DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı Devreleri

DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı
Devreleri
DENEYİN AMACI
1.
2.
UJT gevşemeli osilatör devresinin çalışmasını öğrenmek.
UJT zamanlayıcı devresinin çalışmasını öğrenmek.
GİRİŞ
UJT (Relaxation) Gevşemeli Osilatör
SCR ve Triyak tetikleme devrelerinin çoğu darbe üreteci olarak temel gevşemeli
osilatör kullanırlar. V-I karakteristiği negatif direnç bölgesi içeren herhangi bir yarı
iletken eleman kullanılabilir. Genellikle kullanılan elemanlar UJT, PUT, SCS, Diyak,
ve Schottky diyotları içerir.
(a) Devre
(b) Emetör gerilimi
(c) R1 üzerindeki gerilim
Şekil 3-1 Temel UJT Gevşemeli Osilatör
3-1
Şekil 3-1, temel UJT gevşemeli osilatör devresini ve gerilim dalga şekillerini gösterir. S
anahtarı kapatıldığında, C kapasitörü RE direncinden akan akımla VB değerine kadar
dolar. Kapasitör gerilimi VE tepe noktası gerilimi VP değerine ulaşınca UJT iletime
geçer. Kapasitör R1 direnci üzerinde bir gerilim darbesi üreterek E-B1 yönünde boşalır.
Çıkış darbesinin büyüklüğü şu denklem ile belirlenir:
VO = IE x R1……………………………………………………………………(3-1)
Emetör akımı, UJT çukur noktası akımına, IV, kadar düşer, UJT kesime gider ve
kapasitör tekrar dolmaya başlar. Bu döngü S anahtarı kapalı kaldığı sürece devam
eder. Osilasyon periyodu oldukça küçüktür, genellikle birkaç µs’dir.
Şekil 3-1(b)’de VE gerilim dalga şekli temel olarak bir eksponansiyel eğridir. Normal
çalışmada, deşarj zaman sabiti ((RB1 + R1) x CE) ve şarj zaman sabiti (RE x CE)’dir.
Gerçeklenen devrelerde RE >> (RB1 + R1) olduğundan, (RE + CE) >> ((RB1 + R1) x
CE’dir.
Şekil 3-1(b)’deki eğrinin periyodu (t1) şu denklem ile belirlenir:
⎡
⎤
⎢
⎥
1
t1 = RE C E ln ⎢
⎥ ……………………………………………………(3-2)
V
D
)⎥
⎢ (1 − η) − ( V
B1B 2 ⎦
⎣
VB1B2 >> VD olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir:
⎡ 1 ⎤
t1 = RE C E ln ⎢
⎥ ………………………………………………...……………….(3-3)
⎣ (1 − η) ⎦
VV’den VP’ye kadar dolan kapasitör şu şekilde ifade edilebilir:
VP = (VB − VV )(1 − e
− t1
RE CE
)
Birçok uygulamada RBB >> R2 ve VB >> VV olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir:
VP = VB (1 − e
− t1
RE CE
)
Böylece t1 şarj periyodu şöyle ifade edilebilir:
VB
t1 = RE C E ln(
) ………………………………………………………………..(3-4)
VB − VP
Şekil 3-1(c)’de çıkış darbesinin frekansı şöyle hesaplanabilir:
f = 1 / (t1+t2) (Hz)…………………………………………………...……………… (3-5)
3-2
Burada t1 şarj periyodu, t2 deşarj periyodudur. Bir çevrimi tamamlamak için geçen
süre genellikle T ile tanımlanır, T = t1+t2’dir. Kapasitör UJT’nin emetörü, RB1 ve R1
üzerinden boşalır. RB1 ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve RE >> R1’dir, dolayısıyla
t2 deşarj periyodu t1’e göre oldukça küçüktür. Böylece uygulamada çıkış darbesinin
frekansı şu eşitlik ile hesaplanabilir:
f = 1 / t1 (Hz)……………………………………………………………………………(3-6)
Üstte bahsedilen bu iki çıkışın yanında, istendiği takdirde Şekil 3-1(a)’daki UJT
gevşemeli osilatör devresindeki B2 ucundan da işaret çıkışı alınabilir. Şekil 3-2, bir
UJT gevşemeli osilatör devresinin UJT çıkışlarındaki gerilim dalga şekillerini gösterir.
