin ofset i ş areti ile aynı büyüklüğe eri ş meden önce onlarca derecelik s ıcaklık de ğişimlerine in-114n verilebilir. Kesici ile kararlı duruma getirilmiş işlemsel yükselteçlerin üstün özellikleri, Çizelge 8-1 de s ıralanan de ğişkenlerden açıkca görülmektedir. Baz ı uygulamalar, AET devresinin oldukça büyük giri ş impedans ını gerektirebilir, buna karşı başka uygulamalar için integre devrelerin küçük hacmi ve dü şük fiatı daha uygun olabilir. Böylece çe şitli tiplerin de ğişkenleri yükselteçleri birbirleriyle rekabet ettirmekten çok tamamlay ıel yapmaktadır. Çizelge 8-1 de sıralananlara ek olarak, ba şka birçok değişkenier işlemsel yükselteçleri belirlemek üzere yayg ın olarak kullanılmaktadır. Bu ek özelliklerin baz ıları : çıkış impedansı, giriş önbesleme akımı ve akımın, ofseti,

İŞ LEMSEI, ÜKSELTEÇLER

256

ortak-kip d ış arlama oran ı ve iç giirültiidür. Özel bir uygulama için, ötekiler kadar, bunlardan herhangi biri de çizelgede gösterilen ortak de ğişkenlerden daha önemli olabilir. integre Eden ve Türev Alan Devreler integre eden ve türev alan pratik bir devre Şek. 8-20 de gösterilmektedir. Burada kullan ılan integre devre i şlemsel yükselteci, Şek. 8-17 dekine benzer. Devre üzerinden izleyerek ve Ş ek. 8-13 ve 8-14 ile kar şılaştırarak görü-

2 ki2 Tiirev alma konumu

? 1-6 V

25 pf

R o- -4- -9

ti

39 kr2 ; 39 kil 51S2 390 k2 1

I

C 0,02 4F integral alma konumu

Çıkış

25; 2 1-(.2

d

v —o

Şekil 8-20. Pratik bir integre eden ve türev alan dM ıre.

lece ği üzere, giri ş devresindeki anahtar integre edici s ığa ve direncin konumlarını. yerde ğiştirir. Böylece ayn ı devre, giriş iş aretiniıı integralini ya da türevini almak amacıyla kullanı labilir. Bir kare-dalga giri ş iş areti kullanıldığı zaman deneysel tipik ç ıkış dalga-biçimleri Ş ek. 8-21 de gösterildi ği gibi olabilir. Ş ekil 8--20 deki integre etmekle kullan ılan sığayı ş öntleyen 390—ku luk direncin amac ı, giriş ofset geriliminin uzun zaman integre edilme etkisini yok etmektir. Etki bak ımı ndan direnç, i ş aretteki yava ş değişimler için s ığacı yüksüz tutar ve bu nedenle integre eden devre yakla şık olarak f = 1 /2 n RC ==--- 20 Hz in alt ındaki frekanslarda uygun biçimde integre etmez. Küçük bir s ığa ve dirençten olu ş an iki seri diziliş , faz dengeleme devreleridir. Daha önce görüldü ğü üzere, bu devreler yükseltecin yiikselt ıne- ş eridinin yüksek frekans kesiminde toplam faz kaymalarm ın pozitif geribesleme yapmamas ını kesinlikle mümkün kılar. Logaritınek Yükselteç Özel giriş -çı kış belirtgenleri oluşturmak amac ıyla i şlemsel yükselteç devrelerinde do ğrusal olmayan geribesleme bile ş enleri kullanılır. Örne ğin, Şekil 8— 22 deki tabanı topraklanmış transistörden olu ş an geribesleme eleman -m ı düşii-

TEMEL ELEKTRONIK

257

(a)

(b)

(c)

Şekil 8-21. (a) Kare-dalga giri şinin Şek. 8-20 deki i şlemsel-yükselteç devresi ile (b) integre edildikten ve (c) türevi al ındıktan sonraki biçimleri.

Şekil 8-22. Basit bir logaritmik yükselteç.

nünüz; bu eleman, ç ıkış gerilimini giriş işaretinin logaritmasma dönü ştüren bir yükseltecin yap ımına imkan verir. Böyle bir logaritmik yükselteç doyuma gitmeksizin giriş -iş aret büyüklüklerinin geni ş bir bölgesinde çalışır. Logaritmik giriş -çıkış belirtgeni ş öyle ortaya ç ıkar. Şekil 5-10 a göre, bir transistördeki toplay ıcı akımı, yalnız yayıel ak ımı ile .akım kazancının çarpımından oluşur ve yayıeı akımı do ğrultucu denklemi ile verilir. Denklem (5-4) de üstel terim etkili oldu ğundan 1 atılırsa toplayıcı akımı

238

İ ŞLEh4SEL YÜ KSELTEÇLER

e = vj o ceV

(8-28) olur. Ş ekil 8-22 ye uygun i şlemsel-geribesleme ba ğlantı sında, toplayıcı akım ı vi

R

—alo e eV !kg.'

(8-29)

ile verilen giriş işareti cinsinden yenilebilir, burada ç ıkış iş areti v o tabanla yayı cı aras ındaki gerilimdir. Yeniden düzenleme yap ıldıktan sonra her iki tarafın logaritmas ı alınırsa Vo -==

kT e

ln

vı

(8-30)

al, R

ba ğıntı sı elde edilir Deneysel giriş-çıkış belirtgenleri, Ş ek. 8-23, Denk. (8-30) ile belirlenen logaritmik özellikleri ve yükselteein çal ış abildiği oldukça çeşitli büyüklükte giriş işaretlerini göstermektedir. Giri ş geriliminin çeşitli de ğerlerini içeren bölgede logaritmik belirtgeni elde etmek için kullan ılan devrelerde ço ğu kez, Şek. 8-22 de verilen basit devreyi bir toplay ıcı önbesleme kayna ğı ekleyerek desteklemek ve i şaret de ğişikliğine neden olmayan giri ş kullanarak ofset gerilimlerini yok etmek gerekmektedir. 0,55

0,35

0,30

19 4

ıo-3

10-2

10_1

ı

10

100

Giriş işaret, V Şekil 8-23. Logarit ınik yükseltecirı giri ş-çıkış belirtgeni.

Tek bir işareti-işleme yetene ğine ek olarak, logaritmik yükselteç iki keyfi giriş iş aretini birbiriyle çarpmak içinde kullan ılabilir. İ ki logaritmik yüksel-

259

TEMEL ELEKTRONİK

tecin çıkışı toplanır ve sonra bileşiminin çıkışı bir ters logaritmik yükselteçten geçirilirse sonuç, iki giri ş iş aretinin çarp ımı ile orant ılı bir işaret olur. Etkin Süzgeç Şekil 8-24 deki işlemsel yükselteci gözönüne getiriniz, burada i şaret de ğişikliğine neden olan ve olmayan giri şin her iltisiude de i şlemsel geribesleme vardır. Yükseltecin giri ş impedansı büyük olduğundan giri ş uçlarından giren akımlar önemsiz olabilir ve, rı

VI o

<>

L Şekil 8-24. Negatif impedans dönü ştüriicii olarak ba ğlanan işlemsel yükselteç.

iı = —

vo r

vo r2

ve i2

(8-31)

yazılabilir. Bu ba ğıntılardan il

r2 l

•

LZ

(8-32)

elde edilir Kirehhoff gerilim kural ı dış ilmek çevresinde yaz ıhrsa, vi — i ir i

i2r2 — v2 =-= 0

(8-33)

bulunur. Denklem (8-32) kullanıhrsa, giri ş ve çıkış gerilimleri aras ındaki ba4ıntının (8-34) vl = v2 olduğu görülür. Şimdi, çıkış uçlarına bir Z2 impedansı bağlandığı zaman devrenin .gözüken. giriş impedansını düşününüz,..Dikkati impedans dönü şümüne toplamak için, Şek. 8-25 deki çizimi gözönüne getiriniz; burada a şa ğıda doğrulanan nedenlerden ötürü, Şek. 8-24 kesikli çizgilerle belirlenen dikdörtgenin içinde kalan kesim NID ile gösterilmiştir. Şekil 8-25 .e göre, Z2 impedansı

İ SLEMSEL YÜKSELTEÇLER

260

Şekil 8-25. Negatif impedans dönü ştürileii dir devrenin blok çizimi.

Z2

(8-35)

—

2

ile verilir. Giriş impedansı ise Zİ —

v,

Z

(8-36)

r2r, ir

ıl

r2

Z2

dir; burada Denk. (8-32) ve (8-34) den yararlan ılmıştır. Denklem (8-36) dan görüldü ğü üzere devrenin ilginç bir özelli ği vardır; görülen giriş impedansı, çıkış uçlarına ba ğlanan impedans ın negatifidir. Bu demektir ki, devre bir negatif impedans dönüştürücüsüdür (kısaca NID ile gösterilebilir). Örne ğin, eğer çıkış impedansı sığasal ise, giriş impedansı indükseldir. Ayrıca , indüktansın büyüklü ğü r i /r2 çarpanına ba ğlıdır. Bu yararlı özelliğin basit bir uygulamas ı, Şek. 8-26 da gösterilen etkin C2 sığası, C ı ile bir rezonans devresi oluşturacak biçimde bir indüktansa ba ğlanmıştır. Bu devrenin giri ş -çıkış belirtgeni, Denk. (8-34) den yararlanarak

süzgeçtir, bu süzgeçte ç ıkış uçlarındaki

• NID

0

i2

Vi

R2 oŞekil 8-26. Etkin süzgeç.

vo

V 1,

1

v2

L ıZi -I-

V

ı

1

+ (t l / v ) Z ı

bulunur. Denklem (8-36) y ı Denk. (8-37) de kullanırsak,

(8-37)

TEMEL ELEKTRONIK

261

Zi Z2

(8-38)

vo J vi elde edilir, Z ı

( R1

r2 r1

1

oranı,

coC i f —jR 2 /o£2

( i C2 ) + ie.) (R ic2 co2c 1ı R2 ) Z2 R2R -[ C ı (8-39)

dir. Sanal kısım sıfır olduğu zaman devre, rezonanstad ır ve rezonans frekans ı C1) 0

2— ----

1

(8-40)

R İ C R2C2

dir. Denklem (8-39)veDenk.(8-40),Denk.(8-38) de kullan ıhrsa elde edilen sonuç v, vl

)-

=

C ı )1 ; r2 siTfı.C2 C2 j ri R2C1

Rı R2

r2 r

co

co, co

(8-41)

dır. Bu ba ğıntının, RLC devresi için verilen Denk. (3-39) ile kar şıla ştırılmasmda yarar vardır. R i = R2 ve C l = C2 olması halinde, giriş -çıkış belirtgeni = (1-2

vi /

r2

ri

-

j 1.2 (

T l \ o,

03 0

(8-42)

w

bağıntı sma indirgenir. Devrenin Q eş değeriniıı. r, / r i den oluştuğuna dikkat ediniz, bu demektir ki Q, rezonans frekans ından ba ğımsız olarak ayarlanabilmektedir. Öte yandan rezonans frekans ım, Q yu değiştirmeksizin, ya R i (ve R2) yi ya da C i (ve C2) yi değiştirmekle ayarlamak mümkündür. E ğer Denk. (8-42) deki gerçek terim birden küçük ise, rezonans durumunda ç ıkış işareti giriş gerilimini geçebilir. Bu nedenle etkin süzgeein bir kazanc ı da olabilir. Karşılaştırıel İşlemsel yükselteçler, iki i şaretin büyüklüklerinin kar şılaştırılmasında da i şe yararlar. E ğer işaretlerden biri işaret de ğiştirmeye neden olan ve öteki ise olmayan giriş e uygulan ırsa yükselteein ç ıkışı yalnız iki iş aret eşit olduğu zaman sıfırdır. İntegre-devre i şlemsel yükselteç kullanan, Sek. 8-27 deki gibi pratik bir karşılaştımı devre, her ne zaman ani giri ş işareti V ye eşit olursa sıfır çıkış geri50 pF fif 1-12 V

o Şekil 8-27.

İşlemsel yükselteç kullanarak yap ılmış bir karşılaştırıcı.

262


limi verir. İşlemsel yükselteein büyük ortak kip d ışarla ına oranı ve mükemmel giriş -katı denge belirtgeni, bu uygulamada oldukça önem ta şımaktadır.

ANALOG BILGISAYARLAR Analog İşlemsel-geribesleme devreleri, analog bilgisayar', içine yerle ştirilebilirler, bu bilgisayarlardaki gerilim i ş aretleri fiziksel sistemlerdeki de ğişkenlere benzer. Pek çok fiziksel sistem do ğanın yasalarına dayanan matematik denklemlerle belirlenebilir. Analog bilgisayarlar', bu denklemleri çözmek ve böylece sistemin davran ışım göstermek amac ıyla kullanılır Bir analog bilgisayarmın gerilimleri ve öteki devre de ğişkenleri gerçek sistemin de ğişkenlerine ve özelliklerine kar şılık gelir. Bilgisayarın değişkenleri kolayca değiştirilebilir ve ayarlanabilir, böylece sistemin davran ışı çeşitli ş artlar altmda incelenebilir. Gerçekten, bilgisayara fiziksel sistemi taklit ediyor gözü ile bakılır ve dıştan gelen uyarıya karşı tepkisi matematik belirlemenin do ğruluk ölçüsünce gerçek sisteme kar şılık gelir.

Sönümlü Harmonik Osilatör Pek çok fiziksel sistem, örne ğin Newton hareket yasalar ına uyan mekanik hareketler, diferensiyel denklemlerle belirlenir. Sönürnlii, harmonik osilatörü göz önüne alualz. Bu, keyfi bir F (t) kuvveti ile sürülen ve b sönüm sabiti ile belirlenen viskoz sönümün varlığında, kuvvet sabiti k olan bir ipin ucuna asılı m kütleli bir cismin mekanik titre şimidir. Cismin her an konumunu belirleyen x m

dx — kx = F(t) b dt

d2x dt2

(8-43)

denklemine uyar. Bu denklem yeniden düzene sokularak

d2x dt2

b

dx dt

k mx

F(t)

(8-44)

yazılır. Bu denklemi çözmek için gerekli bir analog bilgisayarn ıan yap ımı, dzx dt2 ye karşılık gelen bir gerilim i şaretinin bulundu ğunu varsayarak ba ş -

dx yi vermek üzere integre edilir; burada kolayl ık olsun diye Denk. dt (8-22) deki RC zaman sabiti bire e şit kılınmıştır. Sonra, -dx 1dt yeniden integre edilerek x bulunur. -dx /dt nin b Im kesri birinci integre edicinin lar. Bu, -

çıkış uçları arasındaki bir gerilim-bölücüden elde edilir; bunun i şareti değiştirilir ve ikinci integre edicinin ç ıkışındaki x irı k Im kesrino ve (1 /nı) F(t) ye karşılık gelen bir gerilim işaretine eklenir, Şek. 8-28. Denldem (8-44) gereğince toplam, d2x/dt 2 ye e şittir ve bu toplam ba şlangıçta ikinci türeve karşılık gelen i şaretin bulundu ğu varsayılan giriş e geri verilir. Böylece, bu bilgi-

TEMEL ELEKTRONIK

263

Şekil 8-28. Titre ş en-kütle problemini çözmekte kullan ılan analog bilgisayara

sayar, Denk. (8-43) ile verilen ilk deferensiyel denklemi sürekli olarak çözer x e ve eğer istenirse dx /dt ye karşılı k gelen gerilimler devredeki uygun noktalarda ölçülebilir. Herhangi bir diferensiyel denklemin çözümünde oldu ğu gibi, çözüme baş landığı anda dx /dt ve x e karşılık gelmek üzere ba şlangıç gerilim de ğerlerinin uygulanması gereklidir. Bu, t =0 an ında s i ve s2 anahtarlarını açarak en etkin biçimde başardabilir. Toplama noktalarnun toprak geriliminde olmas ı gerçeğinden görülebilece ği üzere, integre edici kondansatörün uçlar ı arasındaki gerilinaler her an h ız ve yer de ğiştirmeyi temsil ederler. Bu anahtarlar, F(t) nin uygulanması ile birlikte aym anda aç ılmalıdır ve uygulamada bu i ş ço ğu kez, diyod gibi elektronik anahtarlarla yap ılır. Denklem (8-43) ün herhangi bir RLC devresindeki ak ım için verilen Denk. (3-20) ile aynı biçimde olduğuna dikkat ediniz. Bu demektir ki, Şek. 8-28 deki analog bilgisayarı, örneğin, bu basit devredeki rezonans etkilerini ara ştırmak amacıyla da kullanılabilir. Bilgisayar taklidini yapt ığı devreden daha karışık olmakla birlikte, devre de ğişkenlerinin de ğiştirelebilme kolaylığı nedeniyle, devrenin incelenmesini mümkün k ılar Ayrıca, gerek duyuldukça bilgisayar ba şka devreleri taklit etmek amac ıyla yeniden düzenlebilir.

KAYNAKLAR Jerald Graeme: "Applications of Operational Amplifiers," McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.

264


Brian Jones: "Circuit Electronics for Scientists", Addison-Wesley Publishing Company, Inc,. Reading, Mass., 1974. R.D. Middlebrook: "Differentiai Amplifiers, " John Wiley and Sons, Inc., New York. 1963. ALIŞTIRMALAR 8-1. Şekil 8-4 de verilen T-köprülü geribeslemeli yükseltecin c ş de ğer devresini çizin. Yalnız başına süzgecin belirtgen e ğrisini çizin (yani, i3 nın frekansa göre de ğişimini) ve geribeslemeli yükseltecin tepki e ğrisini bulun. Bütün AET ler için g m = 5 x 10-3 mho oldu ğunu varsaym. 8-2. Şekil 6-8 deki kaynak izleyicisini geribeslemeli bir yükselteç olarak düşünerek kazanç, giri ş ve çıkış impedansları için gerekli ba ğıntıları elde edin. Cev: a/(1+a); ( R g -I- R2) (1+a); R2 (1+a) 8-3. Şekil 8-2 deki transistörlü geribeslemeli yükseltecin giri ş ve çıkış impedanslarını bulun. h parametrelerini h ie = 3600 Q, = 150, hr e = 3 x10-3 h oe = 1,4 X 10-4 mho alın. ve

Cev: 1,61 x 10 6 Q, 12 Q 8-4 Şekil 6-18 deki devrede yay ıcı direnci ile paralel ba ğli olan kondansatörü kaldırın ve kalan devreyi akım geribeslemeli bir yiikselteç olarak çözümleyin. fi yı ve kazanc ı hesaplayın. Cev : 1; 3, 3. 8-5. Gerilim ve akımla geribeslemenin her ikisinin de bulunmas ı durumunda, geribeslemeli bir yükseltecin giri ş impedansmı veren bir ba ğıııtı elde edin. Bu ba ğıntıyı kullanarak akım ve gerilim negatif geribeslemenin her ikisinin de giriş impedansım artırdığını gösterin. Ç ıkış impedansı sıfır olduğu zaman, Denk. (8-15) i kullanarak, giri ş impedansını veren ba ğmtıyı

8-6 Ş ekil 8-16 daki işlemsel geribeslemeli yükseltecin ç ıkış katlarındaki gerilim ve akımla geribesleme oranları ; 13, ve j

yi hesaplayın.

Cev : 10-2, 1 8-7. Şekil 8-23 ü kullanarak Denk. 8-30 a kar şılı k gelen sayısal bir ba ğıntı geliştirin. Şekil 8-22 deki devrede kullan ılan transistör için / o in yaklaşık değeri nedir? e/kT = 38 V-1 alın. Cev : 3,8 x 10-13 A

8-8. Şekil 8-22 de yararlan ılan ilkeleri kullanarak, ç ıkış gerilimi giriş iş aretinin ya karesi ya da üçüncü kuvveti olan bir devre tasla ğı çizin.

TEMEL ELEKTRONIK

265

8 9. Serbest dü şen cisim problemini çözebilecek bir analog bilgisayarm ın -

çizimini yapın. Bunun için gerekli denklem,

d2x dt2 = g

(8-45)

dir ve g yerçekimi ivmesidir.

8 10. Şekil 8-29 da çizimi verilen analog-bilgisayar ı devresinin x ve y cin-

sinden çözebileceği, iki bilinmeyenli iki denklem yaz ınız.

Cev : a ix b iy = ci

ve

a2x b2y = c2

Şekil 8-29. Doğrusal denklem sistemlerini çözmeye yarayan analog bilgisar devresi.

BÖLÜM DOKUZ

Osilatörler

Elektronik devreler, çe şitli frekanslarda çeş itli dalgabiçimerinde a.a. işaretleri üretebilirler. Gerçekten, transistörlü ve vakum-tüplü osilatörler, yüksek-frekanslı gerilimleri üretmenin tek kolay yoludur. Bunlar, radyo ve TV vericilerinde ve ahcılarında, dielektrik ve indüksiyon ısıtm,asına karşı ve elektronik cihazlarda zamanlama ve deneme amaçları için oldukça çok kullan ılmaktadır. Asl ında herhangi bir osilatör, d.a. kaynak gerilimlerinin verdiği gücü istenen belirtgenlere sahip olan a.a. gücüne dönüştürür. Titreşimlerin frekans ve dalgabiçimlerine ek olarak, dönüştürme etkinliği ve frekans kararlılığı da osilatör devrelerinin yapılmasında önem taşır.

TEMEL ELEKTRONIK

267

POZITIF GERİBESLEME Titre şim, herhangi bir giriş iş areti olmadığı halde bir ç ıkış işareti oliışturan pozitif geribesleme yoluyla ba ş ardın Denklem (8-4) e göre, geribeslemcli bir yükseltecin kazanc ı , a' =

1—ap

(9-1)

ba ğmtısı ile verilir. E ğer, devre şartları a/3 = 1

(9-2)

olacak biçimde düzenlenirse, Denk. (9-1), kazanc ın sonsuz oldu ğunu gösterir. Bunun fiziksel yorumu, giri ş işareti s ıfır olduğu zaman bile bir ç ıkış iş aretinin var oldu ğudur. Sinüsel titre şimler için, geribesleme devresi, Barckhausen ölçülü olarak bilinen Denk. (9-2) yaln ız bir tek frekansta sa ğlanacak biçimde yapı lır ve devre o frekansta titre şir. Barkhausen ölçütü geribesleme i şaretinin faz kaymas ımn 360° olmasıııı gerektirir ve bu faktör, titre şimin frekansmm bulunmasında önemlidir. Bundan ba şka titre şimlerin sürekli olması için, yükselteç kazanc ı aj9 çarp ımınuı bire eşit olmasını sağlayacak kadar büyük olmandır. Titre şimin genliği, dolaylı olarak Denk. (9-2) yard ımıyla bulunur. Her yükseltecin kazanc ı, büyük-i şaret genliklerinde kesilim ve doyum ş artlar ının ortaya ç ıkmasıyla azaltılır. Bundan ötürü durgun geldik, kazanc ın mutlak değ eri 1 ifi olacak biçimdedir. Geribesleme devresi, ço ğu kez pasif bir devre oldu ğundan, gerilik etkin olarak yükselteç belirtgenlerine ba ğlıdır. Titreşimleri baş latmak için herhangi bir giri ş i ş aretinin uygulanmas ına gerek yoktur. Rastgele gürültü gerilimleri ya da kaynak geriliminin uygulanmasıyla birlikte ortaya ç ıkan geçici gerilimler geribeslcme süresini ba şlatmak için yeterlidir. Geribesleme i şaretinin genliği yükselteç kazand ım ba ğlı olduğundan kazanç büyük oldu ğu zaman titre şimlerin durgun-durumdaki büyüklüğüne eri şme hızı artar. Küçük-i şaret kazanc ının. genellikle Barckhausen ölçütünün gerektirdi ğinden oldukça daha büyük olmas ı istenir. Bunun böyle olması devredeki küçük de ğiş ikliklerden etkilenmeyen titre şimler oluşturur. Öte yandan eğer kazanç çok büyükse, büyiik-i ş aret genliklerine e şlik eden doğrusal olmama durumlar ından ötürü sinüsel olmayan titre şimler do ğan

RC'Lİ OSİLATÖRLER F'az Kaymall Osilatör Alistlageleıı bir yükselteç kat ı ve bir RC geribesleme devresinden olu şan basit fakat pratik bir osilatör devresi faz-kaymah osilatördür, Şek. 9-1.

268

OS1LATÖRLER

Yayıeı sı. toprakl ı katın, 1.80° ilk faz kaymas ı oluşturma özelli ği vardır ve peş peş e gelen RC devreleri Barkhausen ölçütünü sa ğlamak için. fazı 180° daha kaydım.. Özel bir frekansta her bir RC kesimindeki faz kayması 60° olur, böylece geribesleme devresindeki toplam faz kaymas ı 180° dir ve yük—o 22 V 180k..c

10k9 0,1 bı F

—o 0,0054F

0,005 /./F

0,005 j..cF

ll-

lCC

C

C

vo 1 k.9.

R 1 kS2

Şekil 9-1. Faz kaymak osilatör,

seltmenin yeterince büyük oldu ğu varsayımı altında devre, bu özel frekansta titre şir. Bir RC kesiminde maksimum faz koymas ının 90° den fazla olmadığını hatırlamakta yarar vard ır. Bu demektir ki iki-kesimli bir geribesleme devresi mümkün değildir, çünkü toplam 180° ilik bir faz kaymasnı da geribesleme devresindeki zayıflamanın üstesinden gelebilmek için sonsuz bir kazanca ihtiyaç duyulacaktır. Öte yandan, üçten. fazla RC kesimli bir geribesleme devresi içeren bir osilatör yap ımı mümkün olmakla birlikte, geribesleme devresinde üçten fazla RC kesiminin kullanılmasının hiç bir özel yarar' ya da üstünlü ğü yoktur. Faz kaymal ı osilatör önce geribesleme devresi üzerinde yükseltecin yükleme etkisi önemsiz tutularak çözümlenir. Geribesleme devresine bir v © ığı gözönüne alınarak, transistöre uygulanan v i işareti gerilmnuyad doğrudan do ğruya devre çözümlemesi yap ılarak bulunabilir. Sonuç olarak,

fl =

va

1-5 / (wRC) 2 j {1 / (wRC) 3 6 / coRC1

(9-3)

bulunur. Geribesleme devresinde olu ş an faz kaymasnun 180° olmas ı için Denk. (9-3) ün sanal kısmının sıfır olması gereklidir, yani

1 (co, RC) 3 ="---

6 wo RC

olmalıdır. Titre şimin frekansı , fo = co a /27ı den

(9-4)

TEMEL ELEKTRONIK

fo =

1

1

2n -\/6

RC

269

(9-5)

bulunur. Denklem (9-5) i Denk. (9-3) de kullanarak, j3 = 1 /(1-5 X 6) = -1 /29 elde edilir; bu demektir ki Barkhausen ölçütünün sa ğlanması için kazancın, a =

1

— 29

(9-6)

olması gerekmektedir. Bu sonuca göre, kazanc ın en azından 29 olması gereklidir, aksi halde devre titre şemez. Gerçekten, devre kayıplarma ve bile şenlerin ya şlanmalarma kar şı titreşimlerin kararhlığun korumak için yükseltecin kazanc ı 29 dan büyük olmahdır. Titreşimlerin genliği, transistördeki do ğrusal olmama etkileri ile kazanç 29 de ğerinde sınnlan ıncaya kadar artar. Ço ğu kez sınırlayıcı etken dalgamı' tepesinde kesilmenin ba şlamasıdır ve ancak tepe de ğeri durgun toplayıcı gerilimine hemen hemen e şit olan bir işaret genli ği beklenir. Faz kaymak osilatörün basitli ği onu kritik olmayan uygulamalar için özellikle orta ve yakla şık olarak 1—Hz'e kadar dü şük frekanslarda, çekici kilar. Bununla birlikte, frekans kararl ılığı, öteki RC osilatörleri ile elde edilebildiği kadar, iyi de ğildir. Ayrıca frekans ı değiştirmek için üç sığanın (ya da üç direncin) üçünü de de ğiştirmek gerekmektedir, bu pek kolay bir i ş değildir. Wien Köprülü Osilatör Wien. köprüsünün Bölüm 3 de tart ışılan frekans-seçici özellikleri, herhangi bir osilatörün geribesleme devresi için oldukça uygundur. Gerçekten, Wien köprülü osilatör, Şek. 9-2, işaret üreteçleri adı verilen ve laboratuvarlarda kullan ı-

Şekil 9-2. İntegre-devre Wien köprillii osilatör.

270

OS İ LATÖRLER

lan de ğişken-frekansh cibaslar için büyük ölçüde kullanilmaktad ı r. Ş ekil 9--2 deki alışılagelen integre devre yükselteci köprünün rezona ııs freka..ns ında, poziflf, geribesleme sa ğlar, burada Denk. (3-68) e göre, geribesleme devresindeki faz kaymas ı sıfırthr. Belirtgin frekans ı , Denk. (3-64) den fo

2

7(

1 RC

(9-7)

elde edilir. Tam denge durumunda R2 = 2 R i oldu ğu zaman, Wien köprüsünün ç ıkış gerilimi sıfırdır (bak Ş ek. 3--15), bundan ötürü R2 /R i oranın' ayarlayarak köprüyü birazcık denge konumundan uzakla ştırmak gereklidir. Bu, kararlı salıunnları ayakta tutabilecek yeterli geribesleme gerilimini Sa ğlar, çünkü geribesleme oranı, R i ve R, nın ba ğıl değeri ile belirlenir. R2 yi şöntleyen iki 1N 914 diyod ve 47—k luk direncin oluşturdu ğu sistem, geribesleme oranmı otomatik olarak ayarlayarak genlik kararl ılığı Sağlar Çıkış işaretinin küçük ve bundan ötürü, diyodlarm uçları aras ındaki işaret geriliminin diyodun do ğru yön gerilim düşmesi olan yakla şık 0,6 volt belirtgin geriliminden daha az olduğunu varsayınız. Bu durumda diyodlarm hiç biri iletmez ve şönt kolu açık devre olarak gözükür. E ğer çıkış işareti diyodları iletime geçirecek kadar bilyükse, 47—k S) luk direnç, etki bakımından R, ile paralel olarak ba ğlanmış olur ve geribesleme azalt ıhr. Bu nedenle ç ıkış genliği, dalgabiçiminin tepesinde diyodlarm ancak iletime geçebildi ği düzeyde, kararl ı durumu alır. Faz kaymak osilatöre göre, Wien köprülü osilatörün mükemmel frekans kararlılığı, geribesleme geriliminin fazmm frekansla h ızlı değişiminin bir sonucudur. Geribcsleme oran ı , Denk. (3-68) den,

fi

vo

vi

3-1-j(co /co 0—o o /co)

(9-8)

1-1-R2 /R 1

dir. Fas kaymas ı, Denk. (9-8) i uygun bir biçimde basitle ştirip düzenleyerek ve faz açısmın tanjantıra hesaplayarak bulunur. Rezonans frekansma yak ın frekanslar için sonuç tan 0 2

1 H- R2/R ı 9 — 3 (1 -F R2/R1)

co o cu

o.) coo

(9-9)

dir. Örneğin, R2 = 1,9 R i ise, Denk. (9-9) daki frekans teriminin katsay ısı 9,7 ye e şit olur. Kar şılaştırma yapmak gerekirse, faz-kaymal ı osilatör için yukardakine karşılık gelen bağıntı , Denk. (9-3) uygun biçimde düzenlendikten sonra elde edilir ve tan

-Ş65

o) ( \ co o

coo —

aı

(9-10)

271

TEMEL ELEKTRONIK

bulunur. Burada c'o, ı denkleme sokmak için Denk. (9-5) kullan ılmıştı r. Denklem (9-10) DUR sağ yanmdaki sayısal çarpan 0,49 dur ve bu de ğer Wien köprü durnmundakinden 20 kez daha küçüktür. Bu karşılaştırma Şek. 9-3 de her iki osilatör için de geribesleme i şaretlerinin faz açısı co na bir fonksiyonu olarak çizilerek daha aç ık olarak gösterilmiştir. Wien köprülü geribesleme devresinde, faz aç ısı frekansla oldukça hızlı değişir. Yalnız faz açısı sıfıra yakın olan geribesleme i şaretleri etkin olduğundan bu, Wien köprülü osilatörün frekansm ın yeterince kararl ı olması demektir. e • 30

ro

Wien köprüsü • 20 Fs • 1

0,90

0,95

1,05

1,10

-10

Evre kaymak titreşken -20 - 30

Şekil 9-3. İki çeşit

RC osilatörü için rezonans frekansma yakın bölgedeki faz kayma belirtgenleri.

Frekansı değiştirmedeki bağıl kolaylık (yalnız iki sığanm de ğişken olmas ı gerekmektedir) ile birlikte çok iyi frekans kararl ılığı, Wien köprülü osilatörlerin herkesce istenmesini ve kullan ılmasını mümkün kılmaktadır. Çok kullanışlı devrderdeki de ğişken sığalar yakla şık olarak l'e 10 luk bir frekans bölgesi Sa ğlar. Ayrıca, bir anahtar yardımıyla dirençlerin sabit onluk de ğerleri seçilir ve böylece tek bir cihazda geni ş bir frekans bölgesi taranabilir. Ticari tipik bir Wien köprülü osilatörün, onluk basamaklar biçiminde 5 Hz den 1 MHz e kadar uzanan bir frekans bölgesi olabilir.

REZONANS DEVREL İ OSİLATÖRLER LC'Lİ Osilatörler LC rezonans devreleri, ço ğu kez, osilatörlerin titre şim frekanslarmı seçmek amacıyla geribesleme devrelerinde kullan ılırlar. Şekil 9-4 deki Hartley osilatöriiitii göz önüne alınız, bu osilatörde geçit ile ak ıtıcı arasına paralel bir rezonans devresi ba ğlanmıştır. İndüktans iki kesime ayr ılmıştır, böylece etki bakımından, L 1 kesimi akıtıcı yükünün bir parças ını oluşturur geri kalan L2 ise geçit devresindedir. Rezonans frekans ı , L İ ve L2 nin seri indüktansın ı içerir, bu nedenle, Böl. 3 de oldu ğu gibi,

272

OSILATÖRLER

yo

Şekil 9-4. Hartley osilatörii.

1

co o

-\/(L ı T L 2)C

(9-11)

dir. Geribesleme oranını bulmak için önce L2 nin uçları arasındaki geribesleme gerilimi hesaplanırsa, bulunur ve va = ijcoL, =----

vojcoL2

jcoL 2

-I-

1 Ijo£

(9-12)

co o(L + L2) = 1 loı0C rezonans şartını kullanarak, Vi =

Vo

coo-L2 oL

(9-13)

elde edilir, bu durumda geribesleme oran ı ,

P =

L2 Lı

(9-14)

den oluşmaktadır. Oranın negatif oldu ğuna dikkat ediniz. Bu demektir ki yükselteçte olu şan ek 180° lik faz kaymas ı istendiği biçimde pozitif geribesleme oluşturur. Denklem (9-14) ve Barkhausen ölçütii titre şimleri beslemek için gerekli yükselteç kazan.cm ı belirler. Hartley osilatöründe önbesleme şartları çok önemlidir. Çal ıştırmak için gerekli önbesleme gerilimi, geçit devresi ııdeki R g Cg bileşimi ile sağlanır. Titreşimler başladığı zaman, geçit önbesleme gerilimi s ıfırdır. Titre şimler yükselirken, geçit-kaynak diyodu geribesleme i ş aretini do ğrultur ve böylece Cg yi hemen hemen giri ş işaretinin tepe de ğerinde yükler. RgCg zaman sabiti titreşimin periyodundan çok daha büyük oldu ğundan Cg nin uçları arasındaki gerilim sabit kal ır ve gerekli d.a. geçit önbesleme gerilinaini temsil eder. Etki

273

TEMEL ELEKTRONIK

bakımından geçit,' toprak gerilimine k ıskaçlanmış olmaktadır ( Ş ek. 4-27 ve 4-28'i karşılaştım* Bundan ötürü geçit önbesleme gerilimi kendisini geribesleme i şaretinin genli ğine otomatik olarak ayarlar ve bu davran ış titre şimin genliğini kararlı duruma getirir. Bu çeşit önbesleme, periyodun ço ğunda transistörün kesdim& oldu ğu anlammdandır ve bu duruma C s ınıfı çalış ma durumu denir. Geçit gerilimi, geribesleme gerilimi devri üzerinde tepe de ğerine ulaştığı zaman akıtıcı akımı oluşturur. Rezonans devresinin büyük impedans ı , giriş iş aretinin yalnız temel bileşeninin yeterince genlik kazanmas ına izin verir; bundan ötürü ç ıkış dalga biçimi sin,üseldir. Rezonans devresinin davran ışını açıklamanın bir başka yolu da, devrenin C s ınıfı yükseltecinden gelen periyodik pulslarla uyarddığnu ve rezonans devresindeki ç ınlamalarla sürekli bir dalga olu şturuldu ğunu söylemektir. Bu iki açıklama anlam bak ımnada eşdeğerdir. Şekil 9-5 de gösterilen Colpitts osilatörü, geribesleme oranının Ci ve C2nin bağıl değerleri ile belirlenmesi bir yana Hartley devresine benzer. Bu devredeki taban önbesleme gerilimi, transistörü bir A s ınıfı yükselteci olarak çahştıracak biçimdedir, fakat Hartley osilatörüne e şdeger bir C sınıfı çalışması aynı ölçüde mümkündür. Ç ıkış yükü, ikinci bir L, sarma ile rezonans devresine çifflenmi ştir. Bu yöntem, dü şük impedanslı yükleri beslemede özellikle kullamşhdır. +20V 9,1kg

10 kft

18 pF 2N1491

5-20 pF

4-30 pF

Çfikış

0.01 /ı F 5 sanmh 1 em çaplı Şekil 9-5. 70-MHz lik Colpitts osilatörü.

Geribesleme gerilimini olu şturmak için ba şka bir yol da, indüktansa çiftlenmiş ikinci bir sarım, ya da uyarıcı sarım kullanmakt ır. Örneğin, Şek. 9-6a daki tabanı toprakh osilatörü göz önüne al ım. L ve uyarıtıcı sarım arasındaki karşılıklı indüktans, titre şimleri besleyerek ayakta tutmak için uygun genlik ve fazda bir geribesleme i şareti oluşturur. Kar şılıklı indüktansm Böl. 3 deki tammından, geribesleme gerilimi, makaralar aras ındaki karşılıklı indüktans M nin toplam indüktans L ye oranının L nin uçları arasındaki gerilimle çarpımına eşittir. Bundan ötürü,

2 î ı.

OSİ LATÖRLER

A/ - - — vo

(9-15)

M L

(9-16)

ya da

v o ==

dir. Osilatörün e ş değer devresi, Ş ek. 9-6b, a ş ağıdaki biçimde çözümlenir. Rezonans durumundaki bir paralel rezonans devresinin impedans ı oldukça büyüktür; bundan ötürü, taban ı topraklı yükseltecin kazancı , Denk. (6-36) dan —1

a b lt

b

b

—

1 hr

re ly.r e -Frbire

r,

1

rb = —İır t,

(9 17)

dir. Barkhausen öleütünü uygulayarak ve Denk. (9-17) ve -(9-16) y ı karşılaş t ırarak titre şirn için gerekli şart, hrb ==

I

(9-18)

elde edilir. İyi nitelikli bir transistörde, l ır b nin değeri 10-4 mertebesindedir, bu demektir ki kar şılıklı indüktans oldukça küçük olabilir. Bundan ötürü, yalnız bir kaç sargıdan oluşan bir uyartıcı sarım yeterlidir. Uyartıcı geribesleme devresinin önemi, geribesleme geriliminin genliginin geribesleme devresindeki sargının sanm sayısıyla kolaylıkla ayarlanabilir olmasıdır. E ğer, pozitif geribesleme elde etmek ihtiyac ı duyulursa, sarg ı çıkış telleriAin konumlar ını yerdeğiştirerek uygun faz elde edilir Bundan ötürü Şek. 9-6 tabanı topraklı bir devre olmakla birlikte, yay ıcısı toprakh ve toplarcısı topraklı biçimler de ayn ı ölçüde kullan ılabilir. Ayrıca, rezonans devresi, yare ı veya taban devresine de konabilir. Şekil 9-6 da gösterilen özel kurgu, aşağıda tartışılaca ğı üzere, iyi frekans kararl ılığı için özellikle uygundur. Transistörlü osilatörlerin C s ınıfı çalış ması , çoğu kez, yüksek frekanslarda yeterince güç elde etmek amac ıyla yapılan devrelerde kullanılmaktadır. Şekil 9-7, tipik bir güç osilatörün devre çizimidir. Yüzde 70 mertebesinde güç verimi elde etmek mümkündür. Bu devrede, taban önbesleme gerilimi Hartley osilatöründeki davran ışa benzer biçimde, taban-yay ıcı devresindeki direnç kondansatör sistemi yard ı mıyla verilmektedir. Kristalli Osilatörler osilatörlerin frekans kararl ılığı , özellikle rezonans devresinin Q çarpanı ile belirlenir. Q büyük olduğu zaman, rezonans e ğrisi dikey olarak tepe de ğerine ulaşır ve fazm frekansa ba ğlı olarak de ğişim hızı çabuktur ve bu iki etken de osilatörün frekans kararld ığına katkıda bulunur. Bununla ilgili olarak, rezonans devresi ile paralel ba ğlı herhangi bir e ş de ğer direnç etkin Q

LC

275

TEMEL ELEKTRONIK

h ib

e

ie Vi

(5,h rb

Vlıfb i

ob lh

>7,

J

• (b)

Şekil 9-6. (a) Tabanı topraklı uyarıcılı osilatör ve (b) e şdeğer devresi. +28v 19 sarımlı 2,54 em çaplı

o

Çıkış

Şekil 9-7. 100-KHz ve 10-W l ık güç osilatörü.

yu azaltır. Bundan ötürü, frekans kararl ılığını geliştirmek için bunun re , zonasdevriükylmetsinuadrlme.Böü 6 daki tart ışmaya göre, taban ı topraklı yükselteein çıkış impedansı başka herhangi bir kurgununkinden daha büyüktür. Rezonans devresi toplay ıcı devrede bulunan taban ı toprakh osilatörün en iyi transistörlü osilatör biçimi ol-

276

OSiLATÖRLER

masının nedeni budur. Buna kar şılık, AET lii osilatörün rezonans devresi, ço ğu kez, geçit devresindedir. Her iki durumda da Q için 100 den 500 e kadar pratik de ğerler elde edilebilir ve oldukça kararl ı titre şimler oluşturulabilir. Pek çok uygulamalarda, LC-rezonans devresi ile elde edilebilen kararl ıUtan çok daha yüksek frekans kararl ılığı gereklidir. Bu ihtiyac ı karşılamak amacıyla kristalli osilatörler kullan ılmaktadır. Baz ı kristal maddeler, özellikle kuartz piezoelektrik özellikleri gösterir yani, bir elektrik alan ının etkisi altında bırakıldıkları zaman mekaniksel olarak biçim de ğiştirirler. Piezo-elektrik, ayn ı zamanda, bunun tersin=u de do ğru oldu ğunu anlatmaktadır, yani, bir kuvvet etkisi ile kristalin biçimi de ğiştirildiği zaman, karşılıklı yüzeyler aras ında bir elektrik gerilimi olu ş ur. Bu piezoelektrik özelli ğin sonucu olarak, iletken elektrodlar aras ına yerle ştirilen ince bir kuartz levha, elektrodlar alternatif bir gerilim kayna ğına bağlandığı zaman, mekanik olarak titre şir. Titre şimler yeniden elektriksel i şaret üretirler ve bu i ş aretler gerilim kayna ğı ile etkile şir. Titreşimler ve elektriksel i ş aretler, kristalin do ğal mekanik rezonans frekans ında, maksimuma eri şirler. Titre şken bir cismin hareket denklemi daha önce Denk. (8-43) ile

m

d2x dt2

xb

dx dt

F- lex ---= F(t)

(9-19)

olarak verilmişti. Burada söz konusu olan problem için, m kristalin kütlesi, b mekanik iç kayıp katsayısı ve k kristalin esneklik sabitidir. Daha önce belirtildiği üzere, bu ba ğmtı seri bir rezonans devresindeki ak ım için verilen Denk. (3-20) ile biçim bak ımından özde ştir. Seri rezonans devresindeki ak ım,

L

2i dt2 d

R

di dt

1 4- C

. .ı F (t)

(9-20)

bağmtısı ile belirlenir. Denklem (9-19) ve (9-20) nin kar şılaştırılması ile titreş en kütlenin indüktansa benzedi ği, mekanik kayıpların dirence e ş değer olduğu ve esnekli ğin sığanın tersine kar şılık geldiği görülebilir. İki denklenıin özdeş oluşları nedeni ile, mekanik rezonans da beklenir, ve Denk (3-47) ye benzer biçimde mekanik bir Q çarpan ı Q

com = b

(9-21)

tanımlamak iş e yarar. Buna göre, kuartz kristalinde iç kay ıplar çok küçük olduğundan 100 000 e ulaş an Q değerleri elde edilebilir. Bundan ba şka esneklik katsayıları, kristalin mekanik büyüklü ğüne ve biçimine ba ğlı olarak 10 kHz den 10-40 megahertze kadar de ğişen rezonans frekanslar ını mümkün kılacak büyüklüktedir. Kuartzın piezoelektrik özellikleri, mekanik titre şimlere karşılık gelen elektrot gerilimleri olu ştururlar. Bu, elektriksel belirtgenlerin e şde ğer bir

TEMEL ELEKTRONIK

277

devre ile gösterilebilece ğini ortaya koymaktadır. Denklem (9-19) ve (9-20) nin karş daştırdması ile görülebileceği üzere, söz konusu uygun devre, bir direnç, bir iıidüktans ve bir sığanm seri bir dizili şidir. Buna, aralar ındaki kristalin bir dielektrik gibi davrand ığı elektrodların oluşturdu ğu paralel-levhalı kondansatörden do ğan elektrik s ığasuun da eklenmesi gereklidir. Bu nedenle, bir kuartz kristalinin tam e ş değer devresi, Şek. 9-8a da gösterilen seri-paralel diziliştir. Bu e ş değer devredeki L, C ve R kuarzt kristalinin özelliklerine ba ğhdır ve C'ise elektrodlarm elektrostatik s ığasıdır. Eşdeğer devredeki bu ö ğelerin 90—kHz lik bir kristal için uygun de ğerleri; L = 137 H, C = 0,0235 pF, R 15 000 Si ve C' = 3,5 pF d ır. Bir kristal için ah şılagelen devre gösterimi,• Şekil 9-8b de verildiği gibi kristalin iki levhanın arasına yerle ştirilmesi ile oluş an bir paralel levhal ı kondansatördür.

t

(e)

(b)

Şekil 9-8. (a)Bir Kuartz kristalinin e şdeğer devresi ve (b) devre gösterimi.

Kuartz kristalinin seri-paralel e şdeğer devresi, bir seri rezonans frekans ı (sıfır impedans) ve bir paralel rezonans frekans ı (sonsuz impedans) olaca ğım göstermektedir. Seri rezonans frekans ı coş = 1 / './LC dir. C' nün reaktans ı L ve C nin bileşiminin net indüktif reaktansma e şit olduğu zaman paralel rezonans oluşur, böylece paralel rezonans frekans ı aıi, = V (1 IL) (1 /C+1 /C') ile verilir. Bu durumda, paralel rezonans frekans ı seri rezonans frekansmdan her zaman büyüktür. Fakat, C' » C oldu ğundan iki değer birbirlerine oldukça yakındır. Şekil 9-9 da gösterildiği gibi, reaktans rezonans frekanslarm ın, hem üstünde ve hem de altında sığasaldır. Bir kuartz osilatörünün büyük Q su sayesinde son derece kararl ı osilatör devreleri mümkündür ve şimdiye dek böyle pek çok devreler yap ılmıştır. Paralel rezonans frekans ı daha çok kullandmakla birlikte, ya seri ya da paralel rezonans frekans ı kullanılabilir. Örneğin, kristalin taban ve toplay ıcı arasına bağland ığı , Şek. 9-10 daki Pierce osilatörünü göz önüne ahn ız. Bu devre, Şek. 9-5 de verilen Colpitts osilatörüne özde ştir, yalnız oradaki rezonans devresi

278

OS İLATÖRLER

X

Seri rezonans

Paralel rezonans

Şekil 9-9. Kuartz kristalinin impedans ı.

420V

Şekil 9-10. Kuartz-kristal osilatörii.

yerini burada kristale b ırakmıştır. Geribesleme oran ı C 1 ve C2 nin bağıl de ğerleri ile hesaplamr. Toplayıcı ucundaki RFŞ (radyo frekans şoku) indüktans ı, iş aret frekansında toplayıcı topra ğa kısa devre yapmadan toplay ıcı gerilimini uygulamanın yararli bir yoludur. Bu indüktans, devrenin çal ışmasında bazı kayıpları göze alarak 10000-0 luk bir dirençle yerde ğiştirilebilir. Burada aynı zamanda, devrenin çal ışmasını iyileştirmek amac ıyla paralel bir LC rezonans devresi de kullan ılabilir. Bu son durumdaki rezonans devresi sadece uygun bir toplayıcı yük impedans ı oluşturur ama titre şimin frekansını belirlemez. Kuartz, kristal osilatörlerinin hemen hepsinde kullandmaktad ır,.çünkü bu kristal, sert bir dereceye kadar kuvvetli ve küçük bir s ıcaklık genişleme

TEMEL ELEKTRONIK

279

katsayısına sahiptir. Kristal yap ısma göre diizlem yüzeylerinin. uygun konum alışlarb rezonans frekansınm akla yakın bir bölgede sıcaklıktan ba ğımsız olmasını mümkün kılar. Sonuç olarak, milyonda 100 basama ğında frekans kararlılığı başarılabilir. Sıcaklığı kontrol edilen bir fırın içerisine kristali koyarak ve titre şen kristal üzerine havan ın söndürücü kuvvetinin etkisini azaltmak amacıyla kristali çevreleyen kab ın havasın ı boş altarak daha da iyi kararl ılık elde edilmektedir. Ayn ı zamanda, devrenin geri kalanm ın sıcaklığını kararlı duruma getirmek ve osilatör için düzenli bir güç kayna ğı kullanmak yaygın bir uygulamadır. Osilatörü yükteki de ğişimlerden yalıtmak amacıyla yükselteç katları kullanılır. Böylesine özenle çizilmi ş ve yapılmış kristalli osilatörler son derece kesin ve 100 milyonda re kadar do ğru olabilen zaman standarelları oluşturur.

NEGATİF DİRENÇLİ OSİLATÖRLER Kararlılığın incelenmesi Başta tünel diyod ve tek eklemli transistör olmak üzere birçok ayg ıtın akımgerilim belirtgenleri negatif direnç özellikleri gösterirler. Yani, belirtgenin bir kesiminde uygulanan gerilim artarken ak ım azalır. Bölüm 5 de tartışılan negatif direnç özelliklerine götüren fiziksel nedenlerin çe şitli osilatör devrelerinde oldukça yararl ı olduğu kamtlanabilir. Negatif dirençten ileri gelen titre şirain incelenmesi, osilatöriin a.a. küçükişaret doğrusal eşdeğer devresinin kompleks impedansun incelemekle en iyi biçimde yap ılır. Örne ğin, Şek. 9-11 deki seri rezonans devresini göz önüne alalım. Burada r, bir tünel diyodun çal ışma noktasındaki negatif direncini göstermektedir. Devrenin. impedarısı,

o Şekil 9-11. Negatif direnç osilattirünim e şdeğer devresi.

Z = R 4- jwL = R -I-

R -I- iL + I + jwCr

1 / r jo)L

1 -I- (wrC)2

ja)

EL

r2C 1 -F- (aırC)z]

Her zaman olduğu gibi devredeki akım Ohm yasası ile

(9-22)

280

OSiLATÖRLER

(9-23)

Z

verilir. Denklem (9-23) inipedans ın sıfır olduğu durumlarda sonsuz bir ak ım öngörür. Bu durum Denk. (9-2) ye benzemnkte ve devrenin titre şim yapaca ğım göstermektedir. Öyleyse, devrenin titre şiminin incelenmesi impedans fonksiyonunu sıfır yapan de ğerlerin ara ştırılmasıyla yapılır. İ mpedans, Denk. (9-22) nin gerçek k ısımlarnun her ikisi de s ıfıra eşit, yani R;

1 -I-

(aırC) 2

= Ove L

r2C —

1 ir (corC) 2

(9-24)

°

olduğu zaman s ıfır olur. Bu bağıntıların her birinden de aç ısal frekans bulunursa, co2 -

1_) 2

-

GT

1- ,1 - -ff r ) ve a) 2 --,

'TĞ 1 -

C 2

=

002 — (

ı 2

_

rC)

Ti

(9-25)

elde edilir, burada o ı , rezonans frekaıasıdır. Titreşim frekans ı için her iki bağıntıran da aynı değer vermesi gerekti ğinde'', )

2

(

1 H--

\ Rj

1

- — ılLC - ( -rC)

2 (

(9-26)

yazılabilir. Titro şimleri ayakta tutmak için gerekli negatif direncin de ğeri çözülürse, r =

L RC

(9-27)

bulunur. Bu de ğeri Denk. (9-25) de yerine koyarsak, titre şimin. frekansı,

(ö z = 002 __,‘ L

2

(9-28)

olur. Bu bağıntı , seri bir rezonans devresinin do ğal frekansma oldukça benzemektedir. Etki bakımından, diyodun negatif direnci devredeki pozitif direnci yok eder ve devre do ğal frekans ında sürekli olarak ç ınlar. Denklem (9-27) ye göre, umuldu ğu üzere, çal ışma noktasında diyod direnci negatiftir. Aynı zamanda, Denk. (9-25) den hesaplanan frekans ı!" gerçek bir de ğer olması için r nin mutlak de ğerinin devre direnci R den büyük olmas ı gerektiğine dikkat ediniz. Bununla birlikte ,Irl < R olduğu zaman da yararl ı devre çalışması baş arılmaktadır. Bu şart alt ında Denk. (9-25) in titre şim frekarısının sanal olaca ğını gösterme olduğu, küçük-i şaret do ğrusal eş değerdevre incelenmesinin bu duruma uygulanam ıyacağnu önermektedir. Devrenin iki durumundaki çal ışması , Şek. 9-12 de gösterildiği üzere, tünel diyodun akını-gerilim belirtgeni üzerine çizilen yük-do ğrularının yardımıyla en iyi biçimde karşilaştırdabilir. iri>R oldu ğu zaman, yük do ğrusu eğriyi

281

TEMEL ELEKTRONİK

yalnız negatif direnç kesimindeki çal ışma noktas ında keser ve yukar ıda incelendiği üzere, devre rezonans frekans ında titre şir. Karşdaştırmak gerekirse, I r < R oldu ğu zaman üç kesim noktas ı oluşur. Bu durumda 1 ve 2 noktalarına" ikisi de kararlı (titre şim yapmayan) devre şartlarıdır. 3 noktası karars ız

1N3714

k Titreşim ,- Iri > R

E

r

tri < R Anahtar1ama

0,2

0,4

V, V

0,6 V

DD

F sv

Şekil 9-12. Tünel-diyod osilatörü ve anahtarlama devresi için yük do ğrulart.

bir denge ş artıdır ve eğ er devre bu noktaya getirilirse akan hemen de ğiş meye ba şlar ve sonunda ya 1 noktas ında ya da 2 noktas ında denge durumunu alır. Öyleyse, gerçekten devrenin iki kararl ı durumu vardır. Geçici olarak gerilim uygulamak suretiyle, devreye bir durumdan ötekine geçi ş yaptın labilir. Örneğin, devrenin 1 noktas ında bulundu ğunu ve uygulanan gerideki geçici bir art ışın akımı tepe de ğerine kadar art ırdığını varsayalım. Bu geçici gerilim art ışı ortadan kaldırıldığı zaman devre IV belirteni üzerinde geri gelir ve 2 noktasında durur. Benzer biçimde uygulanan gerilimi geçici olarak ortadan kald ırarak devre 2 noktas ından 1 noktas ına getirilebilir. Gerilim yeniden uygulandığı zaman, a.kım başlangıç noktas ından ba şlayarak artmaya ba şlar ve 1 noktas ında durur. Bu çe şit anahtarlama özellikleri, örneğin, sayısal hesap makinelerinde oldukça yararl ıdır Çeşitli çal ışma şartları , d.a. yük do ğ rusu ile belirlenen bu iki durumla bitmez. Titre şim ş artı, I r > R, gerçekte a.a. yük do ğrusuna ba ğlı olan bir çok farklı çalış ma kiplerin.e sahiptir. Örne ğin, eğer L indüktansı büyükse, Denk. (9-24) den bulunan frekans, diyodun negatif direncinin büyüklü ğü titreşim için uygun olsa bile, sanald ır. Bu ş art, bu bölümde daha sonra incelenecek olan ve sinüsel olmayan durulmalı osilatörlere götürür. Öte yandan e ğer C sığası büyükse, Denk. (9-24) gere ğince frekans s ıfırdır. Bu, devre titre şimlerinin tamamiyle sönmesi demektir.

