BMM212 Elektronik 1 Lab. Deney#2

Transkript

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#2
Diyot Doğrultma Devreleri ve Gerilim Katlayıcı
Doç Dr. Mutlu AVCI
Ar.Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2016
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 212 Elektronik Lab. 1 Deney#2
DENEY 2
Diyot Doğrultma Devreleri ve Gerilim Katlayıcı
1. Amaç
Bu deneyin amacı, klasik bir DC güç kaynağında yer alan, AC işareti DC işarete dönüştürme işlemi için
gerekli diyot doğrultma devrelerinin çalışmasını anlamak ve karakteristiğini çıkarmak, diyotun gerilim
katlayıcı devresindeki çalışmasını incelemektir.
2. Temel Bilgiler
Doğrultma Devreleri
Diyot devrelerinin en yaygın uygulamalarından biri doğrultma devreleridir. Diyot doğrultma devresi
klasik bir DC güç kaynağının ilk aşamasını oluşturur. DC gerilim yarıiletken teknolojisi tabanlı
neredeyse tüm elektronik cihazların güç beslemesi için gereklidir. DC gerilim beslemesiyle yarıiletken
tabanlı elektronik elemanlar uygun çalışma noktasına getirilirler. Böylece anten veya benzeri bir harici
giriş ile alınan veri işaretleri istenen çalışma noktasına getirilmiş yarıiletken elemanlar yardımıyla
işlenir.
Şekil 1 bir DC güç kaynağının blok gösterimini içermektedir. Burada çıkış gerilimi devreye bağlı
olarak değişir. Bu deneyde filtresiz ve filtreli diyotlu doğrultma devre uygulamaları yapılacaktır.
Şekil 1 Güç kaynağı blok diyagramı
Doğrultma, polarite olarak değişen AC gerilimini tek polariteli hale getirme işlemine denir. Diyot
elemanı, akımın sadece tek bir yönde geçişine izin veren karakteristiğinden dolayı doğrultma işlemini
gerçekleştirmek için çok elverişlidir. Diyotlu doğrultma devresinin diyot doğrultucu kısmı
transformatör ile indüklenme sonucu arzu edilen bir gerilim düzeyine indirilmiş AC gerilimin istenilen
alternansının istenilen şekilde filtre devresine iletilmesini, filtre devresi de içerdiği kapasitör
sayesinde elde edilen bu pozitif alternanslardan oluşan doğrultulmuş işaretin dalgalılığını azaltmak
suretiyle DC gerilim değerinin artmasını sağlar. Diyot doğrultucular yarım dalga ve tam dalga olmak
üzere iki temel kategoriye ayrılır.
Yarım Dalga Doğrultucu
Tek yollu doğrultucu olarak da adlandırılan yarım dalga doğrultma devresi, transformatörü müteakip
yüke seri bağlı bir diyot elemanından oluşur. Yarım dalga denmesinin nedeni alternansın birinde
iletime geçiyor olmasıdır. Diğer alternans tamamen kesilerek çıkışa iletilmez. Şekil 2 bir yarım dalga
doğrultma devresini göstermektedir. Burada transformatörün sekonderine bir diyot ve bu diyota seri
bağlı yük direnci mevcut olup çıkış yük direncinin üzerinden alınmaktadır. Doğrultucu devrelerinin
analizinde gerilim düşümlü model kullanılır. Diğer bir ifade ile parçalı lineer model (PWL)
yaklaşımında diyot iletim durumundayken ileri yönlü diyot direnci
kabul edilir.
Şekil 2 Yarım dalga doğrultucu ve gerilim transfer karakteristiği
Şekil 2 deki devrede transformatör, girişini (örneğin 220V-50Hz), dönüştürme oranına bağlı olarak
(
) gerilimine dönüştürür. Artık gerilimi, çıkış gerilimini oluşturacak olan diyot
doğrultma devresinin giriş gerilimidir. Şekil 2’deki grafik, devrenin
gerilim transfer
karakteristiğini gösterir. <0 için, diyot ters kutuplanmıştır ve bu akımın akmayacağı ve buna bağlı
olarak da çıkış gerilimi ’ın sıfır olacağı anlamına gelir. gerilimi, diyot açılma geriliminden küçük
olduğu sürece ( < ) diyot iletimde olmayacak ve çıkış gerilimi görülmeyecektir. Bunun yanında