Şekil 3-2(b)’de B1’deki çıkış dalga şekli, genellikle SCR ve Triyak gibi tetiklemeli
tristörlerde kullanılan pozitif darbe katarıdır. Şekil 3-2(c)’de gösterilen B2’deki dalga
şekli B1’dekinin tersine bir negatif darbe katarıdır. Emetör çıkışında ise Şekil
3-2(d)’de gösterildiği gibi testere dişli dalga oluşmuştur.
Şimdi Şekil 3-2(a)’ya dönelim. VB kaynak gerilimi verildiğinde B2 pozitiftir, baz arası
direnci (RBB = RB1 + RB2), R1, ve R2 dirençlerinin izin verdiği miktarda küçük bir akım
(IB2 = VB / (RBB + R1 + R2)) B2 ile B1 arasından akar. Emetör gerilimi VE (CE gerilimi)
VP gerilimine ulaşır, ve UJT iletime geçer. CE deşarj akımı (IE) aniden maksimum
değerine çıkar, böylece RB1 düşer ve IB2 yükselir. Sonuçta R2’deki gerilim düşümünün
artmasından dolayı B2 gerilimi düşer
(VB2 = VB - IB2R2) olur. Deşarj periyodunun sonunda UJT kesime gider ve B2 çıkışı
başlangıçtaki potansiyeline döner. Dolayısıyla B2 ucundaki çıkış dalga şekli Şekil
3-2(b)’de gösterildiği gibi negatif darbedir.
R2 direnci sıcaklık kompanzasyonu için kullanılmıştır ve daha ileri ki konularda
incelenecektir.
(a) Devre
(b) B1 çıkış gerilimi
3-3
(c) B2 çıkış gerilimi
(d) Emetör çıkış gerilimi
Şekil 3-2 UJT Gevşemeli Osilatör
Şimdiye kadar, UJT karakteristiklerini ve UJT gevşemeli osilatörün çalışma ilkelerini
inceledik. Bundan sonraki konular için önemli olan UJT parametrelerini şöyle
özetleyebiliriz:
1. RBB = 4~10K
2.
3.
4.
5.
η=0.6, RB1=0.6 RBB, RB2=0.4RBB
IP=0.5~50µA
IV=1~10mA
VV=1~3V
6. Rsat=5~25Ω
(1) Doğrusallığın Sağlanması
Şekil 3-1(b) ve 3-2(d)’den, emetör gerilimi dalga şeklinin tam bir testere dişli dalga
olmadığını görüyoruz, bunun sebebi şarj akımının eksponansiyel (üssel) bir
formda olmasıdır. Kapasitörde doğrusal bir şarj gerilimi elde etmek için, sabit
akımla şarjı sağlamak için sabit akım kaynağı kullanmak iyi bir çözümdür.
Şekil 3-3 Sabit Akım Şarjlı Ujt Gevşemeli Osilatör
3-4
Şekil 3-3’te sabit akım kaynağı PNP transistör Q2, RE direnci, ve 3 adet diyotla
oluşturulmuştur. Her bir diyotun gerilim düşümlerinin transistörün baz emetör
gerilimine tam olarak eşit olduğunu farz edelim. Bu durumda Q2 emetör akımı şöyle
hesaplanabilir:
0.6 N − 0.6 ( N − 1)0.6
=
I =
RE
RE
………………………………………………………..(3-7)
Burada N diyot sayısıdır. Örneğimizde bu sayı 3 olduğundan Q2’nin emetör akımı IE =
1.2V/RE olur. Yani IE akımı sabittir ve RE ile belirlenir. IC ≈ IE olduğundan CE kapasitörü
RE direnci ile belirlenmiş bir sabit akım ile dolar.
Bir kapasitörün kapasitansı tanımında, kapasitör geriliminin şu şekilde yazılabileceği
belirtilir:
VC = Q / CE …………………………………………………………………………..(3-8)
Kapasitördeki gerçek yük Q içinde hareket eden yüklerin ortalama hızlarının zaman
ile çarpımına bağlıdır. Yani
Q = I.t ……….…………………………………………………………………………..(3-9)
Daha önce de bahsedildiği gibi, kapasitör çukur noktası gerilimi VV’den tepe noktası
gerilimi VP’ye kadar dolar, kapasitör gerilimi VC VP’ye ulaştığında UJT iletime geçer.