282

OSİLAT ÖRLER

Sinüsel titre şim, durulmalı. titre ş im ve söniimlii davran ış için devre ş artları aras ındaki ba ğnatı Ş ek. 9-13 deki akım-gerilim belirtgeni ve a.a. yük doğrularmdan. görülebilir. Bu incelemeye göre, çal ış ma noktasında negatif direncin büyüklüğü devre de ğişkenlerine uygun biçimde uyu şturulduğu (Denk. 9--27) zaman, devrenin do ğal frekanslar ında siniisel titre şinder elde edilir. Büyük bir indüktans de ğeri ve küçük sığa, durulmal ı titreşimlere götürür ve büyük C ve küçük L ise tam sönüm olu şturur. Bu son. şart, devre titre şirken görülmeyen, akını-gerilim belirtgeninin tamam ını deneysel olarak izlemek için yararlıdır. 1N3712 D.a. yük do ğrusu Iri > R 1,0

_—

Re

Söniı mlii

Irl

L < -RC

/ Durulm i alititreOmier '

E ti

DD

0,2

0,4 V, V

Şekil 9-13. d.a. ve a.a. yük doğrularmın birlikte kullanılması, tünel doyodlu osilatürüniin titre şi kipini belirler.

Tünel-Diyodlu Osilatör Pratik bir tünel-diyodlu osilatörün devresi Ş ek. 9-14 de gösterilmektedir. Bu dizilişte, diyod etki bak ımından paralel bir rezonans devresi ile paralel konumdadır. Fakat çal ışma ilkesi önceki kesimdoki inceleme ile özde ştir. Dirençlerden olu ş an gerilim bölücü diyodu ak ını-gerilim belirtgeninin negatif direnç kesiminde bulunan bir çal ışma noktas ına getirecek biçimde önbeslemektedir. Denklem (9-27) ile verilen titre şim ş artlarının oldukça s ınırlay ıcı ve bu nedenle sinüsel titre şimlerin elde edilmesinin zor oldu ğu gözükebilir. Durum böyle değildir çünkü r direnci IV belirtgeninin çal ış ma noktas ındaki eğimidir

TEMEL ELEKTRON İK

283

ve bu nedenle tepeden vadiye kadar yer alan çal ış ma noktalar ı için oldukça değişmektedir. Ayr ıca devre, kendisini uygun de ğere ayarlama e ğilimi göste rir, çünkü titre şimin genliği tam bir periyod boyunca ortalama bir r değeri verecek biçimde de ğişir. Bu durum, Denk. (9-27) ile uyu ş maktadır. 270

1,5 V

Sekil 9-14. Tünel-diyodlu osilatör.

Tünel diyodlar çok iyi yüksek-frekans ayg ıtlarıd ır. Bunlarla 10 11 liz'e kadar yüksek titre şim frekanslar ı elde edilebilir. Gerçekte deneysel durumlarda, bu özelli ğin ço ğu kez zorluk ç ıkarıcı oldu ğ u görülmektedir, çünkü çok yüksek frekanslarda çok küçük sapt ırıcı sığalar ve indüktanslar bile titre şimlere neden olmaya yeterlidir. Ş ekil 9-12 ve 9-13 deki tipik akım-gerilim belirtgenlerine göre, tünel diyodlar oldukça dü şük güç düzeylerinde çal ış abilmektedir. Bunun sonucu olarak, tünel diyodlu osilatörlerin üretti ği iş aretlerin maksimum genliği ve a.a. güç ç ıkışı sımrlıdır. DURULMALI OS İLATÜRLER Buraya kadar gözönüne al ınan titre şken devreleri do ğrusal elemanlar cinsinden incelenebilirler. Oldukça do ğrusal olmayan etken elemanlar ı içeren devrelere, aş ağıdaki tartışmadan açık bir duruma gelecek olan nedenlerden ötürü durulmalı osilatörler denir. Durulmal ı osilatörler ço ğu kez etken ö ğelerin negatif direnç özelliklerine dayan ılarak kurulur. Önceki kesimde tart ışıldığı üzere, negatif direnç belirtgenleri yard ım ı yla sinüsel dalga biçimleri üretme imkan ı olmakla birlikte, durulmal ı osilatörler, belirtgenlerinin özellikleri nedeniyle sinüsel olmayan iş aretler meydana getirirler. Testere Dişi ereteç ıeri Şekil 9-15 deki tek-eklemli durulmal ı osilatör devresini gözönüne al ırım. Bu devrenin çalışması tek-eklenıli bir transistörün ak ım-gerilim belirtgenini, 9-16, incelendikten sonra anla şılabilir. Bu belirtgen, Böl. 5 de görüldü ğü üzere ,tepe gerilimi Vp ve vadi noktas ı V, arasında bir negati direnç bölgesi gösterir. Tek-eklemli osilatör ş öyle çalış maktadı r: C s ığacı R direnci üzerinden yüklenir ve C nin uçlar ı aras ındaki gerilim Vp gerilimin eri şinceye kadar

284

OS İ LATÖRLER

1 o-

Şekil 9 15. Tek eklemli durulmall osilatör. -

ZO VE , V

Şekil 9-16. Tek-eklemli transistörün ak ım gerilim belirtgeni.

üstel olarak artar. Bu noktada yay ıcı eklem doğru yönde önbeslenmiş duruma gelir ve kondansatör yayıcı eklem üzerinden çabucak bo ş ahr. Kondansatör gerilimi alçak bir de ğere (gerçekte V, ye eşit) düştüğü zaman, yayıcı eklem yine ters yönde önbeslenir ve kondansatör yine yüklenmeye ba şlar. 1 numaralı çıluş ucundaki dalga biçimi, Şek. 9-17 ,tepeden tepeye genli ği Vp—V, ye eşit olan bir sıra RC yüklenme eğrilerinden olu ş maktadır. Her yüklenme peri-

285

TEMEL ELEKTRONIK

VC

el

2

(a)

1 (b) Şekil 9-17. Tek-eklemli osilatörün (a) 1 numaral ı çıkış ucundaki ve (b) 2 numarah ç ıkış ucundaki çıkış dalga biçimleri.

yodundan sonra devrenin geriye, ba şlangıç noktas ına doğru durulduğuna dikkat ediniz. İşte bu çeşit osilatörlerin, adımn esası buradan gelmektedir. 2 numaralı çıkış noktasındaki çıkış dalgabiçimi ise bir sıra keskin pozitif pulslardan oluşmaktadır, Şek. 9-17. Titreşimin periyodu, basit bir RC devresindeki kondansatör gerilimi için v = V (1—e -t bulunur. Gerilim V, değerine t i anında ulaşır, böylece

V, = V (l_ e-t ı /./iC)

(9-29)

yazılabilir. Bu bağıntıdan t l çözülürse, t1 =

RC ln ( 1 — V, / V)

(9-30)

elde edilir. Benzer biçimde, t2 anında gerilim Vp değerine erişir, böylece t2 = — RC ln (1 — Vp /V)

(9-31)

bulunur. Titre şimin periyodu t2—t l dir; Denk. (9-30) ve (9-31) den

T = RC ln.

V — V, — Vp

(9-32)

286

OS1 LAT ÖR.L. ER

elde edilir. Denklem (9-32) ye göre, titreşim frekans ı , bera devrenia zaman sabitine hem de tek-eklemli transistörün özelliklerine ve kaynak geriliminin büyüklüğüne ba ğlıd ır. Bu denkleın bo ş alma zaman ının sıfır oldu ğunu varsa.ymaktadır, ama uygulamada bu do ğru değildir. Sordu bo şahna zamanı nedeniyle, tek-eklemli durulmal ı osilatörler yakla şık olarak 100 kHz in alt ındaki frekanslarda çal ışabilmektedir. Durulmalı osilatörlerin frekans kararl ılığı doğal olarak ve belirtgerderi nedeniyle oldukça kötüdür. Bo ş almanın başlaması mümkün bir olaydır, bu demektir ki boşalma her zaman tar ım tam ına Vp geriliminde ba şlamaz. Ayrı ca kondansatör geriliminin de ğişim hızı oldukça yava ştır. Bu demektir ki, boşalmanın başladığı kesin an devirden devire birazc ık de ğişir. Bununla birlikte, birçok uygulamalarda kötü frekans kararl ılığı istenen • bir özelliktir çünkü titreşken dış ardan uygulanan bir i şa.retle tetiklenebil ınekte ya da eşzamanlı kıinaabilınektedir. Örne ğin, bir sıra keskin gerilim pulslarmdan olu şan bir e ş zamanlı kılıcı iş aretin, Şek. 9-18, kondansatörün uçları arasına uygulandığını varsayılan. Pıdslardan birinin keskin. gerilim yükselmesi bir noktada sa ğa geriliminin Vp yigeçmsndolurvtaiöemsür.Budbinzleyen devirlerde yinelenir. Sonuç olarak titre şim frekans ı, puls işaretin,in periyodu ile eş zamanlı Umar Bundan ötürü, durulmal ı osilatörün periyodunun pulslarm periyodu!~ üst kat ı ya da al-katı olduğuna dikkat ediniz Böylece bir durulmah osilatör ya bir frekans katlay ıelsı ya da bölücüsü olarak davramr. Bu yolla, 10 ya da 10 a yakın bir bölenle frekans bölücü devreleri kolaylıkla oluş turmak mümkündür. Eş zamanlı kılıcı alanlar

Şekil 9-18. Bir durulmal ı osilatörün e ş zamanl ı kıl ıcı frekansı .

Durulmalı osilatörün serbest çal ış ma frekans ı, e ş zamanlı kılıcı frekans'n bir katına ya da alt katma yeterince yak ın olmalıdır. Bununla birlikte, herhangi bir durulmal ı osilatörün frekans kararl ılığı az olduğundan eş zamanlılık bozulmadan sapma yüzde 20 ya da 20 ye yak ın bir büyüklük Ayni zamanda, sinüsel bir e şzamanlı kılıcı gerilim ile de totikleıno imkâra vardır. Bununla birlikte, keskin pulslar daha etkindir, çünkü bu durumda kırılma geriliminin elde dildiği zaman daha kesindir.

TEMEL ELEKTRONIK

287

Herhangi bir DSD nun, ş ok. 4-20, akım-gerilim belirtgeni biçim bak ımından tek-eklemli transistörünkine benzer. Fakat, k ırılma gerilimi geçit akımını değiştirerek kolaylıkla ayarlamr. Bu demektir ki DSD durulmal ı osilatörde titreşimin frekansı ve genliği kolaylıkla değiştirilebilmektedir. Ayrıca DSD nun do ğal yükseltme üstünlü ğünden yararlanmak amac ıyla eş zamanlı kılıcı iş aret geçit devresine, verilebilir. DSD kullanılan yararlı bir durulmalı osilatör, Şek. 9-19 da gösterilmektedir. Geçit gerilimi, R 1 ve R2 den olu ş an de ğişken gerilim bölücü ile belirlenir. Başlangıçta, C yüksüz oldu ğu zaman, DSD nun katodu topra ğa göre 20 Vlıık bir gerilimdedir. bundan ötürü geçit ters yönde önbeslidir. Kondansa1

20 V

Şekil 9-19. Durulmalı testere-di şi iireteci.

tör gerilimi artarken, katod gerilimi geçinen hafifçe az pozitif duruma geçinceye kadar DSD kapalı kalır. Bu noktada DSD açılır, kondansatör bo şahr ve periyod yinelenir. Katoda seri ba ğlı 5-S2 luk direncin amac ı boş alma akımın]. DSD için emniyetli bir de ğerde tutmakt ır. Buna gerek duyulmaktad ır, çünkü açık durumda iken DSD nınn iç direnci küçüktür ve bundan ötürü akımın tepe değeri DSD yu bozabilir. Doğrusal bir testere di şli dalgabiçimi, sabit-akımh transistör ile üretilir. Yükleme akımı sabit olduğu için, kondansatör gerilimi,

v

C

C

t

(9-33)

bağmtıslyla verildiği üzere zamanla do ğrusal olarak artar. Burada / ak ımın değeri ve t ise kondansatör geriliminin s ıfır olduğu andan başlayarak ölçülen zamandır. Transistör çok iyi bir sabit-ak ım kaynağıd ır, çünkü toplay ıcı akımı , toplayı cı geriliminden oldukça ba ğımsız ve hemen hemen yayıcı altımma eşittir. Yay ıcı akımını taban önbesleme direnci Rb belirler. Bu direnci yükleme akımını ve bundan ötürü titre şim frekansmı değiştirmek amacıyla ayarlamak

288

OSiLATÖRLER

mümkündür. Testere di şlinin tepe genli ği hemen hemen d.a. kaynak gerilimi kadar büyüktür ve uygulamalar ın ço ğunda bunun önemli bir yeri, vardır. Kararsız Çoktitreşkenler

Çoktitreşken ad ı verilen iki-transistörlü geribeslemeli devreler önemli durulmal ı osilatörlerdir. Ayr ıca, bunların uygun olarak de ğiştirilmiş biçimlerinin titre şmekten ba şka son derece önemli özellikleri de vard ır. Kararsız çoktitre şken diye bilineni incelemekle ba şlamak en kolayıdır, Şek. 9-20; bu adın anlamı ileride açıklığa kavuşacaktır. Bu devreye, ç ıkışı girişine çiftlenmiş iki-katlı bir RC yükselteci olarak bak ılabilir. Her kattaki 180°lik faz kaymas ı nedeniyle, geribesleme oranı bir ve pozitiftir; bundan ötürü devre titreşir. Çok kuvvetli geribesleme i şaretleri nedeniyle, transistörler ya kesilime ya da doymna sürülürler ve sinüsel olmayan titre şimler üretilir. + 10 V

R2 10 k(2. !120 1<
a f, 10 P.-2

ii C2

0,01 ıı F

2N914

2N914

Şekil 9-20. Kararsız çok titreşken.

Belli bir anda geribesleme geriliminin V 1 kesilime sürdüğünü varsayalı m; bu, iki kat arasındaki ba ğıl faz kaymas ı nedeniyle V2 nin iletim durumunda olduğunu belirler. V2 nin toplayıcı direncinin uçları aras ındaki gerilim düş mesi toplayıcıyı hemen hemen toprak gerilimine getirir ve C1 ,R 1 üzerinden toplayıcı gerilime doğru yüklenir. C 1 in uçları arasındaki gerilim, V1 in yayıel eklemini do ğru yönde önbesleyebilecek kadar artt ığı zaman V1 iletinae ba şlar. V i in toplayıcı gerilimi düşer ve V2, çiftlenim kondansatörü C2 üzerinden kesilime sürülür. Şimdi, C2, V2 doğru yönde önbeslenmi ş duruma gelinceye dek R 1 üzerinden yüklenir ve devir böylece tekrar eder. Devrenin V i in iletimde ve ayn ı anda V2 nin kesilimde oldu ğu, durumla V1 in kesilimde ve V, nin iletimde oldu ğu durum aras ında değiştiğine dikkat ediniz. Kuvvetli geribesleme i şaretleri nedeniyle bu iki durum aras ındaki geçiş çabuktur. Her durumdaki zaman süresi, çiftlonim kondansatörü ve önbesleme direncinin belirledi ği zaman sabitine ba ğlıdır. Her transistör nöbetle şe kesili-

TEMEL ELEKTRONIK

289

me ve doyuma sürdürühlügünden, her iki toplay ıeı daki dalga biçimi de, toplayıcılara uygulanan kaynak gorilimine e şit tepe geldi ği olan bir kare dalgad ır. Bu açıklama, Ş ok. 9-21 de gösterilen gerçek toplay ıcı gerilimi dalgabiçimleri ile do ğrulanmaktadır. Üçgen taban gerilimi dalgabiçimleri, çiftlenim kondansatörlerinin nöbetle şe yüklenme ve boşalmasmı göstermektedir. Özellikle ilgilenilecek nokta, transistörler doyumda olduklar ı zaman üzerlerinde oldukça dü şük bir gerilim dü ş mesi 0,1V) olmas ı ve bir durumdan ötekine geçişin kesiliminde olan transistörön taban gerilimi s ıfır' hafifçe a şar a ş maz ba şlaması olgustı dur.

V2

Toplayıcı t , Şekil 9-21. Transistörlü çoktitre şkenlerde toplayıcı ve taban gerilimi dalgabiçimleri.

Bir durumdan ötekine geçi şte taban gerilimi dalgabiçimi ııde küçük bir gerilim fazlalığt ya da yükselmesi vardır. Bu fazIalığın ortaya ç ıkmasmm nedeni, Vi iletimden kesilime gitti ği zaman C2 kondansatörü üzerinde dikkati toplayarak görülebilir. V i in aç ık durumdan kapalı duruma geçi şinin bir anahtarla temsil edildiği Ş ek. 9-22a daki devre kesimini gözönüne al ını z. Devrede daha fazla basitle ştirme, RL « R2 olduğundan R2 yi atarak yap ılır. Ayrıca, V2 nin do ğru yönde önbeslenen yay ıcı eklemi, yaklaşık olarak basit bir r direnci ile temsil edilmektedir, Şek. 9-22b. Şekil 9-21 deki dalgabiçimlerine göre, V2 nin taban gerilimi (ve böylece C i nin uçlar ı arası ndaki gerilim) s ıfır olduğu zaman B geçişinde V ; doyumdan kesilime atlar. Böylece, Ş ek. 9-226 deki

290

OSiLATORLER

devrede bulunan anahtar aç ı ldığı zaman. C2 , RL ve r üzerinden -yüklenmeye ba şlar ve ylikleirıe akımı ya-,,,.neı eklem direncinin uçlar ı arasmda fazla bir gerilim düşmesi olu şturur. +lov

Ub

(e)

(b)

Şekil 9-22. Ş ekil 9-20 nin V2 kesiminin e şdeğer devreleri, taban gerilimindeki küçük fazlal ığın kaynağını göstermektedir.

R L üzerinderı geçen yükleme akım ı , V I in toplayıcı geriliminin ans ı zın Ve , ye ula ş mas ını da önler. Şekil 9-21 de gösterilen toplayıcı dalgabiçimin., deki pulsun kö şesinin yuvarlakla şmasnun kaynağı budur. r için tipik bir değer 200 S2 dur, öyleyse Ş ek. 9-20 deki çoktitre şken.deki tepe fazlal ığı 10 (200 / 1.0200) = 0,2 V dur. Bu de ğerin küçük ve zaman sabitinin de k ısa olması bu fazlalıgın, karo biçimindeki toplayıc ı dalga biçiminden yalnı z küçük bir ayr ılmaya neden olabilece ği anlamına gelir. Çok titre şkendeki pulslatin geni şliği R i (ya da R2 ) üzerinden yüklenen C i in (ya da C, nin) zaman sabitine ba ğlıdır. t, için uygun bir de ğer, durulmalı osilatörün periyodunu veren ba ğıntıdan, Denk. (9-32), hemen yaz ılabilir. Şekil 9--21 deki dalgabiçimierini Ş ek. 9-17 dekilerle kar şıla ştırarak,

t v, -= R i C i ln

V ce - (—V ce)

t w = R İ C İ 1n2

(9-34)

elde edilir R2 .= R i ve C2 = CI olduğ u zaman dalgabiçirrıi, frekans ı f = 1 /2t w ı r. Elemanlar ın de ğerlerini, örne ğin, çiftlenim konclansatör- olanbirkedg ı lerini farkl seçmek suretiyle simctrik olmayan dalgabiçi ınlerinin üretimi ayn ı eş değerlikle mümkündür. Böylece, her zaman sabiti için, geni şlikleri Denk. (9-:34) ile verilen de ğiş ik pulslar elde edilir Karars ız çoktitre ş kerder d ınadınalı osilatörlerdir ve bu nedenle d ıştan i şaretler uygulanmakla e ş zamanlı kılınabilirler. E ş zamanlıyıeı pozitif pulslar, öteki transistörü iletime tetiklemek için transistörlerden herhangi biri-

291

TEMEL ELEKTRONIK

nin tabanına uygulanabilirler. Çoktitre şkenler ço ğu kez, frekans bölücüleri olarak bu biçimde kullan ılır. Devre aynı zamanda, kullanışlı bir kare-dalga üretecidir ve türev al ıcı bir devre ile birlikte keskin pulslu dalgabiçimleri de verir. D.a. çiftlenimli bir çoktitre şken iki durumundan herhangi birinde sonsuz süre kalabilir ve dıştan bir tetikleme pulsu ile bir durumdan ötekine bir geçi ş yapabilir. İki kararlı durumu nedeniyle d.a. çiftlenimli bir çoktitre şkene ikidurumla denir. Bir iki-durumlu ço ğu kez atlama-geri dönme (flip-flop) olarak da adlandırı lmaktadır. Şekil 9-23 de verilen seçkin, transistörlü iki-durumluyu dü şününüz. Bu devrede, d.a. çiftleniminin R2 ve R İ dirençleri kullanılarak yapıldığına dikkat ediniz. Başka yönlerden devre, a.a. çiftlenimli olan karars ız çoktiteşkenlere benzemektedir. Tetikleme pulslar ı yayıel direnci RE nin uçları arasına uygulanır. C 1 kondansatörünün amac ı, aşağıda tartışılacağı üzere tetikleme hareketini geli ştirmektir. Ç ıkış , toplayıcıların herhangi birinden ya, da ikisinden de alınabilir. o ;c 17

-22,5 V

Rı

4 k51

kS2

ri

V2

2N1415

2N1415

CE

Tetikleme o gixişi

10 pf

R2

33 k

Şekil 9-23. iki-durumlu devre, d.a. çiftlenimli çoktitre şkendir.

Transistörlerden biri kesilimde ve öteki doyumda oldu ğu zaman, iki-durumlunun kararlı bir durumda olduğunu kanıtlamak önemlidir. Başlangıçta, Şek. 9-23 deki V i in kesilimde ve bundan ötürü toplay ıcı akımının önemsiz olduğunu varsayınız. Doyumdaki V2 transistörünün toplay ıcı akımı, toplayıcı belirtgenleri üzerine toplam yük direnci Ri RE ye karşılık gelen bir yük doğrusu çizerek bulunur. Bu yük do ğrusunun akım ekseniyle kesim noktası toplayıcı akımı için, 9,3 mA, verir ve aynı zamanda doyuma ula şmak için 125

-

292

OSİ LAT ÖR LER

a,A lik bir taban ak ımının gerekli olduğunu gösterir. Şimdi V1 üzerindeki önbesleme gerilimi, devrenin Şek. 9-42a da gösterilen kesimini kullanarak bulunabilir. Bu devredeki yayıcı gerilimi V e = ic RE =-- 9,3 X 10-3 X 220 = 2,1 V dur. Doyumda oldu ğu zaman V 1 nin yayıcı-toplay ıcı gerilimi 0,1 V olarak alınır. Gerçekte, yay ıcı-toplayıcı gerilimi için daha do ğru bir de ğer trasistör yapımcılarının yerlerinden bulunabilir, fakat buradan gelecek düzeltme her şart altında önemsenmeyecek kadar küçüktür. Şekil 2-24a yı kullanarak, V 1 in yayıcı-taban gerilimi, Veb = Ve

Ri

= 2,1

R 1 -I- R,

42 42 + 33

1,2 V

bulunur. Yayıcı eklemindeki ters önbeslemenin bu de ğeri, V1 i kesilimde tutmak için istenenden çok daha fazlad ır. V i nin doyumda olacak biçimde önbeslendi ğini göstermek için dikkatinizi devrenin Şek. 9-24b de gösterilen kesimi üzerinde toplay ın. R2 direnci, yayıcı eklemin direnci yanında önemsenmeyebilir ve V 1 kesilimde olduğundan üzerinden geçen akım ihmal edilir. Bundan ötürü, R 1,

1‘.

•

vce 0,1V

Rı

ib V2

vc,

+ 22, 5 V

(b) Şekil 9-24. İki durumlunım yalnız iki kararlı durumu olduğunu göstermek için kullan ılan transistörlii iki-durumlunun e şde ğer devreleri.

b =

V e, —

RL

Rı

22,5 — 2,1 2,2 + 42

10-3 = 460ILA

dir. Bu değer, V2 yi doyumda tutmak için gerekli 125 l ı.A den daha büyüktür. Öyleyse, Vi in kesilimde ve V2 nin ise doyumda oldu ğu doğrulannuş olmakladır. Devredeki simetri nedeniyle, ayn ı ölçüde kararlı bir başka durumunda Vi in doyumda ve V2 in kesilimde bulunduğu durum olduğu apaçıktır. İkidurumlu, bir düzenlemeden ötekine geçti ği zaman, toplayıcı gerilimi, doyum ş artmdaki yay ıcı gefiliminden Vee eksi taban önbesleme ak ınundan ötürü RL nin uçları arasındaki gerilim dü ş mesi, (i bR L ), farkına e şit bir gerilime yükselir: Öyleyse ç ıkış iş areti, va = (22,5 — 2,2 x 10 3 x 460 x 10-6) — 2,1 = 19,4 V dur. Devre, yayıcı direncinin uçları aras ına uygulanan pozitif bir gerilim pulsu ile bir durumdan iitekin.e geçi şe tetiklenir. Bu, doyumdaki transistörü doyum-

TEMEL ELEKTRONIK

293

dan kurtarır ve' aynı zamanda kesilimdeki transistörü iletime geçirme e ğilimi gösterir. Doyumda bulunan transistördeki akım azahrken, toplay ıcı iş areti kesilimdeki transistöre geçer ve onu iletime geçirir. İletim başlar başlamaz, kuvvetli ve yeniden üretici olan geribesleme nedeniyle devre kendi kendini harekete geçirir. Birbirini izleyen her tetikleme pulsu iki-durumlunun öteki durumunu almasına neden olur. Geçi şi başlatmak için tetikleyici-pulsun genligi RE nin uçları arasındaki durgun gerilimden nispeten büyük olmalıdır. Bu iş için Şek. 9-23 deki devrede 2,5 V de ğerinde pozitif bir puls yeterlidir. İki-durur/dm= şimdiye kadar düşünülen iki durumun dışında başka kararlı durumları olup olmadığının araştırılması ilginçtir. Yukarıdaki incelemeye göre, transistörlerin ikisinin de aynı anda kesilimde olmalar ı imkanı yoktur, çünkü olsaydı transistörlerden biri üzerindeki taban önbesleme ş artları uygun olamazdı. Benzer biçimde transistörlerin ikisi de ayn ı anda doyumda bulunamaz. İlke bakımından her iki transistörde de ayn ı anda eşit akımların (fakat doyum durumu yok) bulunmas ı ihtimali vardır, fakat bu karars ız bir denge durumudur. Tam e şitlikten en küçük ayr ılış dengeyi bozan ve devre kararlı durumlardan birine döner. Örne ğin, bir rastgele-gürültü geriliminin V i ımı birazcık azalttığını varsaymız Vi in toplayıcısmda bulunan işaretdekia Vi deki akımı artırma eğilimi gösterir ve V, nin toplayıcı işareti V i deki akımı daha fazla azalt ır. Bu yeniden üretici davranış , Vi kesilime ve V2 doyuma gidinceye dek sürer. Öyleyse, bir iki-durumlunun iki kararl ı durumunun yalnız ve yalnız transistörlerden biri doyumda iken öteki kesilimde ve bunun tersi oldu ğu sonucuna varım. Küçük gürültü gerilimlerini ıı kararlı durumların birinden bir geçi şe neden olamayaca ğına dikkat ediniz çünkü transistörler kesilimde ve doyumdadır. Bu nedenle, yükselteç kazanc ı oldukça küçüktür ve yeniden üretim süreci etkin de ğildir. Bir iki-duruırdun.un'bir durmdan ötekine geçi ş-yapma hızı, güvenilir bir anahtarlama için gerekli tetikleyici puls h ızın ı sınırlar. Saptırıcı ş önt sığaları geçiş hızını azaltır ve bundan ötürü yükselteçlerin yüksek frekans tepkilerine uygulanan dü şünceler iki-durumlu devreler için de ayn ı biçimde önemlidir. Geçiş sırasında devre gerçekten geribeslemeli bir yükselteç gibi çal ıştığından bu durum beklenilmiyen bir durum de ğildir. Özellikle tabanla toprak aras ındaki toplam şönt sığası sınırlayıcı bir etkendir. Bunun böyle olmas ının nedeni, bir duruma karşılı k gelen taban geriliminin öteki durumun taban gerilimin değiştirilmesi için, bu sığanın oldukça büyük R i direnci üzerinden yüklenmesi zorunluluğudur. Her iki R i direncini de yerdegiştiren kondansatörler adı verilen küçük C i sığaları ile ş öntleyerek giri ş sığasım yüklemek için gereken zamanı azaltır. Yerde ğiştiren kondansatörler kullan ıldığmda, durumlar arasındaki süre C i in R i ve R2 nin paralel bile şimi üzerinden yüklenmesi için gerekli zamana indirgenir.Böylece, Şek. 9-23 deki iki-durundunun ay ırma zamani,

294

OSİ LATÖRLER

t

Ci 1 Ri+1 /R,

220 x 10-12 x

42 x 33 x 10 3 75

4,1

;Ls

bulunur. Bu demektir ki birbirini izleyen tetikleyici pulslar yakla şık olarak sadece 5 •s lik aralı klarla ayrılmışlarsa, iki-durumlu bu pulslara güvenilir bir biçimde tepki gösterebilir. Özel kurgular ve kar ışık ek devrelerle ayırma zamanları 0,01 ;.i.s büyüklü ğünde olan iki-durumlular yapmak mümkündür. Bir iki-durumlunun yetene ği, durum de ğiştirmeye neden olabilen çe şitli girişlerle art ırılır. Özellikle çeşitli durumlarda uydurulabilen ve çok kullan ılan bir sistem, Ş ek. 9-25, R,S ve T gibi üç ayrı giriş ve giri ş pulslarını istenen transistöre yöneltme görevi gören dört tane diyod içerir. Örne ğin, S girişinin toprak geriliminde, R girişinin -I- 5 V da ve Tgiri şine pozitif bir pulsun uygulanmış olduğunu varsayahm. 47 pF lik kondansatörlerle pulsun ön ve arka kenarlarını/İ türevleri alınır. Pozitif ön kenar D ı ve D, nin her ikisiyle de t ıkanır ve D 3 ile topra ğa ş öntlenir; böylece hiç bir şey olmaz. Negatif arka kenar ı D2 R deki pozitif gerilim nedeniyle geçirvV2tansöükeilmgr. negatif puls D i den geçemez. Sonuç olrak V, kesilimde ve V i iletimde olur ve iki-durumlu kurulmu ş olur. E ğer R toprak geriliminde ve S, -I- 5 V da olacak biçimde R ve S girişleri yerde ğiştirilirse, T ucuna uygulanan pozitif bir pulsla V i in kesilimde ve V2 nin ise iletimde oldu ğu bir durum oluşturulur. Bu böyle olunca iki-durumlunun yeniden kurulduğu ya da temizlendi ği söylenir. S deki pozitif bir 'gerilim ikidurumlunun bir giriş pulsu ile kurulmas ına neden olurken, R deki pozitif bir gerilimin ise yeniden kurulmas ına neden oldu ğuna dikkat ediniz. Etki bakımından, bu denetim gerilimleri T de giriş pulslarına yön verir ve uygun gelen transistöre yönelterek onu kesilime götürür. Durumlar aras ındaki geçişler T deki işaretle zamanla ıur ya da "saatleuir". Bundan ötürü, T girişine hazan saat bağlantısı denir ve Şek. 9-25 deki sistemin tamamı bir RS / T iki-durumlusu olarak bilinir Birçok uygulamalar için T girişindeki birbirini izleyen pulslarla iki-durumlunun durum de ğiştirmesi istenir. Bu i ş , Şek. 9-25 de, S yi çıkış ucu Q ye ve R yi çıkış ucu O ye ba ğlayarak kolayl ıkla baş arılır. Örne ğin Vi in kesilimde ve V2 nin iletimde dolayısıyla S nin toprak geriliminde ve R nin + 5 V da oldu ğunu varsayahm. Önceki tart ışmaya göre T ye uygulanan pozitif bir pulsun negatif arka kenar ı Vi ye yöneltilecek ve onu kesilime götürecektir. Bundan ötürü iki-durumlu durum değiştirir. Şimdi S, + 5V da ve R topraklaxımıştır, dolayısıyla gelecek puls V i e yöneltilir ve ba şlangıçtaki duruma gelinir . Bu olay mekanik "kollu anahtar" ın işleyişine benzer ve bundan ötürü T ye ayn ı zamanda anahtar girişi de denir. E ğer toplyıcı ile taban aras ındaki çiftlenimden biri kald ırıhr ve yerine Şek. 9-26 da oldu ğu gibi bir tek ortak yay ıcı direnç üzerinden geribesleme ko-

295

TEMEL ELEKTRONIK

+5 V 9

L_

D, .10 47 pF

47 pF

Şekil 9-25. RS /T iki durımılu devresi

3,3 kSZ

2,2 ki? 470 pF

Çıkış

Girit

Şekil 9-26 Schmitt titikleyici devresi yay ıcı geribesleme kullanır.

nursa Schmitt tetikleyici (bulanın onuruna) ad ı verilen kullanışlı bir iki-durumlu devre elde edilir. Bu devrenin iki kararl ı durumu vardır ve hangisinin mümkün olduğunu giriş geriliminin büyüklü ğü belirler. Giriş geriliminin sıfır olduğunu ve bundan ötürü V i kesilimde iken V2 nin iletimde fakat dnyumda

296

°SIL AT ÖR LER

olmadığını va.rsayalım. V i kesilimde olduğu için I/2 oin durgun ak ım ı , çalış ma noktasını belirleyerek bulunur. Yayıeı direncinin uçlar ı arasındaki gerilim dü ş mesi V1 i kesilimde tutacak kadar büyüktür. Örne ğin, Sek. 9-26 daki devrede yayıcı önbesleme gerilimi 6,6 V dur. Şimdi Sek, 9-26 daki giri ş geriliminin s ıfırdan ba şlayarak art ırıldığını varsayal ı m. Giriş gerilimi taban önbesleme gerilimi olan 6,6 V u. biraz geçinceye dek hiç bir şey olmaz tam e şitlik sağlandığı noktada V 1 iletime ba şlar. V2 üzerindeki önbesleme azal ır ve yayıcı önbeslerne gerilimi azal ır; bu, dolaylı olarak V 1 deki akı mı art ırır Yeniden üretici i şlemler V 1 iletimde ve V, kesilimde oluncaya dek sürer. Giri ş gerilimi 6,6 volttan büyük oldu ğu sürece bu durum sürer. Giri ş gerilimi azaltdırken,. 6,6 V tan önemli ölçüde küçük bir giriş gerilimi elde edilinceye dek devre ba şlangıçtaki durumuna dönemez. Bunun nedeni V i in toplayı cısı daha düş ük bir geriliınde oldu ğundan, bu durumda V2 üzerindeki taban önbesleme geriliminin öncekinden daha az olmasıdır. Öyleyse, V 1 in küçük yayıcı gerilimi ve artan toplay ıcı gerilimi birleş erek V2 nin taban akımını art ırıp onu iletim durumuna getirmeden önce V1 deki akımın yeterince azalt ılması gerekmektedir. Ş ek. 9-26 daki devrede, yeniden üretici süreçler devreyi ba şlangıç durumuna geri çevirmeden önce giriş gerilimini 5,2 V a dü şürmek gerekmektedir. Schmitt tetikleyicisinin puls iireteei ya da kare dalga yapıcı devre olarak ilginç bir uygulamas ı Şek. 9-27 de gösterilmektedir. Bir s ıra tam düzgün olmayan puls dalga biçimli giri ş iş areti, devreniu iki durumu aras ında giri ş dalga-biçimi ile ileri geri tetiklenerek, bir kare puls ç ıkışına dönüştürülür. Bu yolla sinüsel bir işaretin bile, bir kare dalgaya dönü ştürülebilece ğini vurgulayalım.

Şekil 9-27. Kare biçimli dalga yap ı cı devre olarak kullan ılan Schmitt tetikleyicideki dalgabiçimıleri.

Schmitt tetikleyici, ayn ı zamanda, bir giri ş iş aretinin gerilim puls genliklerini ölçmek için kullan ılan bir puls yüksekli ği aymc ısi olarak da kullaınş lıdır. Giriş pulsunun tetikleme e şiğini her geçişinde devre bir çıkış pulsu üretir. Böylece, örne ğin giriş iş areti ile seri biçimdeki bir d.a..gerilimini de ğiştirerek bir işaretteki puls büyükliiklerinin bölgesi bulunabilir. Bu devre ile 0,1 V luk bir do ğrulukla ölçü yapmak mümkündür. Ç ıkıştaki pulslarm girişteki tetik-

297

TEMEL ELEKTRONIK

leyici pulslardan ba ğımsız olarak, bütünüyle ayn ı genlikli olduklarını özellikle belirtelim. Bu bakımdan bu devre, kendisini izleyen devrelerin çe şitli puls büyüklüklerini işleyebilme yeteneğinde olmalarına gerek kalmadığı için faydalıdır. Çoktitre şkenin son bir biçimi de, bir iki-durumlu ve karars ız bir çoktitre şkenin kısmen birleş miş biçimidir. Bu devrede, Ş ek. 9-28, d.a. ve a.a. çiftlenimlerinin her ikisi de kullanılmıştır. Açıkca görülebilece ği üzere, bu devrenin yalnız bir tek kararlı durumu vardır ve bu, V2 in kesilimde ve Vi in doyumda olduğu durumdur. Vi in tabanına uygulanan negatif bir pulsla bu durumdan dış arıya tetiklendi ği zaman, V2 iletim ve Vi kesilim durumuna geçer. Bu durum, R iC i zaman sabiti ile belirlenen zaman kadar sürer, bu süre sonunda devre kendiliğinden kararlı duruma geçer. Bu davran ışı nedeniyle devreye bir pulslu ya da tek-durumlu çoktitre şken denir. Bununla çoktitreşken aygıtların listesi tamamlanm ış olmaktadır. Liste, özet olarak; iki iki kararl ı durumu olan iki-durturılu, bir kararlı durumu olan tek-durumln çoktitre şken ve hiç bir kararlı durumu olmayan ve serbest-çal ışan bir titre şken olan karars ız çoktitreşkenden oluşmaktadır. +6V

2N4123

vo

681d) 0,001 o Tetikieme girişi

N4003

— 6V

o

Ş ekli 9-28. Tek-durumlu çektitresken, katlar aras ında, a.a. ve d.a. çiftlenin ılerinin her ikisini de kullanmaktachr.

Özellikle integre-devre i şlemsel yükselteçler kullanıldığı zaman, yetenekli işlemsel yükselteç etkin bir çoktitre şken oluşturur ve böylece oldukça basit devrelerin oluşturulması imkanı doğar. Kararsız bir çoktitreşkenin, Şek. 9-29a, incelenmesine çıkış işaretnin pozitif olduğu varsayılarak başlan ır. Işaret değiştirmeyen girişe verilen geribesleme, çıkışın doyumda olmasını emniyete alacak kadar büyüktür. C kondansatörii, i şaret değiştirici girişteki pozitif gerilim, işaret değiştirmeyen girişteki geribesleme i şaretini geçinceye kadar R üzerinden

298

OSİLAT ĞIRLER

vo

R

10 kfl

1 M S2

C

100 Id2 0,0111F

v,

NINAP

vo

100 k S-2 o

vo

Şekil 9-29. İşlemsel yükselteç (a) Karars ız, (b) Tek-durumlu (e) İki-durumlu titre şkenler. pozitif olarak yiiklenir. Bu net pozitif giri ş işareti çıkışın negatif duruma gelmesine neden olur ve yine geribesleme i ş areti yükselteci doyuma sürer. Kon-

TEMEL ELEKTRONIK

299

dansatör şimdi, işaret de ğiştirici girişteki işaret, i şaret de ğiştirmeyen giri ş tekinden daha negatif oluncaya kadar negatif olarak yüklenir. Şimdi net negatif giriş iş areti çıkışın pozitif olmas ını Sağlar ve devir tekrarlamr. Sonuç, bir kare-dalga ç ıkış işaretidir ve frekans ı RC zaman sabiti ile belirlenir. Kondansatör bir diyodla şöntlendiğinde tek-durumlu bir çoktitre şken oluşur, Şek. 9-29b. Çıkış pozitif olarak doyuma götürüldü ğü zaman, Kondansatör diyodun do ğru yönde gerilim dü ş mesinden (örne ğin 0,6 V) daha büyük bir gerilime dek yüklenemez. i şaret de ğiştirmeyen girişe uygulanan negatif bir giriş iş areti, ç ıkışın negatif olmas ına neden oluncaya kadar devre bu durumda kararlı olarak durur. Geribesleme, yükselteci doyuma sürer ve kondansatör R üzerinden negatif olarak yüklenir. Diyod ters yönde önbeslendi ği için iş aret değiş tirici uçtaki gerilim geribesleme i şaretini sonunda geçer ve net negatif giriş iş areti, ç ıkışı yine pozitif yapar. Böylece devre, bir giri ş işarti ile negatif çıkış vermeye zorlanıncaya kadar pozitif olarak doyumda kal ır. Negatif durumun süresi RC zaman sabiti ile belirlenir. Şekil 9-29c de gösterilen iki-durumlu çoktitre şkende işaret de ğiştirmeyen girişe verilen geribesleme, devreyi ya pozitif olarak doyumda ya da negatif olarak ,doyumda tutar. Ç ıkışın pozitif olduğunu varsayalım, o zaman i ş aretdeğiştirici girişe uygulanan pozitif bir puls ç ıkışın negatif olmas ına ve doyuma gitmesine neden olur. Bundan sonra gelen yaln ız negatif bir giri ş pulsu devreyi başlangıçtaki duruma geri çevirebilir. Böylece, devrenin iki kararl ı durumu vardır ve bunlar giri ş iş aretinin kutuplanışı ile bulunur.

DALGABIÇİMI URETEÇLERİ Durulmah osilatörler ve çoktitre şken devreleri ile sinüsel olmayan dalgabiçimleri üretilebilir. Bu üreteçlerden alman ç ıkış işaretleri, bir dalgabiçiminin bir kesimini seçmek ya da d.a. düzeyini ayarlamak için diyod k ırpıcıların ve kıskaçlann kullanılması ile daha da fazla de ğiştirilebilir. Öte yandan, integre edici ve türev alıcı devreler de dalgabiçimlerini özel yollarla de ğiştirmek amacıyla kullanılabilir. Bu kesimde, birçok ek dalgabiçimi üreteçleri daha belirlenmekt edir.

Diyod Pompa Diyod pompa diye bilinen devrenin, Şek. 9-30 negatif i şaret pulslar ına tepki olarak davran ışlarını göz önüne alalım. Gelen her negatif pulsta D i diyodu iletir ve Ci giriş pulsunun tepe de ğerine kadar yüklenir. Giri ş pulsu D2 yi ters yönde önbeslerliği için C2 ye hiç bir yük erişemez. Böylece C i üzerindeki yük,

Q ı = Civa

(9-35)

olur. Giriş geriliminin sıfır olduğu zaman süresince, C i üzerindeki gerilim. D2 yi doğru yönde önbesler ve C2 yüklü duruma geçer. Şimdi, etki bakımıından iki kondansatör paralel ba ğlı olduğundan, C, üzerindeki yük,

300

OS1LATÖRLER

Şekil 9-30. Diyod pompa.

Q2 = C2 V o

Cı

Qı

(9-36)

C 1 + C2

bulunur. E ğer C2 » C 1 ise Q2 = Q 1 demektir. Bu durumda yük, etkin olarak kaynaktan C 1 'e ve dolay ısıyla C2 ye pompalanmış oldu. Bu durumda C l ş almıştır ve gelecek devirde olay tekrar edebilir. bo Birinci devirden sonraki çıkış gerilimi, Denk. (9-35) ve (9-36) y ı kullanarak, Vo

Q2 2

Vi

ı +c, /c, =

C1

(9-37)

olarak elde edilir. Toplam gerilim, giri ş pulsımun genliğine göre küçük kaldığı sürece, birbirini izleyen her devirde C2 nin uçları arasında Denk. (9-37) ile verilen bir gerilim art ışı gözlenir. Şekil 9-31 de görüldü ğü üzere, sonuç bir merdiven biçimli dalgadır. Uygulamalar ın çoğunda, belli sayıda basamaktan sonra yard ımcı bir devreyle C2 nin uçları aras ındaki gerilim çabucak bo şaltılı r ve sonra merdiven biçimli dalga tekrar eder.

şekil 9-31. Giriş negatif kara-dalga oldu ğu zaman diyod pompa ile üretilen merdiven biçimli dalga.

301

TEMEL ELEKTRON İ K

Meyiller Zamanla do ğrusal olarak artan bir gerilime ıneyil denir ve osiloskoplarda yatay tarama gerilimi olarak oldukça yayg ın bir biçimde kullanılmaktad ırlar. Durulmah osilatörler ile elde edilenler gibi tekrar eden meyillere testere dişli dalgalar denir. D ış arıda bir iş aretle tetiklendi ği zaman bir tek meyilden oluşan dalga biçimi üreten ba şka meyil üreteçleri de yap ılmıştır. Şekil 9-32, Miller tarama denen bir meyil üretecinin devre çizimidir. Bu, tepe genliği hemen hemen d.a. kaynak gerilimine e şit olan do ğrusal bir meyil verir. Tetikleyici transistör Q ı in doyumda ve Miller tarama transistörü Q2 nin kesilinıde, böylece ç ıkış geriliminin Ve, ye eşit olduğu ve C kondansatürünün tamamiyle yüklü oldu ğu durum durgun ş ekli olur. vcc

+ 10 V 68 kL2

R

5 kQ

100 kS2 0,01 ı.i.F

Q2

2N4123 vi

0

Şekil 9-32. Miller tarama meyil üreteci.

Negatif bir giriş pulsu, Q ı i kesilime götürür ve Q2 nin bir yükselteç olarak çalışmasına imkan Sağlar. Böylece C, R 1 ve Q2 üzerinden yiildenir ve ç ıkış gerilimi sıfıra doğru azalır. Toplayıcı ile taban arasında kondansatörün olu şturduğu geribesleme nedeniyle azalma do ğrusaldır. Giri ş pulsunun sonunda Q 1 şır, Q2 kesilime gider ve kondansatör R İ üzerinden çabucak Ve ,doyumal değerine kadar yüklenir. Devre bundan sonra ba şka bir giriş pulsu için hazırdır. Gerçekten Miller tarama devresine integral alan bir is;lemsel yükselteç gözü ile bakdabilir, Şek. 8-13, burada yükselteç görevini yapan Q, dir. Giriş işareti R i üzerinden uygulanan sabit V ee gerilimidir. Sabit bir de ğerin integ-

302

OS İ LATÖRLER

rali do ğrusal olarak artt ığından çıkış işareti bir meyildir. Q ı in görevi, integral alma aralığın' ba şlatmak ve durdurmakt ır. Miller taramas ına benzeyen devreler, ço ğu kez tetikli tarama osiloskoplarında kullanılır. Bu osiloskoplar özellikle geçici i ş aretlerin dalga biçimlerini incelemek için yararl ıdır. Böyle bir osiloskop için tarama devresinin tipik bir blok çizimi, Şek. 9-33, düş ey saptırıcı yükseltecine uygulanan giri ş iş areti ile uyarıları bir Schmitt tetikleyicisi ile ba şlar. Tek-durumlu bir çoktitre şkeni tetiklemek için uygun bir keskin negatif puls olu şturmak amac ıyla Schmitt tetikleyicinin ç ıkışının türevi alınır ve kırpılır. Çoktitre şken, Miller integral alıcısı için bir kare puls giri şi üretilir. Çıkış meyili, taramalı osiloskopun perdesi üzerinde istenen yerde ba ş layacak biçimde uygun bir gerilim düzeyinde kıskaçlan ı r. -

Y, Giriş işareti

Schmitt

Türev alıcı

tetikleyici

ve kırpıcı [

( Tek durumla ____, çok-titre şken t

Tetikleme

genliği denetimi

Miller tarama

t

Diyod

Katod

kı skaç

1Ş1111

tüpüne

Tarama

Tarama

kararlılığı

hı zı

Şekil 9-33. Osiloakoplarda kullan ılan tetikli tarama devresinin blok çizimi ve dalgabiçimleri.

Devrenin kullanışlıliğını art ırmak amacıyla birçok ayarlanabilir kontrol devreleri de kullanılmaktad ır. Örne ğin, farklı genliklerde giri ş işaretleri için devrenin tetikleme yapmas ına imkan sa ğlamak üzere Schmitt tetikleyici üzerindeki önbesleme ayarlanabilir (tetikleme genli ği, Şek. 9-33). Benzer biçimde, çoktitre şkenin önbeslemesi de de ğişken yapılabilir (tarama kararhhğı) böylece, o da yinelenen taramalar ı oluşturmak amac ıyla eşzamanlanmış kararsız bir çoktitre şken olarak çal ıştırılabilir. Tarama hızı Miller tarama devresindeki yükleme kondansatörününü (ve / ya da direnci) de ğiştirerek ayarlanabilir. Aynı zamanda, aç ıp kapama kondansatörleri yard ımıyla çok titreş kenin zaman sabitini de de ğiştirmek gerekmektedir. Bu i şlemin yapılmasıyla tarama süresi tarama h ızı ile uyu şturulur. Pulslar Çoktitre şken devrelerinin uygun birle şimleriiıi kullanarak çe şitli puls dalgabiçimleri üretilebilir. Şekil 9-34 de verilen pe ş peşe ba ğlı iki tek-durumlu çoktitreşkeni göz önüne alalım. Negatif bir tetikleyici puls, T l genişliğinde pozitif bir çıkış pulsuna neden olur. Bu pulsun arkadaki negatif kenar ı ikinci tek-dıı -

303

TEMEL ELEKTRONIK

rumlu çoktitre şkeni tetikler ve -ç ıkış , genişliği T2 olan bir kare dalga olur. Böylece,' bu sistem giri şteki her tetildeyici pulsunu izleyen bir süre gecikme ile standard biçimli bir ç ıkış pulsu.üretir. e,

Tl

uu

T2

Tekdurumlu Tekdurumlu

v,

T, Şekil 9 - 34. Pe ş peşe ba ğlı tek-durumlu çoktitre şkenler.

Tekrarlanan bir dalgabiçimi ile tetiklenen basit bir iki-durumlu, giri ş iş aretinin frekans ı kadar düzenli yar ı devirlerde bir kare dalga ç ıkışı oluşturur. Bunun böyle olmas ının nedeni giri ş dalgasın ın her negatif sal ımmda ikidurumlunun durum de ğiştirmesi ve kare dalga ç ıkışının do ğrulu ğumm, yalnı z giriş iş aretinin birbirini izleyen negatif sal ımmlarmın düzenine (do ğruluk derecesine) ba ğlı olmasıdır. Iki-durumlunun tetiklenmesi yaln ız transistörlerden herhangi birinin tabanına do ğrudan verilen pulslarla elde edilebilir. Böyle olunca negatif bir puls yalnızca transistör iletimde oldu ğu zaman geçi ş yaptırır. Her biri bir tabana uygulanmak şartı ile bir iki-durumlu iki ayn ı kaynaktan tetiklendiği zaman, simetrik olmayan tetikleme yararlı sonuçlar verir. Bu çe şit iki durumlunun çikışı, giriş pulsları arasındaki zaman arah ğına eşit genişlikte bir kare dalga verir.

KAYNAKLAR John Markus: "Electronic Circuits Manual" McGraw-Hill Book Company, New York, 1971. Joseph. A.Walston and Jonh R.Miller (eds.): "Transistor Circuit Design" McGraw-Hill Book Company, New York, 1963. "The Radio Amateur's Hand-book" (American Radio Relay League, West Hartford, Conn).

sus

OS İ LATÖRLER

ALIŞTIRMALAR 9-1. Faz-kaymal ı osilatörün geribesleme devresi için Denk. (9-3) ü elde edin. Yol giis: İlmek akı l-Idari yöntemini kullanarak determinantlarla son dirençteki akımı 1)1111111. 9-2. Faz kaymak osilatörün, Şek. 9-1, h-parametreli e ş değer devresini çizin ve h-parametreleri ve geribesleme devresinin. giri ş impedans ı (Zi) cinsinden geribesleme oran ın ı veren ba ğıntlyı bulun. Cev :

=

[(Zi

hie)

hfe ] (h„

- 1 / RL -+-

Zi)

9-3., Ahştırma 9-2 nin sonuçlar ını kullanarak Ş ek. 9-1 deki devrenin titreşim yapabilece ğini gösterin. 2N1414 ün h parametreleri, hj e 1260 Q, hre = 3 X 10-4, hfe = 60 ve h oe ----,-- 2,7 x 10 -5 mho dur. Titre şim frekansı nedir? Cev: 1.28 x 10 4 Hz. 9-4. Ş ekil 9-2 de verilen integre devre Wien köprülü osilatörde 2 nolu ç ıkış ucundaki iş aret gerilimini ve geribesleme oran ı nın tersini, çıkış işaretinin fonksiyonu olarak çizin. Ç ıkış iş aretinin kararl ı genliği nedir? Cev : 1,7 V (tepeden tepeye))

9-5 Şekil 9-7 deki güç osilatörü devresine bakarak gerilin ı çı kışını bulunuz. Cev : 19,8 V.

9-6. Uyarıcılı bir Le osilatöründe, geribesleme geriliminin fazm ı frekansm fonksiyonu olarak verecek, Denk. (9-10) a benzer, bir ba ğıntı bulun, Maksimum frekans kararl ılığı için büyük Q ili bir rezonans devresine ihtiyaç duyuldu ğunu gösterin. Cev tan 0 =

(w o

IcQ 0)

9-7. Bir kuartz kristalinin paralel rezonans frekans ı yak ı n ında impedansımn. faz aç ısını veren bir ba ğuıtı elde edin. Faz aç ı sını frekansm fonksiyonu olarak çiziu ve Q su 200 olan bir IL rezonans devresinin e ğrisi ile kanalaşt ırm. Alıştırma 9-6 n ın sonuçlarını kullanın. 9-8. Ş ekil 9-19 ile verilen DSD lu durulmalı osilatörde hf e = 20 ve DSD nun iletimi için gerekli geçit gerilimi 3 Y ise osilatörün verece ği çıkış iş aretinin perivodunu ve genli ğini bulun. Çı kış geriliminin dalga biçimini çizin. Cev : 0,3 V; 1 V; 1,18 x 10 4 Hz; 6.67 x 10 5 Hz.