> için, diyot ileri yönlü kutuplanacak ve devreden akım akmasına izin verecektir. Bu durumda;
eşitlikleri yazılabilir.
Eğer Şekil 3(a)’da görülen gibi bir sinüsoidal işaret ise, çıkış gerilimi, Şekil 2’deki gerilim transfer
eğrisi kullanılarak bulunabilir. Giriş işaretinin < olduğu bölgede çıkış gerilimi sıfır;
olduğu
bölgede çıkış gerilimi;
şeklinde olacaktır. Çıkış gerilimi grafiği Şekil3(b)’de görülmektedir. giriş gerilimi her iki polaritede
de (+,-) eşit büyüklükte gerilim değeri gösterdiğinden dolayı zamana göre ortalama değeri sıfırdır.
Bunun yanında çıkış gerilimi için DC gerilimin değeri ve RMS değeri:
olarak yazılır.
Çıkış geriliminin DC değeri artık sıfırdan farklıdır, böylelikle giriş işareti doğrultulmuş olur. Çıkış
geriliminde giriş geriliminin sadece pozitif alternansı göründüğü için buna “yarım dalga doğrultma”
denir. Diyotun kesimde olduğu ve akım iletmediği durumda R direnci üzerinde gerilim düşümü
meydana gelmez, böylece giriş işareti diyot üzerinde görülür (Şekil 3(c)).
Şekil 3 Yarım dalga doğrultma devresindeki gerilimler (a) sinüsoidal giriş gerilimi, (b) doğrultulmuş çıkış gerilimi,
(c) diyot gerilimi
Yarım dalga doğrultucunun dezavantajı giriş işaretinin negatif alternansının çıkışa aktarılamamasıdır.
Negatif alternans boyunca akım değeri sıfır olduğu için herhangi bir güç harcaması olmaz fakat aynı
zamanda kullanılabilecek olan negatif gerilim kullanılamamış olur.
Filtreli Yarım Dalga Doğrultma Devresi
Şekil 4'te görülen yarım dalga doğrultucuya eklenen kapasitör, yüke sağlanan çıkış geriliminin DC
değerini yarım dalga doğrultucu devresine göre Şekil 5'te görülen şekilde artırır.
Şekil 4 Kapasitörlü yarım dalga doğrultucu
Şekil 5 Yarım dalga doğrultucu devresinin çıkış gerilimi
Bu durumun geçerli olması için gereken şart kapasitörün boşalma zamanının dalganın periyoduna
göre yeterli derecede büyük olmasıdır. Bu duruma
boşalma zamanı ile girişteki dalganın
periyodu karşılaştırılarak karar verilir. Kapasitör ilavesinin ardından kapasitörün çıkıştaki yüke
sağladığı tepe gerilimi ile kapasitörün bir sonraki şarj edici dalga alternansına kadar boşaldığı gerilim
farkına "dalgalılık (ripple) gerilimi" denir ve Vr ile gösterilir. Dalgalılık gerilimi ne kadar küçük olursa
çıkıştaki gerilimin DC büyüklüğü fazla ve sistemin doğrultma kalitesi yüksek olur.
Kapasitör ilavesinden sonra çıkış geriliminin DC değeri yaklaşık;
olur.
Burada
kapasitörün dolduğu tepe gerilimi olup çıkışın DC değeri kapasitör doğrusal olarak
boşalıyor kabul edilerek dalgalılık geriliminin yarısı kadarki kapasitörün üzerindeki gerilim alınır.
Dalgalılık geriliminin alabileceği maksimum değer
'ya eşittir. Bu değerden daha fazla bir
dalgalılık gerilimi kapasitörün boşalma zamanının dalganın periyoduna göre küçük kaldığı, kapasitör
yükünün tamamen boşaldığı anlamına gelir. Bu durumda dalgalılık gerilimi maksimum
alınarak işlem yapılır. Çıkıştaki DC gerilim kapasitör boşalma zamanı ve periyot ilişkisine göre
arasında bir değer alır.
Dalgalılık gerilimini hesaplamak için aşağıda gösterilen şekil referans alınırsa;
Şekil 6 Çıkış geriliminde ripple (dalgalılık) etkisi
Kapasitörün şarj süresi ΔT olsun, deşarj süresi T-ΔT olur.
olduğu için;
Taylor serisi açılıp ilk terimi alınırsa;
olur.
olduğundan;
olduğundan ihmal edilebilir;
ile
alınabilir. O halde Vr;
bulunur. O halde çıkış geriliminin DC değeri;
olur.
Şekil 7’den de anlaşılacağı gibi diyot akımı yalnızca iletim anlarında akar. Kapasitörün tepe değerine
kadar şaj olmasından itibaren, bütün deşarj olma süresi boyunca diyot kapalıdır, akım iletmez.