Bir çevrimin periyodu (T) şarj süresi t1 ile değiştirilebilir ve şöyle ifade edilebilir:
Q (VC )(C E ) (VP − VV )C E
=
=
……………………………………………..(3-10)
I
I
I
Sabit şarj akımını korumak için VE < VP iken Q2 transistörünün doyma bölgesinde
olmaması gerekir. Şekil 3-3’teki devreye uygulanacak gerilimi belirlemek için Q2
doyma geriliminin uygun bir değerinin bilinmesi gerekir. VCE2(sat) = 1V ise, uygulanacak
gerilim şöyle belirlenir:
t1 = T =
VBB ≥ VP + 1+ (N-1) x 0.6……………………………………………………………..(3-11)
Şekil 3-4, UJT osilatör devreleri için bir sabit akım kaynağı devresini gösterir. Diyot,
Zener diyot, ve RZ direncinden oluşan gerilim bölücü Q2 transistörünün bazında sabit
bir iletim yönünde kutuplama oluşturur. Sıcaklık kompanzasyonu için transistörün EB
jonksiyonu ile aynı V-I karakteristiğine sahip bir diyot seçilmiştir.
Şekil 3-4 Zener Sabit Akım Kaynaklı Ujt Osilatör
3-5
Q2’nin emetör akımı Zener diyot gerilimi VZ ve RE direnci ile belirlenir.
IE =
V Z + V D − V BE V Z
=
RE
RE
VZ sabit olduğundan IE de sabit olmak zorundadır. Şarj zamanı t1 alttaki denklemle
ifade edilebilir.
Q VB C E (VP − VV )C E
=
=
…………………………………………………(3-12)
I
I
I
Bu durumda besleme gerilimi VBB;
t1 = t =
VBB ≥ VP + 1 + VZ ……………………………..……………………………………..(3-13)
Buradaki son sabit akım kaynağı devresi Şekil 3-5’te gösterilen devredir. Bu devrede
JFET Q2 transistörünün savağı (savak: drain) ile UJT’nin B2 bazı birleştirilmiştir. Q2
transistörü CE kapasitörünün dolması için sabit şarj akımı sağlar. FET’in ID-VGS
karakteristiklerinden görüldüğü gibi, şarj akımı şöyle belirlenir:
I=
VGS
RR
Osilasyon frekansı RE direncine bağlı olarak değişir.
Şekil 3-5 JFET Sabit Akım Kaynaklı UJT Osilatör
(2) VV‘nin Küçültülmesi
Bir UJT gevşemeli osilatörün emetör gerilim çıkışı VV~VP aralığındadır. Çıkış
gerilim aralığını genişletmek için kullanılan bir yöntem VP değerini yükseltmek, bir
diğeri ise VV değerini düşürmektir. VP = VB (1 − e
− t1
RECE
) denkleminden tepe gerilimi
VP’nin, VB besleme gerilimi arttırılarak kolayca arttırılabileceği görülmektedir. VV
çukur gerilimini azaltmak yada yok etmek için Şekil 3-6’daki devrede kullanılan
teknik faydalı bir tekniktir.
3-6
Şekil 3-6 VV Küçültme Amacıyla Eklenen Transistör
Şekil 3-6’daki devre Şekil 3-4’teki devre ile karşılaştırıldığında Şekil 3-6’daki devrede
kullanılan ilave transistör QD’nin dışında devrelerin tamamen aynı olduğu görülür. QD
transistörü kapasitörün boşalması için başka bir yol sağlaması için kullanılmıştır. Bu
devrenin çalışması kısaca şöyle açıklanabilir:
1. CE dolarken UJT ve QD kesimdedir.
2. CE gerilimi VP değerine ulaşınca, UJT iletime geçer ve CE kapasitörü R1 direnci
üzerinden boşalır. R1’deki gerilim darbesi QD’yi doyum bölgesine götürür.
3. QD doyumda olduğundan, VCE(sat) değeri sıfıra çok yakındır (tipik olarak 0.1V).
Ancak bu gerilim değeri QD transistörünün olmadığı devrede VV’nin (tipik olarak
1~3V) yanında çok küçüktür.