9-9. Karars ı z çoktitre şkenler, ço ğu kez yol geçitlerini, in ş aat işlerini v.b. gibi yerleri belirtmek amac ı yla kı sa süreli ışık vericiler olarak kullan ılmaktadır. V i ve V2 nin kesilimde ve V i in çalış maya ba şladığı andan ba şlayarak Şek. 9-35 de verilen devrenin çal ış mas ın ı nitel olarak belirleyin.

TEMEL ELEKTRON İ K

305

Şekil 9-35. Ahş tirma 9-9 da incelenen k ısa süreli Işık verici devre.

9-10. Şekil 9-36 daki devrede 50—e luk gerilim bölücü orta noktas ına ayarlanmış olduğuna göre çıkıştaki dalgabiçimini çizin. Gerilim bölücü 20 V luk uçtan başlayarak dörtte birlik kesimine ayarland ığı zaman problemi yeniden çözün. 2N491 in belirtgenlerinin 2N2646 n ın Şek. 9-16 da verilen belirtgenleriyle aynı olduğunu varsayın. +20 V 65

330

2N525 330

100 k2

50 Çıkış

Ei

0,1 1.4F 0,2 ıı F

O

2N491

2N491

Şekil 9-36.

BÖLÜM ON

Analog Ölçümleri

Hem laboratuvar araştırma ve hem de endüstriyel kontrollu uygulamalarda pek çok fiziksel olay ı ölçmek için elektriksel yöntemler kullan ılmaktadır. Gerçekten, ilk fı rsatta araştırılmak istenen olaylara benzer bir elektriksel i şaretin geliştirilmesi çağdaş ölçüm yöntemidir. Böylece, al ınan işaret üzerinde yapılması gereken işlemler elektroniksel olarak yürütülebilir. Elektronik devrelerin bu kadar çok kullanılmasının temel nedeni, elektrik i şaretlerini detekte etmede, kaydetmede, değiştirmede ve yükseltmede elektronik devrelerin oldukça yetenekli olmas ıdır. Bu bölümde, yukar ıda sözü edilen türden analog işaretlerini ölçmek ve işlemekte kullanılan devreler ve kontrol amaçlarına yönelik devreler incelenmektedir. Ayr ıca, işaretleri bir noktadan ötekine iletni e ve daha sonra yapılacak incelemeler için onları kaydetme amac ıyla kullanılan yöntemler göz önüne altnmaktadır.

TEMEL ELEKTRONIK

307

KONTROL DEVRELERI Güdündüler (Servos) Herhangi bir do ğru gerilim güç kayna ğının çıkış gerilimini kararlı duruma getirmek için Böl. 4 de belirlenen yalan zener diyod devresinden çok daha yaygm bir biçimde özel devreler kullan ılmaktadır. Bu çe şit bir gerilim düzenleyici, elektronik devrelerle kontrol ve ölçüm yap ımının önemli ve yararl ı bir örne ğidir. Devre, çıkış gerilimini ölçer, istenen de ğer ile onu karşılaştım ve ikisi arasındaki fark sıfır olacak biçimde ş artları ayarlar. Bu yolla, yükteki ve aynı zamanda a.a. şebekesindeki de ğişimlere rağmen d.a. çıkış gerilimi kontrol edilir. Herhangi bir güç kayna ğının çıkış gerilimi, doğrultucıi süzgeci ve yükle seri konumda bir güç transistörü kullanarak kolayl ıkla kontrol edilir, Şek. 10-1. Bu devreyi geribeslemeli bir yükselteç olarak incelemekte yarar vard ır. Burada referans gerilimi V, giriş gerilimi ve V, çıkış gerilimidir.Geribesleme oran ı /(R + R2) olduğundan, yükselteç ve güç transistörü ile kontrol edilen çıkış gerilimi, Denk. (8-3) den, V

-

R İA - R2 V R2

dir. Etki bak ımından, gerilim düzenleyici d.a. ç ıkış geriliminin bir kı smını referans gerilimi ile kar şılaştım ve farkı sıfıra eşit tutacak biçimde kontrol transistörünü ayarlar, böylece V, sabit değerde tutulur. Düzenleyieiniiı kararlı klima etkisi, kontrol transistörünü d .a. yüksek°. elinden ayrı olarak inedena ekle en iyi biçimde görülür. Kaynak gerilimin.deki değişimlerin, Şek. 10-1 deki v i a.a. üretecinden ileri geldi ği ve çıkış gerilinlinde v, gibi bir değişime neden oldu ğu varsayılmaktadır. Kontrol transistörü,

t+ ro CO N

Şekil 10-1. Seri gerilim düzenleyici.

308

ANALOG ÖLÇÜMLERI

gerçekte bir yayıcı-izleyici yiikselteçtir ve bunun e ş değer devresi Şek. 10-2 de gösterilmi ştir. h iG

t

ib

V be

Ui

Şekil 10-2. Şekil 10-1 deki kontrol transistörünün e şdeğer devresi.

Incelemeye, ç ıkış akımı için bir ba ğıntı yazarak ba şlanabilir. e noktas ındaki akını' gözönüne alarak ve geribesleme bölücüsü R R2 içindeki çok az alum geçişini önemsiz sayarak,

hfe + EL 4-

vo — vi

ı

h„

=

0

(10-1)

yazılabilir; buradaki üçüncü terim 1 / h„ üzerindeki akımdır. Taban akım ı , giriş devresindeki gerilimler gözönüne al ınarak bulunur, V be--- hr

afiv o --1- ı vi+hrev e ,

dv e c

(10-2)

burada, Ş ek. 10-1 den en iyi biçimde görülece ği üzere, giri ş gerili ıni vb,, vi ile yükseltilmi ş geribesleme gerilimi (—af v o) m farkıdır. Son olarak, vb, ç ıkış devresi çevresinde Kirchhoff kurala yaz ı larak bulunur. (10-3)

v e , — vo Vi = 0 Denklem (10-2) ve (10-3) Denk. (10-1) de yerine konulursa,

E y = vi [hoc

hf ,(1—h, c) VO

hi,

OC [h

hf c (h-1-- rc

uP

L.

elde edilir. Bu ba ğmtıdan çıkış geriliminin çözümü, h ich oe +hf ,(1—h

re)

v o =vı kchoc_hfc(hrc+afi)

iL

n iert oe—hf e (hr,+afl)

(10-4)

verir. Bu ba ğıntı , düzenleyicili güç kayna ğın ın The'venin e ş de ğer devresi biçimindedir. İ lk terim iç gerilim üretecidir, ikinci terim ise e ş değer iç dirençteki yük akımından ileri gelen gerilim dü ş mesidir. Denklem (10-4) ü daha fazla incelemeden önce, h parametrelerinin ba ğıl büyüklülderini göz önüne alarak ba ğmtıyı daha basit bir duruma getirmek yararlı olur. Bu i ş yapıldığı zaman, Denk. (10-4)

309

TEMEL ELEKTRONIK

v o — vi

hi , r e (1+0)

1

aP

(10-5)

durumuna indirgenir. Bu ba ğıntı tüm uygulama amaçları için yeterince do ğrudur. Denklem (10-5) e göre, giri ş gerilimindeki değişimler, düzenleyicinin geribesleme davran ışı yüzünden oldukça azalt ılmaktadır. Denklem (10-5) deki güç-transistörünün de ğişkenlerinin tipik de ğerleri hi, = 1000 D, r e =10000 Q, a =50 ve /3 O, 3 dür, öyleyse giri ş gerilimindeki değişimler çıkış uçlarmda 160 gibi bir bölenle azaltılır. Ayrıca düzenleyicili güç kayna ğının etkin iç impedansı, Denk. (10-5) deki ii, nin katsayısı , oldukça küçüktür. 1— a = 0,05 alarak iç direncin 3,1 S2 olduğu görülür. Bu demektir ki yük ak ımındaki değişimler düzenleyicili kaynak geriliminde yaln ız küçük de ğişimlere neden olabilmektedir. Böylece bu basit düzenleyicinin hem giri ş gerilimindeki hem de çıkış akımındaki değişimlere karşı etkin olduğu apaçık görülmektedir. Giriş gerilimindeki değişimlerin çıkış uçlarında azaltılma oranı, öteki gerilim değişimlerinde oldu ğu kadar dalgalanma gerilimleri için de geçerlidir. Bu nedenle, düzenleyicili bir güç kayna ğmda çıkış gerilimindeki dalgalanma oldukça küçüktür. Denklem (10-5) e göre, hem azaltma çarpan ı hem de etkin iç direnç, d.a. yükseltecin kazanc ın' art ı rarak daha da geli ştirilebilir, Önemli uygulamaların çoğunda kazanç yeterince büyük yap ılmaya çalışılır, böylece düzenlenmiş gerilimdeki kalıcı değişimler referans geriliminin kararl ılığını yans ıtır. ,

Seri kontrol transistörü, fazla ısınmamak ş artı ile tüm yük akımının ürettiği ısıyı yok etme yetene ğinde olmalıdır. Bunun için ço ğu kez düzenleyicide güç transistörleri kullan ılır. E ğer maksimum yük akımının taşınması gerekirse, paralel konumda ba ğlanmış iyi ya da daha fazla özde ş birimlerin kullanılma imkanı vard ır. Seri düzenleyici en çok kullan ılan tür olmasına rağmen, basit bir zenerdiyod düzenleyici durumunda oldu ğu gibi kontrol transistörü yükle paralel olarak da ba ğlanabilir, Sek. 10-3. Transistörden geçen alum kontrol edilir, böylece seri direncin uçlar ı aras ındaki gerilim dü şmesi değişmez ve yük akı-

~-, 28

0-

45 V

I Şekil 10-3, Şönt düzenleyici.

310

ANALOG ÖLÇÜMLERİ

mı değişimlerinden ba ğını sı zd ır. Etkin gerilim kararl ılığı böyle bir şönt düzenleyici ile elde edilebilir, fakat devre seri dirençteki ek güç kayb ından zarar görür. Öte yandan, kontrol transistörünün tüm yük ak ımının yalnız bir kesimini taşıması gerekmektedir. Bu durum yüksek ak ımlı güç kaynalar ında son derece önemli bir üstünlüktür. Düzenleyicili tam bir güç kayna ğı Şek. 10-4 de gösterilmektedir. D.a. yükselteci tek bir yayıcısı-topraklı transistör kat ıdır. Referans gerilimi 18V luk bir zener diyodla sa ğlanmaktadır. Zener diyod geribesleme i ş areti ile seri konumda olmaktan çok yükseltecin yay ıcı devresine yerle ştirilmiştir. Böylece, diyodun uçlarından birini topraklama imkan ı do ğmaktadır. 33—kü luk direnç diyoda ters gerilim sa ğlar. Geribesleme oran ının ayarlanabilir olmas ına dikkat ediniz. Bu, transistörün çal ışma şartlarının elverdiği sınırlar içerisinde

Şekil 10-4. Eksiksiz biz 40-V 500-mA chizenleyieili güç kayma ğı.

çıkış geriliminin istenen herhangi bir de ğere ayarlanmasma imkan sa ğlar. Bu devrede, iyi düzenleme sa ğlanarak ç ıkış geriliminin 40 ile 50 volt aras ında ayarlanabilmesi mümkündür. Ç ıkış uçları aras ındaki 1500— p.F lık kondansatör a.a. i ş aretleri için oldukça küçük bir etkin iç impedans Sa ğlar. Oldukça iyi düzenlenmi ş gerilimler, yukarıdaki devrenin daha özenle yapılmış türleri ile elde edilir Kazanç, çok-katl ı bir d.a. yükseltecinin kullanılmasıyla artırdır. Özellikle, büyük kazançlar ı ve çift giri şleri nedeniyle i şlemsel yükselteçlerin bu i ş için yararlı oldukları görülür. Çift giri ş , çıkış geriliminin referans gerilimi ile kar şılaştırılmasina imkan sa ğlar. Bu tür devreler, yük akımının tüm değerleri için çıkış gerilimini yüzde 0,1 hata s ınırı içerisinde istenen de ğerde tutabilirler. Gerçekten, özel uygulamalarda, 10 5 de bir hata ile kararlılık başarılabilmektedir.

311

TEMEL ELEKTRONiK

Bir gerilini düzenleyicinin ayr ı ayrı olan bileşenleri, tek bir integre devre içeris,inde kolayl ıkla birleştirilebilir, Şek. 10-5a. Bu devrede, şöntleme direnci denilen Rs nin uçları aras ındaki gerilim düşmesi, düzenleyicinin akım yetene ği aşıldığı zaman (örne ğin çıkış uçları arasındaki rastgele bir k ısa devreyle) devreyi açma görevini yapar. Böylece, fazla ak ım yüklenmesine kar şı düzenleyici korunmuş olur. Akım çekme yeteneğini artırmak amacıyla Ş ek. 10-5b de oldu ğu gibi ayrı bir kontrol transistörü devreye konulabilir. Bu durumda 150 mA max

6Q

5-15V

24 V

2N3772

24V

030

5A max

5-15V

Şekil 10-5. integre devreli gerilim düzenleyici ve (b) ak ını yeteneğini artırmak amacıyla güç transistörü ile desteklenrai ş bir integre devreli gerilim düzenleyici.

artırılmış akım kazancı elde etmek amacıyla toplu devrenin içindeki kontrol transistörü ile güç transistörü etki bak ı mmda "Darlington" ba ğlantısı biçiminde bağlararlar. Sistemin fazla ısınmalarma karşı korunması için dış kontrol transistörünün bir ısı soğurucu üzerine yerle ştirilmesin.de yarar vard ır.

312

TEMEL ELEKTRONIK

Giidümliiler (Servos) Çoğu kez, bir elektrik i şaretine uygun olarak mekaniksel konumun ya da hareketin kontrol edilmesi yararl ı olur. istenen hareketin yap ılmasını sağlamak için, mekanik harekete kar şılık gelen bir geribesleme gerilimi geli ştirilir. Bu gerilim giriş işareti ile kar şılaştırılır. İki iş aret eşit olduğu zaman mekanik hareket durur, çünkü mekanizma harekete geçirici i ş arete tepki göstermi ş demektir. Geribesleme devresinde mekanik bir ba ğlantıyı da içeren geribesleme sistemlerine güdümlü mekanizmalar ya da güdümlüler denir. Bu isim latince sözcük esirden gelmektedir, çünkü söz konusu çal ış mada mekanik . hareket giri ş işaretinin. esiridir. Güdümlü sistemler, laboratuvarlardaki grafik kaydedicilerden tutun da otomatik ta şıma (hava ya da denizde) sistemlerine kadar kontrollu uygulamalar da yayg ın bir biçimde kullan ılmaktadır. Şekil 10-6 da blok çizimi verilen güdümlü sistemi göz önüne alm ız. Yükselteç, mekanik olarak hareket eden bir cihaz ı , örneğin bir d.a. motorunu Motorun, mekanik bir kolu bir x konumuna hareket ettirdi ğini ve geribesleme geriliminin kolun konumu ile orant ılı ve kx e eşit olduğunu varsayahm Giriş ve geribesleme gerilimleri aras ındaki farka e şit olan hata işareti Yamlgi i ş areti (vi —u f ) Motor

a

1

Mekaniksel bağlantı

Geribesleme algdayielst

Geribesleme i ş areti uf ' kx

Şekil 10-6. Güdümlü sistemin blok çizimi.

sıfıra eşit olmadığı sürece yükseltilen hata i şareti motoru çal ıştırmaya devam eder. Geribesleme i ş areti hareket ettirici i ş arete e şit olduğu zaman, hata iş areti s ıfırdır ve motorun hareketi durur. Bu durumda

ıı i—vf =vi—kx o = 0

(10-6)

ve bu nedenle

xo

Vi

k

(10-7)

olduğu görülür. Denklem (10-7) göre, mekanik hareketin denge konumu x o doğrudan do ğruya giri ş iş areti ile orant ılıdır. Mekanik eylemsizlik ve sürtünme nedeniyle güdümlü sistem giri ş iş aretlerindeki çabuk de ğişimlere anında tepki göstermezler. Yukar ıdaki tart ış maya göre, motordan gelen hare-

TEMEL ELEKTRONIK

313

ket ettirici kuvvet hata i ş areti ile orant ılıdır. Eylemsizlik ve sürtünme kuvvetleri bu kuvvete kar şı koyar ve e ğer sürtünme kuvveti sürücü (ya da hareket ettirici) kuvvete göre küçük ise sönümlü bir sal ı= do ğar, Şek. 10-7. Öte yandan, e ğer sürtünme kuvveti hüyükse, sistem aşı rı sönüme uğrar ve denge konumuna gelmesi için uzun bir süre gerekir. Güdün ılü sistemlerin ço ğu az sönümlü olacak biçimde yap ılır, çünkü bu tepki zaman ını minimuma indirir. Bu durum, Şek. 10-7 de görüldü ğü gibi küçük bir atma olu şturur. E ğer istenirse giriş devresine bir RC-siizgeci koyarak ek sönüm sa ğlanabilir. Bu yolla güdümlü sistem süzgecin zaman sabitinden daha h ızlı bir iş aret de ğişimiyle hiçbir zaman kar şılaşmaz. x

xo

Şekil 10-7. Ani giri ş işaretlerine karşı güdürnliinün gösterdi ği belirtgin tepkiler.

Güdümlü sistem ilkesine dayanan çok kullan ışlı bir laboratuvar cihaz ı kaydedici potunsiyometredir. Bu, kendi kendini dengeleyen bir d.a. gerilim bölücüsüdür. Gerilim bölücüde, denge konumu hareketli bir ka ğıt ş erit üzerine işaretlenir ve böylece giri ş geriliminin sürekli bir kayd ı oluşturulur. Sistemin kalbi sürgülü R, telidir, Şek. 10-8. Rs den V, üreteci ve de ğişken RA direnci ile sa ğlanan ayarlı bir akım geçer. Bu akım, Böl. 1 de belirlendiği gibi, standard bir üreteçle kar şılaştırılarak ölçeklendirilir. E ğer çok doğruluk istenmiyorsa, V, yeterince sabit ak ım veren civah bir üreteç olabilir. Sürgülü-tel direnç ile paralel ba ğlı olan gerilim bölücü bir köprü devresi oluşturur. Bu köprü, Denk. (1-46) ya göre, R ol / R c2 = Rs ı I R 82 olduğu zaman dengelenir. Bu ş art sa ğlandığında geribesleme gerilimi vf sıfırdır. Herhangi bir giriş iş areti yoksa, sürgülü tel üzerindeki ayarlanabilir de ğnıe noktası denge elde edilinceye kadar güdümlü motor ile hareket ettirilir. Sürgülü tel üzerindeki hareketli noktaya mekanik olarak ba ğlı olan kaydedici kalem, denge konumunu sürekli olarak hareketli ka ğıt üzerine kaydeder. Bu demektir ki, sıfır konumu (vi = 0) R o yi ayarlayarak ş erit üzerinde herhangi bir yere yerle ştirilebilir.

314

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Rc ı —4-

.2

Rc

-L v

i“ ğı t şerit

Kaydedici kalem

R

Rsi

-T R 52

Mekaniksel bağlantı

L_AsAA, 12L6 R

Mckaniksel ba ğlantı

Güdümlü motor

Şekil 10-8. Güdümlü kaydedici•potansiyometre.

Bir giriş gerilimi uygulandığı zaman, yükseltece vi — vf ye e şit bir ba ş langıç giriş işareti uygulanır. Güdümlü motor, sürgülü tel üzerindeki de ğme noktas ını yeni bir denge konumuna sürer. Bu konumda dengesi bozulmu ş köprü gerilimi giriş gerilimine eşit ve vi--vf =O dır. Kayan de ğme noktas ının yerde ğiştirmesi a ş ağıdaki işlemlerle do ğrulandığı üzere giri ş geriliminin do ğrusal bir fon.ksiyonudur. Denklem (1-54)ü kullanarak, köprünün dengesizliğinden doğan gerilim,

Rc ı

Rs ı

Rc ı +Rc-)

RSH-Rs2

vf = V (

(10-8)

ba ğmtısı ile verilir. Buradaki V köprünün uçları arasındaki gerilimdir. E ğer sürgülü tel düzgünse ve s ıfır konumu, x = 0, telin merkezinde seçilmi şse

Rs ı =

Rs 2

ve Rs2 =

Rs

mx

mx

(10-9)

ba ğıntıları yazılabilir, burada m sürgülü tele ait bir sabittir. Denklem (10-9) u Denk. (10-8) de kullan ılı r ve sıfır konumu merkezde oldu ğundan R ci = RC2 olduğu göz önünde tutulurse,

vf = V (- 1

Rs i2—mx V Rs 12-mx+Rs 12+mx) = Rs mx

elde edilir. Bundan ötürü, Denk. (10-7) ye göre,

(10-10)

TEMEL ELEKTRONIK

xo =

1 m 18

315

(10-11)

bağıntıs ı elde edilir, burada / 8 = ViRs sürgülü teldeki standardla ş tı rı lmış akımdır. Denklem (10-11), sürgüdeki ve dolay ıs ıyla kaydedici kalemdeki koymanın giriş iş areti ile orant ılı oldu ğunu göstermektedir. m ve standart ak ı nı /8 yi ka ğıt şeridin geni ş liği 100 m V gibi bir tam değ eri gösterecek biçimde seçmek yapımcılarca uygulanan bir yöntemdir. Ş ekil 9-8 deki R ı den R4 e kadar ki dirençler potansiyometrenin duyarIlkini de ğiştirmek için kullan ılan bir gerilim bölücü olu ştururlar. Bölücü devrede oldu ğu zaman, geribeslerne i ş areti olarak bozulan dengeden do ğan gerilimin yalnız bir kesri elde edilebilir ve bunun sonucu olarak da duyarl ık artırı hr. Rd ve Ca birleşimi, kaydedicinin tepki zamanını en iyi duruma getirecek biçimde girişte bir sönüm süzgeci olu şturur. Kaydedici potansiyometre, laboratuvarda kullan ı lan oldukça çok yönlü bir cihazdır. D.a. i ş aretleri için yüksek duyarl ığı ve bir gerilim bölücü devresinin do ğ al olarak var olan yüksek giri ş impedansını otomatik çalış ma ve devamlı kayıt ile birle ştirir. Optik spektrometreler, X- ışun kırmı m spektrometreleri ve gaz k,romatograflar ı gibi başka cihazlar ın bir parçası olarak ya da ayrı bir birim olarak oldukça geni ş bir biçimde kullan ılır.

DONUŞTÜRÜCULER (TRANSDUCERS) Herhangi bir fiziksel olaydaki de ğişimlere uygun olarak elektrik i ş aretleri olu ş turan cihazlara dönüştürücüler denir. Mikrofon buna tipik bir örnek olarak yenilebilir. Mikrofon, bir zar üzerine çarpan ses bas ıncının değişimine kar şılık bir gerilim dalgas ı üretir. Zorlanma ölçeri gibi ba şka dönü ş türücüler ise bir gerilim üretmekten çok devrenin baz ı de ğişkenlerini (örne ğin direnç) de ğiştirerek çalışırlar. Bugüne dek çok çe şitli dönü ştürücüler geliştirilmiştir. Bundan ötürü, ço ğu kez bir iş areti birden fazla yoldan üretme indân ı vardı r. Verilen herhangi bir durumda hangisinin kullan ılacağını belirleyen etken, ölçülmekte olan fiziksel niceli ği dönüştürücü çıkışının hangi do ğrulukla temsil etti ğidir.

Mekanik Döniiştiirüeüler Mekanik hareketi ya da konumu algılamak için yararl ı bir dönün ştürücü fark transfernıatörüdür, Şek. 10-9. Bu aygıt, iki tane ikinci devresi ve hareketli bir magneik çekirde ği olan bir transformatördür. Çekirdek iki ç ıkış sarımın arasızaman, birincideki sinüsel bir ak ı m her iki çıkıştana, orta yere yerle ş tirildiği , da eşit bir gerilim olu şturur Çıkışlarm sarmıları ters yönde sar ılmıştır ve seri bağlanmış olduğundan, ç ıkış gerilimi sıfırdır. Çekirde ğin sola do ğru yerde ğiş tirmesi soldaki çıkışa daha fazla magnetik ak ımın girmesine neden olur ve ç ıkış gerilimi yükselir. Benzer biçimde, sa ğa do ğru yerdegi ştirme durumunda,

316

A NA.1.0(l ÖLÇÜMLER İ •

Çı k ış

Hareket edebilen çekirdek

Fark transfrorrnatörünün kesi

sa ğdaki ikinci sar ı nun ob ı sur

soblakininkini geçti ğinden z ıt fazl ı bir ç ıkış

.

Özenle haz ı rlanm ış mekanik bir çizimle ç ıkış geriliminin, belli bir uzunluk boyunca (örne ğin 0,25 cm) yerde ğiştirmenin do ğrusal bir fonksiyonu olması sağlanabihr. Gerekli oldu ğu durumlarda, yer de ğiş tirmenin yönünü dedekte etmek için ço ğu kez faz-duyarl ı bir dedektör kullanılır E ğer yalnı z bir yöndeki hareketin ökülmesine gerek duyulursa o zaman basit bir a.a. voltmetresi Bir ba ş ka konu ın-algılayıcı dönü ş türücü de sabit bir levl ı a ile hareketli bir ievha aras ındaki açıklığı bu levhan ı n karşılıklı sığaları ile ölçer. Levhalar aras ındaki aç ıklığın de ğişimden do ğan s ığa de ğerleri bir s ığa köprüsü yard ımıyla ölçülür. Ba şka bir seçenek ise kondansatörün, bir osilatörün rezonans devresiniu bir parças ı durumuna sokul ınasıdir. Bir levhan ı n ötekine göre ba ğıl yerde ğiştirmeleri osilatörüu ç ıkış uıdaki frekans de ğiş inderinde kendini gösterir. E ğer yalnız bir denge konumundan ayr ılmaların algılanmas ı gerekli ise, s ı ğaçlı ntikrofortda oldu ğu Bini, sığacı bir direnç ve bir d a gerilimi ile seri konumda ba ğlamak yeterlidir, Sek. 10-10. Ses bas ıncındaki değişimler zarm titreşimine, dolay ıs ıyle C sığasını n de ğişimine ve dış devrede bir ak ım üretilmesine neden olur. Bu akını ,

i

dQ —— dt

V

dC dt

bağıntısı ile verilebilir. Öyleyse ç ıkış iş areti, vo =

olur.

„ fı V

dC

dt

(10-12)

TEMEL ELEKTRONIK

. 317

Zar

Şekil 10-10. Kondansatörlü mikrofonun çizimi.

Kondansatörlü dönü ştürücü, Şek. 10-11 de görüldü ğü gibi, mekanik kuvveti ölçmek için kullan ılabilir. Burada, kuvvetin uyguland ığı kolun konumu, kol ve bir ele,ktromagnetin. kutup yüzeyi aras ındaki sağa ile detekte edilir Uygulanan herhangi bir kuvvet kolun konumunu de ğiştirir ve sığadaki de ğişim bir sağ a köprüsü ile ölçülür. Köprünün bozulan denge gerilimi, elektromagnetin bobinlerini besleyen bir yükselteç için gerekli i ş areti sa ğlar. Magnetik kuvvet, dış kuvvete kar şı koyarak kolu geriye denge konumuna çeker. Bundan ötürü, magneti besleyen ak ını , uygulanan kuvvetin do ğrudan ölçülmesini Sa ğlar.

Ş ekil 10-11. Mekanik kuvveti ölçmek için geribeslemeli sistemde kullan ılan kondansatörlü dünüstürücü.

Dengeye ya da sıfır konumuna dönmeye çal ışan bir sistem, ölçü ve dengeleme dovrelerinde oldukça yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. İki noktanm belirtilmesinde yarar vard ır: Birincisi, asl ında sistem geribeslemeli bir devredir ve o ş ekilde incelenebilir İkincisi, sistem her zaman denge konumuna döner, bundan ötürü dönii ştüriiciideld giriş eylemi ve ç ıkış işareti aras ında doğrusal bir bağıntınna bulunması gerekli de ğildir. Gerçekten dönü ştürücünün ayarmın bilinmesine bile gerek yoktur. Çünkü ayarlama sistemin denge konumunu değiştirmez. Yapı eleınanlarındaki ve maddelerdeki mekanik zor, al ışılageldiği üzere bir direnç zorlanma ölçeri ile kolaylıkla ölçülebilir. Çok kullan ılan bir zorlanma

318

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Ş ek. 10-12 de görüldü ğü gibi, ileri geri bükühnü ş 0,025 mm çaplı bir metal telin ince bir ka ğıt deste ğe sıkaca ba ğlanmasıyla oluşur. Ölçer, denenmekte olan yap ı elemanın yüzeyine do ğrudan do ğruya tutkalla yap ıştırılı r, böylece eleman ın uzunlu ğundaki de ğişimler ölçerin dirncindeki de ğişimler yardım ıyla ölçülmüş olur. Dirençteki de ğişim büyüklüğü

Zorlanma

Şekil 10-12. Dirençli zorlanma ölçeri.

R =p

L A

(10-13)

bağıntısından bulunbilir, burada L telin toplam uzunluğu, A kesiti ve p ise öz direncidir. Uzunluktaki ba ğıl değiş im ba şı na dirençteki ba ğıl de ğişim ya da ölçer çarpanı , K = ( / R) / ( /L), ölçerin cluyarld ığuan bir ölçüsüdür. .Ölçer çarpan ı,

K

1+2 ac + L

dp dL

(10-14)

ile verilir, burada cz, tel maddesinin Poisson oramd ır. Denklem (10-14) e göre dirençteki de ğiş im, mekanik zorlanma art ı özdirençteki de ğişim sebebiyle tel boyutlar ı ndaki değiş imlerden do ğmaktadır. Metal-tel ölçerlerinde, Denk. (10-14) deki üçüncü terim önemseumeyebilir va K 2 dir. Ölçer direnci yakla şık olarak 100 S2 ve ilgilenilen zorlanmalar 10 -3 hüyüklü ğ ünde olabilir, bundan ötürü toplam direnç de ğişimi yaklaşık olarak 0,2 S-2 dur. Silisyumlu zorlanma ölçerlerinin ölçer çarpanlar ı zorlanma ile öz dirençteki de ğişim nedeniyle oldukça büyüktür 150 ye yak ın) Bunun sebebi, bir yar ı iletkendeki ak ını ta şıyıcılarmın sayısı mekanik zorlanmadan etkilenir. Bundan ötürü, esnek şekil bozulmas ına tepki olarak iletkenlik önemsenecek kadar de ğ işir. Artan duyarlıkları nedeniyle, silisyumlu zorlanma ölçerleri, gün geçtikçe daha da yayg ın bir biçimde kullan ılmaktadır. Böyle olmasına ra ğmen, sıcaklı k ile özdirencin üstel olarak de ği şimi yarıiletkenlere has bir belirtgen olmas ı nedeniyle, yarı-iletken zorlanma ölçerleri sıcaklık de ğişiminden etkilenirler. Gerçekte, s ıcaklık etkileri tel zorlanma. öl-

319

TEMEL ELEKTRONIK

çerlerinde de önemlidir. S ıcaklık ile bir metalın öz direncindeki de ğişimin oldukça küçük olmas ının yan ısıra, mekanik zorlanman ın neden olduğu değişimler de kiiçüktür. Zorlanma ölçerleri dirençlerindeki de ğişimleri ölçmek için genellikle köprü devreleri kullan ılır, çünkü küçük direnç de ğişimleri kolaylıkla ölçülebilir ve sıcaklık düzeltmeleri rahatl ıkla yapılabilir. Çoğu kez, köprüde iki özdeş zorlanma ölçeri kullan ılı r, Şek. 10-13. Biri mekanik zorlanmaya u ğrarken öteki zorlanmadan yal ıtıhr fakat, s ıcaklık ş artları zorlanma algılayıcısı nda.kirıe özdeş olacak biçiminde yerle ştirilir. Böylece, s ıcaklık değişimleri her iki ölçeri de aynı biçimde etkiler ve köprü dengede kal ır.

Sıcaklık dengeleyici ölçeri Algdayıcı ve kaydedici

Zorlanma *içeri

Şekil 10-13. Sıcaklık etkilerini ortadan kald ırmak için ikinci bir ölçer kullan ılan köprü devresi.

Zorlanmaolmad ığında maksimum köprü duyarhlığı için R ı = R2 = R olup çıkış gerilimi sıfırdır ve. R 1 direncinin uçlar ı aras ındaki gerilim V/2 dir. Zorlanma oldu ğu zaman ölçer direnci R AR gibi bir değere ula şır ve zorlanmadan doğan çıkış gerilim iş areti,

V( R+ AR) v° — 2R -1- AR

AR

V

2 --- 4R+2AR

V

(10-15)

olur. 2R yan ında AR atılarak ölçer çarpmai araya sokuldu ğunda, v =

KV AL 4 L

(10-16)

bulunur. Bu ba ğıntı, çıkış iş aretinin doğrudan doğruya mekanik zorlanmanm bir ölçüsü olduğunu göstermektedir.

L\L I, 10-3 olduğundan, çıkış işarti 10 mV büyüklük ğünde ya da daha az demektir, bu yüzden genellikle biraz yükseltmeye ihtiyaç duyulur. Köprü bir osilatörle uyart ılabilir ve böylece bir d.a. yükseltecindeki kayma problemleriııi önlemek amacıyla bir a.a. çiftlenmiş yükselteç kullanılabilir. Eş -

ANAl OG ÖI zamanlı olarak detekte etmek, dü ş ük gürültüde çal ış ma imkan ı Sa ğlar ve ayn ı zamanda hem pozitif e hem de negatif zorlamalan ölçer. N.•

Yapı lardaki ve makinelerdeki mekanik titre şinder ivme ölçeri denilen döniiştürücülerle ölçülür. İvme-ölçerlerinin bir biçimi küçük bir kütle üzerine etki eden kuvvetleri ölçer. Bu kuvvetler dönii ştüriiciinün ba ğlı olduğu nesnenin ivmeleıamesinden do ğ an. -= ma eylemsizlik kuvveti, kütleyi destekleyen yayın karşı koyma kuvveti ile dengelenir ve sapmalar rochelle tuzlan ya da baryum titanat gibi piezoelektrik kristalda üretilen gerilimle ölçülür. Bölüm 9 da tart ışıldığı gibi, piezoelektrik maddeler kristal üzerindeki mekanik zorlanmayla orant ılı bir gerilim üretirler. Gerçekten, Ş ek. 10-14 de, gösterildiğ i üzere, piezoelektrik element paralel iki levhadan olu ş maktadır, öyle ki, örneğin, kütlenin dü ş ey bir sap ışı üstteki levhayı sıkıştırmaya ve alttakini germeye çal ışı r. İki paralel levhanni yass ı yüzeyleri üzerindeki ç ıkış uçları birbirine bağlarimi ştır. Bu iki levha ile yap ılan dönü ştürücii, yalnız bir tek eleman ile elde edilenden daha duyarl ı dır. İ ki levhalı piezoelektrik ö ğe Kütle

tıo Yay

Şekil 10-14. Ba s it bir piezoelektrik ivme bleeri.

'Herhangi bir ivme ölçerinin kullan ış lı frekans bölgesi, kütle ve kütleye desteklik eden yayın birle şiminin mekanik rezonansma kadar ç ıkar. 2 kHzlik bir üst frekans s ınırı normaldir. Duyarlıktan ödün verme pahas ına kütle ve yayı tamamiyle ortadan kald ırarak geni şletilmiş çalış ma bölgesi elde etme imkan ı vardır. Bu durumda, iki levhal ı piezoelektrik eleman ı n yalnı z kütlesi ve esneklik sabiti kullanılır ve üst frekans s ı nırı , elemanm kendisinin yalnı z bir ucundan tutturulmu ş geometrisinin mekanik rezonans ı ile belirlenir. Hı zla orant ıl ı bir iş aret elde etmek istenirse ivme ölçerinin ç ıkış gerilimi elektronik olarak integre edilebilir İkinci bir iutegral alma i şlemi yer de ğiş tirmeyi verir. Bu çe ş it ivme üdçerler, uçakta eylemsizlik yol gösterici seyahat sistemlerinin önemli bir parças ını oluşturur. Uça ğın bilinen bir ba şlama noktas ından ba şlayarak yerde ğiş tirmesini ölçmek için birbirlerine dik üç ivme ölçer kulland ır.

TEMEL ELEKTRONIK

321

pH ölçeri Bir çözeltinin asitlik ya da alkalik durumu, bir pH ölçeri ile sıvıdaki hidrojen iyonlarmın yo ğunlu ğunu ölçerek bulunur. Bu aygıt, standard bir elektroda göre çözeltinin olu şturdu ğu gerilime dayanmaktad ır. Bu gerilim,

V=

RT Fy

aıı

(10-17)

ile verilir, burada R evrensel gaz sabiti, T mutlak sıcaklı k, Fy elektrik yükünün faraday ad ı verilen bir niteli ği ve aH hidrojen iyonlarmna etkinli ğidir ve gerçekte bu iyonları n yoğunlu ğuna e şittir. Aslında uygulamada

pH

— log aH (10-18) ba ğıntısı ile tanımlanan nicelik kullan ılır, çünkü böylece elde edilen say ısal değerlerin kullanılması daha kolayd ır. Örne ğin, yüksüz bir çözeltinin pH si 7 dir, öyleyse Denk. (10-18) e göre aH rs= 10 -7 dir. Uygulamada Denk. (10-17) ye uyan standard elektrod ş artlarının sağ lanmas ı kolay değildir. Bundan ötiirü pH ölçeri, Ş ek. 10-15 de çizimi gösterilen elektrodlar ı kullanır. Bilinmeyen bir s ı vınm gerilimi, sabit ve bilinen pii il bir sıvının gerilimi ile karşılaştırılır. Her iki sıvıya da elektriksel dokunma, calomel elektrodlar denen standard elektrodlarla sa ğlan ır. Bir calomel elektrodun (Hg, HgCI ve KCI ün bir karışımı) elektro-kimyasal özellikleri oldukça kararlıdır ve laboratuvarda kolayl ıkla yeniden elde edilebilir. pH si bilinen çözelti ço ğu kez Ag, Ag CI ve HCI kr ışımından olu ş ur ve ince çeperli bir cam

Cam elektrod pIrsi bilinmeyen çözelti

Şekil 10-15. Bir pH ölçerinin elektrod sistemi V gerilimi, bilinmeyen s ıvıdaki hidrojen iyonu yo ğunluğunun do ğrudan bir ölçasildür.

322

ANALOG ÖLÇÜMLER İ

tüp içine konur. Ince cam çeper, bilinmeyen çözeltideki yaln ız hidrojen iyon'anlam sistem içerisinden göç etmesine izin verir. Bundan ötürü içerde ba şka iyoular da bulunsa bile elde edilen gerilim bilinmeyen çözeltideki yaln ız hidrojen iyon yo ğunluğundan ileri gelmektedir. Calomel elektrodun standard çözelti ile birle şimine ticari olarak "cam elektrod" denir. Öteki calomel elektrod ile bilinmeyen çözelti aras ındaki elektriksel ba ğlantı, Ş ek. 10-15 de belirtildiği gibi bir toplu iğ ne deli ği aracılığıyla sa ğlanı r. Bu standard sistem ile elde edilen gerilim cinsinden bilinmeyen çözeltinin pH si Denk. (1047) ve (10-18) den pH =

V -4- 0,106 0,0592

(10-19)

dir. Burada 0,106 V sabiti calomel-standard çözelti gerilim fark ı ve payda ise RT / Fy nin oda s ıcakl ığı ile hesaplanan de ğeridir. pH nin elektrodlar arasındaki gerilim fark ının. do ğrusal bir fonksiyonu ve nötür bir çözeltinin geriliminin. 7 X 0,592 — 0,106 = 0,3 V oldu ğuna dikkat ediniz. Bu gerilim fark ı, lıücreyi yüklemesini ve dolayısı ile uç gerilimini azaltmas ını önlemek amacıyla son derece büyük bir giri ş impedans ı olan bir ölçü ayg ıtı ile ölçülmelidir. Küçük hidrojen iyonlar ı bile cam çeperden baz ı zorluklarla geçer ve bu oldukça büyük bir iç direnç olu şturur. Elektrometre diye adland ırılan uygun büyüklükte giri ş impedans ı olan voltmetreler sonraki bir kesimde inceleneCektir. Fotoseller K ırmı zı ötesinden mor ötesine kadar dalgaboylar ındaki ışık enerjisi çe şitli biçimlerdeki fotosellerle detekte edilir ve ölçülür. Oldukça çok kullan ılır olmasına rağmen basit bir fotosel, küçük bir yar ı -iletkaa parças ı üzerinde iki elektriksel de ğme noktas ı oluş turularak elde edilir. Dc ğ me noktaları aras ındaki yarı-iletkeninin direnci yüzey üzerine çarpan ışık enerjisinin ş iddetine ba ğlı dır. So ğurulan ışık fotonları , yar ı -iletken içerisinde ak ını taşıyı c ıları olarak davranan elektronlar ı ve elektron bo şlukları oluştururlar. Yar ı -iletken bir fotoselin tepkisi, yasak enerji aral ığının genişliğinden daha az olan foton enerjileri için s ıfırdır, çünkü bu fotonlarm, yasak enerji aral ığı kanalıyla bağlanma ş eridinden iletkenlik ş eridine elektronlar ı uzakla ş tırabilecek kadar yeterli enerjileri yoktur. Fototepki ay-n zamanda k ısa dalgaboylarında da (yüksek foton enerjileri) küçüktiir, çünkü yüksek enerjisi fotonlar yüzey tabakalar ında oldukça fazla soğurulurlar ve yar ı -iletkenin ço ğ u etken de ğildir. Bundan ötürü, yasak enerji aral ığını n geni ş li ğine karşılık gelen foton enerjilerinde tepki, Ş ek. 10-16 da bilinen foto-iletken maddeler CdS, CdSe ve CdTe için gösterildi ği gibi, bir maksimumdur. CdS fotoselleri spektrumun görünür bölgesinde kullan ışhdır, CdSe k ırm ı zı ışığa en duyarl ı olanıdır ve CdTe k ırmı zı ötesine yakın IŞImınlara tepki gösterir. K ırmı zı ötesi detektörleri olarak yayg ın biçimde kul-

TEMEL ELEKTRON İK

323

lanılan öteki yara-iletkenler PbS ve PbSe dir. Bunlar 0,37 ve 0,27 eV luk yasak enerji aral ığına karşılık gelmek üzere s ırasıyla 3,0 ve 4,5 mikronda işe yararlar. Ayrıca InSb, 0,18 eV gibi küçük bir yasak enerji aral ığı olduğu için 7 mikrona kadar uzun dalga boylarmdaki ışmımlara tepki gösterebilir. Mavi Ye şil 1 Sarı 'Kırmızı 10 CdS 8 --

14 4 2

0 4,000

5,000

6.000

7.000 Dalga boyu, A

Şekil 10-16. CdS, CdSe ve CdTe fotosellerinin dalgaboyu tepkileri. Maksimum tepki yasak enerji aralıgının genişliğine eşit foton enerjilerinde elde edilir.

Dalgaboyu tepki e ğrisinin tepe değerinde bir fotoselin duyarl ığının yararlı bir ölçüsü G kazanczdu. Kazanç, ışuılandırarak saniyede üretilen ak ım taşıyıellarmın sayısının saniyede so ğurulan fotonların sayısına oran ıdır. Demek oluyor ki fotonla üretilen bir elektronun ba ğlanma ş eridindeki bir elektron boşluğu ile birleş meden önce iletkenlik şeridinde geçirdi ği ortalama zaman nun elektrodlar aras ından akım taşıyıellarm geçiş zamanı T ye oranı kazançtır ve G = T

(10-20)

yazılabilir. Denklem (10-20) ye göre, yüksek duyarl ı yavaş bir tepki durumunu anlatır. Başka bir deyimle, zaman sabiti T yu art ırarak büyük bir kazanç de ğeri elde edilir. -r, ayn ı zamanda ışık şiddetindeki ani de ğişimlere karşı foto-iletkenin tepki hızını belirler. Hızın ikinci derecede önemli oldu ğu. durumlarda oldukça duyarlı olduklarından basit foto-iletkenler kullan ılır. Ço ğu kez, ışınlandırma olayının etkisi ile fotoseldeki direnç de ğişimi, fotoseli bir d.a. gerilim kaynağı ve bir yükle seri ba ğlayarak ölçülür. Yük direncinin• uçlar ı ara-

324

ANALOG OLÇÜMLER İ

smdaki gerilim düş mesi, foton soğurulmasmın sonucu yarı-iletkeudeki direnç değişimlerine karşılık gelir. Ani tepki zamanı ile birlikte yüksek duyarl ık, foto-çogalt ıct ya da FÇ tüp denen bir vakum-tüp fotoselde elde edilebilir. Bu tüp, ışığa karşı duyar bir katot ve Şek. 10-17 de gösterildi ği gibi "dynod" denen birçok ek elektrottan oluşur. Dynodlar gittikçe artan gerilimlerde tutulur, öyleki foto-katottan ya da önceki bir dynoddan yaymlanan elektronlar yüzeyden elektronlar ı sökebileAN ALOG ME

Dynodlar

Işık

Anot bık•cl uy atl ı katot

R R

R

R

R

rjWV\- TAW----"/VV‘

— 1000V

0,5M

R

R

R

T

Ano

S-03,uF 50 k 2 00V

Şekil 10-17. Fotoço ğaluel tüpün iç yapısı ve tipik devresi.

Ç ıkış

TEMEL ELEKTRONIK

325

cek kadar yeterli enerji kazanacak biçimde sonraki dynoda do ğru hızlandırılırlar. Dynodların yüzeyi özel olarak yap ılır, böylece yüzeye çarpan her elektroron için birden fazla elektron yay ınlanır ve bunlar dynoddan dynoda ilerlerken elektronlarm sayısı uygun biçimde artar. Elektronlar sonunda ç ıkış akımı olarak anotta toplan ır. FÇ tüplerinde 10 6 mertebesinde kazançlar elde edilebilmektedir, bundan ötürü, fotokatottan yay ınlanan yalnız bir tek elektonun bile detekte edilme imkan ı vardır. Ayrıca, tepki zamanı, elektronlarm do ğrudan geçiş zamanma ba ğlıdır ve yukarıdaki olgulara göre çabuktur. Bir FÇ fotoseli kullanarak yüzlerce megahertzlik frekanslarda yararl ı tepki elde etme imkanı vardır. Hem foto-iletkenler ve hem de FÇ tiipleri, düzgün olmayan dalgaboyu tepkisinin yararsı zlıklarmdan 'zarar görürürler, çünkü foton enerjileri, birinci durumda elektron-elektronbo şluğu çiftlerinin yarat ılmasına ve öteki durumda ise foto-elektrik yay ınlanmas ına neden olacak kadar yeterli olmal ıdır. Bu demektir ki, foton enerjilerinin oldukça küçük oldu ğu uzak-kırmızı ötesi ışınmmlara kar şı tepki önemsizdir. Dü ş en ış numların oluşturdu ğu s ıcakhk değişimlerini ölçen termistör balometre detektörleri, bütün dalgaboylarmda, küçük olmasına ra ğmen düzgün bir tepkiye sahiptir. Bilinen termistörler (bu isim, "sıcaklığa duyarlı dirençler" sözcüklerinin lusalt ılmasnıdan gelmektedir) oksitli bir yarı -iletken maddeden oluşurlar ve dirençleri s ıcakl ıkla üstel olarak, hızlı değişim gösterirler. Bu durum yar ı -iletkenlere hast ır. Detektör, kendisine etki eden ışınımın yalnız duyar elemanm s ıcaklığını artıracak biçimde çevresinden ısısal olarak yalıtılmış küçük bir termistörden olu şur. Sıcaklık artışı , yalnız so ğurulan enerji miktarma ba ğlı olduğundan (bireysel foton enerjilerinde ıı bağımsız), tepki bütün dagaboylarmda elde edilir. Gerçekten, termistör bolometreleri, mikrodalga, frekanslar ında bile kullanılmaktadır. Termistör bolometrenin direncindeki de ğişim, çoğu kez, Şek. 10-13 de zorlanma ölçleri için gösterilene benzer bir d.a. köprüsü ile ölçülür. Yine zorlama durumunda oldu ğu gibi, oda sıcaklığındaki de ğişimleri dengelemek için ikinci bir termistörün dev ı eye yerle ştirilmesi çok kullanılan bir yöntemdir. Genellikle bu ikinci termistör de, detektör eleman] ile ayn ı yere yerle ştirilir fakat dü ş en ışımmlardan. korunur. Daha önce tart ışılan öteki fotoseller kadar duyar olmamakla birlikte, termistör bolometre, cismin s ıcaklığındaki bir derece santigrad kadar küçük bir de ğişime kar şılık gelen kırmızı ötesi ışımmlardaki bir değişimi algılayabilmektedir. Ayrıca, termistörler, ço ğu kez, elektrik termometrelerıi olarak kullanılı r ve 10 -6 °C kadar küçük sıcaklık farklarım ölçebilme yetene ğindedirler. Ani tepkisi ve iyi duyarl ığı olan pek çok yarı -iletken fotosel, ters öngerilimlenmiş bir pn eklemine dayanmaktad ır Eklem bölgesinde so ğurulan fotonlar, elektron ve elektron bo şlukları yaratırlar ve bunlar Şok. 10-18 de olduğu gibi eklemin z ıt taraflarma do ğru sürüklenirler. Toplanan ta şıyıcılar,

326

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Işık enerjisi

Şekil 10-18. pn-eklemli fotoselin enerji- ş eridi modeli.

ters akımda bir art ış biçiminde gözlenir. Bir pn ekleminin geni şliği oldukça küçük olduğundan, Denk. (10-20) deki direk geçi ş zamanı T de küçüktür ve hızlı tepki zamanlar ı için bile G için uygun bir de ğer elde edilebilir. pn-eklem yapısının ba şka bir üstünlü ğ ü de karanl ıkta eklemdeki ters ak ımın, aynı uygulama geriliminde basit bir yar ı-iletken parçasnıdaki akım ile karşılaş tırıldığında, oldukça küçük olmas ıdır. Bu demektir ki, foton so ğurulması ile oluş turulan ek ta şıyıcılar daha büyük duyarl ıkla algılanabilir. Bu sebebten ötürü; InSb kırmızı ötesi detektörler her yerde pn—eklemi biçiminde yap ılmaktadır. Ayrıca, karanlıkta ters ak ı mı azaltmak ve mümkün olan en iyi d ııyarlığı elde etmek amac ıyla bu detektörleri so ğutmak gerekmektedir. Eklem bölgesinde yarat ılan elektron ve elekton bo ş luklarmın, uygulanan herhangi bir gerilim olmasa bile bir pn-eklemindeki iç gerilim yükselmesi nedeniyle eklcm yakınında topland ıklarına dikkat ediniz. Şek. 10-18. Bu demektir ki ışınlandırılan bir pn-eklemi bir üreteç gibi davran ır. n-tipi ve p-tipi bölgelere ba ğlanan uçlar aras ında, iç gerilim basama ğına eşit bir açık-devre gerilimi vardır. Vretecin k ısa-devre akımı eklemdeki ışınlanma şiddetine ba ğlıdır. Uzay peyklerinde bir enerji kayna ğı olarak kullanılan güneş üreteçlerinin çalış ma ilkesi buna dayanmaktad ır. Ço ğu kez, silisyum güneş üreteçleri kullanılmaktad ır, çünkü silisyumdaki yasak enerji aral ığının genişliği güneşten gelen ışık enerjisinin dalgaboyu da ğılımı ile yeterince uyu ş maktadır. Benzer fotoseller, ayn ı zamanda, otomatik-iris foto ğraf mainelerinde ve ışığa açık tutma zaman ını ölçen cihazlarda da kullan ılır. fi ışınları ve a ışınları gibi bir hayli iyonla ştırnıa yetene ği olan ışınlar bir pn-eklemi ile alg ılanabilir. E ğer bir o: parçac ığı Meme çarparsa, enerjisi elektron. ve elektron bo şlukları= yarat ılmas ına harcan ır ve bunlar sonunda eklemdeki alanın etkisiyle toplan ır. Bu olaya kar şılık gelen çıkış akım pulsu, çarpar parçac ığın enerjisinin bir ölçüsüdür. Bundan ötürü, bir pn-eklemli

TEMEL ELEKTRONIK

327

ış tntm detektörü, yaln ız nükleer radyasyonun varl ığını işaret etmekle kalmaz

aynı.zamanda bireysel parçac ıklarmm enerjilerini de ölçer. Ço ğu kez, parçac ığın tamamiyle eklem bölgesine so ğurulmasmdan emin olmak için geni ş bir pneklemi olan detektörlerin kullan ılması istenebilir. Ayrıca, eklem yarı-iletkenin yüzeyine çok yakın olmalıdır. Bu sağlanırsa, ta şıyıcıların toplanmasının güç olduğu eklemden uzak kesimlerde ta şıyıcılar' yaratmada oldukça az enerji kaydedilir Bu ihtiyaçlar normal olarak transistör üretiminde kullan ılanlardan farklı olarak, pn eklemli ışnum algılaymıları için özel yapım yöntemlerine götürmü ştür.

ANALOG CİHAZLAR Osiloskoplar Katod-ışuu osiloskobu diye bilinen oldukça yetenekli cihaz ın devrelerine ve uygulamalarına daha önce bir kaç kez de ğindik. Tipik bir cihazın Ş ek. 10-19 daki eksiksiz blok gösterimi, katod ışını tüpünün dikey ve yatay sapt ırma levhalarma çiftlenmi ş dikey ve yatay yükselteçleri, do ğrusal bir yatay tarama sağlayan tetikli testere-di şli ya da meyil üreteci ve uygun güç-kayna ğı devrelerini içermektedir. En çok kullan ılan çalışma biçiminde, incelenecek dalgabiçimi dii şey giriş uçlarına uygulanır. Düşey yükselteç, genli ği, elektron demetinin dii şey bir sapmasuu önemli ölçüde sa ğlayacak biçimde yeterince artırır. Yükseltilen iş axetin bir kesimi, tarama i şaretini giriş dalgabiçimi ile e ş zamanlı yapmak için tarama üreteeine tetikleyici bir puls sa ğlamak üzere kullanılır. Tarama iiretecinin ç ıkışı yükseltilir ve yatay sapt ırma levhalarma uygulanır. Tarama üreteci ayn ı zamanda, katod ışını tüpünün (KIT) elektron kaynağına bir puls Sağlar. Bu puls ba şlangıçta dönüş süresinde elektron ışnum ortadan kaldılar, böylece ışık bene ği önemli bir iz b ırakmaksızın başlangıç noktasına dönebilir. Bazan dü şey işaret genli ği büyümeden önce tara.mayı başlatmak gerekli olursa, tarama üretecini -d ıştan bir işaretle tetiklemek üstünlük kazand ım. Bu amaç, için üreteç giri şinin bağlanabilece ği bir dış tetikleme girişi bırakılır. Lissajous şekillerinde (Böl. 2) oldu ğu gibi, doğrusal taramaya ihtiyaç duyulmadığı zaman, yatay yükseltecin giri şi yatay giriş uçlarına bağlanır ve dış dalgabiçimleri yatay ve dü şey saptırma levhalarmın her iksine de uygulanabilir. Elektron kayna ğ-"ındaki ızgara gerilimini de ğiştirerek elektron aşanınm şiddetini değiştirme imkanı da vardır. Bu imkan yatay (x-ekseni) ve dü şey (y-ekseni) girişlerinden ayırdetmek için alışılageldiği üzere z-ekseni giri şi olarak bilinen dış bir girişle sa ğlamr. Düşey ve yatay yükselteçler, ço ğu kez, d.a. çiftlenimli fark yükselteçleridir. Ekran üzerindeki sapmalarm genli ğnıi ayarlamak için gerilim bölücü kazanç düğmeleri vardır. Genel olarak kullanılan birçok farklı tarama devreleri

328

ANALOG ÖLÇÜMLERİ Elektron kayna ğı

Z•ekseni o girişi

Sapt ırma levhalar'

KIT güç

Odaklama

kaynağı

r Düşey Düşey o giriş

Silme atım'

kazanç

Dü şey

yükselteç

o-_ Dış tetikleyiei E

Yatay Yatay 0 giriş

o

—

ynkselteç

Yatay kazanç

Şekil 10 19. Osiloskobun blok gösterimi. -

vardır; bunlardan biri önceki bölümde belirlenmi şti. Burada, en iyi dalgabiçimi gösterimi için taramay ı ayarlamak amac ıyla tarama-h ızı ve tetiklemo duyarlığı kontrolleri gereklidir. KIT için güç kayna ğı , odaklama ve iz şiddetinin en iyi değerini elde etmek üzere elektron kayna ğı elernanlarma uygulanan d.a. gerilimleri ayarlanabilecek biçimde yap ılır. Benzer biçimde, tüpün ekram üzerinde bene ğin durgun konumu, hem yatay hem de dü şey sapt ırma levhaları üzerindeki d.a. gerilimlerini de ğiş tirerek ayarlan ır. Alışılagelen bir osiloskobun oldukça yüksek frekansl ı işaretleri gösterme yetene ği, düşey yükseltecin yüksek frekanslar ı kesmesi ve yüksek benek h ızlarmda katod I şim tüpünün eki-artıran ayd ınlatıcı etkinliği ile sınırlandırıhr. KIT cihazlarının yetene ğiue bir örnek olarak, örnekleme oiloskobunu göz önüne alalım. Bu alışılagelen bir osiloskobun frekans s ınırının çok üstündeki frekanslarda pe ş pe ş e gelen dalgabiçilerini gösterebilmektedir. Giri şteki dalgabiçiminin genliği, periyodu içerisinde pe ş peş e gelen noktalarda örneklenir ve sonra KIT ekranı üzerinde dalgabiçiminin bir kopyas ı verecek biçimde yeniden birleştirilir. Giriş iş areti pe ş peş e gelmekte olduğundan, örnekleme, Şek. 10-20 de gösterildi ği gibi, her onuncu devirde bir yap ılabilir. Bu demektir ki örnekleme ve gösterme devreleri giri ş frekans ının yalnız onda birinde çal ışırlar. Bir örnekleme osiloskobunun temel devre gösterimi, Şek. 10-21 bir s ıra ardışık geçikmeli puls olu şturan bir puls üreteci ve yalnız puls süresince çalış an bir geçit devresi içermektedir. Geçit ç ıkışı, bir alçak frekans-geçiren

329

TEMEL ELEKTRONIK

Atun

o

10

'I' t 2 '1

20

30

13

Şekil 10-20. Her onuncu devirde bir birini izleyen giri ş dalga biçiminin örneğini alarak, dalgabiçiıııi, giriş frekansnun yalnız onda birine eşit bir maksimum frekans tepkisi olan devreler yeniden yap ılabilmektedir.