Şekil 7 Çıkış gerilimi ile diyot akımının zamana bağlı olarak eşzamanlı gösterimi
Buradaki akımın DC değeri;
ile bulunur.
Diyotlu doğrultma devresinin ilk anda çektiği akıma dalgalanma akımı (surge current) denir ve bu
akım çekilecek en yüksek tepe değerine sahiptir. Bu akımın çekilme sebebi ilk anda kapasitörün şarj
olmak üzere kısa devre gibi davranmasıdır.
Ters Tepe Gerilimi (Peak Inverse Voltage):
Diyotun kapalı olarak (ters yönde) dayanması gereken maksimum gerilim değeridir. Kapasitörsüz ve
kapasitörlü doğrultucu devrelerinde diyotun üzerine düşen gerilim Şekil 8’deki gibidir.
Şekil 8 Doğrultucu devresinde diyot üzerine düşen gerilim
Bu nedenlerle, yarım dalga doğrultma devresinin dayanması gereken ters tepe gerilimi;
değerindedir.
Tam Dalga Doğrultucu
Tam dalga doğrultucu, yarım dalga doğrultucu çıkışında görülmeyen negatif alternansı tersine
çevirerek çıkışa aktarır ve böylece sinüsoidal giriş işaretinin her iki yarı alternansı da çıkışta görülmüş
olur. İki temel tam dalga doğrultma devresi yaygındır. Bunlardan ilki çift yollu doğrultucu, diğeri de
köprü doğrultucu devresidir. Çift yollu doğrultucu devresi Şekil 9’da görülmektedir. Doğrultucu
girişinde bulunan orta uçlu ve bu uca göre simetrik çıkış veren transformatör, giriş işaretini (örneğin
220V-50Hz), transformatörün sekonderindeki iki çıkış noktasına da şekilde görülen polaritede N1/ 2N2
sargı oranlarına göre dönüştürecektir ( ). Giriş işareti pozitif iken transformatörün her iki çıkışı da
( ) pozitif, giriş işareti negatif iken transformatörün her iki çıkışı da ( ) negatif olacaktır. Burada
transformatör ayrıca ana besleme hattı ile doğrultma devresi arasında elektriksel izolasyonu da
sağlayacaktır. Giriş işaretinin pozitif alternansı boyunca, her iki çıkışı da pozitiftir. Böylece D1 diyotu
ileri yönlü kutuplanır ve iletime geçer, D2 diyotu ise ters yönlü kutuplanır ve kesimdedir. D1 diyotu ve
çıkış direnci üzerinden akan akım pozitif bir çıkış gerilimi oluşturmuş olur. Benzer şekilde, giriş
işaretinin negatif alternansı boyunca, D1 diyotu kesimde ve D2 diyotu ileri yönlü kutuplandığı için
iletimdedir. Böylece çıkış gerilimi üzerinden geçen akım yine pozitif bir gerilime sebep olur. Her iki
diyotun ileri yönlü direnci ihmal edileceğnden,
gerilim transfer karakteristiği Şekil 9(b)’deki
gibi elde edilir.
Şekil 9 Tam dalga doğrultucu: (a) orta uçla transformatör devresi, (b) gerilim transfer karakteristiği, (c) giriş ve
çıkış dalga formları
Sinüsoidal bir giriş işareti için, zamana bağlı çıkış gerilimi, Şekil 9(b)’deki gerilim transfer eğrisi
kullanılarak bulunabilir.
iken, D1 diyotu açık ve çıkış gerilimi;
olarak hesaplanır.
geriliminin negatif olduğu durumda,
ya da
iken, D2 diyotu açık ve çıkış gerilimi
olacaktır. Bu durumlara tekabül eden çıkış gerilim grafiği Şekil 9(c)’de
gösterilmektedir. Doğrultulmuş çıkış gerilimi, giriş geriliminin pozitif ve negatif her iki alternansını da
içinde barındırdığından bu devre “tam dalga doğrultucu devresi” adını alır.
Tam dalga doğrultucu devresinin diğer bir çeşidi olan “köprü tipi doğrultucu” devresi Şekil 10(a)’da
gösterilmiştir. Burada, önceki tam dalga doğrultucu devresindeki iki çıkışlı-orta uçlu transformatör
kullanılmamış, önceki devredeki iki diyot yerine 4 farklı diyot elemanı konulmuştur.
Giriş geriliminin pozitif alternansında, pozitif, D1 ve D2 diyotları ileri yönlü kutuplanmış, D3 ve D4
diyotları ise ters kutuplanmış olur. Bu durumda devrede akımın akacağı yol Şekil 10(a)’da