4. QD deşarj zamanını arttırır.
0V ile VBB arasındaki büyüklükte bir negatif çıkışa ihtiyaç duyulursa, Şekil 3-7’deki
devre bu ihtiyacı giderebilir. QP transistörü CE kuvvetlendirici yapısına bağlanmıştır,
ve evirici olarak çalışır. UJT osilatörün normal çalışmasında, B1 ucundaki pozitif
darbe QP transistörünü doyma bölgesinde iletimde tutacaktır. Kollektör çıkışında Şekil
3-7’de gösterildiği gibi 5~12µs’lik kısa süreli bir negatif darbe gözlenir.
Şekil 3-7 Yüksek Gerilimli Kısa Süreli Negatif Gerilim Çıkışı
3-7
(3) Yük Etkisinin Azaltılması
Şekil 3-8, bir RD yük direncinin temel bir UJT gevşemeli osilatör devresindeki
kapasitöre paralel bağlanmış halidir. RD ve RE dirençleri bir gerilim bölücü
oluşturur. Eğer R d direnci VP değerinden daha büyük bir gerilim düşümü
oluşturmak için çok küçükse osilatör osilasyon oluşturamaz, çünkü UJT iletime
geçemez. Buna ek olarak, ilave edilen RD direnci UJT giriş empedansını
değiştirdiğinden osilasyon frekansı da değişir. Bu değişim “yük etkisi” olarak
adlandırılır. Yük etkisinin oluşmasından kaçınmak için, çok yüksek giriş direnci ve
çok düşük çıkış empedansı olan bir yük gereklidir. Şekil 3-9(a)’da gösterildiği gibi,
Q3-Q4 darlington çiftinin aktif empedans eşleme devresi gibi davranır. Bu
devrenin çalışması şöyle özetlenebilir:
1. Her transistörün dc akım kazancının (β) 100’den büyük olduğunu farz edelim.
Darlington çiftinin toplam dc akım kazancı (β 2) 10000’dir.
2. RE =1KΩ olduğundan, Darlington çiftinin giriş direnci (1K x 10000) 10MΩ’dur.
Bu 10MΩ’luk direnç kapasitöre paralel bağlanmıştır.
3. CE kapasitörünün şarj akımı (VZ / RE = 5V / 25K) 200µA’dır. En kötü
durumda, VE = VP, 10MΩ’luk giriş direncinde oluşan maksimum şönt akımı
VP / 10MΩ = (VD + ηVBB) / 10MΩ = (0.5V + 0.65V + 30V) / 10MΩ = 2µA’dır. Bu
akım şarj akımının yanında ihmal edilebilir. Dolayısıyla yük etkisi
önemsenmez.
4. Q4 emetöründeki çıkış gerilimi Şekil 3-9(b)’de gösterildiği gibi (VE - 1.2V)’a
eşittir.
5. Q4’ün emetör direnci çıkış gerilimini ayarlayabilmek için bir potansiyometre ile
değiştirilebilir. Emetör direnci ile yük arasına bir kuplaj kapasitörü CC
bağlanarak, ortalama dc gerilim sabitlenir ve Şekil 3-9(b)’de gösterildiği
gibi –10V ~ +10V aralığında bir çıkış gerilimi elde edilir.
Şekil 3-8 Yük Etkisi İllüstrasyonu
3-8
Şekil 3-9 Yük Etkisini Azaltmak İçin Kullanılan Darlingtonlu Devre
UJT Gevşemeli Osilatör Tasarımı
Yukarıda bahsedildiği gibi, bir gevşemeli osilatör devresinde, UJT negatif direnç
bölgesinde çalışmalıdır. Bir UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımında, statik VE-IE
eğrisinin Şekil 3-10’daki Yük çizgisi 3 (load line 3)’te olduğu yük eğrisi ile negatif
direnç bölgesinde kesişmesi gerekir. Tasarım adımları altta listelenmiştir.