Giriş

Meyil üreteci Şekil 10-21. Örnekleme osiloskobunun blok gösterimi.

süzgeçten geçirilir ve KIT e uygulanır. Devrenin ço ğunun işaret frekans ını kullanabilme yetene ğinde olmasına ihtiyaç duyulmasa bile, puls üreteci oldukça keskin pulslar üretmelidir. Bu görevi yapabilecek pek çok farkl ı devreler vardır. Son derece dar pulslarm üretilmesini!' bunlara kar şılık gelen frekanslarda kazancı yeterince yüksek olan bir yükseltecin yap ımından daha kolay olduğu bir gerçektir.

Dalgabiçimi Çözünaleyicikri Bölüm 2 de tartışılan Fourier çözümleme yöntemine göre, kar ışık dalgabiçimleri harmonik olarak ba ğımlı sinüs dalgalarmm bile şimleri biçiminde düşünülebilir. Bir dalgabiçimindeki frekans birle şenlerinin genliklerini bulma yeteneğinde olan ve dalgabiçimi çözümleyicileri olarak bilinen cihazlar asl ında deneysel olarak Fourier çözümlenmesi yaparlar. Ba şka bir deyimle bunlar frekans, ölçüm cihazlar ıdır.

330

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Bir dalgabiçimi çözümleyicisi asl ında keskin bir biçimde akord edilmi ş bir a.a. yükselteç-voltmetresi olup yaln ız bir frekansta önemli bir tepki gösterir. Yükseltecin tepki frekansmda bir i şaret olu şturmak için, giriş işareti de ğişken frekanslı bir sinüsel osilatörün ç ıkışı ile birleştirilir, Şek. 10-22. Yani Denk. 4-17 ye göre, uygun biçimde kar ıştırdan iki sinüs dalgas ı, toplam (ve fark) frekansa eşit bir frekansda bir sinüs dalgas ı oluştururlar. E ğer giriş dalgabiçimi fi gibi bir frekans bile ş enine sahipken osilatör frekans ı fo ise ve +fo Frekans Giri ş

karış tıncı

Akordlu yükselteç

fQ

1"‹, De ğ i şken frekansl ı titre şken

Şekil 10-22. Karışık dalgabiçimindeki frekans bile şenlerini bulmaya yarayan dalga biçimi çözümleyicinin blok gösterimi.

(10-21) frekans şartı sağlan ırsa, birle şim bir çıkış işareti verecektir, burada fc, akordla yükseltecin merkez frekans ıdır. Böylece, verilen bir arahkta osilatör frekansmı giriş dalgabiçiminin her bir frekans bile şeni Denk. (10— 21) i sağladığı zaman çıkıştaki ölçü cihaz ı sapma gösterir. Olçüm cihaz ı= sapmasmın büyüklüğü, her giriş iş areti bile ş eninin gerdiği ile orantılıdır. Bu yolla giriş dalgabiçiminin tüm frekans bile şenleri bulunur. Farklı frekanslarda iki dalgamn üst üste binmesiyle do ğan girişim tekniği, mümkün olan en büyük frekans bölgesini elde etmek için yaln ız yükseltecin kendisini akord etmeye ye ğ tutulur. Geniş bir şerit bölgesinde çıkış frekansları verebilen bir osilatör devresi, ayn ı frekans aral ığını tarayabilen akordlanabilir bir yükselteçten daha basittir. Ayr ıca sabit-akordlu bir yükseltecin sabit bir tepe tepkisi ve yükseltilen frekans- şeridi belirtgeni vard ır ve ikisini de akordlanabilir bir sistemde ba şarmak güçtür. Dalgabiçimi çözümleyicinin frekans göstergesi fa—fi cinsinden ayarlanır böylece bilinmeyen frekans do ğrudan doğruya okunur. Magnetik Kaydedici En kullanışlı işaret kaydetme düzeneklerinde ıa biri magnetik -kaydedici ilkesine dayanır Bu kaydedicide, herhangi bir elektrik dalgabiçimin ferromagnetik bir karta ya da ş eride mıknatıslanma biçiminde kaydedilir. Kaydettikten sonra şerit cihazdan yeniden geçirilir ve ba şlangıçtaki giriş iş aretine kar şılık

TEMEL ELEKTRONIK

331

gelen bir gerilim işareti elde edilir. E ğer gerekirse, bu yöntem i ş aretin yinelenecek gözlenmesini ve istenildi ği kadar farklı tekniklerle dalgabiçiminin incelenmesini mümkün kılar. Magnetik şerit, ço ğu kez, plastik bir şerit üzerine ferromagnetik bir oksit tozunu!' kaplanmas ı ile oluşturulur ve kaydedici kafan ın mağnetik alanı ile giriş işaretine uygun olarak m ıknatıslamr, Şek. 10-23 a. İş aret akımı , kaydedici kafanın çekirde ğinde iyi bir biçimde belirlenen aralıkta bir magnetik alan oluşturur ve bu alan, ş erit arahktan geçerken onu devaml ı biçimde mıknatıslar. Aynı zamanda, kaydetme sürecinin do ğrusallığım geliştirmek amacıyla kaydedici kafaya yüksek frekansh bir a.a. önbesleme i şareti de uygulanır. Kaydedilen iş aret yeniden ortaya ç ıkarılmak istenildi ği zaman, Şek. 10-23b de gösterildiği gibi, şerit yine kafanın önünden geçirilir ve ş eridin magnetik alan ı kafadaki kangalda bir gerilim olu şturur. Şeridin mıknatıslanması ilk iş aretteki değişimlere karşılık geldiğinden, kafada olu ştururulan gerilimler giriş dalgabiçiminin bir kopyası olur. Yineleyerek oynatma (çalma) şeridini mıknatı slanmasun de ğiştirmez, bundan ötürü i ş aret istenildiği kadar yeniden üretilebilir. Çıkış

Kaydedici mağnetik kafa Magnetik şerit ( b)

(a)

Şekil

10-23. Magnetik kaydetme tekniklerini kullanarak elektrikeel i ş aretlerin (a) kaydedilmesi (b) yeniden elde edilmesi.

A.a. önbesleme frekans= etkisi, Şek. 10-24 deki histeresis ilmekle gösterildiği gibi magnetik şeridin do ğrusal olmayan tipik özelliklerini düşünerek unlaşı labilir. A.a. önbesleme yoksa kaydedilen m ıkuatı slanma işaret alanının doğrusal bir fonksiyonu olmaz ve yeniden çal ındığından elde edilen i ş aret oldukça bozuk olur. A.a. önbesleme, Şek. 10-24 de gösterildi ği gibi, şeridin mıknatıslanmasmın küçük histeresis ilmekler çizmesine neden olur. Şeridin herhangi bir kesimi kaydetme aral ığından uzaklaştığı zaman ilmeklerin büyüklüğü sıfıra iner. Bundan ötürü, i ş aret olmadığı durumlarda do ğan ıınknatıslanma sıfıra eşittir. İşaret alana, kal ıcı mıkuatıslanma sonlu bir de ğer alacak biçimde küçük ilme ği hareket ettirir. Büyük histeresis ilme ğinin kenarlarını!' doğrusal olmasından ötürü kal ıcı mıknatıslanma ve işaret alanı arasındaki bağmtı doğrusaldı r. A.a. önbesleme işareti maksimum işaret frekans ıııın beş katı mertebesindedir ve tepe genli ği yaklaşık olarak şeridin "geriçağırıcı"

AN AI,OG ÖLÇÜMLERI

kuvvetine ( ş eritteki kalıcı miknat ıslanmayı ortadan kald ırmak için gerekli magnetik alan) e şittir.

onbesleme-i i şaret

Kal ı cı V al ın z önbesleme

mı knatislan ına

H i ş aret alanı

Tepe önbesleme alanı

Şekil 10-24. A.a. önbeslemesinin etkisi, şerit kaydedici kafanın altından geçerken magnetik ş erit maddesinin küçük histeresis ilmekler olu şturmas ına neden olmaktır. Bu durumda, kal ıcı nuknatıslanma işaret magnetik alan ının do ğrusal bir fonksiyonudur.

Kaydedilebilen en yüksek frekans, şerit hızına ve kaydedici-yeniden çahc ı kafadaki aralığın genişliğine bağlıdır. Frekans ı tv olan sinüsel bir kaydetmeden do ğan etkin (kok) yeniden çalma gerilimi V,

V = 111No>

sin (col /2v) o.ı/ /2v

(10-22)

dir, burada M ş eritteki etkin magnetik i şaret alç ısı , N yeniden çalıcı kafanın kangalındaki sarım sayısı , / kafadaki arahk ve v şerit buldu-. Denklem (10-22) ye göre, yeniden çalma gerilimi dü şük frekanslarda küçük olup sonra bir maksimuma yükselir ve COml

2v

-- :7r ya da fm =

/

(10-23)

olduğu zaman keskin bir biçimde s ıfıra düşer. ,f = v /X oldu ğundan, Denk. (1023) aynı zamanda (10-24) biçiminde de yaz ılabilir. Denklem (10-24) ün anlam ı, yeniden çalınabilecek minimum dalgaboyu kafadaki aral ığın genişliğine eşittir. Yani, Denk. (10-23) gere ğince maksimum frekans ş erit hızına ba ğlıdır. Şekil 10-25 de verilen deneysel sonuçlar Denk. (10-22) ile genellikle uyu şmaktadır.

333

TEMEL ELEKTRONIK

Frekans, Hz ır

o

100

1000

10,000

Bağt1 tep ke dB

-- 10 - 20 - 30 -

- 40

38 em Js

- 50

Şekil 10-25. Magnetik kaydedic ınin, i şaretin yeniden elde edilmesini sa ğlayan kafas ının deneysel frekans-tepki belirtgeni. Yüksek frekanslardaki dü şüş kafadaki aral ığın büyüklüğü ile belirlenir.

Düş ük frekanslarda yeniden çalma i şaretindeki dü.şii ş , uzun dalga boylarmda ak ın ın değişim hızını n küçük oluşunun bir sonucudur. Düzgün frekans tepkisi, yüksek frekanslarda azalan kazanca ve dü ş ük frekanslarda büyük kazanca sahip olan dengeli bir yeniden çalma yükseltecinin kullan ılması ile elde edilir. Yüksek frekans tepkisi, kaydedici kafadaki aral ığın açıklı ğına ve ş erit hı zma ba ğlıdır. Böylece de ğişkenlerin uygun bir biçimde seçilmesi ile, 10 MHz e kadar yüksek frekanslarda çal ış ma imkânı do ğ ar. Magnetik kayciedicilerin e-s. çok kullan ımı , tamı tamına giriş i şaretinin genlik ve frekans belirtgenlerini yine üretmek ise de, ba şka pek çok ihtimaller de getirir. örne ğin, Denk. (10-23) gere ğince yeniden çalma frekans ı şerit hızina ba ğlıdır. Bundan ötürü, oldukça uzun süreli, dü şük frekansl ı bir kayıd, yüksek ş erit hı zında yeniden çahnabilir. Elde edilen yüksek frekansl ı iş aret, kaydetme için gerekli zamandan daha k ı sa bir zamanda çözümlenebilir. Tersine, yüksek frekansl ı bir kayıt, yava ş bir ş erit h ızında yeniden çalınabilir. Bu durum iş aretteki frekans bile ş enlerinde bir azal ış a neden olur. Bu yolla, iş aret, yalnız düşük frekans yetene ği olan cihazlarla bile çözümlenebilir. 1000 den büyük sıkışma ya da geni şleme oranlar ı mümkündür.

Elektrometre Titreşen-levhalt elektrontetre, çok zayıf elektrik ak ımların' ölçmek için elektromagnetik olarak sürülen titre şen bir kondansatör kullan ır. Titreşen kondansatör bir a.a. i şareti oluşturur, bu i ş aret yükseltilir, do ğrultulur ve giriş devresine geri verilir. Bu sistem, tamam ıyla Böl. 7 de tart ışılan içkenetli yükseltece benzer ve bu devrenin kararl ılık ve duyarlık üstünlüklerine sahiptir. Ço ğu kez, titreşen kondansatör, C e , Ş ek. 10-26, bir osilatörden ç ıkan sinüsel bir gerilimle elektromagnetik olarak titre ştirilen küçük bir metal levhad ı r. Osilatör ç ı kışından, aynı zamanda, giri ş iş aretine göre bir d.a. ç ıkış gerilimi oluş turmak için eş zamanli detektöre de bir i şaret verilir. Levhan ın mekanik titre şimi, karşısında bulunan sabit bir elektrotla birlikte levhan ı n sığasında sinüsel bir değişim oluşturur. Kondansatör üzerine depolanan Q, yükü,

331

ANALOG ÖLÇÜMLERI

K> K>

R,

1(

l I

Yükselteç

Eş zamanl ı alg ılay ı cı

ı

Giriş 1

Titre ş en

It /

levhal ı sığaç

_J

oKoruyucu Şekil 10-26. Titre ş en-levliall elektrometrenin blok çizimi.

. (10-25)

v e dCe Ri

dt

değerinde bir a.a. gerilimi üretir ve bu gerilim yükselteç giri şine uygulanır. Titre şeıı-levhah elektrometrenin çal ışması, Şok. 10-26 ya ba ş vurarak aşağıdaki biçimde incelenir. Giriş uçlarına uygulanan bir Q yükü levha s ığası ve çiftlenim s ığası C, arasında bölüşülür, öyleyse C, üzerindeki yük.

Q C,

(10-26)

Qi — +C Ce e

dir. Titreş en kondansatörden gelen a.a. i ş areti yükseltilir, do ğrultulur ve geri besleme direnci Rf nin uçları arasında bir v a çıkış gerilimi olarak belirir. Aynı zamanda, bu gerilim de C, üzerinde bir yük olu şturur ve bu yük, Q2 — 1

v oCeCc

ı /c,

je,c

c, + C,

(10-2'7)

ile verilir. Bundan ötürü, C, üzerindeki toplam yük Denk. (10-26) ve (10-27) nin toplamıdır,

Q, ----Q1+

Q2

=

ce C, + C,

(Q + voC e )

(10-28)

Sistemin tüm kazancı A, çıkış geriliminin titre ş en sığacın uçları aras ındaki d.a. gerilimine oramdır, öyleyse

, Qe C

(10-29)

dir. Kazanç, titre ş en levhanın sığasında Denk. (10-25) ile belirlenen etkin değişim ile birlikte yükselteç kazanc ım ve do ğrultucumm verimin içerir. Denklem (10-29) dan Q e değeri çekilip Denk. (10-28) de kullanılı r ve elde edilen bağıntıdan çıkış gerilim bulunursa,

TEMEL ELEKTRONIK

v°

Q c, + (Ce

Q C,)/A =

C,

335

(10-30)

sonucu elde edilir; tüm geribeslemeli yükselteçlerde oldu ğu gibi A büyükse bu yaklaşım doğrudur. Denklem (10-30) a göre, ç ıkış gerilimi giriş yükünün do ğrudan do ğruya bir ölçüsüdür Çıkış gerilimi, bilinen bir d'Arsonval ölçü cihaz ı ile ölçülür. Özenle yapılan titre ş en levhah elektrometreler bir kaç yüz elektrona e ş değer olan 10-1 6 coulomb kadar küçük yiikleri ölçebilme yetene ğindedirler. C, nin yüklenme hızını zamanlayarak ya da bilinen büyük bir dirençle giri ş uçlarını ş öntleyerek oldukça küçük ak ımlar ölçülebilmektedir. Saniyede bir kaç yüz elektrona karşılık gelen 10-17 A mertebesindeki akımlar detekte edilebilir. Giriş direnci Ri kaynağm sığasından cihaz ı yalıtmak amacıyla kullanılır Bu yalıtım gereklidir, çünkü C e ile paralel konumdaki herhangi bir sabit s ığa titre ş en sığadaki net de ğişimi azalttığuıdan etki bakımından titre ş en levhanın oluşturduğu a.a. işaretini azalt ır. Bu yalıtımı elde etmek için, RiC e zaman sabiti levhamn titre şim periyodundan daha büyük yap ılır. Aynı zamanda, geribesleme geriliminin asl ında giriş gerilimine eşit olduğuna dikkat ediniz. Bundan ötürü, Şek. 10-26 da gösterilen koruyucu uç, üst giriş ucu ve devredeki öteki noktalar aras ında istenmeyen kaçak ak ımlarınr azaltmak amacıyla kullanılabilir. Bu noktalar koruyucu uca ba ğlandıklan zaman, gerilim fark ı ihmal edilebilir ve geçici kaçak ak ımlar yok edilir ,

GÜRÜLTÜ İŞARETLERİ Incelen.mek istenilen i şaretle ilgisi olmayan ak ımlara ya da gerilimlere gürültü denir. Çünkü bunlar gerçek i şaretle istenilmeyen girişimlerde bulunurlar. Gürültü gerilimleri ya elektronik cihazlarm temel çal ışma düzeninden ileri gelir ya da uygun olmayan devre çizimi ve kullan ımının bir sonucudur. I şaretleri mümkün olan en büyük do ğrulukla belirtmek ve en zayıf işaretlerin yükseltilmesine izin vermek için gürültü etkilerinin minimuma indirilmesi önem taşımaktadır. Herhangi bir i şaret üzerinde gürültiinün etkisinin kolay bir ölçüsü işaretin gürültüye oramdır. Bu, bir devrenin herhangi bir noktas ındaki işaret gücünün gürültü gücüne oran ı demektir. Isısal Gürültü Birçok yükselteç kat ı peş peş e eklendiği zaman, bir giriş işareti olmadığı zaman bile, çıkış uçlarında rastgele bir gürültü gerilimi gözükür. Bu ç ıkış gerilimi, giriş direncinde üretilen bir gürültü geriliminden ileri gelir. Herhangi bir direncin uçları arasmda ortaya ç ıkan gürültü gerilimleri, direnç maddesindeki serbest elektronlann rastgele hareketlerinden do ğar. Bir iletkendeki elektronlar, ısısal enerjileri nedeni ile amaçs ız olarak serbestçe dola şırlar ve verilen

336

ANALOG ÖLÇÜMLERI

herhangi bir anda direncin bir ucuna do ğru yönelen elektronlar öteki ucuna doğru yönelenlerden çok olabilir. Bu durum, direncin uçlar ı arasında küçük bir ani gerilim fark ı oluş masına neden olur. Verilen bir yönde hareket eden elektronlarm say ısı zamana göre de ğiştiği için gerilimin büyüklü ğü de dalgalan ır. Bir direncin uçlar ı arasındaki gürültü gerilimi geli şigüzel dalgalanma gösterdiğinden çe şitlifrekanslar ı içeren Fourier bile şenleri var demektir. Bundan ötürü, gürültü gerilimini şerit geni şliğinin birim devir say ısı başına gürültü geriliminin karesinin ortalamas ı cinsinden belirtmek daha kolayd ır. Bir R direnci için bu nicelik, (10-31)

• = 4kRT

dir, buradaki k Boltzınamn sabiti ve T mutlak sıcaklıktır Denklem (10-31) ile verilen gürültü gerilimine, bu denklemi elde eden fizikçinin ad ını anmak için Nyquist gürültüsü, veya serbest elektronlarm ısısal uyarılmasını bir sonucu olması nedeniyle ısısal gürültü ya da onu ilk ölçen mühendisin ad ın ı anmak için Johnson gürültüsü denir. Denklem (10=31)- in anlam ı aşağıdaki biçimde açıkla= Herhangi bir direncin uçları arasında bir gürültü gerilimi gözükür. Herhangi bir cihazla ölçüleri gürültü geriliminin büyüklü ğü cihazın frekans tepkisine ba ğhdır. Örneğin, 10000 Hz lik bir ş erit genişliği olan bir voltmetre ile ölçüm yap ıldığında oda sıcaklığında 100042 luk bir direncin etkin gürültü gerilimi, Denk. (1031) i kullanarak, v --=--- (1,65 x 10-20 x 10 3 x 10 4) 1 /2 = 4,1

10-7 . 0,41. gV

elde edilir. Oldukça küçük olan bu gerilim önemsiz de ğildir. E ğer giriş direnci 1000 S2 ise, kazanc ı 106 ve yükseltme şeridi 10-kHz olan bir yükseltecin ç ıkış gerilimi hemen hemen V olacak demektir. Hiçbir giri ş işareti uygulanmasa bile bu çıkış gerilimi gözlenecektir. Dirençlerin gürültü gerilimi frekanstan ba ğımsızdır. Bundan ötürü, -beyaz ışık enerjisinin düzgün spektral da ğılımma benzetilerek ısısal gürültüye "beyaz" gürültü denir. Herhangi bir devrede ısısal gürültünün varl ığı, gürültüsüz bir dirençle seri ba ğlı olan ve Denk. (10-31) ile verilen bir gürültü üretecinin konulması ile açıklanir. Uygulamada genellikle bir yükseltecin yaln ız giriş devresindeki dirençlerin ısısal gürültülerinin dü ş ünülmesi gerekir. İlk katın kazancı, giriş direncinin yükseltilmi ş gürültüsünü daha sonra gelen katlardaki dirençlerin gürültüsünden daha büyük yapar. Isısal gürültü, her direncin temel ve önüne geçilmez bir özelli ğidir. Her zaman var olan ısısal gürültü gerilimlerini minimuma indirgemek için, bir yükseltecin tüm i şaret bileşenlerini yeterince yükseltebilmesi .amac ıyla yalnız gerekli olan büyüklüktek bir şerit genişliği olmalıdır. Örne ğin, eğer bir tek.

337

TEMEL ELEKTRON K

frekanstaki i şaietin yükseltilmesi istenirse, yükseltecin frekans tepkisi o frekansta keskin bir biçimde maksimum k ılınmalıdır. Böylece, ç ıkıştaki toplam gürültü azalt ıhr, çünkü yükselteci ıı yalnız yükseltme ş eridindeki frekanslara karşılık gelen gürültü bile ş enleri yükseltilir. Böylece i ş aretin gürültüye oranı artırdır ve zayıf işaretler i ş e yararlı bir biçimde yükseltilebilir. Akını Gürültüsü Baz ı dirençlerde doğru akım olduğu zaman, deneysel olarak ı sısal gürültüden daha fazla gürültü gerilimleri gözlenir. Bu ek gürültünün fiziksel kaynaklar ı pek aç ık olmamakla birlikte, birçok deneyler gürültünün dü şük frekanslarda en fazla ve ak ımın karesi ile artt ığını göstermektedir. Bu etki için deneye dayanan bir bağıntı , /2

(10-32) <6v2> = K — f biçiminde verilebilir, burada K direncin geometrisini, direnç maddesinin türünü ve öteki etkenleri içeren ve deneye dayanan bir sabit, / d.a. al ım ve f frekanstır. Denklem (10-32) ye göre, birim şerit-geni şliği başma gürültü gerilimiııirı ortalamas ı, frekans ın tersi ile orant ılıdır. Bundan ötürü olaya 1 /f gürültüsü denir. Bu gürültü aynı zamanda / ya ba ğli olduğundan, akı m gürültüsü olarak da bilinmektedir. 1 /f gürültüsünün büyüklü ğü, iletken maddesi ve onun fiziksel biçimi ile oldukça de ğişir. Bu gürültü, saf metallerde söz konusi ı de ğildir ve bundan ötürü tel-sar ımh dirençlerde yaln ız ısı sal gürültü gözlenir. Öte yandan, birden fazla maddeden olu şan dirençler büyük bir 1 if gürültü düzeyi oluştururlar, şek. 10-27. Bu gürültü, bu çe şit dirençlerde tanecikler aras ındaki dokunmalarla ilgilidir. Böyle dokunmalarm önemli oldu ğu bilinmekle birlikte, do-19

10

10

1-

Isı sal gürültü 101- düzeyi

10

10

100

1000

10.000

Frekans, Hz Şekil 10-27. Kar ışımdan oluşan 2,2 M L) luk bir direnin deneysel gürültü gerilimi. Spektrumun, d.a. sılumı olduğu zaman 1 f ve olmadığı zaman beyaz Nyguist gürültüsü oldu ğuna dikkat ediniz.

338

ANALOG ÖLÇCNILER İ

kunma etkilerinin iinemsenıemeyecek kadar az oldu ğu tek-kristal yar ı -iletkenlerde de 1 if gürültüsü gözlenir. Alçak-frekansl ı gürültü düzeyini minimuma indirmek için, telli dirençler gibi lif gürültüsünün küçük oldu ğu direnç çe şitleri seçilir. İndüktansları nedeniyle tel-sar ımlı dirençlerin uygun olmad ığı yüksek frekanslarda kullan ılan karışık maddelerden olu şan dirençlerin 1 lf gürültüsü, ısısal gürültüye göre genellikle önemsenmeyebilir. Ba şka durumlarda, üretilen ak ım gürültüsünü azaltmak için gürültü yaratabilecek bile şenlerdeki doğru ak ım minimuma indirgenmeye çal ışılır. Verilen herhangi bir devredeki toplam alum gürültüsü gerilimi, yükseltecin frekans tepkisi belirtgeni üzerinden Denk. (10-32) nin integralini alarak bulunur. Düşük frekanslarda etkin olan 1 jf gürültüsü, ayn ı zamanda vakum tüplerde ve transistörlerde de vard ır. Bu gürültü vakum tüplerde ço ğu kez, pır pır gürültü diye bilinir ve özellikle, yayıcı yüzeyi ba şta olmak üzere yarı iletken katot maddesinden do ğar. Transistörlerdeki gürültü yüzey durumlar ı ba şta olmak üzere yar ı -iletken özelliklerinden ileri gelir.

Transistörlerdeki Gürültü Transistörlerde ayni zamanda ba şka gürültü etkileri de vard ır. At ış gürültüsü, bir pn ekleıninin bir tarafından ötekine rastgele elektron yay ınlanmasının bir sonucudur. Her elektron, ak ınıda bir artışa kar şılık geldiğinden toplayıcı akımı d.a. de ğeri etrafında hafifçe dalgalamr. Bu etki, teneke bir çat ı üzerine düşen ya ğmur dandalarm ın 'gürültiisüne benzer. Yani, at ış gürültüsünün temel nedeni, elektronun, elektriksel yükünün kesildi bir birim olu şudur. Atış gürültüsünden ileri gelen ak ı nı dalgalanmaları, (10-33) <.6i2 > = 2ed dir. Gürültünün burada alum dalgalanmalar ı cinsinden ifade edilmesi bir yana, niceliği Denk. (10-31) de verilen ısısal gürültü ba ğıntısındaki ye benzemektedir. Denklem (10-33) ün sa ğ tarafı frekanstan ba ğımsız olduğundan atış giirültiisünün bir beyaz gürültü oldu ğuna dikkat edin. Gürültü gerilimleri,e ş değer devrelerde gürültü gerilimi üreteçleri konularak incelenir. Yükseltecin yükseltilen frekans şeridinin etkisi, sapt ırıcı ş önt sığası ile ya da akordlu devrelerle bulunabilir ve gürültü gerilimlerinin büyükliiklerini belirlemede göz önüne al ınır. Her iireteçten do ğan gürültü ayrı ayrı incelenebilir çünkü rastgele-gürültü gerilimleri birbirinden ba ğımsızdır. Bundan ötürü, toplam ç ıkış gürültü gerilimi tüm gürültü etkilerinin toplamıdır. . Her devreye verilen giri ş işareti, kendisine has bir i ş aret-gürültü oran ına sahiptir, çünkü en az ından kaynak direncine kar şılık gelen ısısal gürültü vardır. ideal bir yüksolteç, gelen i şareti ve gelen gürültüyü e şit oranda yükseltir ve hiç bir ek gürültü katkısmda bulunmaz. Bu nedenle, ba ştaki iş aretin. gü-

TEMEL ELEKTRON İK

339

rültüye oranı çıkışta korunur. Birinci kattaki ak ım gürültüsü ve giriş devresinin ısısal gürültüsü nedeniyle kullanılan yükselteçler ideal de ğildir. Herhangi bir devre için kullanışlı bir sayı, gürültü çarpantd ır (G-Ç). Bu çarpan girişteki işaret-gürültü oran ının çıkıştaki işaret-gürültü oran ına bölümü olarak tan ımlaınr. Ideal bir yükseltecin gürültü çarpan ı birdir ve uygulamada kullanılan pek çok devre bu de ğere oldukça yaklaşır. Transistörlerdeki gürültü, yan-iletkenin direncinin ısısal gürültüsünün, yan-iletken kristaldeki ak ımın neden olduğu 1 /f gürültüsünün ve eklemleri geçen ta şıyıcılann atış gürültüsünün bir sonucudur. Ayrıca, yan-iletkenlerde başka bir gürültü olay ı da gözlenmiştir. Her şeritteki ta şıyıcıların uygun ortalama sayısı değişmemek ş artı ile elektronlar ba ğlanma şeridinden iletkenlik ş eridine rastgele çıkarlar ve aynı zamanda bağlanma şeridine rastgele dön.erler. Taşıyıcıların rastgele üretilmesine ve yeniden birle ştirilmesine ısısal enerjiler neden olur ve bu olgu yan iletkende bir iletkenlik dalgalanmas ı oluşturur. Bu durum bir doğru akım geçtiği zaman bir gürültü gerilimi üretir. Yar ı iletkenlerdeki bu ikinci tür akım gürültüsüne üreme yeniden birle şme gürültüsü denir. Transistörlerdeki gürültü olay ının incelenmesi, yukarıda belirlenen çeşitli etkenler ve do ğal giriş -çıkış çiftlenimi nedeniyle oldukça kar ışıktır. Sonuç olarak bir transistörün orta frekanslardaki gürültü çarpan ı, Gürültü çarpanı 1 +

re 2R s

rb Rs

(R s +r t-Fr e) 2 2hferj<,

(10-34)

biçiminde yazılabilir. Burada R s kaynak dirençi ve öteki gösterimler ise her zamanki anlamlarmı taşımaktadırlar. Denklem (10-34) e göre, e ğer yayıcı ve taban dirençleri kaynak direncine göre küçük ve do ğru yönde akım kazancı hfe büyükse, gürültü çarpan ı bire yakla şır. Bir transistörün iç gürültüsünün çalışma noktasına bağlı olduğuna dikkat ediniz. Denldem (10-34) de 1 If gürültüsü ihmal edilmi ştir. Bu gürültü, dü şük frekanslarda gürültü düzeyini art ım, Sek. 10-28. Ayr ıca, oc — kesilim frekans ı mertebesindeki frekanslarda, gürültüde bir art ış gözlenir. Ş ekil 10-28 de de apaçık görülen bu son etki, üreme-yeniden birle şme gürültüsü üzerinde akım kazanenam ve oc—kesilim frekansuun etkisine dayanılarak yeterince aç ıklanabilir. N i ---, C‘,....,

10

Z A. ...ı

5'

İ

lo-16 r '

no

2N929 R,

:

la .,,, 10- I

ıbfl d ,-r.

l

100 Hz

10 k2 •

1000 Hz

10 kHz

100 xHz

1 MHz

10 MHz

I

100 MHz

4., Frekans A Şekil 10-28. Kaynak direnci 10 000 S2 olan bir 2N929 transistörünün deneysel iç sürüldü düzeyi.

340

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Alan-etkili transistörlerin iç gürültüsü, kanaldaki ısısal gürültünün bir sonucudur. Bu nedenle, orta frekanslarda ak ıncı gürültüsü, <8id2 > = 4k Tgm

(10-35)

bağmtısı ile iyi bir biçimde temsil edilir, burada gm alan-etkili transistörün (AET) aktanm-iletkenli ğidir. Denklem (10-35) ve (10-31) aras ındaki benzerlik açıktır. Akıncı devredeki eş değer gürültü direnci 1 Dg m dir ve bundan ötürü, çalış ma noktasına bağlıdır. Gürültü, 1 If gürültüsü nedeniyle dü şük frekanslarda ve kanal gürültüsü ile geçit elektrodu aras ındaki sığasal çiftlenimden ötürü ise yüksek frekanslarda artar. Özenle çizimi ve yap ımı sürdürülürse AET, özellikle yüksek impedans düzeylerinde tüm etken cihazlar ın en dü şük gürültü çarpamna sahip olan ıdır.

Perdeleme ve Topraklama Gürültü, kullanılan devrelerde, ço ğu kez, dış arıdan gelen i ş aretlerin devre ile etkileşimde bulunmaları sonucu ortaya ç ıkar. Bu gürültünün en önemli kaynağı, güç şebekelerinin olu şturdu ğu 60—Hz lik elektrik ve magnetik alanlardan gelmektedir. Bu alanların oluşturdu ğu 60-Hz lik iş arete, bir yükseltece ba ğlanan hoparlörde dü şük frekans tonunda i şitilebildiğinden v ızıltı denir. Öteki saptırıcı algılamalar yakındaki elektrik cihazlarının, elektrik motorlar ının, şimşek çakmalann ın v.b. ürettiği elektrik alanlarından ileri gelebilir. Bir devrenin, iş aret düzeyi küçük ve dolayısıyla gürültü gerilimlerinin en rahats ız edici oldu ğu kesimlerinin perdelenmesi oldukça işe yarar. Elektrik alanları gürültü gerilimlerini s ığasal yoldan oluştururlar. Bu nedenle, sapt ırıcı algılamaları azaltmak için devreyi yaln ız topraklı bir iletken perde ile çevrelemek yeterlidir. Bu olgu, Şek. 10-29'da ş ematik olarak gösterilmektedir. Şekil 10-29a daki dış kaynaklarla s ığasal etkile şim, Şek. 10-29b de toprakl ı bir

Saptıncılar

(nN

Şekil 10-29. (a) Saptırıcı sığasal çiftlenim, duyarl ı devrelere algılanan gürültü i şaretleri verir. (b) Topraklı iletken devreyi çevresinden perdeler.

TEMEL ELEKTRONİK

341

iletken kullanılması ile önlenmiştir. Bu tür perdeleme, ayn ı devrenin. farklı katları arasındaki (örneğin, bir yükseltecin giri ş ve çıkış katı arasındaki) karşılıkl ı etkile şiıni azaltmada da etkindir. Ayrıca, sapt ırıcı magnetik alanlardan ileri gelen indükleme ak ımların minimuma indirmek için de bir devreyi perdelemek yararhd ır. Bu, yüksek geçirgenlikli ferromagnetik z ırhlarla başarılabilmektedir. Bu z ırhlar, içlerine aldıkları bölgedeki magnetik alan şiddetini azaltı rlar. Ancak, ferromagnetik maddelerin özellikleri nedeniyle bu tür perdeleme hiçbir zaman tam olamaz. Mümkün olan en k ısa iş aret ba ğlant ıları kullanarak devrenin yüzeyini minimuma indirmak her zaman yararl ıdır, çünkü, e ğer devrenin içine ald ığı yüzey azaltılırsa, de ğiş en magnetik alandan ötürü devrede olu ş an indükleme gerilimberi azalır. Çok sayıda tel sarımları nedeniyle transformatörler, özellikle indükleme alg ılanialarından ötürü sorun ç ıkarı rlar. Bu nedenle bu transformatörler güç transformatörlerinin üretti ğ i kuvvetli magnetik alanlar nedeniyle onlardan oldukça uzakta tutulmal ıdırlar. Genel olarak, sapt ırıcı algılamaları , karşılıklı etkileşimleri ve sapt ırıcı sığaları minimuma indirmek için bütün devreleri fiziksel olarak küçük tutmak iyi bir uygulamadır. Tüm topraklı bileş enlcr, örneğin, verilen bir kattaki yan geçiş kondansatörleri tek bir noktaya ba ğlanır. Bu işlem, toprak ilmeklerini azaltır, bu ilmekler elektronik devrelerin yerle ştirildiği metal zırhlar üzerinden geçen ak ını yollarıdır. E ğer bir kat ın tüm bileşenleri aynı noktada topraklanmazsa, ak ımlar, katlar aras ında istenmeyen işaret çiftlenimlerine neden olabilirler. Birçok ayrı elektronik birimler birbirleri ile birle ştirilmek istenildi ği zaman, birimler aras ındaki tüm i şaret ba ğlantıları için perdeli kaplolar kullan ılır. Ş ekil 10-30 da gösterildi ği gibi perde, toprak ba ğlant ı teli olarak kullanıhr. Cihazın tamamının yalnız bir noktada, genellikle giriş ucunda topraklanmas ı önemlidir. E ğer her birim ayr ı ayrı topraklanırsa, Şek 10-30 da kesildi çizgilerle gösterildi ği gibi, çevrildi büyük yüzey nedeniyle devrede büyük 60-11zlik akımlar oluşturulabilir. 60-Hz lik sapt ırıcı magnetik alanların A ilmeğiıı.de oluşturdu ğu akım, yükseltece büyük bir sapt ırıcı algılama gürültüsü verir.

Şekil 10-30. Çeşitli elektronik eihaziar birle ştirildiği zaman, eihazIar toplulu ğu tek bir noktada topraklanmalıdır ve bu noktanın girişte olması başka seçeneklere üstün tutulur. Çok topraklama noktas ı kullanılması büyük toprak-ilme ği akmaları doğurabilir.

342

ANALOG ÖLÇÜMLERI'

Merkezdeki tel ve onun perdesi aras ındaki sığanm, yüksek frekanslarda işareti şöntleme eğilimi gösterdiğine dikkat ediniz. Bu nedenlerden ötürü, öyle kablolar mümkün oldu ğu ölçüde k ısa yapılmalıdır. Aynı zamanda, devrenin çıkış impedansı da küçük yap ılmalıdır, çünkü bu küçük impedans şönt etkisini azaltır. Bu nedenle, pek çok elektronik devrelerin kondansatörünün çıkış katları bir kaynak ya da yayıcı izleyicisidir.

ILETİM HATLARI Genellikle bir ölçüm sisteminin bile şenleri birbirilerinden fiziksel olarak ayrıdır. Örneğin, farklı özelliklerde birçok elektronik cihaz bir ölçü yapmak üzere peş peşe bağlanabilir. O zaman işaret, bir birimin ç ıluşından ötekinin girişine iletilmelidir. Bu, çe şitli devreleri iletim hatları ile bağlayarak yap ılır. Önceki bölüm erde kapalı bir biçimde varsayıldığı üzere, en basit bir iletim hattı yalnız iki telden olu şur. Bununla birlikte, bir iletim hatt ı işareti minimum dalgabiçimi ya da geldik bozulmas ı ile cihazlar arasında düzgün bir biçimde iletmelidir. E ğer böyle olmazsa sistemin son ç ıkışı hatal ı olabilir. ,

Düşük frekans ve d.a. sistemlerinde, iletim hatt ındaki iletkenlerin yaln ız özdirencini ve belki iletkenler aras ındaki ş önt direncini de dü şünmek yeterlidir. Bu etkiler, Böl. 1 de yap ıldığı gibi uygun devre çözümlemeleri ile incelenir. Doğru bir tel parças ının bile kendisine has küçük bir indüktans ı ve öte yandan iki iletken arasında küçük bir sığa vardır. Yüksek frekanslarda bu önüne geçilmez indüktanslann ve s ığalanm reaktansları önem kazan ır ve iletim hattı boyunca i şaret iletimini etkilerler. Bu, puls dalgabiçimleri ile ilgili yüksek frekanslar nedeniyle özellikle puls devrelerinde önemlidir. Kullan ışlı pek çok yüksek frekans devrelerinde, e ğer iletim hatları uygun bir biçimde kullanılmazsa yalnız bir kaç santimetre uzunluktaki hatlar bile kabul edilemeyecek dalgabiçimi bozulmalar ına neden blabilirler.

Belirtgin İmpendans İletim hattının küçük bir kesiminin impedans art ışını Şek. 10-31 deki gibi, birim uzunluk ba şına seri bir direnç r i ve indüktans / ile birlikte yine birim uzunluk başına bir ş önt direnci r2 ve c sığası ile göstermek yararl ıdır. Böylece, hattın küçük bir Px kesiminin seri ve ş önt kompleks impedanslar ı, juıl) Z`_,x

z ı 6.x =

Z2

(— toc i

AX

(10-36)

r2

olur. Bir giriş iş aretine tepki olarak, iletim hatt ı boyunca gerilim ve akim oluşturulur. Giriş geriliminin v ve çıkış geriliminin bir art ışla farklı olduğu, (v Pv), hattın bir Q x kesimini göz önüne alal ım. Benzer biçi-

343

TEMEL ELEKTRONIK

21 Qx

2 Qx

--

--NAAr-~7~-NIV\r-o

Giriş

Çıkış

-;LH O

O Şekil 10 - 31. İletim hattının artış uzunluğu başına seri ve şönt impedanslar cinsinden gösterimi.

minde, hat parças ının giriş ve çıkış akımları sırayla i ve i man, bu devrenin dış ilmek çevresindeki gerilim denklemi, • v—i zl

Qx—V,

2

-1-

z1

Qi)

Qx

2

= v H- Av

Ati olur. O za-

(10-37)

dir. Her iki tarafı Qx ile bölerek, Av = - z ii. Az

zı 2

(10-38)

Ai

elde edilir Az -4- 0 olurken limit durumunda, Pv / Qx niceliği, dv / dx türev durumunu alır ve Denk. (10-38) in sa ğ yanında bulunan ikinci terim s ıfır olur, dv

dx

=

-

(1 0- 39)

z ıi

Benzer biçimde, ş önt yolunu içeren gerilim denklemi, v—i

V=

z 1 Qx 2

• zı

L

H- .6,i)

A

Az

2

z2 Qx

=O

(10-40)

(10-41)

z2

dir Limit durumunda, Az 0, Denk. (10-41)

1 z2 v

di dx

(10-42)

ye indirgenir. Denklem (10-39) un x e göre türevini alıp Denk. (10-42) yi kullanarak,

dev dt2 = de v dt2

di zi dx z1 z2

V

(1 0- 4 3)

344

ANALOG ÖLÇÜMLER İ

sonucu elde edilir Benzer biçimde, Denk. (10-42) nin x e göre türevini al ıp Denk. (10-39) u kullanarak yaln ız i cinsinden

d2i

zi

dt2

Z7

(10-44)

denklemi bulunur. Denklem (10-43) ve (10-44) e iletim-hatt ı denklemleri denir. Bu denklemlerin çözümleri hat üzerindeki herhangi bir noktadaki akl ın ve gerilimi verir. Denklem (10-43) ün genel çözümü, (10-45) v = Ae - yz Be'Y dir. Burada A ve B iletim hattının giri ş ve çıkış şartlarına bağlı sabitlerdir ve y ya iletim sabiti denir. İletim sabiti, z

= a + ifi =

(10-46)

z2

bağmtısı ile verilen ve gerçek k ısmı a ve sanal kısmı fi olan, kompleks bir sayıdır. Bu bağıntınm doğruluğu, Denk. (10-45) ve (10-46) n ın iletim hattı denklemi Denk. 10-43 de yerlerine konularak gösterilebilir. Denklem (10-44) de i için verilen diferensiyel denklem, Denk. (10-43) de gerilim için verilen denklemle biçim bak ımından özdeş olduğundan, çözümü de aynı biçimde verilir. Denklem (10-42) yi kullanarak keyfi sabitlerin de ğerlerini A ve B cinsinden bulma imkânı vardır. Sonuç,

A

B

Z,

Z,

(10-47)

evz

dir, burada, Z, =

(10-48)

z iz2

ye hattın belirtgin impedans ı denir. Denklem (10-45) ve (10-47) gerilimin ve akımın hat boyunca uzakl ıkla de ğişimini verirler. Bu denklemlerin öneminin incelenmesi biraz sonraya b ırakarak belirtgin impedans ın anlamı üzerinde duraca ğız. Şekil 10-32 de oldu ğu gibi d metre uzunlu ğundaki bir iletim hattının belirtgin impedansın.a eşit bir impedansla son buldu ğunu varsayalım. Denklem (10-45) ve (10-47) yi kullanarak, ç ıkış gerilimi v o, v o = io Z,

t d Şekil 10-32. Belirtgin impedansma e şit bir impedansla uçlar ı bağlanmış bir iletim hata.

.

345

TEMEL ELEKTRONIK

Ae- Yd

BeYd = Z,

evet

74- B ZA eZ,

(10-49)

)

biçiminde yaz ılabilir. Bu son e şitlikten açıkça görüldüğü üzere B = - B = 0 dır. Giriş ucunda x = 0, öyleyse v,1 = A dır. Bundan ötürü, gerilim ve ak ım denklemleri v = vie-vx ve a =

vi Z,

(10-50)

e-vx

olur. Özellikle, hattın giriş impedans ı, zi

vi

vi

ze

(10-51)

vi / Zc

dir. Bu demektir ki belirtgin impedans ına eş it bir impedansla son bulan bir iletim hattının giriş impedansı, belirtgin impedansma e şittir ve hattın uzunluğundan bağımsızdır. Bu ve biraz sonra görülecek olan ayn ı derecede önemli bir nedenden ötürü, bir- iletim hatt ı çoğu kez kendisinin belirtgin impedansına eşit bir impedansla sona erdirilir. Uygulamalar ın ço ğunda iletim hatt ının seri ve ş önt dirençleri reaktansların yanında önemsiz al ın ır. Böylece, e ğer r gin impedans, Denk. (10-48) den Z, = Vz ı z2

1 r2

rı juıl 1 / r2 jwc

(10-52)

ye indirgenir ve bu da belirtgin impedansm saf bir direnç oldu ğunu gösteriyor. Z c nin büyüklüğü hattın geometrisine ba ğlıdır, çünkü hem / ve hem de c telin büyüklü ğü, biçimi, aralarındaki uzaklık v.b. nin fonksiyonlar ıdır. Özellikle, iki paralel telden olu şan bir iletim hattın ın belirtgin impedansı, D Z e = 276 log -ct --

(10-53)

ile verilir, burada D teller aras ındaki uzaklık ve a söz konumu iletkenlerden birinin yarı-çapıdır. Televizyon antenlerini televizyon al ıcılarına bağlamakta kullanılan en yaygın bir iletim hatt ı için Dla = 10 olup, böylece Z c = 276 dur. Gerçekten, bu tür ikiz-tel yakla şık 300 S2 luk bir belirtgin impedansa sahiptir. Fark, iki iletkeni birbirlerinden ay ıran yalitkanın dielektrik sabitinden ileri gelmektedir. Denklem (10-53) teller aras ında hava (dielektrik sabiti birdir) olması durumunda geçerlidir. Ayni eksenli iletim hatları da yaygın biçimde kullanılmaktadır. Aynı eksenli bir iletim hatuun belirtgin impedans ı,

346

ANALOG ÖLÇÜMLERi

Z, = 138 log

(10-54)

a

ile verilir, burada b dıştaki iletkenin yar ı-çapı ve a içteki telin yar ı-çapıdır. Belirtgin impedans ı 72 S2 olan aynı eksenli hatlar en çok kullan ılmasına ra ğmen başka değerli olanlar da ticari olarak bulunabilir.

Gecikme Zamanı Eğer seri ve şönt dirençler önemsiz olursa, kendisinin belirtgin impedans ına eşit bir impedansla son bulan bir iletim hatt ı boyunca gerilim, Denk, (10-50) ye göre, (10-55) v = vie -j9 2; bağmtısı ile verilir. Giriş iş aretinin sinüsel olduğunu varsayahm. O zaman, Denk. (10-55). v = Visinwt (cos (3x-jsin fix) = V 4 sin (wt-(3x)

(10-56)

biçiminde yazılabilir. Denklem (10-56), hem zamana ve hem de uzaya göre periyodik olan bir dalgayı göstermektedir.

t = 0 olduğu zaman, bir devir için Denk. (10-56)nm bir çizimi, Şek. 1033 de gösterilmektedir. Benzer biçimde, t = T 14 ve t = T 1 2 (burada T giriş iş aretinin periyodudur) oldu ğu zaman Denk. (10-56) ma çizimleri, giri ş işaretinin hattın giriş ucundan başlayarak ileri do ğru hareket etti ğini göstermektedir. Verilen herhangi bir anda i ş aretin dalga boyu A gerilimin 2 ac radyanlık tam bir devri tamamlad ığı hat boyunca olan uzunluktur. Bu nedenle, Denk. (10-56) dan, X = 2 n / 9 dır. ( Şekil (10-33)e göre, giri ş işareti T / 4 zamanı süresinde A / 4 lük bir uzakl ığa, T / 2 zamanı süresinde A / 2 lik bir uzaklığa v.b. gibi hareket eder. Bundan ötürü, hat boyunca giri ş iş aretinin ta şınma hızı, ,

v = T İ 44,"

7\ ya v da v

(10-57)

T -

dir, burada f giriş işaretinin frekans ıdır. Denklem (10-57), ilerleyen herhangi bir olayın dalga boyu, frekansa ve h ızı arasındaki temel ba ğıntıyı vermektedir. Bir giriş işaretinin iletim hatt ının giri şinden çıkış ucuna geçmesi için gerekli zaman, Denk. (10-57) yi kullanarak, tg

d

d

d

T

(10-58)

bağnıtısı ile verilir, burada d hattın uzunlu ğudur. Denklem (10-58) e göre, giriş i ş aretinin periyodu cinsinden gecikme zamanı, dalga boyu cinsinden hattın uzunluğuna ba ğhdır. Gecikme zaman ı hattın değişkenlerinin bir fonksiyonudur, çünkü X = 2 7t ip hat geometrisine ba ğlıdır.

TEMEL ELEKTRONIK

347

Şekil 10-33. İletim hatt ı _boyunca sinüsel i ş aretin ilerleyi şi.

İletim hatlarının iletim belirtgenleri, ço ğu kez, giriş ve çıkış iş aretleri arasında verilen bir zaman gecikmesi olu şturmak amacıyla kullanılır. Böyle gecikme hatları Şeki. 10-31 e göre ba ğlanan gerçek indüktansla ve kon.dansatörlerle de yap ılır. Eğer uzun gecikme zamanları istenirse bu tür ba ğlantı gereklidir, çünkü / ve c büyük oldu ğu zaman gecikme zaman ı artar. Yansımalar ve Rezonans Bir iletim hatt ının kendi belirtgin impedansma eşit bir impedansla son bulunması her zaman gerekli de ğildir. Yararlı bir örnek olarak, çıkış ucu kısa devre ve bu nedenle v, = 0 olduğu durumu düşünelim. Böylece x = d için (burada d hattın uzunluğudur), (10-59)

0 = Ae -Jfk/ -I- B ei fid Benzer biçimde, Denk. (10-47) den,

io

A. e-)ficl

Z,

B

Z,

e 1

(10-60)

"

elde edilir. Denklem (10-59) ve (10-60) dan A ve B için çözüm yapıhrsa, ,

i Z A = ° 2

i 0Z 2,

eiOd ve B

bulunur. Denklem (10-45)i kullanarak hattaki gerilim, v=

joZe

2

e10 a

i°Ze e-113 egflx

2

(10-61)

34R

ANALOG ÖLÇÜMLERI

=

i oZ c

(e—.1fl(x — d) — e13(x—d)

2

(10-62)

dir. Benzer biçimde Denk. (10-47) den ak ını ,

==.

io 2

(e—j3(x — d)

e13(x — d)

(10-63)

dir. Denklem (10-62) ve (10-63) ü Denk. (10-50) ile kar şılaştırarak (10-62) ve (10-63) deki ikinci terimi, ç ıkış ucundan giri ş ucuna doğru giden bir dalga olarak yorumlar ı z. Yani, çıkış ucundaki impedans uyumsuzlu ğu nedeni ile gelen ilk dalga iletim hatt ının çıkışuıdan geri yanstuhr. Özellikle puls uygulamalarında yansımalar önlenmelidir, çünkü hatt ın giriş ve çıkış uçları arasında ileri geri yans ıtılan atımlar gerçek giri ş iş aretini tamamen belirsiz duruma getirirler. Bir iletim hatt ının niçin genellikle kendi belirtgin impedansma eşit bir impedansla sona erdirilmesi gerekti ğinin ikinci önemli nedeni budur. Bununla birlikte, giri ş inapedan.s ın ı hesaplayarak gösterilebilece ği gibi, çıkışı kısa-devre yap ılan iletim hattın ın yararlı özellikleri de vardır. Denklem (10-62) ve (10-63)ü kullanarak kompleks giri ş impedansı, Zi =

=

vi

= Ze cos [3d

cos [3d

e ifld — . e2Pa e-5134

j sin [3d jsiu 13d—cos fid cos [3d jsin /3d jsin [3d

jZ, tan /3d -= jZ, tan 2 7r

(10-65)

dır. Denklem (10-65) e göre, hatt ın uzunlu ğu d = X / 2 ş artını sağladığı zaman çıkışı kısa-devre yap ılmış bir iletim hatt ının giriş immpedans ı sıfıra eşittir, çünkü tan c = O'd ır. d = ∎■ I 4 oldu ğu zamanki durum özel bir önem ta şır, çünkü Zi Go dur. Yani, d = A,l 4'e karşılık gelen frekansta hat, paralel bir rezonans devresi gibi davramr. Bu çe şit çeyrek dalga-boyu hatları çoğu kez çok yüksek frekanslarda rezonans devreleri olarak kullan ılır. Bu kullanım oldukça yararhd ır, çünkü yüksek frekanslarda çok küçük indüktans ve s ığa değerleri gerekli oldu ğundan tek bir indüktans ve kondansatörden olu ş an normal paralel rezonans devreleri mümkün de ğildir. Çıkış ucu açık devre durumuna getirilmi ş iletim hatları ile de benzer sonuçlara ula şılabilir. Dalga-Klavuzlar ı Çok yüksek frekanslarda i şaretlerin dalga -boyu iletkenler aras ındaki uzakhk büyüklüğünde oldu ğu zaman, paralel-tel ve ayn ı eksenli iletim hatlar ı girişten çıkış ucuna kadar i şaretleri etkin bir biçimde ta şıyamazlar. Bu tür i ş aret frekansları, dalga-kaavuzlan denen içi bo ş iletkenlerle ta şınır. Dalga kılavuzla-

349

TEMEL ELEKTRONIK

rının iletim özelliklerinin incelenmesi, iletkenin kendi içindeki ak ımlar üzerinde dikkati toplamaktan çok ,bo ş iletkenin içindeki elektrik ve magnetik alanlar ın düşürülmesi ile mümkündür. Gerçekte, i ş aret elektrik ve magnetik alan dalgalarıyla ta şınır ve boş iletkenin görevi verici uçtan al ıcı uca kadar bu dalgalara kılavuzluk etmektir. Dairesel bir dalga k ılavuzundaki elektrik - alan biçimi hakk ında bilgi, aynı eksenli bir hattaki iç iletken kiiçültüle küçültüle yok oluncaya kadarki durum düşünülerek elde edilir. Şek, 10-34. İçteki iletken büyük oldu ğu zaman, iletkenler aras ındaki bölgede bulunan elektrik alan ı , yarıçap boyuncadir, Şek. 10-34 a ve elektrik alan desenine uygun olarak her iki iletkende de ak ı m vardır. İ çteki küçük bir iletken, ayn ı iletken üzerinden do ğan ve batan bir elektrik alan deseni ortaya ç ıkarır, Şek. 10-34 b. Bu olgu, İçteki telin tamam ıyla kaldırılabileceği fikrini önerir. İçteki tel ortadan kald ırıldığı zaman oluşan elektrik alan deseni Şok. 10-34 c de gösterilmektedir. İki iletkenli hatta göre dalga kılavuzunun artan etkinli ğinin nedenlerinden biri içteki telin direncindeki ısı kayıplarınm yok edilmesidir.