gösterilmiştir. Gerilimin negatif alternansında ise,
negatif, D3 ve D4 diyotları ileri yönlü
kutuplanmış, D1 ve D2 diyotları ise ters yönlü kutuplanmıştır. Bu durumda akımın devrede izleyeceği
yol Şekil 10(b)’de gösterilmiştir. Şekil 10(c) sinüsoidal gerilim ile doğrultulmuş çıkış gerilimi
grafiğini göstermektedir. Bu devrede akım iletim yönünde iki farklı ileri yönlü kutuplanmış diyot
üzerinden geçtiğinden çıkış gerilimi;
olarak hesaplanır.
Şekil 10 Tam dalga köprü doğrultucu: (a) giriş işaretinin pozitif alternansında akımın yönü, (b) giriş işaretinin
negatif alternansında akımın yönü, giriş ve çıkış gerilimi dalga formları
Şekil 9 ve Şekil 10’daki iki farklı tam dalga doğrultma devreleri de pozitif çıkış gerilimi üretir.
Filtreli Tam Dalga Doğrultma Devreleri
Şekil 11 Kapasitörlü çift yollu doğrultucu devresi
Şekil 11’deki çift yollu doğrultucu devresine kapasitör ilavesiyle tam dalga doğrultulmuş işaretin
dalgalılık gerilimi, çıkıştaki gerilimin ve akımın DC değerleri aşağıdaki şekilde olur. Dalgalılık gerilimi
yarıya inmiş, hem pozitif hem de negatif alternanstan yararlanılması ile DC çıkış gerilimi büyümüş
olur.
Diyotun dayanması gereken ters tepe gerilimi:
olur.
Köprü doğrultuculu devreye kapasitör ilavesi ile aşağıdaki devre topolojisi gözlenir.
Şekil 12 Kapasitörlü köprü tipi doğrultucu devresi
Dalgalılık gerilimi ve çıkış gerilimi iki diyotun ileri yönde gerilim düşümünden etkilenir haldedir. Ancak
kademeli çıkış olmaksızın AC giriş doğrultulmuş olur. Köprü doğrultucu için sırasıyla dalgalılık, çıkışın
DC gerilimi ve akımı aşağıdaki formüllerle ifade edilir.
Köprü doğrultucudaki bir diyotun dayanması gereken ters tepe gerilimi:
olur.
Şekil 13 RC filtreli bir tam dalga doğrultucunun ripple etkisini gösteren çıkış gerilimi
Gerilim Katlayıcı (Voltage Doubler)
Geilim katlayıcı devresinin köprü tipi tam dalga doğrultucu devresi ile tek farkı, gerilim katlayıcıda
Şekil 14’de görüldüğü gibi iki diyotun iki kondansatörle yer değiştirmesidir. Böylece çıkış tepe
değerinin yaklaşık iki katı kadar gerilim elde edilmiş olur.
Şekil 14 Gerilim katlayıcı devresi
Şekil 15(a)’da, transformatörün üzerindeki gerilimin negatif olduğu andaki gerilim katlayıcının
eşdeğer devresi, Şekil 15(b)’de ise transformatörün üzerindeki gerilimin pozitif olduğu andaki gerilim
katlayıcının eşdeğer devresi görülmektedir. Şekil 15(a)’da D2 diyotunun ileri yönlü iletim direnci
küçüktür ve böylece C1 kondansatörü giriş geriliminin hemen hemen tepe değerine kadar dolar. C1
kondansatörü üzerindeki 2 numaralı terminal i numaralı terminale göre pozitiftir. işaretinin genliği
düşerken C1 kondansatörü RL ve C2 üzerinden boşalır. Burada RL C2 zaman sabitinin, giriş işaretinin
periyoduna göre çok uzun olduğunu kabul edilir.
giriş işaretinin polaritesi değiştiğinde (Şekil 15(b)), C1 kondansatörü üzerindeki gerilim 2 numaralı
terminal pozitif olacak şekilde
düzeylerindedir. giriş işareti yeniden tepe değerine ulaştığında
bu kez C2 kondansatörü ’e kadar dolacaktır.
Şekil 15 Gerilim katlayıcının eşdeğer devresi: (a) Negatif giriş alternansı, (b) pozitif giriş alternansı için
Kirchoff’un gerilim kanununa göre RL yük direnci üzerindeki gerilim 2VM olarak görülecektir.
Doğrultma devrelerinin çıkışındakine benzer bir ripple etkisi burada da olacaktır. Fakat C1 ve C2
değerlerinin yeterince büyük olması ripple etkisini azaltacaktır (Şekil 10).
Şekil 16 Gerilim katlayıcı çıkış grafiği ve ripple etkisi
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011
3. Malzeme Listesi