Şekil 3-10 UJT Yük Çizgileri
3-9
(1) RE’nin Belirlenmesi
RE direnci, UJT karakteristik eğrisi ile negatif direnç bölgesi içinde kesişecek
şekilde seçilmelidir. Bu koşulu sağlamak için uygulanan VB gerilimi UJT’yi iletime
geçirecek kadar büyük olmalı, ve kapasitör şarj akımı tepe noktası akımı IP’den
daha büyük olmalıdır. Maksimum RE değeri alttaki denklem ile belirlenir:
RR <
VB − VP
= R E (MAX ) ……………………………………………………….(3-14)
IP
RE(max) yük çizgisi Şekil 3-10’daki yük çizgisi 1’dir. Gerçek RE değeri RE(max)’tan
küçük seçilmelidir. RE direnci, tepe akımı IV ‘den daha küçük bir deşarj akımı
sağlamak için çok küçükse UJT doyma bölgesinde (saturation region) çalışacaktır,
bu durumda UJT kesime götürülemez. Kesime götürebilmek için gerekli minimum
RE değeri şöyle belirlenir:
V − VV
RE > B
= RE (Mİİ ) ………………………………………………………..(3-15)
IV
Dolayısıyla RE direnci aralığı RE(max) ile RE(min) ile sınırlıdır. Genellikle RE(min)
değerinin 2 yada 3 katına eşit bir RE değeri yük çizgisini negatif direnç bölgesinde
konumlandırmak için uygun bir değerdir.
(2) CE’nin Belirlenmesi
Kapasitör değerini belirlemeden önce, şarj olan bir kapasitörün gevşemeli osilatör
devresine etkisini görmek için bu devredeki UJT’nin çalışmasını incelemeliyiz.
Şekil 3-11, daha önce incelenen UJT statik VE-IE karakteristiğini ve dinamik yolu
gösterir. Kapasitör gerilimi VP değerine (B noktası) ulaştığında, UJT çalışmasına
devam eder ve yük çizgisi ile elemanın karakteristiğinin negatif direnç
bölgesindeki kesişme noktasında çalışmaya hazırlanır. Kapasitör geriliminin
aniden düşememesi nedeniyle çalışma noktası aniden sabit gerilimde bir C
noktasına kayacaktır. B~C yolundaki zaman aralığı UJT’nin iletime geçiş zamanı
(turn-on time) olarak adlandırılır, bu değer tipik olarak 1µs’den daha küçüktür.
3-10
Şekil 3-11 UJT’nin Dinamik Ve Statik Karakteristikleri
C noktasında, kapasitör aniden boşalır, dolayısıyla çalışma noktası C noktasında
D noktasına düz bir şekilde kayar, bu C-D çizgisinin eğimi R1 ve RE(Sat) ile belirlenir.
D noktası çukur noktasına yakındır. Emetör akımı çalışma noktasını D noktasında
tutamaz. Bu anda, devrede CE kapasitörü olmasaydı, çalışma noktası D
noktasından elemanın karakteristik eğrisi ile yük çizgisinin negatif direnç
bölgesindeki kesişme noktasına kayardı. Ancak gerçekte CE kapasitörü
olduğundan çalışma noktası D’den A’ya kayar. Bu noktada kapasitör bir sonraki
çevrim için dolmaya başlar. Dolayısıyla, osilasyon periyodu RECE zaman sabiti, ve
iletim (turn-on) ve kesime (turn-off) gitme karakteristikleri ile belirlenir.
Şekil 3-12 Değişik CE Değerleri İçin Çalışma Yolları
3-11
Uygulamada, UJT gevşemeli osilatör devresinin çalışma yolu CE, VB1B2, ve sabit
CE değeri ile belirlenir. Şekil 3-12 değişik CE değerleri için çalışma yollarını gösterir.
Şekil 3-13 sabit bir CE değeri ve değişik VB1B2 değerleri için çalışma yollarını
göstermiştir. Bu iki şekilden, CE yada VB1B2 değerlerinden herhangi birinin artması
ile I=’nin arttığını ve daha uzun bir çalışma yolunun izlendiğini görürüz. IE’nin
artması R1 üzerindeki çıkışı büyütür, ve daha uzun çalışma yolu osilasyon
frekansını düşürür.
Şekil 3-13 Değişik VB2B1 Değerleri İçin Çalışma Yolları
Yukarıda incelendiği gibi, osilasyon frekansı CE değerinin büyüklüğü ile değişir. CE
değeri alttaki denklem ile belirlenebilir.