(a)

(b)

X/2

Şekil 10-34. (a) ve (b) ayn ı eksenli iletim hatlarmdaki ve (c) bo ş dairesel dalga-kılavuzundaki elektrikalan biehaleri.

ANALOG ÖLÇÜMLERI

Dikdörtgen kesitli dalga k ılavuzları dairesel kesitli olanlardan daha çok kullanılmaktadı r, çünkü elektrik alan biçimleri daha az kar ışıktır. Bu demektir ki giriş ve çıkış uçlarının bağlanması daha basittir. Her iki tipte de elektrik alanının biçimi, belli bir kesdim, frekansmdan yalnız daha yüksek frekansl ı işaretlerin ta şmabilece ği biçimdedir. Ba şka bir deyimle, bir dalga k ılavuzu yüksek frekans geçiren bir süzgeç olarak davramr. Örne ğin, uzun kenarı a olan dikdörtgen biçimli bir dalga k ılavuzundan geçirilebilecek en uzun dalga boyu, 7,, = 2a ile verilir. E ğer dalga k ılavuzu boyutu, kesit bak ımından, yalnız tam ilgilenilen en küçük i ş aret frekans ını geçirebilecek ölçüde ise, minimum kayıp elde edilir. Bu nedenle, bir dalga k ılavuzunun büyüklü ğü geçirilmek istenilen i ş aret frekansm ın iyi bir olçüsüdür. Eğer bir dalga kılavuzunun ç ıkış ucu kısa devre yapılırsa, kısa-devre yapılmış bir iletim hattmdakine ilke bak ımından özde ş bir rezonans etkisi gözlenir. Ço ğu kez, dalga k ılavuzunun her iki ucu da kapat ılan Bu yapım, ınikrodalga- frekanslar ında, bir rezonans devresi olarak, yararl ı bir rezonans kom ıgn oluşturur. KAYNAKLAR C.F.G. Delaney: "Electronics for the Physicist" Penguin Books, Inc., Baltimore, 1969. A. James Diefenderfer: "Principles of electronic Instrumentation" W.B. Saunders Company, Philadelphia, 1972. Franklin Offner: "Electronics for Biologists", Mc Graww-Hill Book Company, New York, 1967. A. N, an der Ziel: "Noise" Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N.J., 1954 . ALIŞTIRMALAR 10-1. Ş ekil 10-4 deki transistör düzenleyicili güç kayna ğının düzenleme çarpanını ve iç direncini bulunuz. Metinde verilen kontrol transistöriinün özelliklerinin ve 2N2049 un h parametrelerinin Al ıştırma 6-6 da verilenlerle ayn ı oldu ğunu varsayan. Cev: 4,5 x 10 - 4 2,3 S?, ;

10-2. Ş ekil 10-3 de verilen basit ş önt düzenleyicisini inceleyerek etkin iç direncini ve düzenleme çarpannu bulun. h parametreleri, hi e = 100 O. hre = 10-4, hfe = 60, hoe = 175 X 10 -6 mho. Cev: 5,9 x 10 -2 ; 1,6 S2 10-3. Hiçbir yük akımının olmadığı durumdan 10 A lik bir tam yük ak ımına kadar Şek. 10--35 deki gerilim düzenleyicisinin giri ş gerilimindeki değişimin yüzdesini bulun. 5 A lik bir yük akımı olması durumunda giriş geriliminin 40

351

TEMEL ELEKTRONIK

dan 50 V kadar bir de ğişimi için problemi yeniden çözün . Düzeuleyicinin etkin olduğu giri ş gerilimlerinin bölgesini belirleyin. 2N1613 ün küçük-i ş aret de ğişkenlerinin Şek. 7-12 de 2N1415 için verilenlerin ayn ı olduğunu ve 2N 1479 için fi n ın değerinin 50 oldu ğunu varsayın. 2N1489 un belirtgenleri 2N 2016 ya benzemektedir., Şek. 7-13.

Cev : Yüzde 0,46, yüzde 0,35; 18 V dan 36 V'a kadar. 2N2016

2N2016

2N2016!

2N1489 0,1

0 ,1

0,1

2N1479

270

ı B

12 V

2N1613

2N1613

Çıkış

1 kS't

-4--

25 V 10 A

Giri ş • 50 V

AF 2 ki-2

570

4F

1 id2

L _o

o-Şekil 10-35. Gerilim düzenleyici devresi.

10-4. Tipik bir termistörün oda s ıcaklığında, santigrad derecesi ba şına, elirencindeki de ğişimin yüzde 6 oldu ğu verilmiş olsun. Eğer termistör direncindeki sınırlayıcı etken ısısal gürültü ise 1000- S2 luk bir termistör ile alg ılanabilen minimum sıcaklık değişimi nedir? Termistöre 10 V luk bir gerilimin uygulandığını ve şerit genişliğinin 10 Hz olduğunu varsayın.

Cev : 2,2 X 10-8 °C 10-5. 1 MHz e kadar i şaretleri kaydetmek için magnetik bir kaydedici kullan ıhrsa, gerekli nıinimum şerit hızı nedir? Kaydedici kafadaki aral ığın 1 grn olduğunu varsayın. Çev : 1

/ s.

10-6. 10 Hz den 100 k Hz e kadar bir yükseltme- şeridi ve 10 5 lik bir kazancı olan bir yükseltecin 1-MS2 luk bir bir giri ş direnci kulland ığını varsaynı . Çıkış taki gürültü geriliminin etkin de ğeri nedir? Çev : 4,1 V.

352

ANALOG ÖLÇÜMLERI

10-7. E ğer giri ş direnci Ş ek. 10-27 deki karbon direnç ve ak ını da bu Şekil

üzerindeki do ğru akını ise, Alıştırma 10-6 yı tekrar çözün. Cev : 7,3 V. 10-8. Kesici gürültüsünün önemsiz oldu ğu varsayıhrsa, Şek. 7-32 deki ke-

sici yükseltecin detekte edilebilir minimum giri ş işareti gerilimi nedir? Cev: 1,6 x 10- 7 V. 10-9. 10 m uzunlu ğunda bir iletim hatt ı boyunca iletilen 100-MHz lik bir iş aretin gecikme zaman ın ı bulun. Hattın özelliklerinin hat üzerindeki dalgaboyunu 1 nı yapacak biçimde olduğunu varsayın.

Cev 10 -7 s. 10-10. Çıkış ucu açık devre olan bir iletim hatt ının giriş impedansı nedir? Paralel rezonans ş art ın ı çıkış ucu kısa devre yap ılmış hat için verilen Denk.

10-65 ile karşılaş tırm.

Cev : -jZ, cot (2 7r d X); X I 2.

BÖLÜM ONB İR

Sayısal Elektronik

Sayılar, sıfır ve belirli değer gibi yalnız iki mümkün büyüklükte olabilen elektriksel işaretlerle gösterilebilirler. Bu durumda, yalnız bir iş aret durumunun ya da ötekinin varlığı anlamhdır ve gerçek büyüklük pek önemli de ğildir. Böylece, say ısal devreler, bir transistörün tamamen iletimde olması, ya da kesilimde olmas ı ile gösterilen yalnız iki kararlı durumu gerekli k ı lar. Böyle devrelere, işaret düzeylerinin sürekli bir yayılma bölgesini kullanmak zorunluluğu olan alışılmış analog devrelerinden daha çok güvenilir. Herhangi bir sayı sayısal bir dalgabiçimi ile gösterilebilir, böylece duyarlık devre değiş kenlerinin kararlılığı ile sıntrlanınaz. Say ısal işaretler özel mantık ifadelerine göre devrelerle iş lenir ve bilgi saklamay ı son derece esnek ve güçlü k ılarlar.

33,4

SAYISAL ELEKTRONIK

SAYISAL MANTIK İkili. Sayılar Gerilim işaretleri, elektronik devrelerle toplama ve ç ıkarma gibi matematiksel mant ık işlemlerini yapmak için sayılarm basamaklarla gösterilmesinde kullan ılır. Sayısal devrelerin kararl ılık üstünlükleri, işaretin dalgabiçimleri yalnı z iki genlikli olduğu zaman, daha iyi anla şılır. Bu iki genlik, 0 ve 1 durumu ya da kapalı ve aç ık durum olarak bilinir. Bunlar, örne ğin bir transistörün ya tamamen iletimde ya da tamamen kesilimde olmas ını gerektirir. Böylece yaln ız iki sayı elde edildiğinden on tabanı üzerine kurulan ve herkesçe bilinen ondalık sistemden daha çok ikili say ı sistemi kullanılır. Kuşkusuz kullandığı= ondalık sayılara dayanan bir sayma sisteminin elektronik devreler için daha elveri şsiz olduğu özellikle yadırganmamandır İkili sayı sistemini pek az bilmemize ra ğmen, bu iki sayı sistemi aras ında ilke olarak hiçbir fark yoktur. Örneğin, 528 ondalık sayısın ın anlamını düşünelim. Bu ondalık rakamlar dizisi, bu sayıdaki on'un artan kuvvetleri için k ısa bir gösterimdir. Böylece; (5 + 10 2) == 500

(2 --F 10 1 ) -- (8

10 0)

20 ± 8 = 528

Benzer biçimde, ikili sistemdeki iki sayı, 0 ve 1, ikili sayıyı ikinin artan kuvvetine göre ifade eder. Örne ğin, 10110 ikili sayısının anlam ı , 10110 == (1 x2 4) + (O x 2 3 ) -F (1 x2 2) -- 16 + O + 4

--L

(1><2 1 )

(

0x2°)

2 -1 O

= 22 dir. Bu, onlu 22 say ısının 10110 ikili sayısı ile de gösterilmesi demektir. Çizelge 11-1 de 0 dan 16 ya kadar olan saydarm onlu-ikili e ş değerleri verilmektedir. Matematiksel mant ığı da içine alan ikili say ılarla aritmetik i şlemler ondalık sayılardan daha çok kullan ılmaktadır. Toplama ve ç ıkarma i şlemleri, onlu sayılardaki ondalığı taşıma ve bozma benzerliğini de kapsamaktad ır. A ve B gibi iki ikili sistemdeki sayılarm toplamının kapsadığı matematiksel mantığı belirlemek yararl ıdır. Böyle iki A ve sayılarının bütün mümkün olan toplamlarını veren bir doğruluk çizelgesi, Çizelge 11-2 de gösterilmektedir. Çi zelge 11-2 de dördüncü sat ırda görüldüğü gibi, bir sayı bir sonraki yüksek konuma, yani sola kayd ırılarak ta şınır. Örneğin, 0110 ve 1010 in toplam ı aş ağıdaki biçimde yaz ıhr.

01 1 0 -F 0101 1011

6 5 11

355

TEMEL ELEKTRONIK Çizelge 11-1. İkili ve onlu sayılar Onlu sayılar

İkili Sayılar

0

0000

1

0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Çizelge 11-2. Toplama için doğruluk çizelges Taşıma 000 .,

C>,--1 0 ,-4

■

G>G> ,-ı -ı

Toplam C>I.1-4 0

B

A

1

Ikili sayılar, e şit genlikli ve düzgün arahkh pulslar biçiminde olan gerilim dalgabiçimleri ile gösterilebilir. Al ışılmış olduğu üzere, 2 nin artan kuvvetlerine karşılık gelen pulslar zamana göre, 2° ile ba şlayan sırayla oluşur. 1011 ve 0011 ikili sayılarının dalgabiçimleri bunların toplamı olan 1110 sayısı ile birlikte Sek. 11-1 de gösterilmektedir. Hem 0 ve hem de 1 say ılarının puls genişliklerinin eşit olduğuna dikkat ediniz. 0 veya 1 sayısına, ikili say ı sisteminde kısaca, atma (bit) denir. Toplam dalgabiçiminin, iki sayının dalgabiçimleri ile doğrudan ilgili olmadığına dikkat edilmelidir. Yani, toplamın dalgabiçimi, ikili sayıları teker teker gösteren dalgabiçimlerinin gerilimlerini ekleyerek basit olarak elde edilemez., Bu durum sayısal devrelerdeki dalgabiçimlerinin bir kodlu gösterim olduğunu ve gerilimlerin dalgabiçimlerinin kendi ba şlarına ardamlarmın olmadığını göstermektedir. Mantık Geçitleri Say ısal dalgabiçimleri üzerine uygulanan çe şitli işlemler, iki ya da daha çok giriş ile bir çıkışı olan ve mantık geçitleri denilen devreleri kullanarak yapılır. Bir mantık geçidinin çıkış dalgabiçimi, giriş dalgabiçimi ile devrenin matematiksel mantık terimleriyle belirlenen giri ş-çıkış belirtgeuine ba ğlıdır.

SAYISAL ELEKTRONIK

356

23 Ondalık esdegerleri = 11

1 3

0

= 14

Şekil 11 1. 1011 ve 0011 ikili sayılar ile bunların tolamı olan 1110 sayısının dalgabiçimleri. -

Örneğin, "A ve B doğru ise, T nin de do ğru olduğ unu" gösteren mant ık ifadesini düş ün.elim. Bu ifade ,gösterim olarak a ş ağıdaki biçimde,

A .B = T

(11-1)

yazılır. Buna VE (AND) kavram ı denir ve Denk. (11-1) deki gibi iki A ve B niceliği arasına nokta koyarak belirlenir. Anla ş maya göre, sayısal devrelerde doğru ş art ı 1 durumu ile bunun karşıtı olan yanlış şartı ise 0 durumu ile tanımlanır. VE i şlemi için bu biçimde bir do ğruluk çizelgesi, Çizelge 11-3, düzenlenebilir. İki giriş niteliğinden daha çok girişler için doğruluk çizelgelerinin düzenlenmesi, her giriş çiftine Çizelge 11-3 deki mant ığı birkaç kez uygulayarak kolayca bulunur. Çizelge 11-3 e göre, yaln ız A VE B do ğru olduğu zaman bir çıkış elde edilir (yani, T de do ğrudur). Çizelge 11-3. VE için do ğruluk çizelgesi A

B

T

O O■-ı

0r-t 0 1....1

OO0r-I

Çizelge 11-3 deki mantığı gerçekle ştiren basit üç-giri şli bir diyod VE geçidi Ş ek. 11-2a da görülmektedir. Diyodlar do ğru yöndeki küçük - dirençleri üzerinden öngerilimlenmi ş tir ve ç ıkış gerilimi sıfırdır. Bu, çıkışın 0 durumunda oldu ğu anlamını ta şır V e den daha büyük pozitif giri ş gerilim iş areti eş zamanlı olarak üç giri şe de uygulan ırsa, diyodlar ters yönde öngerilimlenir ve

357

TEMEL ELEKTRONIK

çıkış gerilimi V, ye ya da 1 durumuna yükselir. B ıunuıla birlikte girişlerden biri bile 0 durumunda olsa buna kar şılık gelen diyodun do ğru öngerimli olacağına ve çıkış iş .retinin 0 durumunda kalaca ğın a dikkat ediniz. Bu durum mantıksal olarak A VE B VE C giriş iş aretleri oldu ğu zaman, çıkış işaretinin elde edileceğini anlatmaktadır. .

+vc

A A•B•C

A•B•C

B C°

(b)

(a)

Şekil 11-2. (a) Diyod VE geçidi, (b) devre gösterirni.

VE geçidi nükleer ışmım ölçümlerin.de eşzamanlı devre olarak da adlandırıhr çünkü gerçekten bu devre giri şte ayni anda bulunan, pulslar ı algılar. Bir VE geçidinin çalışması matematik toplama i şlemi ile karıştırdmamalıdır. Bir VE geçidinin çıkışı, giriş işaretlerinin toplamı değildir; bu durum ilgili doğruluk çizelgeleri aras ındaki farklara dikkat edilerek aç ıkça görülebilir. VE geçitleri sayısal elektronik devrelerinde çok kullan ıblıklarından bunlar için, Şekil 11-2b deki özel gösterimi kullanmak daha uygundur. "A ya da B doğru ise, T de do ğrudur" -diye bilinen mantıksal-VEYA (OR) ifadesi ise a şağıdaki biçimde yazıhr. A + B =T

(11-2)

buradaki + işareti VEYA kavram ını göstermektedir. Buna kar şıhk gelen doğruluk çizelgesi, Çizelge 11-4, herhangi bir giri ş varsa bir çıkış elde edilece ğini göstermektedir. Çizelge 11-4. VEYA için dio ğruluk çizelgesi

T

■

oo --

B

1.4 r,

İ

••••/ C> t I

A

Diyodlu bir VEYA geçidi ve devre gösterimi, sırayla, Şek. 11-3a ve b de gösterilmektedir. Burada herhangi bir giri şte pozitif bir i şaretin buna karşılık gelen diyodu iletken yapt ığına ve çıkışta bir işaret olarak belirdi ğine dikkat ediniz. Ayn ı zamanda öteki diyodlar ters öngerilimli oldu ğundan

358

SAYISAL ELEKTRON İK

öteki giriş lere gelen geribesleme önemsiz olabilir. Gerçekten, VEYA geçidi, pek çok giriş iş aretlerini, i ş aret kaynaklar ı arasında en az bir etkile şme ile ortak bir ç ıkış olarak birle ştiren basit bir karıştırıcı devredir.

A +13 + C

A 4- B+C

la) ( b) Şekil Şekil 11-3. (a) Diyadin VEYA geçidi, ve (b) devre gösterimi.

Ikili mantıkda DE Ğİ L (NOT) işlemi giriş i şaretini Şek. 11-4 de gösterildiği gibi tersine çevirir. Bir say ısal dalgabiçimi yalnız iki durumu, 0 ve 1, içerdiği için herhangi bir anda i şaret 1 durumunda ise bu, 0 DE ĞİL durumunda olduğunu söylemekle ayn ı anlamdadır. DE ĞİL gösterimi nicelik üzerine bir çizgi konarak belirtilir,

A DE Ğİ L =

Şekil 11-4. Ikili sayı sistemindeki A ve

A

(11-3)

DE ĞİL sayılarının dalgabiçimleri.

ve doğruluk çizelgesi, Çizelge 11-5 de oldu ğu gibi oldukça basittir. Basit bir yayıcısı-topraklanmış yükselteç, girişi ile çıkışı arasmda 180° lik faz de ğişikliğinin bir sonucu olarak Çizelge 11-5 deki mant ığı oluşturur. Bununla ilgili olarak bir DE ĞİL veya ters çevirici geçit için uygun devre gösterimi daha önce bir yükselteç için kullanılan, Şek. 11-5, gösterime benzemektedir. Üçgenin tepesindeki küçük daire (bazan giri ş e de konur) özellikle ters çevirmeyi gösterir. Çizelge 11-5. DE ĞİL işlemi için doğruluk çizelgesi A

0 1

A ı 0

359

TEMEL ELEKTRONİK

Şekil 11-5 DE ĞIL işlemi için ters çevirici devre gösterimi.

DE ĞIL işleminin öteki mant ık-geçit fonksiyonlar ı ile birleştirilmesi uygulamada çok kullanılır. Bu işaretlerin mantık geçidinin kendisinde yükseltilmesine neden olur ve bunun sonucu olarak pek çok katl ı mantık-geçidinden oluşan ş ebeke boyunca işaretinn genliğini korur. Üç e şdeğer girişi olan ve her girişteki dalgabiçiminin çıkışta gözükebildi ği Şek. 11-6a daki tek transistör yükselticisini gözönüne alal ım. Bu çizelge 11-4 deki ayn ı mantıktır ve bundan ötürü bu devre bir VEYA DE ĞİL (NOT-OR veya NOR) geçididir. Devre göteriminde, ,Sek. 11-6 b, ters çevirme i şlemini göstermek için küçük bir

A+B+C C

—5 V (a)

(b)

Şekil 11-6. (a) Basit VEYAD geçidi birleştirilen VEYAD i şlemini yapar ve (b) devre gösterimini verir.

daire kullaıulmaktadır. Bunun gibi bir VE-DE ĞİL (NOT-AND veya NAND) geçidi de mümkündür ve böyle seçkin bir devre daha sonraki kesimde aç ıklanmıştır. Bir VED geçidi için devre gösterimi Şek. 11-7-de verilmektedir.VEYAD ve VED geçitleıi için doğruluk çizelgeleri, VEYA için, Çizelge 11-4 ve VE için Çizelge 11-3 te verilen do ğruluk çizelgelerinin son sütununa DE ĞİL işleminin uygulanmasiyle basit olarak elde edilirler. Çizelge 11-6. Eşzamanlı ~Avan devre için doğruluk çizelgesi

O',I

C> O ,1

0 C> /-1 1,1

A- ff Al

1-1

B 1-1

A

ı-1

360

SAYISAL ELEKTRONIK

Bir VED geçidi ile ilgili bir mant ık geçidi de bir VE geçidi ile bir VEYAD geçidinin bir birle şiminden olu ş ur, Şek 11-8. Bu devrenin i şleyişi Çizelge 11-6 daki gibi uygun bir do ğruluk çizelgesi ile en iyi bir biçimde incelenir. VEYAD geçidinin çıkışı, 13 Çizelge 11-5 in yard ımı ile ve A . B çıkışında ilgili Çizelge 11-3 deki A ve B nin sütunları kullanılarak bulunur. Do ğruluk çizelgesine göre, B i şareti varsa ç ıkış yoktur. B giri şi A çıkışını yasakladığı için pulslu uygulamalardaki bu devreye e ş zamanlı devre ile karşılaştırarak eşzamanlb olmayan devre adı verilir.

—o A.B•C Şekil 11-7. VED geçidi

Bundan başka basit mantık ifadelerinde]] biri de d ış arlayan- VEYA fonksiyonudur. Her gün kullan ılan veya işlemi biraz belirsizdir çünkü bunun anlalamı "biri veya ötekisi ya da her ikisi de" veya "biri veya ötekisi fakat her ikisi değil" ifadelerini içine alır. Daha önce tan ımlanan mant ıksal VEYA fonksiyonu Çizelge 11-4 deki do ğruluk çizelgesine göre "biri veya ötekisi ya da ikisi", durumlarını gösterir. Daha aç ık olarak bu mant ık içeren- VEYA fonksiyonu olarak da adlandırılabili•. Dışarlayan -VEYA ifadesi,

A C4-) B = A .

B.A

(11-4)

Ao

B Şekil 11-8. Bir VE geçidi ile bir VEYA geçidinin birle ştirilmesi bir eşzamanl ı olmayan devre olu şturur.

biçimindedir. Bu ifade Ş ek.11-9 daki mant ık geçitleri dizisi ile gösterilmi ştir. Yine burada da Çizelge 11-3, 11-4 ve 11-5 ile olu şturulan Çizelge 11-7 deki doğruluk çizelgesini gözden geçirmek yararl ı olur. Çizelge 11-7 deki son sütuna göre bir dışarlayan-VEYA devresinden bir ç ıkış yalnı z A ve B nin birisi varsa elde edilir her ikisi birden olsa da olmasa da bir ç ıkış elde edilmez

A*13.-+B.71

Şekil 11-9. Dışarlayan VEYA mantığı .

361

TEMEL ELEKTRONIK. Çizelge 11-7. Dışarlayan VEYA için doğruluk çizelgesi

B

A

A

A.B

T3

B. A.

ı--1

ı-I

0

0

1 ı

O1••■0 O

o o

A.T3+B. A.

0 1 1 0

Boole Cebiri Mantık devrelerin çözümlenmesi, bir İngiliz matematikçisi olan George Boole nun son yüzyıl içinde geliştirdiği mantık cebir yardımıyla yapılmaktadır. Boole cebirinin teoremleri, normal cebirsel i şlemlerin yapılmasında kullanılan matematiksel mant ık gibi, sayısal mantık devrelerinin basitle ştirilmesinde kullanılır. Kuşkusuz en önemli farklardan biri Boole ifadelerinde de ğişkenlerin iki mümkün olan de ğerlerden yaln ız birini alabileee ğinin. varsayılmasıdır. Boole cebirinde kullan ılan teoremlerin bir listesi Çizelge 11-8 de verilmiştir. 1 den 4 e kadar olan teoremler VEYA mant ığı olarak tanmabilir ve Çizelge 11-4 deki VEYA do ğruluk çizelgesi kullanılarak do ğrulanabilirler. Benzer biçimde, 5 den 8 e kadar olan teoremler, Çizelge 11-3 deki. VE kavram ına dayanmaktadır. Teorem 9 DE Ğİ L fonksiyonunun matematik ifadesidir. Yer. de ğiştirme birleştirme dağıtma ve so ğurrna teoremleri oldukça kolayd ır ve bunların do ğrulanmas ı ilgili doğruluk çizelgeleriyle Çizelge 11-8. Boole Cebirinin Teoren ıleri VEYA fonksiyonu

VE fonksiyonu

DE ĞİL Fonksiyonu Yer değiştirme Birleştirme Dağıtım Soğurma De Morgan Teoremleri

1 0+A=A 2 1+A= 1 3 A+A=A A-1-.A.= 1 4 5 0 . A=0 6 1 . A=A 7 A. A=A 8 A. A.=0 9 (Â)=A 10 A+B=B+A 11 A . B=B . A 12 A+(B+C)=(A+B)+C 13 A . (B . C)=(A . B) . C 14 A . (B+C)=A . B+A . C 15 (A+B) . (A+C)=A+B . C 16 A+A B=A 17 A . (A+B)=A 18 19

(A+B) .,---- A. . 11A.B=

18 ve 19 sıra numarası ile verilen De Morgan teoremleri, VE ve VEYA fonksiyonlarf.arasındaki kullawşh bağnıtıları gösterdiği için oldukça ilginçtirler.

362

SAYISAL ELEKTRONIK

•

Teorem 18, önce (A B) i ve daha sonra ayr ı olarak A . B yi bularak Çizelge 11-9 da gösterildi ği gibi ispatlanır. Yukarda sözü edilen iki terimin do ğruluk çizelgesi e şit olduğundan teorem ispatlanmış olur. Aynı yöntemler teorem 19 için de kullanılabilir. Boole cebirinin temel iki durumlu olması bu teoremlerle açıklanmıştır ve bunlar Çizelge 11-8 deki öteki ifade çiftleriyle de yaz ılabilirler. Örneğin iki birleştirme teoremini ve teorem l'i 6 ile kar şıla ştım:1.1z. Her durumda VEYA ve VE fonksiyonları ikili olarak birbirine bağlıdır. Çizelge 11-9. De morgan teoreminin kamtlanmain (A+B)

A

Cş

▪

A+B

O 0

B

A

s

A. 1-3-

y

Cş

0.

o o o

1.-.4r-4

,ı

Mantık devrelerini basitle ştirmek için kullanılan Boole cebirinin yararlı temel bir örne ği, Şek. 11-10 da üç VEYA geçidi bulunan devrede görülmektedir. İki giriş geçidinin çıkışları sırayla X ve fi dir, böylece toplam devrenin çıkışı yazılabilir ve De Morgan teoremi 18 den yararlan ıp basitleştirmek (.71 + T3 ) = A . B = A . B

(11-5)

Ao o A•B

Şekil 11-10.

VEYAD geçidi bir VE geçidi olu şturur.

elde edilir. Denklem (11-5) in yaz ılmasında teorem 9 da kullan ılmıştır. Bu sonuca göre üç VEYA geçidinin birle ştirilmesi basit bir VE geçidine indirilebilir. Mantık devrelerinin indirilmesi için ikinci bir örnek Şok. 11-9 da çizilen ve Şek 11-11 a da yeniden verilen d ışarlayan-VEYA mantık devresidir. Ç ıkış mantığınm A . T3 -F B . = ( A . T3 )

( B . ;4-) = ( A . ) . ( B . )

(11-6)

biçiminde yazılabileceğine dikkat ediniz. Bu ifade için teorem 9 ve 18 kullanılmıştır. Bu son mantık ifadesi, girişler (A . fi) ve (B . 71) ise çıkıştaki VEYA geçidi yerine bir VED geçidinin konulmas ı ile yapılabilir. Bu mantık fonksiyonları iki VE geçidi yerine VED geçitleri konularak kolayca yapılır. Sonuç Şek. 11—llb deki mant ık devresidir. Bu devre bir VED geçidi

363

TEMEL ELEKTRONIK

iki ters çeivirici yerine konularak Şek. 11-llc deki biçimde daha da basitle ş tirilebilir. Bu durum üst koldaki VED geçidi ç ıkışının belirlenmesi ile ispatlamr. A

0

r

190

___ A • B

A 9) R

o AEDB

Bo

-AE

(a)

(b)

-0

(e

A (£.■ B

)

Şekil 1l-11. D ışarlayan-VEYA mantigimn indirgenmesi.

A . (A . B) = A(A-1-71) = (A . = O+ (A . 73)=6 . (A+13)

= 1 . (A .73) = (A . T3)

. 73)

teorem 19 ve 14 teorem 8 ve 18 teorem 6 (11-7)

Benzer bir çözümleme alt koldaki VED geçidinin ç ıkışının (B . 2k) olduğunu gösterir. Böylece Şek. 11-11c deki devre gerçekten Ş ek. 11-11a daki dış arlayanVEYA mantığınm eş değeridir. Önceki iki paragrafm sonuçlar ı Boole mant ık devreleriniu en önemli özelliğini açıklamaktadır. Yani herhangi bir mant ık fonksiyonunun yalnı z VEYAD geçitleri ya da yalnız VED geçitleri ile ba şardabileceğini anlatmaktadır. Şek. 11-10 daki bir VE mant ığım başarmak için üç VEYAD geçidini kullanmak savurganlık gibi görünürse de ayn ı basit alt-birimden binlerce geçitlerin olu ş turduğu pek çok mant ık devrelerinin kurulabilmesinde bu durum çok önem kazan ır. Bu daha çok kurgulamay ı, üretimi ve korunmay ı son derece basitleştirilir. Bundan başka son kesimde tartışılacağı üzere, özel bir kurgu için ya VED ya da VEYAD geçidinin çal ışma özellikleri ba şka geçit tiplerine göre üstün tutulabilir. Böylece, çok yararl ı olan bir tipin kullanılması üstünlük Sağlar. Kullanılacak tipin seçimi, tamamen o tipin uygun olmas ına ba ğhdır, ve mantık ifadeleri Çizelge 11-8 deki Boole cebiri için verilen teoremlerin kullanılması ile bir biçimden ötekine dönüştürülebilir.

364

SAYISAL ELEKTRONIK

MANTIK DEVRELERI Mantık i şaretleri Önceki -tart ış malarda 0 durumu toprak gerilimi ile gösterilirken, 1 durumuna karşılık gelen iş aret dalga biçimlerinin de küçük bir art ı gerilimde oldu ğu varsayılmış t ır. Bugünkü uygulamalarda, 1 durumunu belirleyen atma (bit) gerilimi yakla şık 1- 5 V ve 0 durumu belirleyen gerilim ise yakla şık olarak 0 V alınnıa.ktadır. Bu seçim, ku şkusuz. tamamen rastgeledir. çünkü Boole cebiri kullanılan iş aretlerin özel seçimine ba ğlı olmayıp, yalnı z iki farkl ı durumun varlığına ba ğlıd ır. Gerçek geçit devreleri için mant ık düzeylerinin kendi aralar ında de ğiş mesinin etkisi oldukça ilginçtir. Örne ğin 1 durumunun 0 V ve 0 durumunun da 5 V ile gösterildi ğini varsayalım. Buna negatif mant ık adı verilir, çünkü 1 durumu, 0 durumundan daha negatiftir. Ş ekil 11-2 a da bir VE geçidi olan diyoclun negatif mant ığa kar şı davranışını düş ününüz. Diyodlar do ğru yönde öngerilimlenmi şledir. Böylece giri şlerden herhangi biri toprak geriliminde ya da 1 durumunda oldu ğu zaman ç ıkış 1 durumunda olur. Yalnız bütün girişler pozitif ya da 0 durumunda oldu ğ u zaman ç ıkış pozitif durumda olur. Bu mantığın yalnız iki giriş durumu için do ğruluk çizelgesi, Çizelge 11-10 da verilmiş tir. Çizelge 11-10 VEYA fonksiyonu için verilen Çizelge 11-4 e özdeştir. Bu çözümlemeye göre pozitif mant ıktaki bir VE geçidi, negatif bir mantıktadaki bir VEYA geçidi olur. Bu ayn ı zamanda pozitif mant ıklı bir VEYA geçidinin negatif mant ıkl ı bir VE geçidine özde ş olması demektir. Çizelge 11-10. Negatif mant ıklı VE geçidi için do ğruluk çizelgesi A

T

B

___

H

İ C> ,-,-ı ,-4

I --

C>

0mşl

Bir ters-çevirisi geçidini bir mant ık düzey de ğiş -tokuş çusu olarak düşünmek oldukça yararlıdır. Çünkü Çizelge 11-5 de göre, 1 durumlu bir giri ş 0 durumlu bir çıkış vermektedir. Böylece mant ıksal bir VE fonksiyonu önce iş aretleri negatif mant ığa dönii ş türdiikten sonra; bir pozitif mant ıklı VEYA geçidi kullanarak elde edilebilir. Negatif mant ıklı işaretler, negatif VE maıatığını elde etmek için pozitif mant ıklı VEYA geçidi üzerine uygulan ır. Sonuç olarak iş aretler ba şka bir ters çevirici geçit kullanarak yeniden pozitif mantığa dönüştürülebilir. Bu durum a ş ağıdaki biçimde, 1. Pozitif mant ık işaretleri 2. Negatif mant ık iş aretleri

A,B

365

TEMEL ELEKTRONIK

+B

3. Pozitif 'VEYA geçidi

A.B A.B

4. Teorem 19 , 5. Pozitif mantık işareti

(11-8)

gösterilebilir. Bu ifadeler Boole cebirinin standard teoremleri kullan ılarak pozitif ve negatif mant ığm birleşimlerinin nas ıl çözümlenebild; ğini açıklamaktad ır. Tam bir ikili sayıda çe şitli sayıları gösteren i ş aretleri iletmenin temelde birbirinden farkli iki yolu vard ır. Şekil 11-1 ile ilgili olarak kar şıla şılan ilki, sayıda 2 nin artan kuvvetlerine kar şılık gelen zamana göre bir pulslar dizisi kullanılmaktadır. Buna seri gösterim denir ve Şek. 12-12a da çizimle gösterilmiştir. De ğişik yöntem olan ve Şek. 11-12b de aç ıklanan paralel gösterim de mümkündür. Paralel şekildeki iletimde, say ıda 2 nin artan kuvvetlerini temsil eden pulslar hep e şzamanlı olarak gözükürler.

0

1,

1

O

1

Kaynak I

1L

JL 2° (a) Seri

(b) Paralel

Şekil 11-12. Ikili say ıları /1 (a) seri (b) paralel gösterimi.

Saydarın hem seri hem de paralel gösterimi sonraki kesimlerde incelece ği üzere aynı sayısal devrede geniş biçimde kullanahr. Aç ık olarak seri iletimde yaln ız bir işaret yoluna gerek duyuldu ğundan bazı üstüıalükleri vard ır. Buna ra ğmen paralel iletim durumunda her puls için bir yol gereklidir. Öte yandan paralel gösterim kullan ıldığı zaman, bütün say ıların iletimi için yalnız bir puls genişliğinde bir zaman arali ğına gerek duyulur; oysa seri gösterimde ihtiyaç duyulan zaman çok uzundur ve zaman aral ığı sayıdaki rakamların sayısına da ba ğlıdır. Herhangi bir durumda seçilen yöntem hangi özelliğin daha üstün olaca ğına ba ğlıdır.

DTM ,TTM ve YÇM Mantıklan Elektronik devrelerin pek çok farkl ı kurguları mantık geçitleri olarak kullanılır. Şekil 11-2a ve 11-3a da gösterilen en basit ola ıdarnada diyodlar kulla-

366

SAYISAL ELEKTRONIK

mlı r ve bunlar diyod mant ığı ya da DM geçitleri olarak bilinirlen Bu basit devreler istenilen mant ık fonksiyonlarını açıkça ifade ederler yaln ız çok karışık mant ık fonksiyonlarını yapmak için ardarda kolayca eklenemezler. Bunun nedeni devre içinde i ş aret kayb ının kaçınılmaz oluşu ve bir geçidin ç ıkışı ile bundan sonraki ele ınamn giriş i aras ındaki impedans uyu ş mazh ğıdır. +5 V

10

-5 V Şekil 11-13. DTM VED geçidi.

Bu güçlükleri yenmek için bir VEYAD geçidi olarak Şek. 11-6a da gösterilen direnç transistör mantığı RTM kullanılır. Gerçekte bu kurgu, yaln ız bir VEYAD geçidi biçiminde kullan ı lır, daha öncede belirtildi ği üzere bu kurgu bütün mant ı k fonksiyonlarını yapmak için yeterlidir. Transistör kazanç sa ğladığından mant ık i ş aretleri geçidi geçerken küçülmezler ve transistör ayn ı zamanda yük impedans ının giriş dcvresine etkisini azalt ır. Bu etkinin yararl ı bir ölçüsü yay ılma yahut dallanma belirtgenidir. Yay ılma veya dallanma, devre çal ış masını bozmaksızın çıkış a ba ğlanabilen özde ş devrelerin sayısın ı belirtir. Aç ıkça görülece ği üzere, dallanman ın büyük olmas ı bir üstünlüktüı , çünkü o zaman kar ışık mantık devreleri kurmak mümkün olur. Yakla şık 5 dallı devre RTM geçitlerinin özelli ğidir. Daha iyi dallanma ve devrelerin h ızlı çalış ması, daha çok ikili bir sistemdeki yer de ğiştiren sığalara benzer biçimde, toplama devresindeki dirençlerin s ığalarla paralel ba ğlanması ile başardın Bu kurgu DSTM, direnç-sığa-transistör mantığı olarak bilinir. Şekil 11-13 de oldu ğu gibi diyodlu bir VE geçidi ile ters-çeviricinin birleş tirilmesi çok yararlı bir VED geçidi olu ş turur. D 1 , D2 ve D 3 diyodları mantı k fonksiyonunu yapar transistör ise i şareti ters çevirir ve yükseltir. Bu devre, RTM geçidinden daha h ızh çalışır ve ayn ı zamanda D4 bağlayıcı diyodu aracılığıyla giriş -çıkış etkik ş melerini azalt ır (bu diyod D4, devrenin çalış masında bazı kayıplar görüldü ğünde bırakılabilir). DTM geçitlerinde dallanma sayısı 10 kadar olabilir. Benzer bir VEYAD geçidi mümkün olmas ına ra ğmen DTM mantığı normal olarak yaln ı z VED geçitlerini kullan ır.

TEMEL ELEKTRONIK

367

Yukardaki mant ık geçitlerinin hepsi integre devreler olarak bulunabilirler fakat ayrı bileş enler olarak kullanılabilirler. Integre devrele ıin yapılmasının kolay olması, Şek. 11-14 deki mant ık eleman biçiminde çok-say ıda yapma olan transistör-transistör mantığına, TTM izin verir. Devrenin çal ış masına, diyodlarının anodları ortak olan bir DTM olarak bak ılabilir. Yayıcilardan herhangi biri toprak geriliminde, 0 durumunda, oldu ğu zaman toplay ıeısı da toprak gerilimde olur ve çıkış transistörü çal ış maz, çünkü yay- ıcı-taban ekleleminden akını geçmez. Çıkış transistörü çal ışmadığı zaman, çıkış 1 durumundadır. Üç yapmanın hepsi 1 durumunda ise transistörün her ikisi de çal ışır ve çıkış 0 durumuna gelir. Bu mant ık olarak, bir VED geçidine e ş değerdir. -+ 5 V

A B C

Şekil 11-14. integre devre TTM VED geçidi.

TTM mantığmda 15 kadar dallanma vard ır, sekiz veya daha fazla giri ş yayıcıları da kullanılmaktad ır. Bundan ba şka çalışma hızı ba şka geçit tiplerinden daha büyüktür ve gürültüden etkilenmez. Genel olarak mant ık hızı , geçidin iletim gecikmesi olarak tan ımlanır ve bu girişte mant ık durumunda ortaya ç ıkan bir de ğişiklikle çıkışta oluşan bir de ğişiklik arasında geçen süreye denir. İletim gecikmesi TTM geçitleri için yakla şık 10 x 10 -9 s dir (10 -9 s =1 nanosaniye veya ns). Bu süre DTM ve RTM geçitleri için 50 ns dir. Mantık geçitlerinin gürültü ba ğışıkhğı, örne ğin uygulanan gerilim v.b. değişiklikler ile şiddetli iş aretler uyguland ığında bir geçidin verilen bir mantıksal durumda nas ıl kaldığını belirten önemli bir de ğişkendir. Gürültü ba ğısıklığı , 1 durumunu belirleyen minimum etkin giri ş iş areti ile ç ı kışta 0 durumunu belirleyen maksimum ç ık ış iş areti arasnıdaki_farkt ır. Bu değerin büyük olmasa, geçidin, verilen bir mant ık durumunda daha çok kald ığım belirtir. Gürültü ba ğışıkliğı TTM geçitleri için 1 V tan fazla DTM geçitleri için yakla şık 0,75 V ve RTM teçitleri için 0,2 V kadar küçük olabilir.

Yay ıcısı-bağlı mantıkta ya da bir y-apc ı direnci ile ba ğlı bulunan ve Q ı , 42, Q3 giriş transistörlerini bulunduran Şek. 11-15 teki YÇM geçitleriyle son

368

SAYISAL ELEKTRONIK

derece küçük iletim gecikmeleri ba ş arıhr. Giriş transistörlerinin hepsi kesilimde iken (0 durumu) Q 5 in tabanı OV ta ve V ED'in ç ıkış iş areti tam yayı cı-taban gerilimi kadar veya 1 durumundad ır. Bir ya da daha fazla giri ş 1 durumuna yükselirse, buna kar şılık gelen giriş transistörü iletime geçer ve Q5 in de iletime geçmesine neden olur, böylece ç ıkışı 0 durumuna getirir.

Şekil 11 - 15. integre devre YÇM VED geçidi.

Q i üzerindeki öngerilim geçit transistörleri 1 durumunda oldu ğu zaman doyumda olmayacak biçimde ayarlamr. Bu geçit transistörlerinin yeniden çalışmaz duruma gelmesi için geçen zaman ı azaltır. 0 durumu ile 1 durumu aras ında değişen oldukça küçük gerilimle birlikte bu özellik YÇM geçitlerinin küçük iletim gecikmesine neden. olur. YÇM mant ığında 0 durumu —1,5 V iken, 1 durumunun —0,75 V ta oldu ğunu vurgulamak gerekir. Pozitif mant ık böyle olduğu zaman gerilim düzeyleri öteki geçit devrelerinin mant ık düzeyleri ile uyu ş mazlar. AET kullanılan geçit devreleri, bundan sonraki kesimlerde anla şılaca ğı üzere, integre-devre mant ık sistemleri yapmak için özellikle uygundur. Uygun büyüklükteki sistemlerde yararl ı işlemsel özellikleri elde etmek için bütün sayısal geçitler üzerine kurulan kullan ışlı sayısal devreler gerçekten integre-devre yöntemine dayanır. Bu ilgi nedeni ile çe şitli mantık geçitlerinin iletim süresi ve güç karplarma dikkat etmek gerekir, çünkü hem toplam zaman gecikmesi hem de toplam güç kayb ının pek çok mantık sistemlerinde sınırlayıcı etken oldu ğu görülür. Çizelge 11-11 e göre, küçük iletim gecikmeleri büyük güç kaybını belirtir, burada hız önemli ise YÇM geçitleri yararl ı ve güç kaybının çok küçük olması istenirse AET geçitleri oldukça uygundur.

369

TEMEL ELEKTRONIK Çizelge 11-11 Mant ık geçitleı inin belirtgenleri İletim geçikmesi ns /geçit

Geçit tipi DM A ET DTM TTM YÇM

Gük kaybı VQ mW / geçit 0 0,25 10 20, 60

500 200 50 10

ı

Toplama Geçitleri Toplama, sayısal hesaplamaya temel olan matematiksel bir i şlem olduğu için ikili sayıların toplanmasını gözden geçirmek uygun olur. Örne ğin çarpma, toplamayı tekrarlayarak yap ılabilir. Benzer biçimde bölme, toplamanna tersi olan çıkarma ile bulunabilir. Mant ık geçitleri a şağı da iki-basamakta verilen yolla, ikili toplamayı yapmak için kullanılı r. Önce her sütundaki sayılar toplan ır ve sonra ta şınan sayılar bir sonraki 2 nin daha yüksek kuvvetini gösteren sütuna eklenir. Bu, bir önceki kesimde aç ıklanan toplama i şlemine özdeş tir. Pulsların toplanmas ı için verilen do ğruluk çizelgesi, Çizelge 11-2, ta şınan C nin bir VE mant ığı Çizelge 11-3, iki pulsun toplamı S nin ise dış arlayan. VEYA mantığı , Çizelge 11-7, oldu ğunu göstermektedir. Öyleyse, A pulsunun B pulsuna eklenmesi a ş ağıda verilen maıatı kla belirlenir. (11-9)

S =- A C) B C= A.B

(11-10)

Bu mantığı yapan bir devreye yarı-toplayıcı devre denir ve bunun bir çizimi Şek. 11-16 da gösterilmi ştir. Denklem 11-10 dan hemen aç ıkca görüldü ğüne, Denk. (11-9) u veren toplama ç ıkışının ise aş ağıdaki biçimde oluştü ğuna dikkat ediniz, r

1

A o—t-

A 1

A®B --ı---0

S

—0

C

A•B

o— L

J

Şekil 11 - 16. Yan toplayıcı devre.

S = (A+ B) + (A . B) = (A + B) . (A . B) =- ( A + B) .

+ ET)

teorem 18 teorem 9 ve 19

: ıı

SAYISAL, ELEKTRON

=A.

A . Et

= A.

B. A

-

İK

B . - F B . T3

teorem 14 teorem 8

Yarı toplayıcı ilk basamakta sayılarm toplama işlemini yapar, yani pulslan toplar. Pulslarm toplamma ta şınan pulslan da eklemek için iki yan toplayıcı bir tam toplay ıcı oluşturmak üzere, Şek. 11-17, bir araya getirilir. Ta şınan pulsun toplamaya eklenmesiyle yeni bir ta şınan puls meydana getirece ğinden bir VEYA geçidine gerek duyulur.

C

A

Yarı toplayıcı

B o--

4--0

Yarı toplayıcı

.

C

o S

Şekil 11-17. Tam-toplay ıcı .

Bir tam toplayıcı ile ikili sayıları toplamak için izlenen yol, toplanacak sayılann seri veya paralel gösterimler olup olmad ığına bağlıdır. Seri gösterimde, Şek. 11-18a, iki say ının dalgabiçiminleri bir tam-toplay ıcı devresine verilir ve her pulsun toplamı ardışık olarak toplanır. Ortaya ç ıkan herhangi bir

Atma gecik ın,A

a

)

lb )

Şekil 11-18. (a) Seri ve (b) Paralel toplama.

TEMEL ELEKTRON İ K

371

ta şınacak pulS, ta şıyıcı girişine ard ışık pulslar arasındaki süreye eşit bir zaman aralığı kadar geciktirilerek geri verilirler. Bu gecikme, ta şıyıcı pulsun ikili sayıdaki pulslarm bir sonraki sütununa eklenm( sine neden olur. Uygun 1-pulslu gecikme Böl. 9 da tart ışılan iki ardışık iki durumlunun birleşimi ile elde edilebilir. Paralel gösterimde toplama benzer biçimdedir, yaln ız her sayı için bir tam toplayıcı gereklidir, Şek. 11-18b. Bu durumda en az anlaml ı puls toplamından oluş an ta şınan puls, bundan sonraki en anlamlı pulsun tam-toplayıcısma eklenerek vib. yap ılır. Şekil 11-18b deki 4-rakaml ı iki sayının toplanması için 28 mantık geçidi gerekli oldu ğundan paı alel toplama çok iyi devre yap ımın ı gerekli kılar. Ama integre devre yap ım tekni ğinin bu ihtiyacı karşılayacak yetenekte oldu ğu hatırda tutulmalıdır. Böylece bir tüm in.tegre-devreli tam toplayıcı geçit fiziksel olarak gerekli uçlar ı sa ğlamak için kullan ılan koruyucu kab ından daha büyük olmamaktad ır.

BİLGİ KAYDEDİCİLER İki durumla Devreler (flip flops) E ğer iki ters-çevirici geçit, Şek. 11-19 daki iki VED geçidi durumunda olduğu gibi çapraz-biçimde ba ğlanırsa, bu birleşim iki kararlı duruma sahip olur. Örne ğin S girişi (kurmak için) 1 durumunda ve R girişinin (yeniden kurma veya silmek için) de 1 durumunda oldu ğunu varsayalım. Eğer üst VED geçidinin öteki çapraz giri şi 1 durumunda ise ç ıkışı, Q, 0 durumunda

Q

R

Q

Şekil 11-19. Çapraz ba ğlantılı iki durıımlu VED geçidi.

olmalıdır. Önceki üst geçit giri şi için önerilen varsayıma göre, alttaki VED geçidinin 0 ve 1 durumundaki giri şleri 0 çıkışını 1 durumuna koyar. Yani Q ve Q her zaman z ıt mantık durumlarında bulunurlar. E ğer S girişi 1 durumunda ve R de 0 durumunda ise, ç ıkışta Q nun 0 durumunda ve Q nin ve l' durumunda oldu ğuna dikkat ediniz. Gerçekten bu çapraz-ba ğlantıh mantık geçidi, Böl. 9 da incelenen iki durumla devre ile e şdeğerdir. Bu e şdeğerlik Şek. 11-19 daki mant ık çizimi Şek. 11-6b deki RTM durumunda olan Şek. 9-23 deki iki durumla devre ile karşıla ştırılarak do ğ rulanabilir. Bir VED iki durumla devre için do ğruluk çizelgesi Çizelge 11-12 de verilmektedir. S sıfır durumunda olduğu zaman iki durumla kurulmu ştur denir çünkü Q = 1 dir. Benzer biçimde, R ye verilen 0 durumla bir giri ş Q yü

372

SAYISAL ELEKTRONIK Çizelge 11-12. İki durunilu VED devresi için do ğruluk çizelgesi R

S

Q

1 I C, .-1 0.

OC>~

belirsiz 0

1 Q

sıfır durumuna getirerek iki durumluy ıı siler. Bir iki durumlunun bir hafı za devresi oldu ğuna dikkat ediniz, çünkü iki durumlu en son hangi giri şin 0 durumunda olduğ unu göstermektedir. Aynı zamanda hem R ve hemde S girişi 1 durumunda olursa bu, devreyi ilk duruma getirir, 0 durumlu iki giri ş ise belirsiz bir sonuç verir, çünkü devrenin mant ığı sa ğlanmamakta ve bu giri ş i ş aretlerinden sonra son durum tamamen şansa bağlı kalmaktadır. İki durumluya benzer bir devre çapraz ba ğlı VEYAD gcçitlerinden olu şur ve buna karşılık gelen do ğruluk çizelgesi Çizelge 11-12 ye benzer fakat onunla özde ş değildir. E ğer giri ş geçitleri, Ş ek. 11-20 deki VED iki durumlu devresine eklenirse, yalnız T veya saat giri ş i 1 durumunda oldu ğu zaman, devre mant ık i ş aretlerine cevap verir. Bunun nedeni, T saat giriş i 0 durumunda oldu ğu zaman giri ş geçitleriniu her ikisinin de 1 durumunda olmas ıdır (R ve S deki iş a-

Şekil 11-20. Geçitli VED iki durumlu devresi.

retlerden ba ğı msız). Çizelge 11-12 ye göre iki durumlu devre bu ş art alt ında ilk durumunda kalır. T girişi 1 durumunda oldu ğu zaman R ve S deki mantık i ş aretleri, Çizelge 11-13 ile aç ıklandıd ığı üzere, devrede geçi ş e neden olabilir. Giriş geçitlerin.deki ters-çevirme nedeniyle bu mant ık basit VED iki durumlu devresi ile kar şıla ştırıldığında ters oldu ğuna dikkat ediniz. Gerçekten bu devre T girişindeki i ş aretlerle kontrol edilir veya geçitlendirilir çünkü R Çizelge 11-13. Geçiili VED iki durumlu devresi için do ğruluk çielgesi

v -I

S

Q

O1-.C>,-ı

R

Q I. 0 Belirsiz

373

TEMEL ELEKTRONIK

ve S deki mant ık işaretleri yaln ız T girişi 1 durumunda oldu ğu zaman etkilenirler. Bölüm 9 da anlat ılan RS / T iki durumlu devre ile bu kurgunun benzerliğine' dikkat ediniz. Söz konusu geçitli iki durumlu d.a. ve puls biçiminde olmayan mantık işaretlerin bile tepki gösterir. Geçitli iki durumlu devrenin ç ıkış uçlarını giriş uçlarına, devreyi RS IT iki durumlu devresinde oldu ğu gibi durum de ğiştirmesi için ba ğlamak mümkün değildir. Bunun nedeni ç ıkış ucu giriş iş aretine ba ğlıyken durumunu de ğiştir( memesidir. Bununla birlikte d.a. çiftlenimin üstünlüklerini aynen saklayarak kollu iki durumlu yapmayı başarmak için iki basamaklı iki durumlu devre kullanılabilir. Şek. 11-21 deki RS ana-güdümlü iki durumlu devresinin mantık şebekesi bu yöntemi aç ıklamaktadır. Kurma 0

Şekil 11-21. RS ana-güdümlü iki durumlu devre.