D1N4001 Diyot (4 adet)
2.2kΩ direnç
10uF (2 adet), 470uF kondansatör
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
4. Hazırlık Çalışması
ve
1. Yarım dalga doğrultma devresi için
ise;
,
2. Köprü tipi tam dalga doğrultma devresi için
ve
değerlerini bulunuz.
,
ve
değerlerini bulunuz.
5. Deney Çalışması
5.1. Kapasitörsüz ve Kapasitörlü Yarım Dalga Doğrultma Deneyi
1. Şekil 17’deki devreyi kurunuz.
D1
D1N4001
V1
VOFF = 0
VAMPL = 12
FREQ = 100
AC =
R1
2.2k
0
Şekil 17
2. BRD02 deney setinin sinyal jeneratörü kısmından
kaynak gerilimi alınız.
3. Osiloskobun birinci kanalını diyotun anoduna, ikinci kanalını ise dirence bağlayarak eşzamanlı
olarak giriş ve çıkış işaretlerini gözleyiniz ve grafikleri çiziniz.
4. Şekil 17’deki devrede dirence paralel bağlı bir 10uF kondansatör ekleyiniz (Şekil 18) ve 3. adımı
tekrarlayınız.
D1
D1N4001
V1
VOFF = 0
VAMPL = 12
FREQ = 100
AC =
R1
2.2k
C1
10u
0
Şekil 18
5. Şekil 18’deki devrede kondansatörü 470uF ile değiştirerek 3. adımı tekrar ediniz.
5.2. Tam Dalga Doğrultma Deneyi
1. Şekil 19’teki devreyi kurunuz.
D1
D1N4001
V1
VOFF = 0
VAMPL = 12
FREQ = 50
AC =
D2
D1N4001
D3
D4
D1N4001
D1N4001
R1
2.2k
0
Şekil 19
3. Osiloskobun birinci kanalını kaynak gerilimini görüntülemek için D1-D2 diyotları arasına, ikinci
kanalını da çıkış gerilimini görüntülemek için dirence bağlayınız ve elde ettiğiniz grafikleri çiziniz.
4. Şekil 19’daki devrede dirence paralel bağlı bir 10uF kondansatör ekleyiniz (Şekil 20) ve 3. adımı
tekrarlayınız.
D1
V1
D2
D1N4001
D1N4001
D1N4001
D3
D1N4001
D4
VOFF = 0
VAMPL = 12
FREQ = 100
AC =
C1
R1
2.2k
0
Şekil 20
5.3. Gerilim Katlayıcı Deneyi
1. Şekil 21’teki devreyi kurunuz.
D1
D1N4001
V1
VOFF = 0
VAMPL = 12
FREQ = 100
AC =
D2
D1N4001
C1
C2
10u
10u
R1
2.2k
0
Şekil 21
3. Osiloskobun birinci kanalını kaynak gerilimini görüntülemek için D1-D2 diyotları arasına, ikinci
kanalını da çıkış gerilimini görüntülemek için dirence bağlayınız ve elde ettiğiniz grafikleri çiziniz.
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
6. Deney 2 Sonuç Sayfası
Kondansatörlü ve Kondansatörsüz Yarım Dalga Doğrultma Deneyi Sonuçları
Yarım Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
10uF Kondansatör Eklenmiş Yarım Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
470uF Kondansatör Eklenmiş Yarım Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
Tam Dalga Doğrultma Deneyi Sonuçları
Tam Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
10uF Kondansatör Eklenmiş Tam Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
470uF Kondansatör Eklenmiş Tam Dalga Doğrultma Devresi Çıkış Grafiği
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
Gerilim Katlayıcı Deney Sonuçları
10uF için;
470uF için;
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
7. Sonuç ve Tartışma
1. Ön çalışma sorularında elde ettiğiniz sonuçlar ile deney sırasında elde ettiğiniz sonuçları
karşılaştırınız, farklar varsa bu farkların olası sebeplerin yazınız.
2. Bu deney çalışmasında neler öğrendiniz kendi cümlelerinizle açıklayınız.
3. Doğrultma devrelerinin çıkışında bulunan kondansatör elemanının görevi nedir? Doğrultma
işlemi için yüksek kapasite değerleri mi, düşük kapasite değerleri mi daha iyidir? Nedenlerini
yazınız.

BMM212 Elektronik 1 Lab. Deney#2

Transkript

Benzer belgeler

Lab 1 On-Calisma

uçak bakım diyotlu devreler

elektronik deneyleri ı

avr-12 alternatör voltaj regülatörü

Tektronix osiloskop ölçme teknikleri