Devrenin aynı saat girişi ile kontrol edilen geçitli iki tane iki durumlu devnsi olduğuna dikkat ediniz. Bununla birlikte, güdümlü iki durumlu devresi bir ters çevrilmi ş saat iş areti ile geçitlenmi ştir, çünkü saat giri şi hattındaki 220 S İ luk direnç ana iki-durumlu devresinden birazc ık farklı zamanda harekete geçer. Saat s ıfır durumunda oldu ğu zaman R ve S girişlerindeki mantık iş aretleri düzgün geçitli bir iki durumlu devresinde oldu ğu gibi etkisiz olurlar. Bununla birlikte ters-çevrilon saat-i şareti güdümlü iki-durumlu devresinde 1 durumunda olur ve güdümlünün ana devre ile ayn ı durumda olduğu varsayılır. Saat iş areti 1 durumuna giderken saat ters-çevirici geçidinin giri şi, ana devrenin giriş geçidi 1 durumunu almadan önce, 0 durumuna var ır. Bundan ötürü güdümlü giriş geçitleri, güdümlü iki-durumluyu ana-devreden ay ırır ve güdümlü iki durumlu ana-devrenin durumunu saklar. ahr,

Bundan sonra ana-devresinin giri ş geçitleri saat işaretinin 1 durumunu R ve S deki mantık işaretleri Çizelge 11-13 e göre ana iki durumlu devre-

374

SAYISAL ELEKTRONIK

sinin durumunu belirtiler. Saat pulsunun sonunda, ana-giri ş geçitleri, R ve S giri ş lerinden durumlu devresini ay ırır. Saat yeniden önceki O durumunda olduğunda, güdümlü iki durumlu devresindeki ters-çevrilmi ş saat iş areti güdündüniin ana-iki duru ınlunuu durumunu almas ına neden olur. Böy. lece, ç ıkış durumu R ve S deki mant ık i ş aretlerini yans ı tı r, ama saat puls ıı sona erinceye kadar ç ıkış durumuna eri ş c ınez. Hem R ve hemde S girişlerine çok sayıda uçların konulabilece ğine dikkat ediniz. Çizelge 11-13 e göre, herhangi bir S giri şinde bir 0 durumu Q yü 0 durumuna koyar v6 herhangi bir R girişinde bir 0 durumu Q yü 1 durumuna koyar. Do ğrudan do ğruya kurma ve silme giri şleri de yap ılabilir. Kurma girişinde 0 durumunda olan bir i ş aret bütün öteki i ş aretleri geçer ve Q =1 durumunu olu şturur. Benzer biçimde, sil giri şinde 0 durumunda olan bir i ş aret Q = 0 yapar ve iki durumlu silinir Durum de ğiş tirme kipi, Ş ek. 11.-21 deki

yi S giri şlerinden birine ve

Q yü R giri şlerinden, birine ba ğlayarak yap ı lır. Geriye kalan S uçlarına J giri şi ve serbest R uçlarına da K giri şi adı verilir. Bu kurgu bir JK ana-güdümlü iki durumlu devresi olarak bilinir. Çizelge 11-14 de verilen yeni do ğruluk çizelgesinin son giri şinde gösterildiği gibi, devre durum de ği ştirmenin dışında geçitli bir VED iki durumlu devresine benzemektedir. Sözle ifade edilirse. bir JK iki durumlu devresinin mant ığı ; herhangi bir J giri şindeki bir 0 durumu Q deki 1 durumunu ve herhangi bir K giriş indeki bir 0 durumu da Q deki bir 0 durumunu önler ve J ya da K giri şlerinden biri 0 durumu ile yasaklanmad ığı sürece devre durum de ğiştirir. Durum de ğiş tirme kipinin T de puls biçiminde olan ve olmayan i ş aretlere basit cevap verdi ğine de dikkat ediniz. Çizelge 1144. JK VED Ana-glidiimili iki durumlu devresi için do ğruluk çizelgesi Ji

C.‘ .. i ı

•

•

Ji

i !

İ C"

i

!

C, ,ış

ı

,ıı,IC:›

ıı-ıı

ı-ıı

■

Böylece dikkatle haz ı rlanan iki durumlu devreler yaln ı z, integre devreler biçiminde kulianışlı olurlar. TTM mant ığı nda seçkin bir JK ana-güdiinalü iki-durumluda, toplam 18 transistör kullan ılmakla birlikte Şek. 11-22 de gösterilen uygun büyüklükte bir pakete s ığdırıhr. Geçitli bir iki durumlu devresinin yararl ı deği ş ik bir biçiminde S giri şine ba ğlı tek bir giri ş ucu vardır ve S si R giri şine ba ğlamak için bir ters-çevirici kullanılır, Sek. 11-23. Uygun do ğruluk çizelgesi, Çizelge 11-15, D iki durumlu sunun (verilen i kilitlemek için), saat pulsunun 1 durumunda oldu ğu son aralikta, giri ş , ucundaki iş areti saklad ığun göstermektedir. Bu devrenin bir uygulaması gelecek kesimde i şlenmiştir.

375

TEMEL ELEKTRONIK

Şekil 11-22. JK ana-güdümlü iki durumlunun İntegre devresi (Motorola semiconductor Products, Inc).

Şekil 11-23. Verilen kilitleyen iki durumlu devre.

Çizelge 11-15. İki durumla D devresi için doğruluk çizelgesi D

Q

0 1

0 1

Sayaçlar Tek bir JK iki durumlu devre, saat giri şine uygulanan her iki puls için bir çıkış pulsu oluşturur. Bunun nedeni, 9. bölümde tart ışılan RS I T iki durunalu devrede oldu ğu gibi iki puls devreyi bir kararl ı durumundan ötekine kaydım ve sonra yeniden ilk durumuna geri getirir. Bir iki durumlu devrenin Q çıkışı, ikinci bir iki durumlu devrenin T girişine bağlanırsa, toplam dört giri ş pulsu tek bir çıkış pulsunu oluşturur. Yani bir dizi iki durumlu devreler giri ş pulslarmın sayısını belirleyen bir elektronik sayaç olu şturur. Her iki durumlu devrenin durumu, herhangi bir anda giri ş pulslanrun toplam sayısını verir. Şekil 11-24 deki dört tane iki durumlu sayac ı düşünelim. Önce dört tane iki durumlunun silindi ğini ve böylece her basamakta Q = O olduğunu varsayalım. Giriş pulslarmın düzgün sıralanmasuun bir sonucu olarak, her

Giriş o

Q J T FFA K C C2-

Q J T FF8 KC d

Q d T FFC K C d

--o Ç ıkış

0 Şekil 11-24. Peş peşe iki- durumlu devreler iki durumlu sayaçlart meydana getirir.

376

SAYISAL ELEKTRONIK

iki durunalunun çıkışuıdaki dalga biçimleri Şek. 11-25 de gösterilmektedi ı . İlk giriş pulsu FFA nın durumunu de ğiştirmeye neden olur, ötekiler ise 0 durumunda kalır. At ı m 1

2

3

4

5

6

7

sayt ı 8

9

10 11 12

13 14

15 16

Giri ş

FFA •■■•■•

■•••■■••■

FFB

FFC

L _I

o

L

FFD 0

Şekil 11 25. 16. ölçekli sayaçta dalga biçimleri. -

İkinci giri ş pulsunda FFA, 1 durumundan 0 durumuna yeniden döner ve çıkış işareti FFB yi 1 durumuna tetikler. İki giriş pulsunun net sonucu, öteki üç devre 0 durumunda iken FFB nin 1 durumuna gelmesidir. Ş ekil 11-25 deki çizimde açıklandığı gibi, on altıncı giriş pulsu ile negatife-giden bir tek çıkış işareti olu şuncaya kadar, bu süreç daha sonraki giri ş pulslanyla devam eder. Buna uygun olarak dört tane iki durumlu devrenin pe ş peşe birle şimi 16 ölçekli sayaç adını alır. Peş peşe, bağlanan RS IT iki durumlu devrelerinin büyük bir uygulama yeri, örneğin çıkış pulsların ı elektromekanik kaydedicilerle kaydedilebilecek ölçüye kadar, nükleer ışırum detektörleriyle puls say ılarını azaltmak ya da ölçeği düşürmektir. Böyle bir ölçekleyicinin ölçek çarpar'', iki durumla devreleri]] eklenmesiyle basit olarak art ırılabilir. Kaydediciler denilen peşpeş e iki durumlu devreler, ikisi say ıları gösteren i şaretleri ve say ısal mantık işaretlerini kontrol etmek, biriktirmek ve saymak için çok kullan ılır. Kaydedici uygulamalarda, Şek. 11-24 deki basit pe ş peş e bağlama her basama ğın geçi ş zamanı ile ortaya ç ıkan iletim gecikmesinden zarar görür. Örneğin sekizinci ve on altıncı giriş pulslarında, dört tane iki durumlu devrenin hepsi de ardışık olarak durumunu değiştirir, böylece toplam süre her basamağın geçiş zamanı ile son geçiş için gerekli olan basamakların sayısının çarpı-

377

TEMEL ELEKTRONIK

mına eşittir. Hızlı giriş pulsları için ilk iki durumlu son iki durumlu devrenin son, durumuna varmadan önce, ard ışık giriş pulslanna hemen cevap verebilir. Bundan ötürü herhangi bir anda sayac ın durumu gerçek say ısı gösteremez. Bu zorluk bütün dört iki durumlu devrenin e ş zamanlı olarak durumlar ın ı değiştirebildiği eşzamanlı iki durumla sayaç ad ını alan, Ş ek. 11-26 daki sayaçla giderilir. Bu şekilde giriş ucunun sağ-tarafa konuldu ğuna ve böylece kaydediciye kaydedilen bir say ının, normal okumada oldu ğu gibi, sol tarafta en anlamlı rakamı ile , gösterildiğine dikkat ediniz. Her iki-durumlu devre bütün D

C

B

A

----O

Giriş

Şekil 11-26. Eşzamanlı iki durumlu sayaç

saat girişlerine uygulanan giriş pulsları ile durum değiştirmeye zorlamr. Iki durumlu devreler aras ındaki ba ğlantılar uygun saymaya eri şilinceye dek geçişleri yasaklar. Örne ğin bütün J ve K girişleri 1 durumunda olduğu zaman sekizinci (ve on alt ıncı) giriş pulsuna kadar FFD yasaklanırken FFA nın her giriş pulsu için durum de ğiştirdiğine dikkat ediniz. Her JK iki durumla devresinin son durumu saat pulsunun negatif geçisinde olu ştuğu için, dalgabiçimleri eş zamanlı olmayan iki-durumla sayaç için verilen dalgabiçimlerine, Şek. 11-25 özdeştirler. Bu balgabiçimi deseni, JK iki-durumlu devresi için verilen doğruluk çizelgesi Çizelge 11-14 kullanılarak do ğrularu.bilir. Genel olarak bilgilerin ondal ık biçimde gösterilmesi istenir ve bundan

ötürü sayıları , ikili sayı gösteriminden ondahk gösterime dönü ştürmek gereklidir. Bu de ğişikliği baş armak için kullanılan çözücü mant ık, 4 ya da 5 pulsdan daha çok puls olduğu zaman çok karışık olur. Bunun yerine, bir ondahk say ın ın her rakamının ayrı olarak ikili biçimde saklamak ço ğu kez daha uygundur. Böylece, ondahk say ının her rakamı 0 dan 9 a kadar sayan bir dört tane -ikidurumlu kaydedici devre ile gösterilir, örne ğin böyle beş kaydedici dan 99999 a kadar ondal ık sayıları saklayabilir. Böylece çözücü mant ığı n yalnız 0 dan 9 a kadar olan ondahk say ılar kaydetmesi gerekli olur ve büyük sayılar, her onluk için bir ek kaydedici ekleyerek kolayl ıkla elde edilebilir.

378

SAYISAL ELEKTRONIK

Bil dörtlü-iki durumlu devresi 16 ya kadar saymak için yeterlidir, fakat böyle ikili kodlu onla, ya da İ KO, ir sayaçta toplam 10 sayma istenir. Bu, ek. 11-27 de oldu ğu gibi iki duramlu devreler aras ında ba ğlantılarla kolayca baş arılabilir. Çiriş pulsları FFA nın durumunun de ğiştirmeye neden olur ve FFD den Q çıkışının yasakland ığı sekizinci saymaya kadar FFA, FFB nin de durumunu değiştirir. Benzer biçimde FFD, yedinci saymaya kadar biri ya da öteki J girişleri 0 durumunda olan FF.B ve FFC in Q çıkışı ile yasaklanır. FFB sekizinci giriş pulsund.a değişir. Dokuzuncu puls yalnı z FFA yı ikili durumdan birine koyar ve onuncu saymada hem FFA ve hemde FFD de-

Q

J

FFB T Q

K

Q

J

FFA

T

C?

K

o Giri ş

L Şekil 11-27. Eş-zamanl ı olmayan ikili kodlu °nin sayaç.

ğişir ve böylece bütün Q ler sıfı r durumunda olur ve devir tamarniamr. Bu olay giriş sayısının bir fonksiyonu olarak her iki durumla devresinin durumunu gösteren bir çizelge ile, Çizelge 11-16, en iyi biçimde aç ıklanmaktadır. Bu desenin Şek. 11-25 deki ikili sayac ın dalgabiçimleriyle özde ş olduğuna dikkat ediniz Bu İKO sayacının sayma deseni 16 lık sayacın ölçeğinin ilk dokuz durumu ile ayn ı olması demektir. Buna do ğal 8421 kodu denir ve çok kullan ılır. çizelge 11-16 İKO Kodu sayaenun durumlar ı

Sayma

FFD

FFC

FFB

FFA

1

CZ,

C 0ı•-+ı-ıı 00

Cı C, O Cş

1-1

F-4

r-ı, C:9 Cı

,ı-ı

Cı O0 Or.1-4r.OC

0

ı••1egCf>

Bir İKO say-acının devri ya da tabanı 10 dur, çünkü bütün iki durumlu devreler her 10 saymada bir silinir. Benzer biçimde, bir dörtlü iki durumlu sayacın tabanı 16 dır. Uygun mant ık bağlantıları ile herhangi bir tabanl ı sayaçlar yapmak mümkündür. Örne ğin giriş FFB nin T ucunda olursa,

3 79

TEMEL ELEKTRONIK

İKO sayacı , FFB, FFC ve FFD iki durumluların birleş tirilmesinden olu ş an 5-tabanlı bir sayaç olur. De ğişik bir yolla basit bir ikili sayaç, uygun bir sayma sonunda, tüm iki durumlu devreleri silmek için do ğrudan silme giri şleri ve bir mantik devresi kullanarak istenen herhangi bir tabanl ı sayaca dönü ştürülebilir. Bu yöntem, do ğrudan silinen bir 7-tabanlı sayaç- için Şek. 11-28 de açıklanmaktad ır. Önce Q çıluşlarmın hepsi 1 durumunda oldu ğu zaman A o

B

J

Q

J

Q

J

FFC

T

FEB

T --

FFA

T

Q

K

Q

K

Q

© Giri ş

K o Silme

AB

G'

Şekil 11-28. Do ğrudan silme kullanan 7-ölçekli sayaç.

(Çizelge 11-16 e bak ınız) devre yedinci giri ş pulsuna kadar normal iki durumlu gibi sayar. VED geçidinin ç ıkışı 0 duruma geçer, bütün iki-durumlu devreler silinir ve sayma devri tekrarlan ır. Sayaç yeni bir dalgabiçirnini saymaya devam ederken, bir kaydedicideki toplam sayıy ı tekrar göstermek amac ıyla ço ğu kez saklanmas ı istenir. Bunu başarmak için, Şek. 11-29 da olduğ u gibi, her sayaca-iki-durumluya bir D-iki durumlu devresi ba ğlanır. Hafıza iletim ucundaki 1 durumlu bir'puls hor işiki durumlu devresinin Çizelge 11-15 e göre kendilerine kar şılık gelen sayacm aynı durumunu almas ına neden olur. Böylece, iletim pulsu an ında /KO sayacmdaki sayı, sayaç yeniden saymak için silinirken hafı za kaydedicisindo saklamr._Gelecek pulsa kadar sabit kalan haf ıza kaydediciSinin çıkışı ışıklı göstermeyi ba şlatmak için kullanılabilir. Bu yerle şimin, ikili sayıları seri gösteriminden paralel gösterimine dönü ştürürdii ğiine de dikkat ediniz. Kaydediciler Mantık işaretlerini saklamak için düzenlen ıniş iki-durumlu devreler dizisine kaydedici denir ve Ş ek. 11-29 da grupland ırdan dört D-iki -durumlu devresi buna tipik bir örnektir. Ku şkusuz, bilgileri saklayan pe ş peşe ekli bir dizi iki durumlu devreler de bir kaydedicidir. Bir kaydedicide saklanan mant ık

,

330

SAYISAL ELEKTRONIK

D

C

A o Giri ş

IGO sayacı

o Silme Şekil 11-29.

İKO sayacı ve saklayıcı kaydedici.

iş aretinin ilgili dalgabiçimini de ğiş tirmeden iki durumlu devreler zinciri boyunca hareket ettirmek ço ğu kez yararlı dır ve böyle bir sisteme kaymal ı kaydedici denir. Ş ek. 11-30a da JK iki-durumlularından. oluş an 4-basamakl ı kaymalı kaydediciyi buna karşılık gelen Ş ok. 11-306 deki dalgabiçimleriyle gözönüne alını z. Burada I ve i giri ş iş aretleri, J ve K girişlerine uygulanmaktad ır. Ne zaman /, 1 durumunda ise, ayn ı mant ık saat pulsunun azalan kenar ında FFA nın Q ucunda ortaya ç ıkar. Bu FFB nın Q ucunun bundan sonra gelecek saat pulsunun kesilmesi an ında (azalan kenar ında) 1 durumunda olmas ına neden olur ve böylece devam eder. Yani giri şine verilen bilgiler, her ard ışık iki-durunılunun çıkışında bir saat pullu kadar gecikmeyle gözükür. Bundan ötürü bilgi deseni, Ş ek. 11-30b de seçkin dalgabiçimleriyle gösterildi ği gibi, kaydedici boyunca dokunulmama ış biçimiyle kayar. Bir kaymal ı -kaydedicinin ç ıkışı yeniden giri şine verilirse, mant ık i ş aretleri sürekli olarak do şalır.Böyle dolaşt ınlı, bir kcıydedici ıı in kullanışlı bir biçimi, Şek. 1L-31 de gösterilmektedir. 1 durumundaki kontrol giri şi ile, kaydedicinin çıkışındaki mant ı k iş aretleri yeniden giri ş e verilmektedir. I ş aretler her m pulsunda çıkış ta yeniden ortaya ç ıkar, burada m kaydedicideki iki-durumluların sayısıdır. Yeni mant ık iş aretleri kontrol ucundan 0 durumlu bir i şaretle yenilebilir. Böyle yüzlerce-puls uzunlu ğunda dola şımh kaydedicilerin integre devresini elde etme imkan ı vardır.

381

SAYISAL ELEKTRONIK

D

0---1

Çıkış .5 o

(al

1

2

3

4

5 6

7

8

9

1.1-1311111.111111.1-Irl.

Saat 1

0 1 AO

BO

co DO (b)

Şekil 11 30. (a) Dört basamaklı kaymak kaydedici (b) tipik dalgabiçimleri. -

Kayma', kaydedici

Şekil 11-31. Dolaşımlı kaydedici.

Bununla ilgili ve yararlı özellikleri olan bir kaydedici, Şek. 11-30 daki kaymalı-kaydedicinin çıkışlarmin giriş uçlarına ba ğlanması ve giriş iş areti olarak da saat ucunun gözönüne al ınması ile elde edilir. Önce 1 durumunda bir i ş aret FFA ya yerle ştirilir ve her iki-durumlu devresindeki do ğrudan-kurma ve silme giri şleri kullan ılarak bütün öteki iki durumlu devreler 0 durumuna silinir Şekil 11-30 daki dalgabiçimlerine göre 1, saat ucundaki giri ş pulslarmm tetildemelerine göre kaydedicide dola şır. Bu dört basamakl ı halkalı sayacın,

TEMEL ELEKTRON İ K

ardış ik durumlar ı Çizelge 11--17 de gösterilmektedir. Gerçekte, bu çal ışma biçiminin 'bir 4 tabanl ı sayaç oldu ğuna ve toplam ondahk saymarun her iki ' durundu devresinin ç ık ışnı a. bir gösterge ba ğlayarak kolayca ayndedilebilece,<;;Me dikkat edilir. Yani halkal ı sayaç kendi ba şına bir çözticiidür. Bu yararlı özellik, her iki-durumluya sadece bir puls yerle ştirebilme gerçe ğini göstern ıcktedir. Çizelge 11-17. 4-basamakl ı halkalı sayaem durumlar ı. Giri ş pulsu

0 0 O 1

FFC

-

1 2 3 4,

FFD

FFB - FFA 0 1 O 0

0 0 O 0

GOSTERİMLER Çoğu kez, bir kaydedicide saklanan bilgilerin ışıklı biçimde gösterilmesi oldukça yararl ı olmaktadır. Kaydedicideki her iki-durumlunun mant ık du- ramunbildestgörcylioab.Fktsrnilge onluk sayılar cinsinden daha incelikli biçimde göstermek, ço ğunlukla daha uygun dur. Tek-Elemanla Gösterimler Bir iki-durunilmun mant ık durumu, Şok. 11-32 de verildi ği biçimde, küçük bir ampul yardımıyla doğrudan gösterilebilir. Q = 1 olduğu zaman tran+5V

Şekil 11-32. iki-durumlımun mantı k durumunu gösteren ampulli ı devre.

sistörün tabanı doğru yönde öngerilimlenir ve ampul yanan. Buna ra ğmen, iki-durumlu Q = Q durumunda oldu ğu zaman transistör kesilimde olur ve ampul yanmaz. Basit olarak iki-durumlu devresinde toplayucmm yük direnci ile seri olarak bir ampul konulmasında/1 çok bir transistör anahtar ının konulması

383

SAYISAL ELEKTRON İ K

daha yararl ıdır, çünkü anapülü yakmak için gerekli olan yakla şık 50 ınA Ilk alum devrenin normal çalışmasını kolaylıkla bozabilir. Bir sayaçta her iki-durunalun ım durumu, ayrı bir amp ıı l ile gösterilebilir ve herhangi bir anda toplam sayma ampr ıllerin yanmaları na dikkat edilerek belirlenebilir. Şek. 11-24 deki 16-ölçekli sayaçtaki her iki-durumluya ba ğlanan ampuller, Ş ek. 11-25 deki dalgabiçirnlerine göre, s ırayla 1, 2, 4 ve 8 olarak . adland ırdır. Toplam yanan . a-mpullerin gösterdi ği sayıları ekleyerek bulunur. Açıkça görüldü ğü gibi bu basit gösterim ikili sayı sistemindeki bilgileri belirtir. Ordu say ı sistemindeki ışıklı göstergeleri sa ğlamak için önce ikili i ş aretleri, kendilerine kar şı lık gelen onlu rakamh i ş aretlere dönü ştürmek gerekir. Örneğin, Şek. 11-27 deki 'KO sayacını düşünelim. Bu sayaç için, her onlu say ıya karşılık gelen mant ık ifadesi (yani sayac ın durumu) Çizelge 11-18 de gösterilmiş tir. Bu, ard ışık giriş pulslarında her iki-durumlunun durumunu gösteren Çizelge 11-16 daki gösterimin yeni bir ifadesidir. Çizelge 11-18. İkiliden onlu kodluya Ondalık sayı

Ikili mantık - ifadesi

İ :414 1

1

lU l ça 1U1 r.Jw

4CZI;:1

sİİZ .<

0,

141 44 4 14 14 4 41 4 141

'< 1°.< `<

t'

Çizelge 11-18 deki. ikili ifadelerin hepsi, Ş ek. 11-33 deki diyod VE geçitlerinin bir dizisi ile yap ılabilen VE mant ığıda. Bu, Şek. 11-34 deki 0 lambas ı na e şlik eden devrenin yala ılınası ile kolayca açıklanabilir. Bu devrede,.-B- , ş , D girişleri var oldu ğunda bütün diyodlar ın ters-öngerilimde oldu ğuna ve transistörün taban ın da do ğru yönde öngerilimlendi ğine dikkat ediniz. Şimdi ek olarak, transistörün yay ıcısı topraklan ırsa (yani olursa) lamba yapar. Benzer bir çözümleme öteki 1-1(0 mant ık giri ş ifadelerinin her biri için yap ılabilir. Gerçekten bu devre, giri şteki bilgileri 'KO kodu olarak al ır ve onları çıkış ta ondalık kodlu işaretlere dönü ştürür ve bundan ötürü bu dizi, bir çözücü adın ı alır. Şekil 11-32 ile ilgili olarak tart ışıldığı üzere sürücü transistörler lamba akımını sağlaması için gereklidir.

Bu çözücü biçime eri şilirken, İKO mantığnun belli basitle ştirıne üstün 7 ılm ıştır. Örne ğin Çizelge 11-18- de yalnız D ve .p nin 0 ve 1 d ı..F.lükeriuan mallarını 8 ve 9 dan ayırdığma yani D nin 2 den 7 ye kadar olan durumları belirtmesine gerek olmadığına dikkat ediniz. Bundan ötürü çözücü dizisi

384

TEMEL ELEKTRONIK

+5 V o Çözücü dizi Sürücü transistürier

IffillirA „,_ .

00

4 es O

tuat

.

0

o

D

:(5

C

C

8

"111

t»• 8

A

İ GO giri ş i Şekil 11 33. IKO dan ondal ık çözücü ve sürücüye. -

içinde bu sayılar için D ve D tellerine ba ğlantı yapılmamıştır. A ve de, ayrı düş ey mantık bağlant ılarından daha çok sürücü transistörlerle ba ğlanarak verilebilir. İki ba ğlantrom da e ş de ğer olmas ına A ve nin ayrı düşey mantık bağlantıları çok kar ışık bir devre olu şturur. Çözücü mant ık, mant ık ifadeleriyle belirtildikten sonra, ikili say ıların onlu sayılara dönü ştürülme i şlemi a ş a ğıdaki biçimde görülebilir. Sayac ın durumunu belirten her 4-basamakl ı ikili sözciik, özel bir onlu say ıya kodlamr ve bu sayı ilgili lamba ile gösterilir. Bu gösterim, sayaçtaki her iki-durumlunun durumunu basit olarak gösterme biçiminden, daha uygundur ve daha çok bilgi içerir.

385

TEMEL ELEKTRONİ K

O Lambas ı

Şekil 11-34. 0 lambası için İKO çözüeünün yal ıtılmış VE geçidi.

Bir ondalık çözücü kaydedicideki saymaya kar şılık gelen gerçek sayıyı göstermek için pek çok gösterim şekilleri geliştirilmiştir. Bunlardan, biri Nixie tüpü adı verilen 10 katotlu neon tüpüdür. Katotlar ın her biri 0 dan 9 a kadar olan rakamlara benzer biçimde telden sardm ışlardır. Bunlar 10 ayrı lamba kullanılarak yapılan göstermeye benzer biçimde çözücü-sürücüsüne ba ğlanır, böylece bir anda yalnız bir katot yanar. Belirtgin k ırmızı neon ışığı katot telini büsbütün kaplar ve bu say ılar tüpün yüzeyinde gözükür, Şek. 11— 35. Her onlu kaydediciya bir Nixie tüpü ba ğlanır ve ardarda onluklara kar şılık gelen tüpler bir s ıra halinde dizildikleri zaman, toplam sayma do ğrudan doğruya bir onlu sayı olarak gösterilir.

Şekil 11-35. Nixie tüpü say ı göstericisi (Burroughs Corporation)

Yedi Parçalı Güsterimler Çok tutulan sayısal bir gösterge de Şek. 11-36 da verilen yedi-parçal ı gösterme biçimi kullan ılır. Her parça küçük bir lamba ile ayd ınlatıhr ve aphrılan.an

parçaların uygun biçimde düzenlenmesiyle 0 dan 9 a kadar olan sayılar oluş-

;4 6

SAYISAL ELEKTRONIK

tu•tiltır. Yedi-parçal ı gösterin, için. kullan ılan Şek. 11-33 e benzer bir çözücüsürücii mant ık devresi gelecek kesimde tart ışılacakt ı r.

Şekil 11-36. Yedi-parçal ı onlu gösterin.

Yedi parçalı gösterirnin bir ikinci tipi, baz ı pn eklemlerinin do ğru öngerilim altında bulunduğu zaman görünür bölgede ışık yayına özelliklerine dayanmaktadır. Belli yarı-iletkenlerin pn eklemlerinde, daha çok galyum arsenit ve galyuın fosfat ın oluşturdu ğu azınlık taşıyıcılar' eklem bölgesinde h ızla yeniden birleşirler. Her yeniden-birle ş me Şek. 11-37 de enerji- şeridi örneğinde açıklandığı üzere, yasaklanan-enerji-aral ığının genişliğine karşılık gelen dalga boyunda bir ışık enerjisinin yayınlanmasına neden olur. Bu olay, Şek. 10-18de pn eklemli fotoseller için verilen enerji- şeridi örneği ile ilgili olarak tartışılan foto-iletkenli ğin tam tersidir.

• Görünür bölgede yayı nlanan ışık

Şekil 11-37. I şık -yayınlayan diyodun, IYI>, enerji şeridi modeli.

TEMEL ELEKTRONIK

387

Ço ğu, kez böyle ışık -yay ınlayan diyod yani IYD, kırmızı ışık yayınlar; gerçi ye şil ve sarı IYD lar da vard ır. Bir yedi parçal ı gösterim her parça için doğrusal bir eklem şeklinde yapılır. Şek. 11-38, ve bu çok amaçl ı sayısal uygulamalarda oldukça faydal ı olur. Bu yararl ı özelliğine ek olarak, IYD göstericisinin oldukça uzun çal ışma ömrü de vardır.

Şekil 11--38. Yedi-parçal ı gösterim (IYD) (Dialight Corporation)

Öteki yedi-parçalı göstericiler fluoresans hedefli vakum tüpleri ile çok filâmanh akkor-lambalar ı içeririrler. İlk tipi, Şek. 11-36 daki desenlere göre düzen.lenmiş yedi flouresans hedef içeren bir vakum tüpüdür. Hedef parçalarının elektronlarla dövülmesi onları katoda göre pozitif yapar ve ayn ı zamanda mavi-ye şil renkte flouresans ismim yaymlamalarma neden olur. Bu gös.terim biçiminin hızlı bir tepki zaman ı vardır ve parça başına çok küçük bir akım gerektirir. Çok filâmanh lâmbah gösterimlerde pek çok akkor filâmalar doğrusal olarak yap ılır ve yedi-parçal ı desene yerle ştirilir. Bu göstergeye, bütün rakamların görünen elemanlarının bir vakum kabmda toplanmas ı nedeniyle tek-tek lamba ile gösterme tipinin daha Terli toplu ve daha kullan ışlı bir biçimi olarak bakdabilir. Çözileii Mantık Bu yedi-parçalı gösterim tiplerinin her biri, her onlu say ıyı belirten .tKO giriş sözeiiklerine karşılık gelen uygun parçaları çalıştırmak için çözücü bir mantık devresine ihtiyaç duyar. Her say ı için aydınlanan parçalar ı

388

SAYISAL ELEKTRONIK

•

belirten bir do ğruluk çizelgesi, Çizelge 11-19 da oldu ğu gibi kolayca kurulur. Örneğin, O, 2, 6 ve 8 ondalı k sayılarının yazılması için a parças ını aydınlatma mantığı Çizelge 11-19. Yedi-parçal ı onlu gösterim için doğruluk çizelgesi Parça b

e

f

g

CDr.

c

CD

b

İ

a

cD,4

Sözcü ğü

Sayı

C> CD
İ KO

Cş

Ondalık

r4 CD

r-1 C>

(

. ) D)

m1....I1-4

Cş

C›
C,C,
•

(.>Ic.3 1c.3

°,4f-<

+ (.B.

r...1
•

•<

CCCN

1 41 6:141:4 14 1q4 ÇA 1 414

-< 1.< -»<

a = ( 71 . T3 . ." .

(.B.C.)

.

(11-11)

dir. Bu ifade, Çizelge 11-18 de teorem 14 kullan ılarak basitle ştirilebilir, yani a

.

) .(. + D )

.

.

-F

. B.

(21:. B).(.(TH- C) ( 1 1-12 )

olur. Öteki altı parça için benzer bir mant ık ifadesi yaz ılabilir. d ve e gibi belli parçalarda ayd ınlanmamış durumlar için mant ık ifadesi kısadır, çünkü bu parçalar on sayıdan bir ya da birkaç ı dışında hemen gemen hepsinde ayd ınlanmış durumdadır. Her durumda sonuç, Denk. (11-12) ye benzer ve Şok. 11-33ü hatırlatan VE ve VEYA mant ık dizileri ile ifade edilebilir. Bu ilgiden hareket edilerek, VEYA mant ığının basitçe d.iyodlar ınm do ğru yönleri ters-çevrilerek bir DM dizisi ile yap ılabilece ğine dikkat edilmelidir. Çözücü mant ık dizileri, ço ğu kez pe ş -pe ş e gelen kar ışık devreleri içerdi ği için en iyi biçimde integre devre teknikleri ile yap ılabilir. Böylece tek bir integre devre çöziicüsü, bir İ KO süzcü ğüne karşılık gelen dört giri ş i ş aretini alır ve yedi ç ıkış ucunun her birinde uygun ç ıkış iş aretleri verir. Bazı sayısal cihazlarda 6—, 8—, ya da 12— basamakl ı , onlu sayıları gösterebilen göstergeler kullan ılablir. Bu, sayıda çözüeü-süriicii dizilerinin gerekli olduğu ve devre yapımının ise karışık olduğunu anlatmaktad ır. Başka bir seçenek çok sayılı bir gösterimde bir tek çözücü-sürücüsüniin her say ıyı sırayla çabuk çabuk göstermesidir. Bu durumda, gösterimin kal ıcılığı sayıları sanki sürekli olarak aydnılanır biçimde gösterir.

389

TEMEL ELEKTRONIK

Sürekli yapma adı verilen bu çabuk-anahtarlama tekni ği Şek. 11-39 da açıklaıımaktadır. Bu gösterimdeki bütün ortak parçalar birle ştirilir ve çözücünün uygun ç ıkış ucuna ba ğlanır. Çözücünün giri ş sözcü ğü, her bir /KO kaydedicisinden VEYAD ve VED geçitlerinin birle şimi aracılığıyla öyle almiiki herhangi bir anda çözücünün giri şine sadece bir /KO ba ğlanır. Aynı +5 V

Yedi parçalı gösterimler ış—«

b İ GO dan yedi parçal ı çözücü-sürücüye.

c

d e

D C BA

Basamak-verebit geçitler }

D B CA

İGO• kaydediciler Şekil 11-39. Sayısal gösterim için sürekli-yapma devresi.

anda sadece bu girişe karşılık gelen onlu sayı, bu sayıya izin veren geçitle çalıştırıbr. VED geçitleriniu her biri ile ilgili olarak çal ışan geçit, halka sayacm.da devreden mant ık 1 durumu ile peş peşe çalıştırıhr (Çizelge 11-17 ile karşıla ştımuz) Bu sürekli yapman ın net sonucu her sayının onun uygun yedi parçal ı çözücü koduyla uygulanması ve halka sayacm her devirde bir kez yanmas ı demektir. Halkal ı sayacı süren osilatörün frekans ı, gösterimdeki titrek yanmayı yok edecek biçimde büyük yap ılır. Devre kar ışıklığın anlamlı bir biçimde azaltmasnaa ek olarak, sürekli yapan göstergeleri ayd ınlatmak için gerek-

SAYISAL ELEKTRONIK

390

li olan gücü de azalt ır, çünkü gerçekte herhangi bir anda yaln ı z bir rakam yan ar.

HAFIZA DEVRELERI Yaln ız hafizaları-okuyan Bir önceki kesimde tart ışılan gösterici mant ık çözücü dizileri her biri yalnızhafıza okuyan yani YHO adı verilen devreleriıı basit örnekleridir. Bir YHO kendi iç mantığına göre her giri ş iş aretine e şlik eden özel bir ç ıkış iş areti oluş turur. Giriş ile çıkış aras ındaki sabit ba ğıntı, YHO yıl bundan sonra anlat ılacak öteki hafıza devrelerinden ay ırmaktadır. Şek. 11-40 Baki 32 sözciiklü, 8-atma olu şturacak biçimde düzenlenen bir 246 atmah YHO devre düzenleni şini diişünelim. İntegre- devre teknikleriyle 5-atruall giri ş sözcüğü

Atma 8

—o Atma t

Atma 6 Atma 5

-O

Atma 4

-

Atma 3

-

Atma 2

—0 Atma 1

• 32 sözelik trasistörleri

Şekil 11-40. 256-atmak YHO devresi.

391

TEMEL ELEKTRONIK

yapıldığı üzere her sözcük do ğrusu bir transistörün toplay ıcısma ve transistörün yayıcısıda sekiz atmak do ğrulara bağlıdır. Seçilen bir sözcük transistörün ün taban ucundaki 1 durumu, ç ıkıştaki sürücü transistörleri çal ıştım, yani çıkışta 0 durumunun olu şmasına neden olur. Yap ılan son basamakları sırasında sözcük transistörleri ile atma do ğrulan aras ındaki belli yayıel-bağlantılan, istenilen mant ık örneklerine göre kalıplanır. Buna göre, verilen bir sözcük transistöründen ba ğlantısı çözülen bu atma çizgileri, o sözcük transistörü çal ışmaya ba şladığı zaman ç ıkışı 1 durumda yapar. Sözcük do ğrulan ile atma do ğrular ı n ı n kesişme noktas ına ba ğlı olan ve olmayan tran.sistörlerin deseni, giriş sözcükleri ile ç ıkış işaretleri aras ındaki ba ğlılık. ' devamlı hatarlatan YHO gibidir. Şekil 11-40 da 00000 dara 11111 e kadar olan ikili say ılar 32 farklı sözcüğü belirler ve bir adres çözücü dizisi, her 5-atmal ı giriş sözcüğüne göre 32 sözcük transistörlerinin birini seçmek için kullan ılır Böylece, bu YHO nun bütününün çalış mas ı , bir 5-atmak ikili sözcü ğü ile giren ve bir 8-atmak ikili sözcü ğü ile gösterilen bilgilerin 256-atmas ını devamlı olarak saklamaktad ır. .

Sözcük do ğrulara ile atma do ğrulannın kesi şme noktas ında bir taransistörün bulunması ya da bulunmamasmın o konumdaki mant ığı belirledi ğine dikkat ediniz. Bu, Şek. 11-33 deki çözücü-sürücü YHO da kullanılan diyodlara tamamen benzer. Benzer olarak bir MOYAET YHO da, kesi şme noktasında bir geçit elektrodunun bulunmas ı ya da bulunmaması mantığı belirtecek biçimde yapılır Mantık bağlantıları= üç tipi de uygulamada kullanılı r. 2 14 (16384) e kadar atmayı saklama yetene ğinde olan YHO lar elde edilebilir. Sayısal devrelerdeki YHO ların başlıca uy gulan ışında trigonometrik, üstel, karekök ve logaritmik fonksiyonlar gibi, matematik fonksiyonlann çizelgelerine bakılır. Örne ğin, bir sinüs çizelgesi durumunda, giri ş iş areti verilen bir açıya karşılık gelir çıkış da o açı= sinüsünü gösterir. Tek bir 1024— atmak YHO 0,7 derecelik bir aç ısal çözme gücüne kar şılı k gelen 128 açısal artışı saklayabiliı ve sinüsün çl-kitab ında verilen de ğerinden yüzde 0,1 den daha az bir hata ile 8—atmal ı bir çıkış işareti üretebilir. Aç ık olarak do ğruluk, hafızanın atma saklama yetene ğini artırmakla düzeltilir. Çoğu kez, atma toplamlann ın ve yer-de ğiştirmelerinin bir zinciriııi kapsayan gerçek çarp ım yapmak yerine YHO çarpım çizelgelerini kullanmak daha verimli olmaktad ır. Öteki matematik fonksiyonlarm durumunda oldu ğu gibi, YHO çarp ım çizelgeleri için gerekli olan hafıza yetene ği, istenilen duyarlılıkla üstel olarak artar. Örne ğin bir 2048 atmak YHO iki 4-atmak ikili say ıların çarpım çizelgelerini kapsamaya yeterlidir fakat iki-8-atmak say ılar durumunda 10 6 atmayı aşan bir sığdırma yetene ği gereklidir. Bu sınırlama, birbiriyle çarp ılacak her bir sayıyı daha küçük iki ikili say ının toplamı biçiminde yazarak kald ı rılabilir, yani,

392

SAYISAL ELEKTRONIK

Mi = m i + n i ve M, = nı2 -+- n,

(11 13) -

yazıhr. Burada, in i ve m2 her sayıdaki en anlamlı atmaları ne n i ve ıı 2 de en az anlaml ı atmaları göstermektedir. M i ile M2 nin çarpımı, M1M2 m ı rnı ± m ı n2 + n1m2 + n ı nı

(11-14)

dört terimin toplamıdır. Denklem (11-14) deki bir terim, M 1 M2 için gerekli olandan daha az yetenekli bir YHO da yerle ştirilebilir. Örne ğin M i ve M2 nin her biri 8-atmal ı sayılar ise, m i , n i , nı2 , ve n2 nin hepsi 5-atmalı sayılardır. Bu, Denk. (11-14) deki her terimin. bir 2048 -atmah YHO gerektirdi ği anlamını taşımaktadır. Öyleyse toplam olarak yaln ız 4 x 2048 = 8,2 x 10 3 atmali bir hafıza yetene ği gereklidir. Denklem (11-14) ü tamamlamak için tam toplayıcılar kullan ılsa bile bu, devre-karışıklığı= anlamlı bir biçimde azalt ılması sonucunu do ğurur. Benzer bir yakla şım, ba şka matematiksel fonksiyonlar için verilen YHO çizelgelerine de uygulanabilir. MOY Kayınah-Kaydedici Hafızalar Pek çok sayısal-devre uygulamalar ında, sayısal işaretlerin daha sona hat ırlanması için geçici olarak saklanmas ı yararlı olmaktadır. Bu, gerçekte YHO durumundan farkl ı olarak okunduğu kadar, bilgilerin al ınabildiği ve değiştirilebildiği bir hafızadır. Kaymalı-kaydediciler bu amaca uygun ve etkin haf ıza devreleridir. Yararl ı olacak biçimde büyük hafıza yetene ğine ulaşmak için bunlar, bilinen integre-devre teknikleriyle yap ılırlar. Bununla ilgili olarak MOYAET devreleri, Çizelge 11-11 de i ş aret edildi ği üzere her geçit kayb ı küçük olduğundan, özellikle yararhd ırlar. Vdd

—20V

O C0 Şekil II-41. p-kanallı MOYAET iki-durımılu devresi.

TEMEL ELEKTRONIK

393

Basit bir MOYAET ikili devresi, Şek. 11-41, 6. bölümde tart ışıldığı gibi, toplayıcı yük dirençleri olarak transistör kullanan çapraz ba ğlı ters-çeviı ici katlar içerir. Giriş - sürücü Q5 ve Q6 transistörleri ikili devreyi önceki kattan ayırmak için kullanılır Q 5 teki negatif bir giri ş iş areti, Q 5 i iletim ve Q2 yi de kesilim durumuna koyar. Q, nin toplay ıcısmdan Q ı in, geçitin.e geri-besleme bağlantısı olduğundan bundan sonra Q i iletime geçer. Sonra Q6 ya gelen negatif bir puls Q i i kesilime getirir ve iki-durumluyu öteki kararl ı durumuna koyar. MOYAET iki-durumlu devrelerinin, integre devre teknikleriyle kolayca yapilabilen. AET lerden olu ştuğuna dikkat edilmelidir. AET geçitlefinin minimum güç kaybı özellikleri ile birlikte integre-devre tekni ğiyle yapılmaları pek çok geçidin bir öğe oluşturduğu hafıza devreleri için özellikle yararl ıdır. Her geçit ba şına mümkün olan en az güç kayb ı, hem n-kanalh hem de p-kanallı MOYAET leri kullanan tamamlayıcı MOY ya da TMOY devreleriyle başardın Şekil 11-42 deki p-kanallı MOYAET Q i ile seri basit bir n-kanalli MOYAET Q2 den oluşan TMOY ters-çevirici geçidi dü şünelim. Giriş ucu 0 durumunda yani toprak geriliminde oldu ğu zaman Q i geçidi ön-gerilimli de ğil-

Şekil 11-42. Tamamlayıcı MOY er -çeviricisi.

dir ve bu nedenle kayna ğa göre Q2 nin geçidi pozitif olduğu için Q2 iletimde iken Q.1 kesilimdedir. Q İ çalışmadığı ve Q2 çalıştığı için, ters-çevirici bir geçitten beklenildiği gibi, çıkış ucu Vdei geriliminde ya da 1 durumundadır. Buna rağmen giriş ucu 1 durumuna giderse, (yani Vda), Q2 öngerilimsiz oldu ğu için çahşmıyorken Q i öngerilimli olur ve çah şır. Bundan ötürü ç ıkış ucu toprak geriliminde ya da 0 durumunda olur. Iki durumda, ya Q 1 ya da Q2 nin. çalışmadığına ve akımın olmadığına dikkat ediniz. Öyleyse, TMOY geçidinin güç kaybı sıfırdır.

394

SAYISAL ELEKTRON/K

Ş ekil 11-41 e benzeyen çapraz-ba ğlarrt ılı TMOY ters çevirici geçitleri güç harcamadan , her iki durumdan herhangi birinde kalan ikili bir devre olu şturur. Böylece, minimum güç kayb ı ile çalışan pek çok mant ık dizileri yap ılabilir. Bu çok önemli olan gerçek üstünlük, ayn ı sistem içinde n-kanallı ve p-kanallı cihazları içine alan integre-devre yap ımında işe giren önemli karışıklıklar' dengeler. Bununla birlikte TMOY mant ık geçitlerini bir durumdan ötekine de ğiş tirmek için güç gerekti ğine dikkat ediniz. Bu ,durgun ş artlar alt ındaki s ıfır güç kaybı üstünlüğüniin gerçek çal ış mada biraz bozuldu ğu anlammdadır, çünkü mant ık geçitleri, mantık iş aretlerine tepki göstererek durumlar ını değiştirirken güç kaybederler. Bu olgu özellikle çok çabuk saat pulslu h ızh mantık devreleri için geçerlidir. Gerçekten, pek çok say ısal mant ık devrelerinin çalış ması devredeki mantık geçitlerinin saat pulsu ile ard ışık olarak çali şmalarında oldu ğu gibi, dinamik özelliktedir, örne ğin bu Şek.11-31 deki dolaşımlı kaydedici için do ğrudur. Bu durumda, kaydedicinin puls saklayan kat ının iki-durumluya has iki durgun kararli duruma sahip olmas ı gerekli de ğildir. İki ters-çevirici geçitten oluş an Şek. 11-43 teki dinamik haymali-kaydedicinin puls saklama katm ı düşünelim. Bu devrede, Q3 k ı tı bir önceki devreyi bu kattan ay ırır, Q i ve Q2 ters-çeviricisi Q6 aracılığı ile Q 4 ve Q3 ters-çeviricisine ba ğlıdır. C i ,C2 ve C3 kondansatörleri, devrenin dinamik çal ış masında önemli olan sapt ırıcı sığalardır. Burada v i ve v2 gibi iki saat pulsu gerekti ğine ve bunların genel d.a. akıtıcı geriliminin de yerini tuttu ğuna dikkat ediniz.

vı 0

v2

Girig

Şekil 11-43. Tki MOY ters-çeviricisi bir dinamik kaymak kaydedicinin bir pulsunu gösterir.

TEMEL ELEKTRONIK

395

Bu 'devrenin dinamik çal ışması, aş ağıda verildiği gibi ardışık bir seri basamaklar şeklindedir. v i 1 durumunda olduğu zaman, Q2 ve Q3 iletimdedir böylece, C2 sığ as ı Q2 üzerinden 1 durumuna yüklen.irken, C i sığası Q3 üzerinden giriş durumu düzeyine (1 veya 0 durumundan birine) yüklenir. v 1 , 0 durumuna döndüğünde Q i transistörü C i üzerindeki yiike ba ğlı olarak ya iletimde ya da kesilimdedir. Bu da v i 1 durumunda oldu ğu sürece giri ş durumu düzeyine bağlıdır. Giriş düzeyi 1 durumunda ise C i yüklenir, Q i iletir ve bu da C2 yi boşaltır. Buna karşılık, giriş düzeyi 0 durumunda ise C ı yüklenmez, Q2 kesilimdedir ve 1 durumu C2 üzerindeki yükü sabit tutar. ty i in 1 durumundan 0 durumuna dönmesinin C2 yi giriş durumunun tersi durumuna koyma sonucunu do ğurduğuna dikkat ediniz. Yani Q i ve Q2 (Q3 le birlikte) dinamik bir ters-çevirici geçit oluşturmaktad ır. v i ucu 0 durumunda oldu ğu zaman, v2 1 durumuna gider ve sonra 0 durumuna döner. Q4; Q5 ve Q6 darı oluşan dinamik ters-çevirici geçit, giri ş geçidine benzer biçimde çalışır. Net sonuç, C3 ün C2 gibi ayn ı durumda yüklenmesi ve Q4 ün C2 üzerindeki yüke ba ğlı olarak ya iletimde ya da kesilimde olmasıdır. Böylece, v ı ve v2 saat pulsu çifti, devrenin dinamik olarak bu puls çifti süresince giri ş pulsunu saklamasma ve ç ıkış ucunu da giriş pulsu düzeyinde bulundurmas ına neden olmaktad ır. Böyle katlarm pe ş peşe eklenmesiyle olu şturulan devre giri ş iş aretinin iki-dgrunılulardan oluşan kaymalı-kaydedici gibi, kattan kata ard ışık olarak kaymasma neden olur. Kaydedicide saklanan bilgileri korumak için saat pulslarımn sürekli yapılması kuşkusuz do ğrudur. Bu aynı zamanda dinamik kaydedicilerin, ço ğu kez dolaşımh kaydediciler olarak kullan ıldığın ı belirtir, çünkü çıkış uçlarına erişen veriler yeniden giriş e verilerek korunmaktad ır. Dinamik çalışmanın üstünlüğü devrenin basit olmas ından (bir ana-güdümlü iki - durumlu devresini, Ş ek. 11-21'i temel alarak, Şek. 11-41 ile Şek. 11-43 karşılaştırmaz) ve minimum güç kayb ından ileri gelmektedir. Dolaşımlı-kaydedici ilkeleri üzerine kurulan bir kaymal ı-kaydedici hafıza.smm düzenlenişi Şek. 11-44 de gösterilmi ştir. Her kaydedici her say ısal sözcüğün bir pulsunu saklamakta ve kaydedicilerin hepsi ayn ı saat pulsu ile çahştıklarından sözcükler aynı zamanlı olarak kaydedici boyunca kayda ılmaktadır. Şekil 11-31 dekine benzer biçimde, okuma, yazma ve ç ıkış geçitleri , çıkış iş aretlerinin yeniden dola ştırıldığın ı, kaybolduğunu, çıkış olarak ' okunduğunu ve yeniden dola ştırıldığını ya da yerlerine yeni giri ş işaretleri konulup konulmadığını belirler. Bu çe ş itler kip denetleyici clevreleriyle birlikte çahştırıhr, böylece bir sözcü ğün bütün pulsları eşzamanlı olarak yazılar ve okunur. Burada kip denetleyici devresi, sözcükler haf ıza üzerinden dola şırken sözcüklerin yerle şim izlerini saklayarak adres mant ığı görevini de yapar. Hafızanın yetene ği, her sözeükteki pulslarm say ısını artırmak için paralel olarak daha çok kaymak-kaydediciler koymakla art ırılabilir. De ğişik olarak

lgh

SAYISAL ELEKTRON İ K

n-atmal ı kaymal ı - --1)kuma-yazmal <>Atma l O ki ş geçitleri # # kaydedici

Atma 0 giri şi

n-atınal ı kaymalıkaydedici

--- Okuma-yazma G çıkış geçitleril

Atma 1

vı i 1v2 (') Atma 1 giriş i

•atmalı kaymalı .kaydedici vt

Lo Atma b

Okuma-yazma ç ıkış geçitleri

v2 rı Atma b giri şi Kip denetimi

Mantık giri şi denetimi Şekil 11-44. u-suzeilklü, d-pulslu kaymal ı-kaydedici hafızası.

sözcüklerin say ısı ek kayma-kaydedicilerinin pe ş peşe konulmasıyla da artırılabilir. Bu durumda verilen herhangi bir sözcü ğü okumak için geçen süre olarak tanımlanan giriş süresinin orantıh olarak artmas ı yararlı olmayan bir durumdur, çünkü bilginin hafızada dola şması için gerekli toplam süre her kaydedieideki puislarm sayısına ba ğlıdır.

Rastgele-Giri ş Hafızaları Bir kaymah-kaydedici hafizas ındaki giri ş süresi sözcük adresine ve hafızanın sözcük saklama yetene ğin ba ğlıdır, çünkü bilgi yalnız kaymal ı -kaydedicinin çıkışlarında peş peşe elde edilir Bir rastgele giriş haftzastnda yani RGH de giriş süresi hafızadaki bilginin yerle şiminden bağımsızdır ve adres yazma mantığı hafizada saklanan herhangi bir bilgiye hemen giri ş izni verir. Bilgi-

TEMEL ELEKTRONİ K

397

leı-in bir iki dururnlu haf ıza hücresinin durumuyla kur arakesitte saklanmas ı dışında. bir RGH, daha çok bir YHO ya benzer biçimde sözcük do ğruları ve atma do ğrularıyla düzenlenir. Kullanılan toplam dört denetleyici AET d ışında Şok. 11-41 deki MOYAET ikili devresine benzeyen Şek. 11-45 deki MOY hafı za hiicresini dü ş iinelim. Hem x-adres do ğrucu ve hem de y-adres do ğrusu 0 durumunda oldu ğu z4man dört denetleyici transistör Q3, Q4, Q7 ve Q 8 kesilimdedir ve hafıza hücresi elektriksel olarak çevresinden yal ıtılmıştır. Ilücreye, hem x-adres do ğrusunu ve hem de y-adres do ğrusunu 1 durumuna koymakla giri ş verilir. Bu, dört transistörü de iletime geçirir, böylece atma ve atma - DE ĞIL doğrularmdaki mant ık düzeyleri iki-durumlunun durumuna kar şılık gelir. Başka bir deyimle, ikidurumlunun durumu dışardan atma ve atma-DE ĞIL do ğrularma uygulanan mantık düzeyleriyle ayarlanabilir. Vdd

• • x•adred

y-adresi

. Atma Atma

• O•

Şekil 11-45. RGH için MOY hafıza hücresi.

Bu durgun hafı za hücresi kapladığı yer yönünden yararl ı de ğildir. Her atma için sekiz transistör gerekli oldu ğundan bo ş -yere güç kayb ı da çoktur, çünkü iki-durumludaki transistörlerin birinde ya da ötekinde ak ım bulunur.

3' 8

S AYISAL

ELEKTRONIK

Güç kayb ı, yük transistör geçitleri olan V gg yi saat pulsu ile ayarlayarak azalt ılabilir; böylece, hücre adres yazmad ıkça Q2 ve Q6 kesilimdedir. Bu, ak ı nını sıfır olmas ına neden olur ve hafı za bilgisi, Şek. 11.-43 deki dinamik tersçeviricilcr durumunda oldu ğ u gibi, Q i ve Q, geçiticrindeki 'sapt ırıcı s ığ alar üzerindeki yiiklerle tutulur. Bu durumda periyodlu olarak Q, ve Q6 yı iletime geçirerek sapt ı rı cı sığalar üzerindeki yükleri tazelemek gerekir, böylece kaç ınılmaz olan kaçak • ak ı mlar bilgiyi kaydetmeye neden - olmazlar. Dinamik hafıza hücreleri RGH nin haf ızas ınm yetene ğini önemli ölçüde art ıran her puls ba şına en az üç transistör kullan ılarak da yap ılabilir. 16—atmalı bir RGH Ş ok. 11--46 da gösterilmektedir. A.dress-çözücüleri, adres mant ık girişine karşılık gelen uygun x ve y do ğruları nı seçer ve seçilen arakesitteki iki- durumlunun durumu ç ıkış uçlarında gözükür. Herhangi bir arakesitteki bilgi, yazma giri ş ine istenen puls durumlarını vermekle bulunur. Uygulamada 2 12 (4096) puls mertebesinde saklama yetene ği ve 10 ns mertebesinde giri ş süresi olan kullan ışlı RHG Teri bulmak mümkündür. Adres mantık

y-adres çöziicil ş ü

giri ş i

—01

Yazma O girişi

—O

1

NIL 0O

Okuma çikiş i

Şekil 11-46. 16—pulslu RGH,

KAYNAKLAR Arpad Barna and Dan I. Porat: "Integrated Circuits in Digital E ectronics" John Wiley & Sons. Inc. ; New York, 1973.

TEMEL. ELEKTRONIK

399

H.V. Malinstadt and C.G. Enke: "Digital Electro ııics for Scientists", W.A. Benjamin, Inc., New York, 1969. Basil H. Vassos and Galen W. Ewing: "Analog and Digital Electronics for Scientists", John Wiley & Sons Inc., New York, 1972. ALIŞTIRMALAR 11-1. 20+14, 15+34, ve 56 + 25 toplamlarım ikili sayılarla yap ın. Onlu toplamları ikili sayılara çevirerek sonucunuzu kar şıla ştım. Her sayının ve toplamlarmın dalgalbiçimlerini çizin.

Cev: 100010; 110001; 1010001 11-2. 25-14, 35-16, ve 12-3 ç ıkarma i şlemlerini ikili sayılarla yap ın. Onlu çıkarmalar' ikili sayılara çevirerek sonucunuzu kar şılaştım. Her sayının ve farkları= dalgabiçimlerini çizin. Cen: 1011; 10011; 1001 11-3. 1101 ve 1001 ikili sayıları ile bunların toplamının dalgabiçimlerini çizin. Giriş işaretlei 1101 ve 1001 olan bir VE geçidinin ç ıkış dalgabiçimi ile toplanan' dalgabiçimini kar şılaştım. 11-4. De Morgan teoremini kullanarak d ışarlayan- VEYAD mantık ifadesini basitleştiriniz. Niçin bu hazan eşitlik karşılaştırıcısı adını alır? Cev : A.B+ Â .15 11-5. Şek. 11-17 deki tam toplay ıcının doğruluk çizelgesini bulun. 11-6. Giriş dalgabiçimleri 1101 ve 1001 ikili sayıları ise Şek. 11-18a, 11-16, ve 11-17 yi kullanarak bir seri tam toplay ıcmm her geçidinin çıkışın.daki dalgabiçimlerini çizin. Çıkış dalgabiçiminin girişlcrin toplammı gösterdi ğini doğrulayın 11-7. Bir VEYAD ikilisi ile bir geçitli VEYAD ikilisi için do ğruluk çizelgelerirıi yazın ve Çizelge 11-12 ve 11-13 ile kar şılaştım. 11-8. FFD nin Q çıkışı FFA nın J sine ve FFD nin i si de FFA nın K sine bağlı ise Çizelge 11-17 ye benzer biçimde 4-basamakl ı halka sayacın durumlarını belirleyin. Arkadan açan sayaç denilen bu sayac ın ilk durumunun tüm iki durumlularm silinmişi olduğunu varsayın. 11-9. Giriş durumu "A.13CD ile belirlenen Ş ek. 11-33 deki IKO-unlu çöziiciisüniin çıkışını bulun. ABCD için yeniden çözün. Cev 4 ve 8;3 ve 9.

11-10. Şek. 11-33 teki İKO-onlu çözücüsünün herhangi bir giriş durumunu kullanarak aydnılanabilen lambalarm maksimum say ısı nedir? Hiç bir lamba yanmadığı zaman herhangi bir giri ş durumu var mıdır? Cen : İki; yoktur.

BÖLÜM ON İKİ

Sayısal ()içi-neler

Say ısal cihazlar, ölçme yapmak ve verileri i şlemek için önceki bölümlerde anlatlan mantık devreleri ve yöntemlerini kt ıllanırlar. Sayısal cihazların analog cihazlarından önemli bir üstünlüğü, sayısal verilerin kesin olmas ıdır. En az anlamlı pulsun ya 1 ya da o olması gerekir, böyle daha fazla sayılar kullanarak doğruluk artırılabilir. Bundan başka, sayısal işaretler istenildiği kadar yükseltilebilirve olduğu gibi saklanabilir. Sayısal devrelerin çalışma ve kesilme özellikleri nedeniyle, kayma ve kararlılık problemleri oldukça önemsiz olmaktad ır. Öte yandan, sayısal cihazlar analog eşdeğerlerine göre daha karışık olma eğilimindedir. Sayısal devrelerin güvenilirlik, doğruluk ve yeteneklilik gibi üstünlükleri önce sayısal bilgisayarlarda anlaşılmıştır, ama şimdi çeşitli cihazların yapım ında ve' ölçme devrelerinde geni ş bir uygulama alanı bulmu ştur.

401

TEMEL ELEKTRONIK

SAYISAİ, CİHAZLAR-` Zaman-Aralığı ()içeri İki olay aras ındaki zaman aral ıSkı, bu iki olayı işaretlerle belirleyen pulslar arasındaki süreyi gösteren kararl ı bir asilatörün devir sayısını sayarak doğru olarak ölçülebilir. Bu ,Sek. 12-1 de oldu ğu gibi pulslar aras ındaki aralığa eşit bir süre boyunca bir geçit pulsu sa ğlayan giriş pulsları ile bir iki-durumluyu tetikleyerek ba şarıhr. Osilatörün frenkans ı 1000 Hz ise ard ışık ondalık sayıcılar zaman aralığın' doğrudan milisaniye olarak gösterirler. dEL

Giriş

Kristal titreşken

GNteriei

Y

Türev alıcı ve knineı devreler.

İ GO sayaçlsin

/).

ııııı Şekil 2 . Zaman-aral ıgı ölçerinin blok-çizimi ve dalgabiçimleri.

Ölçülen sürenin do ğruluğu, geçit pulsunun osilatörünün pulslarma göre başlatılması sırasında, osilatörün bir devrinin belirsizli ği ile belirlenen kararlıliğına bağlıdır. Şekil 12-2 de açıklandığı üzere, geçit pulsunun osilatörün pulsu ile birlikte ba şlaması durumu ile geçidin pulslar arasında açılması durumu karşdaştı rdırsa bir fazla sayı kaydedilebilece ği görülür. Bu 1—atmal ık belirsizlik nedeni ile büyük bir toplam saymaya belirlemek için osilatörün frekansının oldukça büyük olması istenir.

Frekans ölçeri Benzer yöntemler, bilinmeyen bir osilatörün frekansm ın ölçülmesinde kullanılı r. Bilinmeyen işaretteki devirlerin say ısı, doğru olarak bilinen bir zaman aralığı içinde sayılır. Bu amaçla giri ş iş areti önce devir ba şına bir olacak bi-

i ıı 2

SAYISAL ÖLÇMELER

1

3

2

4

5

t

T

1

2

3

4

5

t

T

Şekil 12-2.

çimde bir puls dizisine döoiiş türülür. Bu puls dizisi, Şek. 12-3 de görüldüğü gibi, bir Schmitt tetikleme devresini izleyen türev al ıci ve kırpıcı devrelerle oluşturulur. Giriş pulslarmın sayısı, verilen bir zaman aral ığında sayılır. Örne ğin zaman arahğı 1 s ise, bilinmeyen frekans do ğrudan do ğruya hertz olarak gösterilir. Gösterici

Ila 999 4/)

Giriş

Schmitt teiikleyici

Bellek

Türev-alicr ve larmci devreler 1G0 sayaçları

Başlatma

anahtarı Kristal titreşken

1-*-- T

Şekil 12-3. Sayısal frekans ökeri.

Kararlı bir kristalli osilatörün ç ıkışın ı ölçeklendirmekle zaman arah ğnu türetmek uygundur. Ölçekleyicinin son iki-durumlu devresinden al ınan çıkış pulsu, goçidi doğrudan kontrol için kullan ılır. Cihaz ın frekans bölgesinin,

403

TEMEL ELEKTRONİK

osilatör sayacmın ölçek çarpan ını değiştirmekle kolayca de ğiştirilebilece ğine dikkat ediniz. Gerçekten; cihaz giri ş iş aretinin bilinmeyen frekans ıııı kristalli osilatöriin bilinen frekans ı ile karşıla ştım. Frekans ölçeri, başlatma anahtaımı kapayarak ba şlatıhr ve bir sayma aralığından sonra da aç ılır. Kullanışlı cihazlarda , bu i şi yapmak ve aynı zamanda sayıyı hafıza kaydedicilerine iletmek ve frekans-say ıcı kaydedicileri silmek gibi işlemleri yapmak için kontrol devreleri vard ır. Böylece cihaz, giri ş frekansmı ardışık olarak örnekler ve giri ş işaretinin yava ş frekans değişmelerini ortaya çıkarabilir ve gösterebilir. kontrol devreleri, cihaz ın işaret-kontrol kesimlerinde kullanılan aynı mantık geçitleri ve devrelerini kullan ır. Frekans ölçümü, zaman.-aral ığı ölçerinde olduğu gibi, l—pulsluk bir belirsizlikle yapıhr. Bu etki, geçit aral ığı sırasında giriş pulslarm ın sayısını artıracak biçimde osilatör sayac ı için bir ölçek çarpam seçmekle küçültülür. Buna ra ğmen alçak-frekans giri ş iş aretleri, giri ş iş aretinin bir periyodundan geçit pulsunu türetmek ve zaman aral ığı ölçerinde olduğu gibi bu sürede osilatörün pulslarmı sayarak ölçülebilir.

Sayısal Voltmetre S ayısal cihazların temel bir özelliği, giriş iş aretlerini sayısal verilere dönü ştürmektir. Bir önceki kesimde tart ışılan cihazlar, analog'dan - sayısala yani A-S dönü şümünü başarmak için oldukça basit puls devreleri kullanmaktad ırlar. Başka anolog iş aretlerini say ısal işaretlere dönü ştürmek için pek çok farklı yöntemler düşünülmüştür. Bunun seçkin bir örne ği, sayısal voltmetre olarak kullanılmaktad ır. Bu cihaz, ölçüleri gerilimi doğrudan okunacak bir sayıyla gösterir. Bir sayısal voltmetrenin Şek. 12-4 de gösterilen basitle ştirilmiş blok çizimini düşünelim. Giriş uçlarına uygulanan ve bilinmeyen d.a. gerilimi, 10 — kHz Giriş

0 kil tit.

Gösterici

ipkaş

•• ,...Aktar,.

eme

Bellek

Diyod pompa

IG.0 sayaç arı Boşaltma

Denetim Silme

Şekil 12-4. Sayısal voltmetrenin basitle ştirilmiş blok çizimi. (Princeton Applied Research Corp.)

404

SAYISAL ÖLÇMELER

lik bir osilatörden beslenen bir diyod pompa devresi ile olu ş turulan bir merdiven biçimli dalga ile kar şıla ş tırılır. Merdiven biçimli i ş aret, giriş gerilimine eşit olduğu zaman, kar şı la ştırıcı öteki osilatör pulslarmın iletimini keser. Diyod pompanın değişkenleri, merdiveninin her basan-14mm yüksekli ği 1 nıV a e şit olacak biçimde seç'rr. Böylece, basamaklar ın sayısı , milivolt olarak do ğrudan do ğruya bilinmeyen gerilime eşit olur ve basamaklar üç -ondal ıklı sayaç, hafıza kaydedicisi ve ondal ık gösterimle say ılır ve gösterilirler. Ard ışık olarak, kontrol devreleri gösterim için haf ıza iletimini sa ğlar ve devrin yinelenmesi için diyod pompanın sığasun bo şaltır. Yeni bir okuma 1 s den az bir süre içinde yap ılır. Gerçekte, kullan ışlı cihazlarda kontrol devresinin ba şka fonksiyonları da vardır. Örne ğin, giriş teki çarpan dirençleriniu kendili ğinden de ğiş tirilmesi ve böylece 100 m V dan 999 V a kadar olan gerilimleri 1—say ı doğru lukla ölçülebilmesi mümkündür. Buna ek olarak, devre her giri ş -gerilimi kutupluluğuna kendini ayarlayabilmektedir.

A-S VE S-A DONÜŞOMU Analog işaretlerinin sayısal eşdeğerlerine dönüşümü, eşde ğerliğin kurulabilme hızı ve do ğruluğuyla belirlenir. Bu olay ın tersi olan sayısaldan Analog ya da S—A dönü şiimü ayn ı ölçüde ilginçtir ve bu genel olarak, A—S dönii şümünden daha kolay yap ılır. A-S ve S-A dönüşümlerinin her ikisi de karışıklık ve etkinlikçe değişen pek çok farkl ı yollarla yap ılabilir. Daha önceki bölümde tart ışılan basit merdiven-biçimli dalga. A-S dönüşümünün doğruluk'!" üretilebilen her basama ğna duyarlılığı ile smırlıdır. Bunun yanında eğer girişi tam olarak d.a. iş areti de ğilse, yanhş okuma ihtimali vardır. Örne ğin giriş işaretinin, gürültü pulslar ı veya güç-kayna ğı ba ğlantısmdan gelen 60—Hz lik bir bile ş eni içerdi ğini varsayalım. O zaman merdivenbiçimli dalganın giriş i ş areti artı bir gürültü gerilimine e şit olması gerekir, bu ise hatah okuma olu şturur. Bu okuma, ard ışık ölçme devirleri üzerine kurulan sayısal gösterimlerde istenmeyen dalgalanmalara neden olur.

Ikili Eğim integrali Yukardaki güçlük, basit ve kullan ışlı bir A-S dönüştüreni olan ve Sek. 12-5 de gösterilen integral alıcısı ile yenilir. Bu yakla şımda giriş işareti, sayac ı tamamen doldurmak için gerekli olan zamanla belirlenen sabit bir zaman aral ığmda integre edilir. Son saymada ta şan puls , kontrol mant ığın' integral alicısm ın girişinin sabit negatif bir referans gerilimine ba ğlanmasına neden olur. Referans gerilimin integrali, integral ah: ısının çıkış geriliminin doğrusal olarak s ıfıra do ğru azaltılmasma neden olur. Bu noktada s ıfır-detektör kar şılaştırıcısı, İ KO sayaçlarının çıkış kaydedicilerine say ıyı iletmek ve bundan sonraki ölçüm devrimi ba şlatmak için kontrol mantığına çalıştılar.

405

TEMEL ELEKTRONIK

IGO sazcük çıkışı ABCD ABCOARCO ABC°

Benzerlik girişi

Integral al ıcı C

Sıfı r algılayı cı

Aktar

Şekil 12-5. Ikili-eğim integral alıcısı.

Gerçekte bu sistem, ölçülen zaman aral ığında bilinen referans gerilimiyle uzaklaştırılan yükle, sabit bir zaman aral ığmda bilinmeyen giri ş iş aretiyle integral alıcı kondansatörünün üzerinde olu ş an yükü karşılaştım. Her iki ölçümde de ayn ı işlemsel-yükselteçli integral al ıcı ve osilatör kullanıldığından devre hataları azaltılır ve do ğruluğu Referans gerilimin kararlılığı ile smulandırıhr. Giri ş işareti, ilk giri ş devri sırasında iııtegre edildiği için rastgele gürültü iş aretleri ile de ğişen bileşenlerin ortalamas ı sıfır olur. İkili-eğim integral alıcı, merdivenli A-S dönüştüren durumunda saniye ba şına yalnız 3—rakamlı iki okuma ile karşılaştırıldığında saniyede 5—rakaml ı onbeş okuma yapmaya yeteneklidir. İ kili-eğim tekniği; ba şka A-S dönüştürüeülerinde kullan ıldıkları kadar sayısal voltmetrelerde kullan ılır

Ardışık-Yaklaşıklıkla Dönüştürücü Çok hızlı bir çalış ma Şek. 12-6 da gösterilen ardaşık-yakla ştklık dönüştürücüsü ile yapılır. Bu teknikte bir 8421 İKO a ğırlık kodu olan bir gerilim dizisi giri ş IGO sözciik çıkışı

A Akt alım ' Giriş o

Sakla Dış arla

Denetleme mantığı

B

C

.».0

T T TT

Kiırşılaştırıcı

I IGO

• sözcükleri.

IGO kaydedicisi 'Benzrlik

BA ŞLA

düzeyi S-B Oniiştüreni

Şekil 12-6. Ardışık-yaklaşıkhkla A-S dönüştürücünün basitle ştirilnıiş blok çizimi.

SAYISAL ÖLÇMELER

406

işareti ile ardışık olarak karşılaştı rılır. Giriş iş aretinden küçük olan her gerilim düzeyi saklanır veya giri ş iş aretinden büyükse d ışarlan ı r. Giri ş iş aretindeki en anlamlı rakamın yakla şıklığı yapıld ıktan sonra, 8421 deseninde 10 çarpan ı kadar ikinci bir gerilim dizisi saklanan de ğere eklenir ve ard ışık toplamlar giri ş iş areti ile kar şıla ştırılır. Bu süreç, istenilen duyarl ığa eri ş,ilinceye kadar, basamak basamak tekrarlan ır.

••--0- 11,55 V'a kadar

E t)

BA Ş LAt

1

İ GO

OOO.O o 0 O O

Sözcükleri

2

1011=11 Birinci say ı

o 0

00 o

-8

010 =5 Ikinci sayi

Şekil 12-7. 11,55V'u İKO e şdeğerine dönüştürmek için ardışık yakla şıklıkların kullamlınası.

11,55 V bak giriş iş aretinin ikili e ş de ğerine dönüştürüldüğü özel durum için ardışık yaklaşıklık süreci, Şek. 12-7 de çizimle gösterilmi ştir. Başla durumunda kontrol mant ığı Şek. 12-6, 1000 ikili sözcü ğünü üretir ve bunu 'KO kaydedicisine yerle ştirir. Gelecek kesimde tart ışılacak olanlar ın benzeri olabilen S-A dönii ştürücü, bu sözcü ğü onun e ş değer iş aretine, 8,00 V, dönüş türür. Bu de ğer giriş iş areti ile karşılaştırılır ve giriş işaretinden küçük oldu ğundan saklaınr. Bundan sonra kontrol edici analog e ş de ğeri 8,00 + 4, 00 = 12,00 V olan 1100 ikili sözcü ğünü üretir. Bu de ğer giriş iş aretinden büyük oldu ğu için, ikinci yakla şıklık değeri, 01.00 = 4,00 V d ış arlanır. -Üçüncü yakla şıklık, 1000 0010 := 1010 = 8,00 + 2,00 = 10,000 V olur ve giri ş iş aretinden küçük olan bu de ğer de saklamr. Son yakla şıklık 1010+0001=10,00+1,00 =11,00V da giriş i ş aretinden küçük oldu ğu için saklanır. Bu dört basamakl ı işlemin sonunda giriş işaretine ilk yakla şıklıktır yani bu 1011 ya da 11 olan ilk say ıdır.

407

TEMEL ELEKTRONİK

Bu olay, 'Şek. 12-7 de açıklandığı gibi, kontrol mantığı tarafından ikili deneme sözcüklerinin analog e ş değerleri 0,80; 0,40; 0,20 ve 0,10 V a dü şünceye kadar, ikinci sayı için yinelenir. Sonuç olarak bulunan 0101 = 5 ikinci sayıdır. Istenilen duyarh ğa erişilinceye kadar bundan sonra gelecek say ı için tekrarlamr, v.b. Dü şünülen özel durumda, 11,55 V un İKO eşdeğeri 1011, 0101 0101 dir. Ardışık-yaklaşıklık dönüştürücüsünün hızı, yaln ız sayısal mantık devrelerindeki iletim gecikmeleriyle sunrhd ır ve dönüştürücü saniyede 4-basamakl ı bin sayı okuyacak kadar yeteneklidir. Bundan ba şka, merdiven-dalgabiçimi ve ikili-eğim integral yakla şımlarının tersine, dönü ştürme süresi işareti!' büyüklüğünden ba ğımsızdır. Arcb şık-yakla şıklık dönüştürücüleri integre etmezler, bununla birlikte ço ğu kez istenmeyen gürültü i şaretlerini azaltmak için giriş iş aretleri bir alçak-frekans süzgecinden geçirilir. S-A Merdiven Devreleri ikili çıkış işaretlerini analog e ş de ğerlerine dönüştürmek çoğu kez yararlı olur, örneğin, sayısal kontrol uygulamalarında çıkış işareti sistemi ayarlamakta kullanılabilir. Başka bir örnek, daha önceki kesimde tart ışılan ardışık yaklaşıklık dönüştürücüsünde kullan ılan S—A dönüştürücüsüdür. Ço ğu kez, S-A dönüştürücüleri, merdiven devreleri denilen direnç dizileri kullan ırlar. Şekil 12-8 deki aprlıkli-dirençli merdiven devresi ile işlemsel yükselteci düşünelim. Bölüm 8 de tart ışıldığı gibi işlemsel yükseltecin ç ıkışı, her giriş işaretinin, geri besleme direncinin giri ş dirençlerine oranı ile çarpıldıktan sonra toplanmas ıyla bulunur. Böylece analog ç ıkış işareti,

Benzerlik çıkışı

IGO

D C B A -0V,=—V(T++ 4. + 8 )

sözeük

girişi •

Şekil 12-8. Ağırlıklı dirençli 4-basamaklı S-A, dönüştürüeü.

1

2

(12-1)

olur, burada V, ABCD giri ş pulslarmın herhangi biri için 1 durumunda olan mantığın genliğidir. Bu devrede, bilinen 8421 İKO koduna ağırlık kazandırddığma dikkat ediniz.

408

SAYISAL t51. ÇMELER

Çizelge 12-1, ondalık sa karşılık gekn İ KO sözcükleri için Denk. (1.2-1) den hesaplanan analog ç ıkış işaretleriııi vermektedir. Aç ık olarak ç ıkış gerilimi ondalık değerlere benzemektedir. çizelge 12-1. Ağırlıklı dirençli S-A dönüştürücüsünden elde edilen analog ç ıkışı. İKO sözcüğü DCBA

Ordu

Va-(V')

11

N OtAO ıfı OInRte5 0 Ö ry e—r C7 eu M ef; eH -et■

0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001

1111111

• mantığm 1 durumunun 1- 4,0 V olduğunu varsaymız.

Sağlıklı dönüştürme elde etmek için, merdiven devresinde duyarl ı dirençler kullanılmalıdır. Özellikle, 4 basamaktan daha uzun sözcükler dönü ştürülürse direnç değerleri de geniş bir bölgeyi kaplamalıdır. Bu güçlüklerin her ikisi de Şek. 12-9 daki ikili merdiven devresi denilen devre ile giderilir. Bu •

2R

Benzerlik çıkışı —O Ve

2R IGO sözcük giriş i

BO

A 2R

Şekil 12-9. İkili-merdivenli 4 basamakl ı S-A dönüştilrücli.

devrede, giri ş ikili sözcüklerindeki pulslarm sayısından bağımsız olarak direncin yalnız iki değeri gereklidir. Teker -teker giri ş pulsu işaretlerini toplamak için bir işlemsel yükseltecin gerekli olmad ığına da dikkat ediniz,

TEMEL ELEKTRONIK

409

İKO sözcük girişlerine karşılık gelen analog çıkış iş areti do ğrudan devre çözinalemesi ile Şek. 12-9 dan bulunabilir. Bütün 1 mant ıklı pulsların aynı gerilimde ve bütün 0 mant ıklı pulsların da toprak geriliminde oldu ğu varsayılmıştır. Sonuç olarak a ğırlıkh-dirençli dönüştürücüniin analog ç ıkış gerilim değerleri Çizelge 12-1 deki de ğerlerin üçte biri olmaktad ır. Her iki tip merdiven devrede de, analog ç ıkışının doğruluğu ikili giriş işaretindeki her puls geriliminin genli ğine ba ğlıdır. Bu nicelik, ikili mant ık devrelerinde ço ğu kez incelikle kontrol edildi ği için kullanışlı bir S-A dönüş türücück, Şek. 12-10, gerilim düzeylerini do ğru olarak ayarlamak için her pulsa sınırlayıcı diyod uygulayabilir. Toplayıcı yükselteçlere verilen toplam giriş iş areti, yükselteci daha az doyuma getirece ğinden daha başka bir üstünlüğe ulaşır. Sınırlayıcı diyod ile her mantık 1 pulsunun gerilim düzeyi 4,0 V yerine 0,6 V ya da normal pozitif mant ık işaretleri durumunda oldu ğu gibidir. Her ondalık sayıya karşılık gelen İKO giriş sözcüğü için Şek. 12-10 a benzeyen bir devrenin gerekti ğine de dikkat ediniz. YHO gösterim çözücüleri nedeniyle önceki bölümde tart ışılanlara benzer biçimde çok-katl ı S-A dönüştürücüleriyle devre karışıklığın' azaltmak ço ğu kez mümkündür. 680

5,5 kS).

Şekil 12-10. Pratik 4-basamakl ı S-A döniiştü'rücii.

SAYİSAL İZLEYİCİLER Sayısal mantık devreleri kullanılan analog cihazlardan tamamen farklı bir biçimde işaretlerle i şlem yapılmasına imkan verirler. Küçük sayısal bilgisayarlar gibi olan pek çok - sayısal cihazlar, oldukça özel hesaplamalar ı bulmak için düşünülmüştür. Böyle cihazlarda kullanılan giriş ve çıkış işaretleri çoğu kez benzer bir özellikte olmas ına rağmen, sayısal mantık devrelerinin güçlü oluşları ve kullanılma esneklikleri her yerde önemli ölçüde kullan ıhnalarmı ve yetenekli i şlem yapmaları sonucunu dokurmaktadm

410

SAYISAL ÖLÇMELER

Sayısal Siizgeç Örneğin, sayısal-süzgeç adı verilen cihaz, indüktansl ı ve sığalı bir süzgeç devresinde oldu ğu gibi görev yapar, yalnız bu durumda alışılmış bileşenlerin değerleri ile mümkün olmayan süzgeç de ğişkenleri elde edilir. Bir say ısal süzgecin işlemesi, karışık dalga biçimlerinin Fourier serileri gösteriminde oldu ğu gibi, frekansla zaman aras ındaki ikili duruma dayanır Yani bir işaretteki frekans bileşenlerinin spektrumu i şaretlin zamana göre de ğişimi ile belirlenen dalga biçiminin tanımı ile aynıdır. Bunun sonucu olarak ço ğu kez bir süzme devresi frekans-tepki belirtgeni ile belirtilirke ıa, buna eş değer yararlı bir tanım devrenin geçici özellikleri kullan ılarak yap ılabilir. Frekans-tepki belirtgeni, verilen frekansta ç ıkış iş aretinin. v o (f) giri ş iş aretine, vi (f ) oranı ile verildiğine dikkat ediniz

vo(f) = F(f) (f)

vt

(12-2)

giriş ve çıkış işaretlerinin ayrı zamanlarda alındığma dikkat edilirse buna benzer bir giriş -çıkış bağıntısı zaman bölgesinde de vard ır, v o (t) vi (t)

= T(t,t')

(12-3)

F (f) ve T (t,t') nün her ikisi de süzgeç devresinin özelliklerini gösteren doyurucu tan ımlardır. E ğer frekans-belirtgeni bilinirse, bir kar ışık dalgabiçiminin. Fourier bileş enlerinin bulunmas ında olduğu gibi T (t,t') için bir ifade geliştirilebilir. Bu, dönüşümün ayrıntıları, burada bizi ilgilendirmemektedir. Bununla birlikte, zamana göre gösterim süzme i şleminin sayısal yöntemle do ğrudan hesaplanmasmı mümkün kılmaktadır. Bu durumun a şağıdaki örnekten anla şılması önemlidir. Herhangi bir anda say ısal süzgecin çıkış , daha önceki pek çok kesildi zamanlardaki giri ş iş areteri cinsinden yaz ıhr, (12-4) v o (t) = aivt (t — -I- a2vt(t — 2S) a 3vt(t — 3(ş) ... Burada, a katsayıları süzgecin. T (t,t') belirtgeniniu gösterimidir. Denklem (12-4) ile gösterilen hesapla ınalar Şek. 12-11 de gösterilen devre ile yap ılır. Önce giriş iş areti kesildi aralıklarda örneklenir ve say ıya dönüştürülür. Her örnek uygun bir zaman arah ğı kadar geçiktirilir ve istenilen süzme i şleminin sabit bir belirtgeniyle çarp ıhr ve sonuç, çıkış işaretini verecek biçimde toplan ır istenirse çıkış anclog biçimine dönü ştürülebilir. Gerçekten, say ısal süzgeç sürekli olarak giri ş işaretlerinden ötürü ortaya çıkan süzgeç çıkışını hesaplar. Süzgecin çal ışması kolaylıkla ayarlanan a katsayıları ile tanımlandığı için, aynı sayısal süzgeç çok-çe şitli frekans-tepki belirtgeıderini birleştirmek için kullanılabilir. Alçak-frekans ve integre devre uygulamalarında çoğu kez üstünlük sa ğlayan indüktans burada gerekli de ğildir. Bundan ba şka, sayısal yerlerin kesikli ği ve duyarlı işlem yapması nedeni

411

TEMEL ELEKTRONIK

ile, özel frekanslarda bu cihazda oldukça büyük azaltma (attenuation) yap ı labilir::

B-S dönüş .

Geciktiren

Geciktiren

Geciktiren

Şekil 12-11. Sayısal süzgecin blok çizimi.

Basit bir alçak-frekans say ı sal süzgecinin frekans-tepki belirtgeni, Şek. 12-12, aniden azalmaya ve ba şarılabilen en iyi alçak-frekans özelliklerini göstermektedir. Şekil 12-11 deki katsayılarm Denk. (12-4) e dayand ığına ve örnekleme hızının 1 /Ö = 100 Hz oldu ğuna dikkat ediniz Yükselteç kazançlarm ı de ğiştirmekle katsayılarda elde edilen basit bir de ğişiklik, aynı temel devre ile oldukça farklı bir frekans-tepki belirtgeni olu şturur. Bu görünüm, alıştırmalarda daha iyi incelenecektir. -

2,0 r

o

8 = 0,01s

1,0 1— a

=

= as =

a a

= + 0,120 == — 4 . 01 0. 02474

a7 = — a6 = +

0,327 0,900

1,0

10 f,

100

Hz

Şekil 12-12. Sayısal süzgecin frekans-tepki belirtgeni.

İşaret izleyicileri Daha çok giltültü ile örtülü tekrarlanan i şaretler, tekrar eden veya devirli i şaretlerle rastgele-gürültü i şaretleri aras ındaki temel farktan yararlanarak bir ortalama alma yöntemiyle gürültüden ayr ılabilir. Rastgele-gürültü i ş areti-

412

SAYISAL ÖLÇMELER

nin orta [ama de ğeri s ıfıra e ş ittir. işaret ortalama- altetları denilen cihazlar rastgele-gürültülerin. ortalamas ın ı allı ve böylece geride yaln ız ilgili iş aretin dalgabiçimi kalır. • Bir iş aret ortalama-al ıcı = blok çizimine göre, Ş ck. 12-13 giri ş iş areti art ı gürültü, bir halka sayac ı ile sıra halinde çal ış abilen 100 AET geçitlerinin her biriyle. ard ışık olarak örneklenir. Her örne ğin gerilim düzeyinin ortalaması alınır ve RC korıdansatörlü hafızalarda saklan ır. Pek çok tekrarlanan dalgabiçimlerinin ortalamas ı alınd ıktan sonra, gür ültünün ortalamas ı sıfır olur ve her kondansatörcle saklanan gerilim, dalgabiçimi üzerindeki özel bir noktadaki iş aret gerilimini gö.sterir. Tam dalgabiçimi, tarama ç ıkış iş areti ile birlikte geçitlerin ard ışık olarak çal ış masıyla çıkış ucunda gösterilebilir. Oku

-- Gürültülü giri ş °—

•

0,!--

Ortalaması

O

100 AET geçiti

Sakla

işareti

Rc's

S

alınmış çıkış işareti

IC

Tetikleme

Saat

o Tarama

Halka sayaç

çıkışı Creteci Şekil 12-13. iş aret ortala ına-al ıcısmın basitleş tirilmis blok çizimi. (Princeton Applied Research Corp).

Tefkleyici giriş iş areti, iş aret dalgabiçimi ile alman örne ği eşzamanlı yapar, böylece dalgal ıiçimi üzerindeki ayn ı nokta her zaman örneklendirilir. Görültünün karıştırıcı etkisi nedeniyle, genellikle giriş işaretinden tetikleme iş aretini türetmek mümkün de ğildir. Ortalamas ı alman dalgabiçimi gösteriminin giri ş iş areti ile ayn ı hızda olabildiğine veya de ğişik olarak, giriş iş aretine göre ya h ızlı ya da yava ş bir oranda bulunabilece ğine de dikkat ediniz. Bu, istenirse ç ıkış dalgabiçimini bir kaydeclici üzerinde tutmay ı mümkün kilar. Gürültüden temizlenen bir i ş aret dalgabiçiminin bir örne ği Şek. 12-14 de gösterilmi ştir. Bu yöntemin başka bir görünümü, içinde tek geçit ve kondansatörlü hafıza bulunan ve boxcar integral alıcı denilen biçimidir. Dalgabiçimi üzerinde örneklenen nokta, dalgabiçimi üzerinde yava şça ilerler. Her konumda i ş aı etin ortalamas ı alınır ve bundan sonra gelecek noktaya hareket etmeden önce okunur. Do ğal olarak devresinin basit olmas ı nedeni ile, boxcar integral aheılar 10 -9 s mertebosinde süren dalgabiçimleri için kullan ılabilir ama çok kanallı 10-5 s den daha uzun i şaret sürelerine suurlan ıdırdmışlard ı r. Öte

413

TEMEL ELEKTRONIK

yandan boxear integral ahc ılarııııın tam dalgabiçimi ııin ortalarnasm ı almas ı için yaklaşı k 100 kez daha uzun süre gereklidir çünkü yaln ız bir tek kanal kullanılır.

(a)

(b

)

Şekil 12 - 14. (a) Gürültüye gömülü i şaret re (b) işaret ortalama al ı cı ile temizlenen dalga biçimi. (Prin-

ceton Applied Researeh Corp.)

Iş aret ortalama-al ıcıları ile ilgili daha gelişmiş işaret-i şleme yöntemi, zamana-bağlı iki işaret aras ındaki ilgi üzerine kurlur. fa (t) ve fB (t) iş aretleri arasındaki çapraz-ilgi fonksiyonu denilen ifade, CAA(T) = li m T,

1 T

T

f4(t) fdi

T) dt

-

(12-5)

biçiminde tammlamr.fa (t) = fB (t) olan özel durumda CAA (T) ye otomatik ilgi fonksiyonu denir ve Denk. (12-5) de bulunan zaman ortalamas ı nedeni ile iş aret ortalamas ı alanlarda oldu ğu gibi görültüde azalmalar sa ğiamr. Bununla birlikte otomatik ilgi fonksiyonu daha çok ekbilgiler içerir ve örne ğin, bir dalgabiçimindeki Fourier bile ş enlerini belirlemek için kullan ılır. Benzer biçimde çapraz ilgi fonksiyonu, iki i şaretin birbirine ne kadar yak ınlıkla karşılık geldi ğini ölçer ve bundan ötürü iki i şaretle gösterilen olayın anla şılmasında daha derin anlay ış kazandım. Olayı böylece anlamak işaretlerin herhangi birinin özelliklerini çözümleyerek anlamaktan daha aulaml ıdır. Denklem (12-5) e kar şılık gelen hesaplama, Şek. 12-15 deki işaret izleyicisi ile bulunur. Bir giriş işareti sayıya çevrilir ve 100-kanalh bir kaymah-kaydedieiye verilir. Kaydedicideki her kat ın çıkışı ikinci giriş iş areti ile çarp ıhr ve sonucun ortalamas ı alınır ve her RC hafızasında saklamr. Kaymah kaydedici boyunca ilk giri ş işaretinin hareketi Denk. (12-5) deki T geçikme zaman ını Sa ğlar. ilgi fonksiyonu, bir çıkış tarama iş areti ile birlikte kondansatörlü haf ıza' dizisinin taranmas ıyla gösterilir. I şaret-ilgi analizinin pek çok uygulamaları burada doğrudan ilgili değilse de sayısal tekniklerin, ayr ıntılı ve güçlü i şaret işleme cihazlarının yapımını sağladığı bu örıaelderden aç ıkça ania~aktadır.. Geçici Kaydedici Dinamik bir kaymah kaydeclici, ard ışık olarak gösterme 'veya ârâalızrrie için geçici örnek işaretlerin saklanmas ında yararlı ve uygun bir yoldrif2t.:.

414

SAYISAL (51ÇNIELER

Giriş Q---

Kaymab kaydedici

A

Giri ş B

Çıkış

Süpürme ç ıkışı

Şekil 12 15. Işaret -

izleyicinin basitle ştirilmiş blok çizimi. (Princeton Applied Researcha Corp).

sözcük üzerine kurulan seçkin 6-basamakl ı kaymalı-kaydedici, Ş ek. 12-16, 10 -5 ısa ve 5s kadar uzun olan geçici i ş aretleri saklama ve her birini osilos- kadr kop veya ş eritli kaydedicide uygun' hı zlarla yeniden gösterme yetene ğindedir.

Giri ş .

13-S

6 almalı , 128 sözeiiklü

I ş aret

dinamik kaymal ı kaydedici

ç ı kışı

Denetim

10 MHz

mantığı

saat

Süpürme çıkışı

Ş ekil 12-16. Dinamik kaymalt-kaydediciye dayanarak kurulan geçici kaydedici.

Dinamik kaymah kaydedicisi sabit 10—MHz lik bir h ızda işlerken, giriş A-S dönüştürücüsü her süzcük ba şına 10-7 s den 5 x 10-2 s ye kadar ayarlanabilen hızlarda i şler. Giriş geçitleri, uygun zamanlarda say ısal sözcükleri kaydedici içine koymak için kontrol mantığıyla çalıştırdır, böylece tüm 128-sözcüğün ı tydeculmosi hem kısa ve hem uzun süreli i ş aretler durumunda yap ılabilir. Saklanan geçici iş aretler ardışık okuma sırasında yerlerine yeni i ş aretler konullıncaya veya amaçlı olarak silininceye kadar hafı za içinde sürekli olarak dolaşnlar.

TEMEL ELEKTRONIK

415

Yeniden gösterilirken, ç ıkış işaretleri kaydedilme s ırasındaki hıza e şit bir hızla elde edilebilir. Bununla birlikte ço ğu kez, çıkış iş aretinin dağılma hızı gözterme veya çözümleme devreleri ile uyu ş acak biçimde seçilir. Bu uygunluk ç ıkış geçitlerinde 10. bölümde aç ıklanan örnekleme osiloskobuna benzeyen örnekleme yönteminin kullan ılması ile mümkün olur. Geçici işaret hafızada dolaşırken aslında tekrarlanan bir i şaret olur ve dola şımm ardışık devirlerinde örneldenebilir. Mant ık devreleri de, çıkış işareti süresinde olu şan ve çizgisel olarak yükselen bir tarama i şareti geliştirir. Osiloskopta göstermek için uygun olan 10-3 s ye kadar kısa ve geride kaydetmek için uygun olan 5 s kadar uzun yükselme süreleri olu şturulabilir.

SAYISAL BILGISAYARLAR Düzenleme Sayısal bir bilgisayar mantık geçitlerinin karışık bir dizisidir ve say ıları gösteren dalgabiçimlerini işleyerek mantık hesaplamalarmı yapmak için düzenlenen devrelerden olu şur. Elektronik olarak say ısal işlem yapmanın büyük gücü, mantıksal olarak gösterilebilen ve çözümlenebilen çok çe şitli olaylardan doğar. Seçkin örnekler, basit aritmetik hesaplar ından fiziksel yasalara uyan bilimsel hesaplamalara ve hesap verme ilkelerini izleyen hesap tutma i şlemine kadar uzanır. Elektronik devrelerin h ızı çok büyük olduğu için, sayısal bilgisayarlar sonderece karışık ve uzun hesapla ınaları uygun bir süre içinde tamamlayabilirler. Sayısal bilgisaya.rların devreleri her çe şit hesaplamaları bulmak için kurgulanır. Böylece makine, i şe karışan bütün sayısal numaralara ek olarak istenilen hesaplamaları yaptırmak için özel yönergelerle donat ıhr. Bu yönergeler sayıları göstermede oldu ğu gibi puls dalgabiçimleri ile gösterilirler. Verilen bir problemi° ilgili sayılarla birlikte yönerge takımına program adı verilir. Sayısal bir bilgisayar be ş temel parçadan olu şur; bunlar, giri ş , çıkış, hafıza kontrol ve matematik birimlerdir, Şek. 12-17. Giri ş ve çıkış birimleri

Şekil 12-17. Sayı sal bi gisayann diiıenleıunesi.

makineye programı verir ve sonuçları alır. Bilgisayarm, hafızast, hesaplama iş lemine gerek duyuluncaya kadar her yönergeyi ve program ın numarasını saklar. Programın deyim numaraları öteki sayılardan ayrı olarak saidanır çünkü bu ikisi hesaplamalarda temel olarak farkl ı biçimde kullan ılır. Her

SAYISAL ÖLÇMELER

46

sayının yerleştirilmesi, bir adrele belirtilir ve bu adres özel bir numaran ın hafı zada nerede sakland ını makineye söylemek için kullan ılır. Matematik birim, TOPLAMA geçitleri gibi mant ık devreleri bulundurur ve aslında bu goçitler programla belirlenen hesaplamalar ı yaparlar. Matematik birimde, geçici bir süre sa-y ılarnn saklanmas ı için kaydediciler de bulunur. Bunun nedeni normal olarak ilaf ı zadan her defas ında yalnız bir sayının geri çağırdınasıdir. E ğer iki sayı toplanıyorsa., bunlar TOPLAMA geçidine eşzamanlı olarak verilmeden önce ilki, ikinci sayı elde edilinceye kadar saklanmalıdır. Kontrol biriminin fonksiyonu her yönergeyi aç ıklamak ve bilgisayar devrelerini buna göre ayarlamakt ır. Kontrol birimi bilgisayarın en karışık kesimidir ve bu mantık geçitleri, kaydediciler ve makinenin çal ıştığı temel hızı düzenleyen bir saat devresinden olu şur. Saat, sürekli pulslar olu şturur. Bu pulslar bilgisayarın farklı kesimlerine say ısal dalgabiçimlerini yöneltmek için çeşitli mantık geçitleriyle birlikte kullanihrlar. Kontrol biriminin bilgisayar ın çalış masının temelini oluşturduğundan bu iki birime merkezi i şlem birimi MİB denir.

Küçük Bilgisayarlar Bir bilgisayarın devreleri, 'Sek 12-18 de gösterilen cep hesap makineleri yani küçük bilgisayarlar gibi sayısal bilgisayarlardaki en son geli ştirilen örnek'ede' gösterilir. Küçük bilgisayarlar, basit toplama ve ç ıkarma işlemlerinden

şekil 12-18. Tipik küçük bir bilgisayar. (Texas Intrumente,

417

TEMEL ELEKTRONIK

cebirsel olmayan fonksiyonlar ın de ğ erlendirilmerine kadar uzanan matematik hesaplamalar ı yapmak için sayı sal bilgisayar ilkelerini ve devrelerini kullamrlar. Şek. 12-18 de görülen bu giri ş bölgesi tuş lu yüzey diye adlandırılan düzenle gösterilir. Gerçekte tu şlu yüzey, küçük hesap makinesinin giri şini gösterir ve ço ğu kez yedi-parçal ı ışık yayıcı diyod (IYD) tipinde olan say ısal gösterge de birimin çıkışıdır. Tuşlu yüzey sayıları hafı za içine koymak ve istenilen hesaplamayı yapmada uygun iç program ı seçmek için kullan ılır. Tuşlu yüzeye verilen sayılar, hesapla.malar ın sonunda oldu ğ u gibi gösterge de gösterilirler. Küçük bir bilgisayarna çal ış ması . Ş ek. 12-19 daki blok çizim yard ımıyla açıklanabilir. Tuşlu yüzey ve gösterge her tu ş a aralıklı olarak puls veren tuşlu yüzey tarama devreleriyle sürekli yap ılır. Sayıları gösteren tu şlar, daha önceki bölümde verilen Şek. 11-39 daki gibi sayı sal göstergeleri çal ıştıran sayı sürücü devreye ba ğlanır. Gösterge parçalar ı, parça sürüsü devresiyle eş zamanl ı olarak çal ıştırıhr. 14-basamakl ı gösterge

Parça sürücüsü A kaydedicisi —311»-

B kaydedicisi C kaydedicisi D kaydedicisi

aa

'23 >-+

Tam

Tuşlu yüzey

toplayıcı

m ı.ı tri

uş lu yüzey aramas ı

E .kaydedieisi

F kaydedicisi G kaydedicisi

Tuşlu yüzey kaydedic;

ljiZleylelsl

Yönerge çözn ıai ş iı

1000-atmal ı sabit YBO

Denetim,

a dres kaydedicisi

13000—atmill ı

r'nerge

YBO

mant ığı

Yönerge kaydedicisi Şekil 12-19. Cep hesap makinesinin basitlestirilmi ş blok çizimi. (T as Intruments Inc.)

41!i

SAY1SA L <51- ÇMELER

Bir tuş a bas ıldığuıda taşlu yüzey kodu o tu şun gösterdi ği yönerge veya sayıya kar şılık gelen bir sayısal sözcük ürot ınesine neden olur. Bu sözcük, önceki bir hesaplaman ın. sonucuyla düzenlenebildi ği ara kaydedicisine ve oradan bir 13000 at ınalı YHO adres kaydedisine geçer. Bu YHO yönergeleri ve .hesa.plaınaları yapmak için gerekli çizelgeleri içerir. YHO yönerge sözcükleri yönerge çözücüleriy-le aç ıkla= ve kontrol. mant ığına çalıştım. Kontrol mantığı da hesaplanaalar ı yapmak için say ı sal devreleri ayarlar. Kontrol ınaucıtı'Onıiı kontrolu alt ına, yönerge sözcükleri YHO içine yeniden konulabilir ve böylece örne ğin, seri yakla şımla matematik bir fonksiyonu hesaplamak için tam bir yönerge serisi üretilebilir. Gerçek hesapla ın.alar, bir tam toplay ıcı ile birlikte A dan E ye kadar olan kaydedicilerden olu şan aritmetik birinde yap ılır. Seçilen kaydedici çiftlerindeki sözcükler toplanabilir, de ğiş toku ş yapılabilir veya kar şlaş tırlabilir ve sonuçlar üçüncü kaydedicide saklanabilir. A kaydedicisi parçal ı göstergeli çözücüye ba ğlıdır ve onun içindeki hesaplama devrinin sonunda gösterilir. Aritmetik birimde ara sonuçlar ı saklamak için kullanılan F ve G kaydedicileri ve hesapla ınalarda k ıdlamlan 16 sayısal sabit içeren 1000-atmal ı bir YHO vardır. Bu sahillere tipik bir örnek, legaritmik fonksiyonlar ı hesaplamak için kullanılan In 10 = 2,302585092994 sabitidir. MOY tekniğiyle büyük ölçekli integre devre yapma imkan ı oldu ğundan küçük bilgisayarlar yap ılabilir. Örne ğin Ş ek. 12-18 ve 12-19 daki küçük bilgisayarlar küçük bir koruyucu içine tamamiyle yerle ştirilebilen 25000 transistörü vardır ve bunlar içeriye yerle ştirilen küçük bir üreteçle çalışırlar. Gerçekte daha az yetenekli bir küçük bilgisayar ın bütün devresi tek bir integre devre olarak Şek. 12-20, yap ılabilir. Bir tuşlu yüzey, ışıklı gösterim ve uygun gösterge sürücüsü ile birlikte bu integre devrenin ba ğlanmas ı çok kullan ışlı bir el hesap makinesi oluşturur. Küçük bilgisayar el hesap makinesi, merkezi i ş lem yapan birimin (MİB) çevresinde düzenleumi ş sayısal cihaza özel bir örnek olu şturur ve bu makineye mikro hesap i şleyicisi denir. Çok geni ş bir bölgede ölçüm ve kontrol uygulamalarına yetenekli olan çok geli şıniş sayısal mant ık devreleri, mikro hesap işleyicilerine verilen görevlere uygun program ve yerleri bulunduran özel YHO la ı la birlikte kullanarak düzenlenmi ştir. Bir mikro hesap i şleyicisinin çizimi, etkinli ği maksimum yapmak için bir veya öteki özel görünümü vurgulayabilir. Örne ğin; bir çizim aritmetik i şlemlerin kolaylığı/ıl belirtirken ötekisi giriş ve ç ıkış yerlerinin, iletimini kolayla ştırabilir. Her iki tip de M İ B nin bilinen bileş enlerinin hepsinin bulunmas ına ra ğmen ;birincisi uzun sayı sal. çözümlemeler için ve ikincisi de kontrol uygulamalar ı için kullanılır.

419

TEMEL ELEKTRONIK

Matematiksel

Denetlim

mantık öğesi

mantığı

Ş ekil 12-20. Integre devreli MOY hesap makinesi. (Texas Intruments. Inc.)

Program Dilleri Genellikle sayı sal bilgisayarlar, küçük bilgisayarlardan daha çok hesaplama esnekli ğine sahiptir. Çünkü bu cihazlarda program makinenin bir parças ı değ ildir. Bunun yerine her hesaplama görevi için bilgisayarm hafızasına farklı bir program konur; böylece incelikli ve çok bilgi içeren programlar kullan ılabilir. Bir sayısal bilgisayar, bir dizi delinmiş kartlar arac ılığıyla hafızasına verilen programla çalışı r. Makine çalışmaya başlatıldığı zaman, kontrol birimi ilk yönergeyi okur, bilgisayar devrelerini buna göre haz ırlar ve yönergede adresle belirlenen uygun numaran ın hafızadan okunmas ına neden olur. Gösterilen iş lemlerin tamamlanmas ından sonra sonuç, programda belirlenen adresteki hafı zaya geri döner. Kontrol birimi bundan sonra gelecek yönergeye geçer. Makine en son dur yönergesine eri şinceye dek, sonucu çıkış birimine

SAYISAL ÖLÇA/IELER

420

yerleştirerek okumaya ard ışık olarak devam eder. Bu noktada hesaplama biter ve istenen sonuç ç ıkış birimine yerle ştirilir. İlk örnekle kontrol biriminin yönergelere göre makine devrelerini nas ıl hazırladığını açıklamak yararlı olur. Yönergelere ba ğlı olarak iki sayıdan hangisinin işlendiği ve hafızaya göre geri döndü ğünü gösteren kısmi toplu çizim Şek.12-21 i düş ünelim. Görüldüğü gibi, 10101 yönergesinin hafızadan alındı -

Bellek ten gelen say ılar

gelen yönergeler

Kaydedici

Şekil 12-21. Sayısal bilgisaylardan geçen say ının yolunu, bir yönergenin nas ıl belirledi ğinin açıklan-

ması.

ğını ve pek çok VE geçitlerine ba ğlı bir kaydedicide sakland ığını varsayahm. Bu A sayısnun devreden geçmesi, A DE ĞİL olarak yeniden hafızaya dönmesi anlamındachr. B sayısı ilk VE geçidinden geçmediği için kullanılmaz. Öteki yönergeler, ba şka işlemlerin yapılmasına neden olurlar. Her durumda ne gibi bir işlemin yapıldığı yönergenin devrede izledi ği yoldan belirlenebilir. Gerçekte yönergeler, kontrol biriminin mant ık geçitlerini çahştırarak işaretlerin bilgisayar içindeki yollarını belirler. Yönerge 10101 10010 01101 01010

Açıklanması A'yı al ve A DE ĞİL olarak hafızaya geri gönder A'yı al ve A'yı hafızaya geri gönder B'yi al ve B DE ĞİL olarak hafızaya geri gönder B'yi al ve B'yi hafızaya geri gönder

Bir program hazırlarken, her yönerge için i şareti bilgisayarın tüm devreleri boyunca izlenmesi gerekli de ğildir. Daha çok makinenin kurillmasmda, çeşitli işlemleri yapmak için kontrol edici mant ık devrelerine göre yönergelerin çizelgesi geli ştirilir. Makine dilinin bu sözlüğü, programları yazmak için kullan ılır ve bilgisayarm devrelerine bakma ihtiyac ını önler. Bununla birlikte her küçük ad ınum yönergelerde ayrıntılı olarak belirtilmesi gerektiğinden makine dilinde bir program ın hazırlanış' çok uzun ve can s ıkıcı bir

421

TEMEL ELEKTRONIK

iştir ve programda s ık sık hatalar yap ılır. Örne ğ in, herhangi bir yönergede l'le O'ın yerdeğiştirmesi, saçma bir ad ım ya da daha ciddi bir durum olarak yanlış bir yönergeyle sonuçlanabilir ve bu tür yanl ışları düzeltmek çok güçtür. Bu durumu kolaylaştırmak için uygun programlama dilleri geli ştirilmiştir. Bu programlarda makine dili yönergelerini ya da makine dili yönerge gruplarını göstermek için aç ıkca tannı abilen gösterimler kullan ılmaktadır. Bilgisayar yapımcıları, uygun programlar ı makine diline dönüştürmek için bilgisayarı kullanan çeviı ici programlar verirler. En basit programlama dil birleştirme dilidir ve birleştirici dilde yazdan bir program ı ikili-kodlu yönergelere çevirmek için kullan ılan programa birleştirici denir. Birleştirici dildeki program ifadesi, makine-dili yönergelerine hemen hemen bire-bir kar şılıklı olurlar. Örne ğin, Z, B ve C sayılarını toplamak için Çizelge 12-2 nin merkez sütununda ikili yönergeler kümesi ile gösterilen basit programı dii şünelim. Çizelge 12-2 nin sol sütununda makine diline kar şılık geÇizelge 12-2 Birleştiriei dil ve Fortran ifadesinin makine dili yönergeleriyle kar şılaştuılmast

LDA Z ADA B ADA C STA D

Fortran ifadesi

Makine dili

Birleştirici Dil 0 110 O 100 0 100 0 111

001 001 001 001

100 100 100 100

190 100 100 100

001 010 011 100

D = Z + B+C

len birleştirme dili ifadeleri oldukça kolayd ır. Bu ifadeler a şağıdaki biçimde kolayca okunabilir: "Z adresindeki say ıyı A kaydedicisine ver; B adresindeki sayıyı A kaydedicisindeki sayıya ekle; C adresindeki say ıyı A kaydedicisindeki sayıya ekle ve A kaydedicisindeki say ıyı D adresinde sakla". Böylece birleştirme-dilde bu biçimdeki ifadeler istenilen görevi ba şarırlar. Birle ştirici program, insanlarca yorumlanabilen birle ştirme-dilindeki ifadeleri makine dilinde bunlara kar şılık gelen ikili-kodlu ifadeler° çevirir. Her ayrıntmın yönergede verilmesi zorunlu oldu ğundan, birle ştirme-dilinde programlama yapmak çok can s ıkıcıdır. Bu nedenle yüksek-düzeyli diller geliştirilmiştir. Bu dildeki tek ifadeler makine-dili yönergesiniu büyük gruplarına çevrilebilir. Bu durumda, çevirici programa toplayıcı adı verilir, çünkü gerçekte, bilgisayar oldukça genel yönergeleri izleyerek kendi program ını toplar. Çok kullanılan ve Fortran denilen program dili, program ifadeleri olarak düzenlenmiş cebirsel gösterimler ve formüller kullan ır. Örneğin, Çizelge 12-2 nin üçüncü sütunundaki bilinen cebirsel ifadeler, merkez sütundaki makine dili yönergelerine çeviren Fortran. dilidir. Aç ık olarak, Fortran dilinde program yapmak hem birle ştirme-dili ve hem de makine dilindekinden çok daha

422

SAYISAL ÖLÇMELER

basittir. Bununla birlikte, ço ğu kez bu biçimde toplanan bir makine dili programmm bilgisayar hafızasına sığdırılması ve programı işlemek için gerekli toplam zaman elveri şsiz olur. Bu durum bir toplay ıcıda kaçınılmaz nedenlerden ötürü böyledir. Böylece, Fortran ve yüksek düzeyli diller geni ş ölçüde kullanılmasına ra ğmen herhangi bir bilgisayar ın maksimum yeteneklerini anlamak için birleştirme-dili gereklidir.

KAYNAKLAR Thomas C.Bartee: "Digital Computer Fundamentals", 2d ed., McGraw-Hill Book Company, New York, 1966. G.G.Bell and A.Newell: "Computer Structures: "Reading and Examples", McGraw-Hill Book Company, New York, 1971. Sam P.Perone and David O.Jones: "Digital Computers in. Scientific Instrumentation", McGraw-Hill Book Company, New York, 1973.

ALIŞTIRMALAR 12-1. Şekil 12-4 deki sayısal voltmetre için blok-çizim biçiminde uygun bir kontrol devresi çizin. Kontrolu her okuma yap ıldıktan sonra, hemen yeni bir ölçme devriııi başlatacak biçimde düzenleyin.

12-2. Ahştırma 12-1 deki sayısal voltmetrenin giri ş işaretinin 0,5 V d.a. ile birlikte 2 s periyodlu ve tepeden tepeye 0,5 V genlikli testere di şli dalgabiçimi olduğunu varsaym. Giriş işareti 0,5 V olduğu zaman voltmetre ölçme devrine başlarsa, gösterilen ilk be ş okumayı çizimle belirtin. Cev : 0,67, 0,89, 0,52, 0,68, 0,92 V.

12-3. Şekil 12-5 deki ikili-e ğilimli integral alıcı A-S dönüştürücüsü saniyede on tane dört-basamakl ı okuma vermektedir. Osilatörün frekans ı nedir? Giriş ve referans gerilimlerinin e şit oldu ğunu varsaym. Cev : 200 kHz. integral alıcı A-S dönüştürücünün sıfır-detektörü olan kar şılaştırıcısmda gerekli en küçük kazanc ı bulun.

12-4. Ahş tırma 12-3 deki Cev : 10 4

12-5. Gerilimden frekansa dönüşüm yapan A-S dönüştürücüsü de denilen, Şek. 12-22, karşılaştırıcmın integrali al ınmış giriş işareti ve referans puls üreteci gerilimi aras ındaki eşitliği her duyuşunda integral alıcı kondansatörü boşaltmaktadır. 10,5 ve 1 V luk giri ş işaretleri için çıkış frekansları nedir? Cev : 104 Hz, 5 x 103 Hz, 103 Hz.

423

TEMEL ELEKTRONIK

0,01gF

1( Giriş

ç

104 0---NAM—•—

s

Sayıial• frekans tilverino

–10 V

Danışma

gerilimi

!Atım dretecil

.

Şekil 12-22. Gerilimden-frekansa A-S dönii ştürilcüsii.

12-6. Şekil 12-6 da ardışık-yaklaşıklıkla A-S dönüştüriielisünde giri ş işareti 8,08 V ise dışarlanan deneme sayısı ne olur. Her karşılaştırma 10-4 s alırsa her durumda dönüşümü ba şarmak için ne kadar süre geçti ğini bulun. Cev : 10, 9; 1,2 X 10-3 s, 1,2 X 10-3 s. 12-7. İkili-merclivenli S-A dönüştüreninin devre çözümlenmesini kullanarak ondahk numaralarm İKO sözcüklü giriş işaretlerinin Çizelge 12-1 e benzeyen analog çıkış işaretlerinin ve onlu sayılarm bir çizelgesini geli ştirin. Cev : 1,0001,1 /24; 2,0011,2 /24; v.b.

12-8. Şekil 12-10 daki kullanışlı S-A dönüştürücüsünde, 0010,0100,0110 ve 1000 giriş sözeüklerine karşılık gelen analog çıkış işaretleri nedir? Cev : 0,15; 0,30; 0,45; 0,60 V.

12-9. Çizelge 12-3 de verilen katsayıları kullanarak, Denk. (12-4) e uyan sayısal süzgecin frekans-tepki belirtgenini hesaplay ın. Bunu girişe farklı frekanslarda sinüs dalgalar' vererek yap ın. Tam bir periyod için 100 Hz I& h ızda Çizelge 12-3. Ah ştıra 12-9 için sayısal süzgeç katsaydarı (8 = 10-2s) ai =–a ıs =

0,0008 as = 0,0025 as = –as -= + 0,0094 = –a; = — 0,0350 as = –as = + 0,1890

424

SAYISAL ELEKTRONIK

her giriş i ş arotini örnekleyin ve Denk.(12-4) ü kullanarak ç ıkış işaretlerini hesaplaym. Her frekansta ç ıkış işaretinin kare ortalamas ı karekökünü (kok) bulmak için bu değerleri kullamn. 0,1 den 50 Hz'e kadarki frekans aral ığurda frekans tepki belirtgenini çizin. 10 Hz lik frekansta ç ıkış iş aretinin giri ş işaretine oranı nedir? Cev : 0,1

12-10. Alıştırma 12-9 u, giriş işaretinin tepeden tepeye de ğeri 2-V ve 1-Hz lik bir kare dalga olmas ı durumu için tekrar edin. Ç ıkış dalgabiçiminden yararlanarak bu süzgecin ad ının ne olduğunu söyleyin. Cev : Türev alan süzgeç.

EK-E

Vakum Umball Devreler

Transistörün bulunuş undan önceki elektronik devrelerin temeli elektron vakum lambasına dayanmaktaych. Lamba kurgusundaki değişikliklerle, çok duyarl ı detektörlerden çok-yüksek-güçlü yükselticilere kadar uygulama alanlar ı sağlandı. Çok az bir güçle i şlemesi ve çok küçük boyuta sahip olmas ı nedeniyle,

elektronik devrelerdeki vakum lambalar ı yerine transistörlerin kullamlmasına rağmen vakum lambaları kullanmanın yararlı olduğu uygulamalar da pek çoktur.

426


VAKUM DIYODU Isinin Sebep Olduğu Elektron Yay ılması Vakum diyodu, Sek. El-1 de çizildi ği gibi, havası boşaltılmış , genellikle camdan yapılan kapalı bir yerde metal bir anot ile çevrilmiş sıcak bir katottan oluşur. Oldukça yüksek sıcakhktaki katot taraf ından elektronlar yayılır ve pozitif anot tarafından bu elektronlar çekilir. Katottan anoda hareket eden elektronlar bir akım oluştururlar; katoda göre anot pozitif oldu ğu zaman bu durum oluşur. Katoda göre anot negatif ise elektronlar anot taraf ından itilirler ve toplam akım sıfır olur. Anotla katot aras ı boşaltıhr ve böylece elektronlar gaz molekülleri ile çarp ışmadan elektrotlar aras ında hareket edebilirler.

Şekil E1-1 Vakum diyodun kabaca çizimi.

Vakum diyodlardaki katotlar çok çe şitli biçimlerde olabilirler. Is ıtıcı tarafından yeter ölçüde enerji verilen herhangi bir iletkendeki serbest elektronlar katıdan dışarı kaçabilirler. Baz ı maddeler, bu anlamda ba şkalarına göre oldukça uygundur, bununla birlikte, özellikle yüksek s ıcaklığa dayanabilen bütün maddelerden elektrordarm kaçmas ı çok kolaydır. Örne ğin, tungsten yararlı bir katot maddesidir, çünkü oldukça yüksek s ıcaklıklara kadar mekanik dayanıkhlığını korur. Bir tungsten katot teli üzerindeki ince bir thorium tabakası elektron yayınlanmasını artırır ve yaklaşık 1900 K sıcaklığında uygun bir akını elde edilir. Bu şekildeki katot, bir akkor lamban ın telinin ısıtılmasında olduğu gibi, doğrudan do ğruya bir elektrik akımı ile ısıtilır. Bu katodun yüksek-gerilim uygulamaları için vakum diyodları içinde kullanılması daha uygundur. Bu ş ekildeki bir vakum diyodu için uygun gösterim Şek.El-2a da gösterilmektedir.

TEMEL ELEKTRONIK

(a)

427

(b)

Şekil El-2. (a) Do ğrudan ısıtmalı katot (b) dolaylı ısıtmali şeklindeki vakum diyodları için devre gösterimleri.

Baryum ile stronsyum oksitlerinin kar ışımı ile kaplanmış içi boş silindir biçimindeki bir metalden olu şan çağdaş-katotlar bu güne dek geli ştirilen en iyi elektron yayınlayıeısıdır. Bol sayıda elektron yayınlanması 1000 K dolayındaki sıcaklıklarda elde edilir Bu s ıcaklık, tungsten için gerekli olan güçten daha azdır. Genel olarak oksitli katotlar Şek.El-1 deki gibi metal kovan içine yerleştirilen ayrı bir ısıtıcx ile dolaylı olarak ısıtıhr. Bu, ısıtıcı akımı katot bağlantısmdan elektriksel olarak ayırır. Bu elektronik devrelerdeki önemli bir üstünlüktür. Bir a.a. asitler ak ımı, asitler akım frekansmda, katottaki istenmeyen sıcaklık değişmelerini gözönüne olmaks ızın kullanılabilir. Oksitli katotlar vakum lâmbalarnun ço ğunda kullanılır. Isıtıcı, doğrultucunun do ğrudan' doğruya etkin bir parças ı olmadığı için uygun devre gösteriminde Şek. El-2b genellikle gösterilmez. Child Yasası Katoda göre anot negatif olduğu zaman elektron akımı sıfır olur ve ters yöndeki belirtgen, ideal bir diyodunki gibidir. Normal yöndeki belirtgen anot pozitif gerilimde oldu ğu zaman, anotla katot aras ındaki boşlukta elektronlarm hareketi ile belirlenir. Ço ğu kez, katottan yayılan elektronlar çok fazladır, böylece, elektronlarm yükünün neden oldu ğu elektrik alanı anot gerilimi ile oluşan anotla katot aras ındaki elektrik alanını oldukça değiştirir. Bu şartlar altında gerçek akım Child yasası ile verilir, Ib = A V b 3 12 (El-1) burada Vb anotla katot arasındaki gerilim, A ise lambanın geometrisini içine alan bir sabittir. Denklem (E1-1) e göre ak ım, uygulanan gerilimin 3 /2 inci kuvvetiyle artar; bu ise vakum diyodun do ğrusal olmadığını gösterir. Akım, anotla katot arasındaki arahğa ve katodun alanına da bağlıdır. Böylece, anotla katodun geometrik biçimini de ğiştirerek, farklı akım-gerilim belirtgenleri elde etmek mümkündür. Kullanı lan diyodun belirtgenlerinden iki örnek Şek.El-3 de verilmektedir. 5U4 tipi diyod orta güçte bir do ğrultucudur; 1V2 tipi diyod ise yüksek-gerilim ve alçak-ak ım veren güç kaynakları için düşünülmüştür. Anot ile katot aral ığa, gerilim periyodunun ters yöndeki kesiminde katot ile anot aras ında boş alma ihtimalini azaltmak için 1V2 tipinde oldukça

428

VAKUM I ANIBAL! DEVRELER

büyüktür. Sonuç olarak, 1V2 de do ğru yöndeki ak ı nı , 5U4 tipinden daha küçüktür. 5U4 tipi, alçak gerilimlerde kullanmak için yap ılmış tır, bu nedenle katot ile anot aras ındaki aralık daha küçüktür. Bundan ötürü ayn ı doğru yön geriliminde 5U4 den geçen do ğru yön ak ımı daha büyüktür.

50

160

150

200

V V b'

Şekil E1-3. Tipik iki vaktim diyodunun deneysel olarak elde edilen do ğru yöndeki belirtgenleri farkl ı geometrik yap ı nedeni ile oldukça farkl ıdır.

Herhangi bir pratik vakum diyodunda ters yön ak ım ı , cam yalıtkanlar üzerindeki ak ı mlar ve benzer ba şka etkenler nedeniyle tamamen s ıfı r de ğildir. Tipik ters yön direnci 10 MQ basama ğı ndadır. Doğru yön direnci uygun çalış ma gerilimindc 100 S-2 basama ğında olabilece ği için ters yön direncinin do ğru yön direnciue oranı veya doğrultnı a oranı, oldukça yüksektir. Katot ile anot aras ındaki iç elektrot s ığası , bir vakum diyodunun yararl ı olduğu maksimum frekans ı sınırlar. Katot ve anodun s ığasal reaktans ı etkin olarak elektron akmuna paraleldir ve yüksek frekanslarda ters yön direncini k ısa devre yapma e '6"-ilitu indedir. VAKUM TUPLERI Bir vakum diyodundaki ak ıın, anotla katot aras ına ı zgara denilen üçüncü bir elektrot konularak kontrol edilir. Izgara gerilimindeki de ğişiklikler anot geriliminden ba ğıms ız olarak anot ak ım ın de ği ştirir. Bu yöntem üç elektrotlu vakum tübünü kullan ışlı bir yükselteç yapar. Izgara Havas ı bo ş altılunş üç elektrotlu bir lâmbadaki ı zgara genellikle şek.E1-4a da çizildi ği gibi, katodu saran helis biçimindeki bir telden olu şur. Izgara gerilimi her zaman negatif ise elektronlar itilirlcr ve ı zgara ak ım ı önemsiz

429

TEMEL ELEKTRONIK

olur. Bu, anot akımını kontrol etmek için ızgara devresinde harcanan gücün çok küçük oldu ğu anlamındadır. Izgaran ın yüzeyinin minimuma düşürülmesi istemi; böylece anoda, giderken yol üzerinde durdurulan elektronlarm say ısı önemsiz olur. Öte yandan, teller çok aralıklı konursa anot akımına kontrol etmede ızgaraııııı yeteneği de azalır. Kullanılan üç elektrotlu lambalar, bu birbirini tutmayan ihtiyaçlar aras ında yararlı bir uzlaşma sağlayacak biçimde yapılır. Vakum tüplerindeki anot, eskiden yap ılan tüplerdeki biçiminden ötürü genel olarak, levha adını alır. Üç elektrotlu lamba bir uygun devre gösterimi Şek.E1-46 de belirtilmişti'.

Katot Izgara Levl ıa

• ta)

.(b)

Şekil E1- 4 (a) LUç elektrodlıı vakum lambası (b) devre gösterimi.

Izgara gerilimi, anot ve katot aras ında vakum diyoduna kar şılık gelen elektrik alan şekillerini de ğiştirir. Izgara, katoda çok yak ın olduğu için, ı zgara gerilimi anot ak ımını kontrol eden geriliminden daha çok etkindir. Böylece, Child yasas ını kullanarak, tüpteki ak ını ,

Ib = A GiV, -{-- Vb) 3 / 2

(El-2)

biçiminde yazılabilir, burada A, tüp geometrisine ba ğlı bir sabit, V, ızgara gerilimi, Vb, levha (anot) gerilirni ve a. de yükseltme katsayı sı denilen bir sabittir. Yükseltme katsay ısı , levha geriliminden daha çok ızgara gerilimine etki yapar. Bu denklem, kullan ılan üç elektrotlu lambalar ı/1 deneysel akını -gerilim belirtgenleri ilo uyuşmaktadır. Ilk ilkelerden A nın bulunması güçtür, bununla birlikte üst, tam olarak üç bölü iki de ğildir. Bu nedenle, kullan ılan tüplerin belirtgenlerini do ğru bir matematik gösterimden daha çok grafikle göstermek daha kullan ışlı dır. Denklem (El-2) deki V, nin etkisi, ı zgara gerilimi negatif oldu ğu için, Vb levha gerilimine kar şıdır. Yükseltme katsay ısı için bir ifade, ı zgara gerilimi ile

130

VAKUM LÂMBALI DEVRELER

katot üzerinde uyar ılan elektrik yükü ; levha gerilimi ile olu ş an yüke karşı ve bu iki yük e şit olursa birbirlerini yok edece ği dü şünülerek elde edilir Son ifadeden (El-3) —C g k V ( ± Cpk Vb = 0 yaz ı lır, burada, Cg k, ı zgara ile katot aras ındaki sığadır. Yükseltme katsay ısını çözersek,

Vb — 77

t, c

Cgk

(E1-4)

Cpic

elde edilir. Denklem (E1-4) e göre, ı zgara katoda çok yak ınsa, ızgara-katot s ığası artaca ğı için, yükseltme katsayısı artar. Levha çok uzakta ve ı zgara ile katottan perdelendi ğinden, p. her zaman birden büyüktür. Gerçekten, yükseltme katsayısı 10 dan 100 e kadar olan üç-elektrotlu lâmbalar ticari olarak bulunabilir. Üç elektrotlu bir lâmban ın akını-gerilim belirtgenlerini göstermek için pek çok grafik yoldan en yararl ısı , ızgara geriliminin sabit de ğerleri için anot akı mın', anot geriliminin bir fonksiyonu olarak çizmektir. Pek çok ızgara gerilimi için elde edilen e ğriler, tüpün levha belirtgenleri adım alır. Tüp yapıları tarafından sağlanan, anot belirtgenlerinin tipik bir dizisi şek.E1— 5 de gösterilmektedir. Her e ğrinin, bir vakum diyodımun ak ım-gerilim e ğrisine berızediğ ine dikkat ediniz. Bundan ba ş ka, verilen bir anot-gerilimindeki akl ın, ı zgara-geriliminin negatif de ğeri artarken azal ır. Anodun akım-gerilim ızgara-gerilimdeki her negatif art ış için biçimlerinde çok az bir de ğişiklikle sa ğ-tarafa kayarlar. Deneysel e ğrilerle Denk.(E1-2) nin kar şılaştırılması, grafik yerlerin kullan ılmasının niçin gerekli olduğunu gösterir; Child yasası anot bclirtgenlerinin genel davran ışını göstermesine uygun nitel sonuçlar vermesi için yeterince do ğru de ğildir. Şekil E1-5 e göre anot ak ımı asl ında oldukça büyük negatif ı zgara gerilinderinde s ıfır olur. Lambay ı bu kesilim şartına koymak için gerekli negatif ı zgara gerilimi anot gerilimine ba ğlıdır. Gerçekte tüpiin iletkenli ği kesildiği zaman aç ık bir devre olur. Izgara pozitif bir gerilimde oldu ğu zaman büyükce bir ızgara ak ı mının olaca ğı açıktır. Izgara do ğru yönde kutuplama gerilimi uygulanan bir diyodun anodudur ve negatif gerilimde oldu ğu durumdan çok daha az direnç gösterir. Pek çok devrelerde bu etki ı zgaranı n pozitif olmasını önler. Böylece ı zgara geriliminin s ıfır de ğerinde tüp maksimum iletkenlik durumunda oldu ğu için doyma noktas ında olduğu söylenir. Doyum noktası ile kesilim noktas ı aras ındaki bölge normal ı zgara-gerilimi bölgesidir. Genel olarak, yakum tüpünü levha devresi tçiu p ve b, zgara devresi için g ve c altgösterimlerinin kullanılması kabul edilmiştir, Benzer biçimde k da katot i Şin kullanılır.

TEMEL ELEKTRONIK

431

30L

6SN7

Izgara gerilimi 0 V

0

100

200

Levha gerilimi, V Şekil EI-5. 6SN7 tipindeki üç elektrotlu lambanın levha belirtgenleri. Izgara geliliminin sıfır değeri için eğri. Child yasası ile yakla şık olarak uyuşmaktadır.

Beş Elektrotlu Lamba (Pentot)

Üç elektrotlu bir yolum lâmbas ındaki ızgara ile levha aras ındaki sığa, tüp yüksek frekansta bir yükselteç olarak kullan ıldığı zaman gerçekten güçlükler ortaya çıkarır. Izgara-levha c ığası üzerinden ızgara devresinde olu şan a.a. levha işareti devrenin normal çalışmasını karıştmr. Bu güçlü ğü yenmek için ızgara ile levha aras ındaki arah ğa başka bir ızgara konur. Bu perdeleme ızgarası, ızgara-levha s ığasım 1000 veya daha fazla bir kat ı kadar azaltan etkili elektriksel bir ekrandır. Perdeleme ızgarası, katoda göre pozitif gerilimdedir ve katottan levhaya olan elektron ak ımını devam ettirir. Halis biçimindeki ızgara sarnnları, kontrol ızgarası için yapıldığından çok daha açıktır ve böylece perde akımı levha akımm.dan daha küçük olur. İkisi ızgara olmak üzere dört-elektrotlu tüpler tetrot adım alır ve bunlar özel-amaçlar dışında bugün. kullanılmarnaktadır. Bunun nedeni, levhaya çarpan elektronlarm oradan ba şka elektronlar da sökmesidir. Bu elektronlar özellikle, perde gerilimi anot geriliminin ani de ğerinden daha büyük olduğu zaman perde taraf ından çekilebilirler. Bu, alçak anot gerilimlerinde levha belirtgenleri üzerine pek çok düzensizlikler olu şturur. Bu etkiyi ortadan kaldırmak için perde ile anot aras ına bir bastıncı ızgara konur. Bastım! ızgara

VAKUM I 2+MBAIJI DEVRELER

katot gerilimind.e tatlılar ve levhadan sökülerek perdeye saran bütün elektronları etkin biçimde Binler. Bastırıcı ızgara helisinin aral ığı perde ızgarasındakinden daha büyüktür. Böylece bast ırıcı ızgara katottan levhaya geçen elektronlarm düzenini bozmaz. Üç-ızgarah bir tüpe pentot denir çünkü toplam be ş elektrodu vardır. Pentot için uygun bir devre gösterimi. Şek.El-6 da verilmi ştir. Normal çalışma durumunda perde ve bast ırıcı ızgaraları sabit bir d.a. geriliminde tutulan Bast ırıcı ve perde ı zgaralar! perde görevi yapt ığmdan pentotlarda Levl ı a

Bastı m:1 ı zgara Perde rzgarest

Denetim ı zgara

Katot

Şekil El— 6. Be ş-elektrodlu lamba (pentot) için devre gösterimi.

katot yak ınındaki elektrik alan ın anot gerilimin° etkisi pratik olarak s ıfırdır. Bu anot-geriliminin anot ak ımın' çok az veya hiç de ğiştirmemesi demektir. Anot akımı anot geriliminden a ş a ğı yukarı bağımsız olduğu için anot belirtgenleri, gerilim eksenine paralel do ğrulara çok yakındır. Kontrol ızgaralanum bu etkisi, üç-elektrotlu lambadaki (triyot) ile ayn ıdır. Bastırıcı katoda ba ğlı bir pentodun verilen bir pozitif-perde gerilimi için seçkin anot belirtgenleri Şek.E1-7 de çizilmiştir. Yukarda belirtildi ği

6AU6

lzgara gerilinn, V s o

1 0[

—

1 ,0

2

—2:5 100

200

Levha gerilimi, V Şekil E1-7. 6AU6 tipindeki pentodun levha belirtgenleri.

300

TEMEL ELEKTRONIK

133

üzere, anot ak ını nun anot geriliminde ıa oldukça ba ğımsız olduğuna dikkat ediniz ; Bununla birlikte aslında levha belirtgenleri sabit perde gerilimin.e de bağlıdı r. Daha yüksek perde gerilimleri Şek.El-7 deki e ğriler biçiminde çok az bir de ğişiklikle yüksek akım değerine do ğru kaydım. Uygulamada perde geriliminin iki veya üç özel de ğeri için pentot belirtgenleri belirlenir. Perde gerilimi, pek çok devrelerde anot geriliminden küçük tutulur ve perde ak ımı, anot akımının 0,2 ile 0,4 ü kadar olur. Yukar ıda açıklandığı üzere genellikle bast ırıcı ızgara katoda ba ğlanır, pek çok tüplerde b ır ba ğlantı içten yapılır. Genellikle pentotlarm çok yüksek yükseltme katsarlar ı olduğundan yükseltici devrelerde kulland ırlar. Küçük ızgara-anot sığasmın önemli olduğu yüksek-frekans yükselteçlerinde üç-elektrotlu lambalar kullan ılır. Levhagerilim de ğişimleri fazla bozulma olu şturmaksızın levha kaynak gerilimi kadar olabilir öyleyse yüksek güçte çal ışması .da mümkündür. Çok Izgaral ı Tüpler Özel devre uygulamalar ı için yararlı olacak biçimde pek çok ba şka vakum tüpleri de geliştirilmi ştir. Değişen tümseklikte helis biçimli kontrol ızgarası olan bir pentodun yükseltme katsay ısı ızgara öngerilimine önemli ölçüde bağlıdır. Çünkü elektronlar, arah ğı çok küçük olan ızgara bölgesinde en iyi biçimde kontrol edilirler. Negatif ızgara öngeriliminin oldukça büyük de ğerlerinde elektron akımı kesilir. Bundan ötürü tüp -iin yükseltme katsayısı, ızgara telleri oldukça aralıklı olan bir vakum tübününkine kar şılık gelir. Daha küçük negatif öngerilimde yükseltme katsay ısı büyük olur. Bu değişken yükseltme katsayllt ( tz) tüpler kendili ğinden ayarlanaıa ses-kontrolu devrelerinde kullanılır. Bu devrelerde tüplerin yükseltmeleri, uygulanan d.a. ızgara gerilimi ile kontrol edilerek kendiliğinden ayarlamr. Gerilim, değişken giriş işaretine rağmen çıkış iş aretini sabit tutarak ayarlamr. Bu tüplere uzaktan-kesilen tüp adı da verilir, çünkü levha ak ımın' küçük bir de ğere düşürmek için çok büyük bir negatif ızgara gerilimi gereklidir. Birden daha çok elektrotlu tüpler, ço ğu kez iki farklı tüpün birlikte kullanıldığı devrelerde tek bir zarf içine almabilirler. Bunun bir örne ği, tam dalga doğrultucu devrelerinde kullanılan ikili vakum diyodudur. Kullan ılan başka tüpler ikili triyot ve ikili diyod-triyotlardır. Pek çok başka birleştirmeler mümkündür ve böyle tüpler yap ılmaktadır. ikili bir triyodun gösterimi Şek. El-8a da görülmektedir. Bu gösterim ayn ı zamanda pek çok elektrotlara tüpün taban iğnelerinin bağlantılarını da göstermek için genel olarak uygulanan yöntemi de açıklamaktadır. Taban iğneleri, alt yönden bak ıldığı zaman, saat göstergeleri yönünde numaralan ır; bu uzlaşma, gerçek bir devrede tüp yuvas ı incelendiği zaman, çe şitli elektrotlarm belirlenmesini kolayla ştırır.

131

VAKI) M I, Â M BA LI DEVRELER

Iz ;ara sayısı üçten daha fazla olan vakum tüpleri özel amaçlar için yap ılmıştır. Buna bir örnek Sek.E1-8 de gösterilen beş tzgaralt dönüştürücüdür. Bu tüpün, g i , g3 gibi iki kontrol ı zgarası vardır ve bunlar birbirlerinden iki h

Perde g2, g4

Denetim

k

zgaras ı

Denetim

(a)

ızgarası g,

(b)

Şekil El —8. (e) 12AX7 ikili triyodunun taban çizimi, (b) 6BE6 be ş-ızgarah dönüştiiırüchnün taban çizimi,

perdeleme ızgarası , g2, g4 ile ekrardannuşlardır. Beşincisi, durdurucu ı zgara olan g5 tir. Bu tüp frekans - dönü ştürücü devrelerinde kullan ılır ve o zaman farklı frekanstaki iki i şaret iki kontrol ızgarasına uygulanır Tüp belirtgenlerinin çizgisel olmaması Böl.4 de açıklanan ilk detektöre benzer biçimde toplam ve fark frekanslarm olu şmasına neden olur. Gerçekten, be ş ızgarah dönüştürücü kendi içinde i şaretlerin birini oluşturmak için de kullanılabilir, böylece yalnız giriş işaretinin dışardan uygulanmas ına gerek duyulur.

Güçlü tştmm demeti oluşturan 6L6 gibi bazı tüplerde perde- ızgara telleri kontrol ızgara telleı i ile birlikte sıraya dizilirler. Bu, elektron demetini düzlemsel biçimlere koyar ve perde-ak ımun 5 veya alışılagelen pentotlar ın altında bir çarpan kadar azalt ır. Pentotta oldu ğu gibi, durdurucu ızgarası yoktur ve katot geriliminde tutulan demet-biçimlendirici levhalar elektron akımınx daha da biçimlendirir. Bu özel elektrot yap ısı demetteki elektron yük'erinin etkin bir biçimde durdurulmasına neden olur. Sonuç, lovha belirtgen.'erinin Vb = 0 ekseninin daha yakınında standard pentottan daha çok do ğrusaldır. Bu nedenle, güçlü ışımra demetli tüp, uygun levha-gerilim bölgesi yaklaşık olarak levhaya uygulanan gerilim kadar büyük oldu ğu için bir güç yükselteci olarak çok yararl ıdır. Bundan başka böyle tüpler, ço ğu kez dayanıklı katot vo anotlardan yap ılır, böylece yüksek-ak ımda çalışma mümkün olur.

TRİYOT YUKSELTEC İ Katot Ongerilimi Bir vakum triyodunun basit bir yükseltici olarak kullan ılmasına izin veren uygun elektrot gerilimleri, levhaya gerilim veren bir lireteç, V bb ve katotla

435

TEMEL ELEKTRONIK

seri olan bir direnç ile sa ğlaınr, Ş ek.E1-9. Katot direnci üzerindeki IR gerilim düşmesi, katoda göre ızgara üzerinde negatif bir öngerilim olu şturur. Çalışma o

Şekil E1-9. Katot öngerilimi kullanan bir triyot yükselteci devresi.

noktası, Şek.E1-10 da görülen levha belirtgenleri üzerine yük do ğrusunu çizerek bulunur.

6C4

'Yük do ğrusu 30

-OV

Çalışma noktası

-5

Öngerilim eğrisi

20—

-20

‘?

10

-25 -30

0

100

200

300

400

500

Levha gerilimi, V Şekil E1-10. 6C4 yükseltecinin çal ışma noktasının bulunması.

Ib

Vbb

RL 4 - Rk

•

1 RL « Rk Vb

(El-5)

Tanım olarak, çalışma noktas ı yük doğrusu üzerinde uygun bir noktaya yerleştirilmelidir. Izgara öngerilimi levha ak ımma bağh olduğu için her levha belirtgen e ğrileri üzerinde I b — Vc IRk noktalarına birleştiren ikinci bir doğru çizilir. Yük do ğrusu ile bu e ğrinin kesim noktası çalışma noktasıdır. Şekil El-9 daki katot öngerilim direnci Rk ya paralel ba ğlı olan Ck sığası, levhadaki a.a. akımının katot direncinde neden oldu ğu a.a. işaretlerinin ızgara devresinde gözükmesini önler.

436

VAKUM L 'A MBALT DEVRELER

Bir pentodun levhasma verilen gerilimden, perde geriliminin türetilmesi daha yararlıdır. Bu, levhaya verilen gerilim üzerine konulan dirençlerden oluşan bir gerilim bölücüsü ile ba ş arılabilir. Bununla birlikte, Sek.E1-11 de görüldü ğü üzere seri bağlı basit bir direnç daha uygundur. R, in değeri, verilen perde ak ımı ile levhamn beslenme geriliminde istenilen perde gerilimini verecek biçimde seçilir. R, nin seçkin de ğerleri 0,05 ile 1,0 M O., aras ındadır. Perde direncine• C, s ığaeı paralel olarak ba ğlanır. Böylece bu kondansatör i şaret gerilimleri nedeniyle olu ş an değişikliklerden ba ğımsız olarak perde gerilimini sabit tutar.

6SF7

R 0,5 MQ

C*,,„ 10 p F

Rk

1,3 k(.1

o Şekil E1-11. Pratik bir pentot yükselteci devresi.

Katot öngerilimli pentotların çalışma noktasının belirlenmesi triyotlarda olduğundan daha karışıktır, çünkü öngerilim levha ak ımı kadar perde ak ımma da bağlıdır. Genel olarak perde ak ımın levha akımının sabit bir kesri olduğunu varsayarak, çalışma noktasının bulunmasını triyotlarda oldu ğu gibi yapmak yeterlidir. Seçilen bu kesrin do ğru de ğeri, ele alınan tüpün cinsine bağlıdır ve bu tüpiin perde-ak ımı belirtgenlerinden bulunabilir. Pentotlar ı n çoğu için çalışma noktasında toplam katot ak ımı yaklaşık olarak 1,3 Ib dir. Genellikle bu yakla şık değer, pentodun durgun çal ış ma ş artımis yeterince doğru olarak belirlenmesiai mümkün k ılmaktadır. Pek çok durumlarda çal ışma noktasının bulunmas ı için aşağıdaki "Kes ve dene" yöntemine ba şvurmak daha kolay bir yoldur. Yük do ğrusu üzerinde ve rastgele bir ızgara-öngerilimi ve levha ak ımına karşılık gelen bir nokta seçilir. Sonra perde akımı Vc ve Vb nin bu değerleri için perde belirtgenlerinden bulunur. Daha sonra —(/b 1 8) Rk çarp ımı, seçilen 17, değeri ile karşılaştırılır. E ğer bu iki de ğer eşit ise seçilen de ğer doğrudur; de ğilse istenilen do ğru de ğer elde edilinceye kadar bu olay tekrarlan ır. Bu yöntemle öngerilimlemenin ekonomik yarar ı bir gerilim kayna ğmdan ızgara, levha ve perde gerilimlerinin sa ğlanmasıdır. Üstelik bu öngerilim yöntemi sabit bir öngerilimin yaptığından daha çok kararlı durgun çalış ma

437

TEMEL ELEKTRONIK

ş artını oluştui'ur. Örne ğin, tüpün yaşlan.masuun sonucu olarak levha ak ımının arttığını varsayalım. Bu durum negatif ızgara öngerilimini art ıracağı için levha akımın azaltma e ğilimi gösterir. Böylece çal ışma noktasındaki net de ğişim, sabit öngerilimle besleme durumundan daha az olacakt ır. Aynı durum perde gefilimi için de geçerlidir. Küçük işaret Değişkenleri levha belirtgenleriGenellikle vakum tüpüne uygulanan i şaretlerin nin kapsad ığı tüm gerilim bölgesi ile kar şılaştınldığında çok küçüktürler. Bu nedenle küçük i ş aretler için oldukça do ğru olan Child yasas ını bir yaklaşıkhkla kullanarak tüp belirtgenlerini göstermek mümkündür. Böylece çal ışma noktası grafik yolla bulunduktan sonra a.a. i şaretlerinin çalışma noktası çevresindeki küçük yer de ğiştirmeleri triyodu do ğrusal bir aygıt varsayarak incelenir. Bu yakla şım aşağıdaki biçimde açıklanabilir. Child yasas ına göre levha gerilimindeki bir değişikliğin levha akımında neden olduğu değişiklik

A

b

3 = 2 A (ti- Ve + Vb)I AVb

dir; burada Denk.(E1-2) kullan ılmıştır.

Qibb AV

2

(EI-6)

A 2 /3 /b133 AVb

oranı , levha direnci deni-

len eşdeğer bir direncin tersi olarak adland ırılabilir ve bu direnç, 1

rp

=

Aib AVb

(El-7)

olur. Izgara gerilimindeki bir de ğişiklikle levha akımı da değiştiğinden,

/Vb —

3A 2

yazıhr. Burada

gVe + Vb» /2 ci,6 Ve =-

Aib A Ve

3 p. 2

A 2 /3 1b1 /3 Alıc

(E1-13)

oranına karşılıkh-iletkenlik adı verilir ve

gri =

A/b Ve

(E1-9)

olur. Levha akımındaki toplam değişiklik, (El-7) ve (El-9) denklemlerinden,

p/

rp

Avb + gm A Ve

(E1-10)

biçiminde yazıhr. rp ile gm arasındaki yararlı bir bağıntı, anot akımmdaki toplam değişimin sıfır olmasından yararlanarak elde edilir, bu durumda Denk. (El-10)

438

VAKUM LÂMBALI DEVRELER

1 rp

O

b

AVb

gmr2,

olur.

Vb

A V,

Vc

Km

v,

(E1-1 )

oranı yükseltme katsayısı olarak tammlamr. Eksi i ş areti,

daha önce tart ışıldığı üzere ızgara gerilimi artt ığı zaman anot geriliminin azalaca ğını belirtmektedir. Böylece, Denk .(E1-11) r2,gm

(E1-12)

biçiminde yazıhr. Bu ba ğmtı , iki değişken belli ise üçüncü de ğişkenin bulunmasmda kullanılır. Denklem (E1-10)a göre, çal ışma noktas ı çevresinde levha ak ımında izgara ve anot gerilimlerindeki de ğişikliklerin neden oldu ğu küçük de ğişiklikler, çal ışma noktas ı için uygun küçük-iş aret de ğişkenleri ı, rp ve g m nin değerleri bilinirse bulunabilir. Anot direnci, anot belirtgeninin çal ışma noktasında eğiminin tersidir ve g m ise aktarım belirtgcninin çalışma noktas ındaki eğimidir, böylece tüpün akım-gerilim belirtgenlerinden nicel de ğerler elde edilebilir. Çe şitli triyotların küçük-işaret de ğişkenlerinin seçkin de ğerleri çizelge E1-1 de verilmektedir. Çizelge

Triyodun kiiçiik-i şaret deghkenleri

Tipi

IL

r ,10a S)

gm,10-3raho

6C4 6CW4 6SL7 12AT7 12AU7 12AX7 7895

20 68 70 55 17 100 74

6,3 5,4 44 5,5 7,7 62 7,3

3,1 12,5 1,6 10 2,2 1,6 10,9

P

Küçük-işaret dc ğişkenlerinin büyuklükleri çal ışma noktasına bağlıdır. Bu nedenle, genellikle Iz, r2, ve gm yi d.a. gerilimleri ve tüp belirtgenleriyle belirlenen noktada grafik metodla de ğerlendirmek gereklidir. İlk yaklaşıklıkla yükseltme katsay ısı , çalışma noktas ından bağımsızdır. Çünkü bu katsay ı Denk.(El-4) e göre yaln ız elektrotlar aras ındaki sığalarm oranına ba ğlıdır. Anot direnci, (E1-7) ve (El-6) ya göre, a.aot ak ımına ba ğlıdır, yani 2

rp = -3-- A-2/3I b — 1 /3

(E1-13)

dir. Benzer biçimde (El-8) ve (El-9) u kullanarak kar şılıklı iletkenlik için 3

grn

A2/3 til bı /3

(El-14)

439

TEMEL ELEKTRONIK

yazdır (El-13) ve (E1-14) e göre, anot ak ımı artarken anot direnci yava şca azalır fakat kar şılıklı iletkenlik artar.

Yükseltme ka tsayıs ı

Child yasas ı, triyodun davranışm ın nicel bir belirlemesi olmadığından Denk.(E1-13) ve (E1-14) ün tüp ak ımı ile küçük-işaret de ğişkenlerinin değişimini tam olarak göstermesi beklenemez. Bununla birlikte kullan ışlı bir triyod için deneysel veriler, Şek.(E1-12), nicel sonuçlarla oldukça iyi uyu şmak-

0 20

Levha akl ını , rnA

Şekil Et-12. Levha akmuna göre triyodun küçük-i şaret değişkenlerinin

tadır. Anot akımı arttığında gm nin arttığına rp nin azaldığına ve anot ak ımın ı n küçük değerleri dışında yükseltme katsay ısmm sabit oldu ğuna dikkat

ediniz. Şekil E1-12 ye göre, farkl ı çalışma noktaları seçerek küçük-iş aret değişkenlerinde önemli de ğişmeler elde etmek mümkündür. Triyod Eşdeğer Devresi Bir triyodun küçük-i şaret de ğişkenleri, işaret gerilimleri ve ak ımlarının durgun d.a. de ğerleri ile kar şılaştırıldığında küçük olduğu sürece herhangi bir devredeki tüpün çalışmasını hesaplamak için kullanıhr. Denklem (E1-10)a göre anot akım ının a.a. bileşeni, a.a. ızgara gerilimi ile a.a. anot geriliminin bir fonksiyonudur yani,

ip =--

gm tıg

1

rp

vp

(E1-15)

olur. Bundan sonra s ırayla, g ve p alt-indisleri ızgara ve anot gerilimlerinin (ve akımlarının) a.a. bile şenlerini gösterecektir. Bunlara ek olarak, toplam

440


elektrot akımı ve geriliminin uygun çal ışma noktasında bir d.a. bileşenini de içerdiği akılda tutulmalıdır. Denklem (El-12) i kullanarak ve denk.(EI-15)i r p ıktan sonra, a.a. anot gerilimi, ileçarpt (E1-16)

gVg 1- iprp

Vg =

ile verilir. Denklem (El-16), rp direnci ile seri ba ğlı gvg üretecinin seri olarak bir araya geldi ği biçiminde yorumlanabilir. Basit bir triyot yükselteeinin e ş değer devresi, Şek.El-13 teki gibi, triyot yerine bir üreteçle seri ba ğlı bir direnç koyarak elde edilir. Giri ş devresi ile ç ıkış devresi arasında do ğrudan elektriksel bağlantı yoktur. Bu, yakla şık hiç güç harcamadan anot ak ımının denetlenmesinde azgaranm siipap görevi yapt ığını açıklamaktadır. Üreteç önündeki eksi işaretinin, ızgara gerilimi ile anot gerilimi aras ındaki 180° lik faz fark ını gösterdiğine dikkat ediniz

k (b) Şekil E1-13, (a) Triyod yükselteci ve. (b) onun a.a. e şdeğer devresi.

Yükseltecin. çıkış gerilimi, e ş değer devreden hemen bulunur.

o

ipRL =

— t.tvg rp v + RL

— t.tvg

R

L

İ.

rp iRL

(E1-17)

yükseltecin kazanc ı ise, a

vo

vi

1 + rp IRL

(El-18)

TEMEL ELEKTRONIK

441

dir. Denklem (E1-18) e göre, devrenin maksimum kazanc ı triyodun yükseltme katsayısına eşittir. Bu de ğere yük direnci anot direncinden çok büyük olduğu zaman eri şilir. Pratik bir yükselteçte, yük direncinin triyodun anot direncinden daha büyük yapılması her zaman iste ıımez. Büyük bir yük direnci önemli bir güç kaybı oluşturur ve tüpün elveri şli bir çalışma noktasına konmasında büyük bir anot gerilimini, Vbb, gerekli kılar. Pek çok tüpün yükseltme katsayı sı , alçak yük dirençlerinde bile uygun kazanç verecek biçimde yeterince büyüktür. Anot devresinde bir transformatör kullan ılması da mümkündür. Bir transformatörün impedans-uyu şma özellikleri, üçüncü bölümde aç ıklandığı üzere ikinci devredeki sarımlardan büyük bir a.a. impedansı yansıtır. Bu durumda d.a. direnci oldukça küçük olabilen birinci sar ımlarm direncine kar şılık gelir. Transformatörlerin pahal ı oluşu ve frekans bölgesinin sınırlı oluşu onların yalnızca çok özel uygulamalarda kullan ılmasına neden olmaktad ır. Bu devredeki Rg ızgara direncinin büyüklü ğü yalnızca ızgara akımının neden olduğu gerilim düşmesi ile smırlıdır. Rg e üzerinde buna kar şılık gelen IR gerilim düşmesi ızgara öngerilimini, ızgara-öngerilim üreteci V e, nin uyguladığı değerden farklı yapabilir. Izgara akımı normal olarak denetlenmeyen nitelik olduğu ve aynı tipteki tüpler aras ında bile önemli olarak de ğiştiği için, bu istenmeyen bir durumdur. 0,5 ten 10 MS2 a kadar olan ızgara dirençleri pek çok triyotlar için uygundur. Bu de ğerler ızgara direncinin giriş gerilim kaynağını yükleme etkisini pek çok uygulamalarda tamamen önemsiz k ılar. Kullanılan küçük-işaret de ğişkenleri uygun seçilmek şartı ile pentotlar da triyotlardaki gibi e ş değer devre ile gösterilebilirler. Bu de ğişkenler çalışma noktas ına bağlıdır ve böylece ızgara öngerilimine ve anot gerilimin ek olarak perde ve durdurucu gerilimleri ile de de ğişirler. Pentotlarm sabitakım özellikleri olduğu için, genellikle Thevenin devre gösteriminden daha çok Norton gösteriminin kullanılması daha yararlıdır. Denklem (1-56) a göre, e ş değer akım üreteci, Thevenin eşdeğer gerilim üretecinin e şdeğer iç dirençle bölünmesi ile elde edilen oranla verilir. Iyi =

—

rg

— gmv g

(El-19)

Şekil E1-11 bir pentot yükselteç kat ı Şek.El-14 de gösterilen e ş de ğer devre ile belirlenir Çıkış gerilimi basit olarak sabit-ak ım kayna ğı ile levha ve yük dirençlerinin paralel e şdeğeri çarp ılarak elde edilir, v o = — gm vi ve kazanç ise

rPRL RL

(E1-20)

442

VAKUM Liı tvlBALE DEVRELER

k Şekil E1 -14. Pentot yükselteeinin escle ğer devresi. -

a

vo vi

gm 1

RL RL /rp

(E1-21)

olur. Pek çok durumlarda anot direnci yük direncinden çok büyük oldu ğundan Denk.(E1-21) yakla şık olarak a =-

mn

gm RL

(El-22)

biçiminde yazılır. 0,1 darı büyük olan anot yük dirençleri uygun de ğildir, çünkü anot akımın neden olduğu ardışık d.a. düşmesi çok büyük bir anot gerilim kayna ğını gerekli kılar. Bununla birlikte, tek katl ı bir pentot yükselteci ile 1000 den büyük bir yükseltme elde edilebilir

D İ Z İ N

A (alrernatif ak ını), 37 eşdeğer devre, 169 etkin değer, 39 frekans, 38 KOK değeri, 39 ohm yasası, 74 periyod, 3a voltmetre, 120 La. devre çözümlenmesi, 73 impendans, 74 kompleks eşlenik, 76 ohm yasası, 74 paralel rezonans, 80 seri rezonans, 77 AET'Iii voltmetre, 174 Adres, 416 Akını kazancı, 140 Aktar= belirtgeni, 153 Aktif cihazlar, 128 Alaşım eklemli transitör, 146 Alçak-frekans geçiren süzgenç, 52 Alçak-frekans kazanc ı 210 Alfa-kesilim frekansı, 203 Dedektör, 122 Alıcı atomlar, 132 Alkali batarya, 8 Ampere, 2 Amperınetre, 27 Ana-güdümlü, 373 Analog cihazları, 327 Analog bilgisayarlar, 262 Analog'dan sayısala dönüşüm, 403 Anot, 426 Ardışık-yaklaşıklıkla dönüştürücü, 405 A-S (Analog'dan Sayısala) dönüşümü, 403, 405 Ayırma, 206 Batarya: alkali ,8

cıvah, 8 nikel kadmumlu pil, 8 Bilgi kaydediciler, 371 Belirtgin impedans, 344 rastgele giri ş, 396 Birleştirici dil, 421 Boole cebiri, 361 Boxcar integral al ıcı, 412

C Calomel elektrot, 321 Child yasası, 427

Ç Çalışma Noktası, 165 Çapraz ba ğlantılı VED, 371 Çeyrek dalga, boyu hatt ı, 348 Çınlama, 58 Çok titre şken: İki-durumlu, 291 kararsız, 288 tek-durumlu, 297 Çözücü mantık, 387

D D.a. çiftlenimi, 224 Balgabiçimi çözüraleyici, 329 Dalgalanma çarpanı, 107, 109 Dalga klavuzu, 348 d'Arsonval metre, 26 De Morgan teoremi, 361 Denetim devreleri, 307 Denetimli do ğrultucu, 114 Devre elemanlar ı, 4 Dinamik kaymak kaydedici, 394 Dinamik ters-çevirici, 395 Direnç: birleştirilmiş, 5

444 deği şken, 5 ince zar, 5 telli, 4 Diyod devreleri, 99 Diyod pompa, 299 Do ğal yarı iletkeıı, 132 Doğrultucu, 100 Doğrultucu e şitli ği, 135 Do ğruluk çizelgesi: DE Ğ IL, 358 dış arlayan- VEYA, 361 eşzamanlı olmayan, 359 geçitli VED, 372 iki-durumlu VED, 372 negatif mantık, VED, 364 toplama, 355 VE, 356 VEYA, 357 Yedi parçal ı ondalık gösterim, 388 Dolaşımlı kaydedici, 380 Dolu şerit, 129 Düğiim noktası , 14 Dönüştürücü, 315 mekanik, 315 sığaçh, 317 Dynod, 324 E Eğilme, 222 Eklem diyod, 101 Elektrik akımı, 2 Elektrometre, 322, 333 Elktromotor kuvvet, 6 Elektron bo şlukları, 132 Eşzamanlı olmayan devre, 378 F Faz fark ı , 69 Faz kayma!' titre şken, 267 Fortran dili, 421 Fotosel, 322 Foto-ço ğaltıcı, 324 Fonrier serisi, 60 Frekans ölçeri, 401 G Gecikme hattı, 347 Gecikme zaman ı, 346 Gerilim bölücü, 10

D İZ İ N

Gerlim dü şmesi, 10 Gerilim düzenleyici, 112, 307 seri, 307 şöııt, 309 Gerilim fark ı, 2 Gerilim katlay ıcı, 107 Girdap ak ımları, 45 Giriş süresi, 396 Gösterimler: I şıklı, 386 yedi-parçal ı, 385 Güç çarpam, 41 Güdümlü, 312, 373 Güne ş üreteci, 326 Gürültü, 335 akımı, 337 çarpam, 339 eşdeğeri, 339 1 / f, 337 ısısal, 335 Johnson 336 Nygist, 336 pir pır, 338

11 Hafı za devreleri, 390 Halkalı sayaç, 381 Hartley osilatörü, 272

Işık yayınlayan diyod (IYD), 386 lşıklı gösterimler, 382 Ismim dektektörü, 327 Izgara, 428 bastırıcı, 432 denetim, 432 perde, 432 İ İKO sayacı, 378 İletim hatları, 342 İletim sabiti, 344 İletkenlik, 3 İletkenlik şeridi, 130 Ilgi fonksiyonu, 413 İki durumlu devreler, 375 Ikili eğim integrali, 404 Ikili merdiven devresi, 408 Ikili sayılar, 354

DIZIN İlmek, 15 İmpedans dönüştürücüsü, 260 İndüktans, 44 İntegre eden devre, 256 İntegre devre, 157 Işaret izleyicileri, 411 ivme ölçeri, 320

VEYAD, 359 yarı toplayıcı, 369 Melez parametreler, 181 Merdiven biçimli dalga, 300 Miller etkisi, 203 Miller tarama, 305 Meyil, 301

J

N

Joule yasası, 3 K Kare dalga, 63 Karşılaştım!, 261 Katkılama, 133 Katot, 426 Kaydediciler, 379 dolaşunh, 380 halkah, 381 Kaymalı, 380 Kaynak izleyici, 172 Kesilim frekansı, 352 Kupıeı, 118 Kıskaç, 115 Kirehhoff kurah, 13 Kondansatörlü mikrofon, 317 Köprü devreleri, 84 Köprü doğrultucu, 106 Kuru pil, 6 Küçük işaret değişkenleri, 168, 437

Negatif direnç, 138, 279 Negatif geribesleme, 236 Negatif mantık, 364 Norton eşdeğer devresi, 24 Nötürleştirme, 218

L Lissajous şekilleri 70 M Magnetik kafa, 331 Magnetik kaydedici, 330 Makina dili, 421 Maksimum güç hiperbolii, 208 Maksimum güç iletimi, 26 Mantık devresi, 364 Mantık geçidi, 355 DEĞIL, 358 Dışarlayan, VEYA 360 DSTM, 366 DTM, TTM, YÇM, 365, 369 Paralel toplama, 376 Seri toplama, 370 Tam toplayıcı, 370 toplama, 369 VE, 357 VEYA, 358

O

Ohm, 3 Ohm yasası , 3 Ohmmetre, 30 Orta şerit kazancı, 200 Ortak tabanlı, 188 Ortak toplayıedı, 189 Ortak yayıcılı, 184 Osilatörler: Colpitts, 273 durulmah, 283 faz kaymah, 267 Hartley, 272 Kristalli, 274 LC'li, 271 negatif dirençli, 279 tünel diyodlu, 282 Uyarı:ah, 273 Wien köprülii, 269 Osiloskop, 65, 377 Ö öngerilim devreleri, 177 Öngerilimleme do ğrusu, 167 Örnekleme osiloskobu, 328 Özdirenç, 2 P Paralel devre, 11 Pentot, 431 Perdeleme, 340 PH-ölçeri, 321 pn-eklemi, 101 Pozitif geribesleme, 243, 267 Program, 415 Program dili. 419

445

446 Ğ Q-çarpanı, 83 R Reaktans, 41 Reosta, 6 Sazsızhk: alıcı, 132 verici, 132 Sayısal aygıtlar, 401 Sayısal bilgisayar, 415 Sayısal işleyici, 409 Sayısal mantık, 354 Sayısal süzgeç, 410 S-A merdiven devreleri, 407 Schmitt tetikleyici, 295 DSD (denetimli Silisyum do ğrultucu), 143 Seri devre, 9 Sönümlü harmonik titre şken, 262 Sönümlü sabrım, 59 Sözde toprak, 245 Süzgeç: etkin, 259 L-biçimli, 110 RC-, 49 EL-, 47 7z-biçimli, 111

D İZİ N YGAET, 153 Triyod, 434 Tünel diyod, 136 Türev alan devre, 256 U Uyancılı titre şken, 273

ti tiret eçler : Puls, 302 dalga biçimi, 299 miller tarama, 301 testere di şi, 283 V Vakum diyodu, 426 Vakum tüpü, 428 VE geçidi, 356 Verici safsızlık, 132 Volt, 2 Voltmetre, 27 sayısal, 403

Weston pili, 12 Wheatston köprüsü, 17 Wien köprüsü, 77 Y

ş Ş ebeke, 12 Şok, 49 T T-eşdeğer devresi, 180 T-köprü, 90 Taşıyıcı : Çoğunluk, 133 azınlık, 133 Tepe yapma, 205 Termistör bolometre, 325 Tlfevenin e şde ğer devresi, 22 Toplama geçidi, 369 Topraklama, 340 Transformatör, 92 Transistör: AET, 150 eklem, 139 MOYAET, 153 tek eklemli, 145

Yalnız hafıza okuyan, 390 Yan güç frekansı, 49 Yan-iletken, 129 Yasak enerji aralığı, 130 Yayla izleyici, 189 Yedi parçalı gösterimler, 385 Yönerge, 417 Yük do ğrusu, 164 Yüksek frekans geçiren süzgeç, 51 Yüksek frekans kazanc ı, 202 Yükselteç: puls, 220 akordu, 216 B-sınıfı„ 211 C-sınıfı, 273 d.a., 233 Darlington, 193 do ğrudan çiftlenim, 223 fark, 189 güç, 207 iç-kenedi, 233

DiZİN işlemsel, 245 it-çek, 210 logaritmik, 256 katlama, 199 kesici, 22S pentod, 442 tamamlayıcı simetri, 192 triyod, 440 Yükseltme süresi, 220

Yükseltme katsay ısı, 42, 429 Yükseltme şeridi, 204

Zaman arah ğı ölçeri, 401 Zaman sabiti, 53 Zener diyod, 113 Zorlanma ölçeri, 317 silisyumlu, 318

447

temel elektronik

Recommend Documents