CE ≈
T
RE × ln
1
1− η
…………………………………………………………(3-16)
Burada T osilasyon periyodudur.
(3) R1’in Belirlenmesi
B1’e bağlanan R1’in temel amacı gerilim çıkış değerini belirlemektir. Birçok
uygulamada, R1 100Ω’dan daha küçük seçilir; bununla birlikte 2~3KΩ kadar
büyük R1 değerleri de bazı özel tasarımlarda kullanılmaktadır.
Genellikle R1 üzerinde istenen gerilim düşümü yükün ihtiyacına göre değişir.
Örneğin, SCR tetiklemek için kullanılan bir UJT gevşemeli osilatör devresi
minimum 3V’lik bir tetikleme çıkışının olması gerekir. Bu durumda R1 üzerindeki
gerili 3V’den daha büyük olmalıdır. R1 değeri alttaki denklemle hesaplanabilir.
R1 = (İstenen tepe çıkış gerilimi) / (IE Tepe emetör akımı)…………………(3-17)
3-12
Şekil 3-14 Değişik R1 Direnç Değerleri İçin R1 Direnci Geriliminin CE İle
Değişimi
Örneğin, 3V’lik bir tepe gerilimi isteniyorsa ve tepe emetör akımı IE 300mA ise R1
için 10Ω’luk bir direnç seçilmelidir. Daha yüksek IE elde edilmesi VB1B2 gerilimi ile
sağlanır. Şekil 3-14, VB besleme gerilimi 20V iken R1 üzerindeki çıkış gerilimi ile
CE arasındaki ilişkiyi gösterir. Eğer 20V üzerinde bir besleme gerilimi uygulanırsa,
alttaki hata faktörü göz önünde bulundurulmalıdır.
Hata faktörü = (VB – 6) / 14 ………………………………………….……...(3-18)
Şekil 3-14 örneğinde, VB=20V, CE =1µF, ve R1=10Ω iken R1 üzerindeki minimum
gerilim 3V’dir. Eğer besleme gerilimi 25V’ye çıkarılırsa, önce hata faktörü
hesaplanmalı, (25-6)/14=1.358, ve ardından çıkış tepe gerilimi 1.358 ile çarpılarak
hesaplanmalıdır (1.358 x 3V = 4V).
(4) R2’nin Belirlenmesi
UJT, yarı iletken elemanların çoğunda olduğu gibi, sıcaklık değişimlerinden
etkilenir. B2 ucundaki R2 direnci osilatör için ısıl kararlılık sağlar. Denklem 2-3’ten,
VP tepe geriliminin VB1B2, η, ve VD gibi sıcaklıkla değiştiğini görürüz. Dolayısıyla
UJT gevşemeli osilatör devresinin osilasyon frekansı sıcaklık değişimleri ile değişir.
Kararlı ve hassas bir osilasyon frekansı elde etmek için UJT osilatörde sıcaklık
kompanzasyonu yada ısıl kararlılık tekniklerinden biri düşünülmelidir.
Uygulamada tercih
yerleştirilmesidir.
edilen
teknik,
B2
ucuna
uygun
değerli
bir
direnç
Baz arası direnci RBB, ters emetör akımı IEO, tepe gerilim ve akımı, çukur gerilim ve
akımı, η ve VD, ve bunlar gibi sıcaklık değişimlerinden etkilenen birçok UJT
parametresi vardır. Konunun devamında görülecekler açısından Denklem (2-3)
hatırlanmalıdır:
VP = ηVB1B2 + VD
3-13
Üstteki denklemin η hariç sıcaklığa göre diferansiyel denklemini oluşturursak
alttaki denklemi elde ederiz.
dV P
dV
dV
= η B1B 2 + D
dT
dT
dT
Bir silikon diyot için dVD/dT değeri negatiftir. Diğer bir deyişle sıcaklıktaki artış
VD’nin düşmesine neden olur. ηdVB1B2/dT=dVD/dT eşitliği sağlanabilirse, uygun bir
R2 değeri kullanılarak frekans değişimi en aza indirilebilir.
Kullanılacak R2 değerinin hassas bir şekilde formüle edilmesi UJT
parametrelerinin çokluğundan dolayı oldukça zordur. Motorola mühendisleri
ampirik deneylerle şu formülü elde etmişlerdir:
R2 ≈ 0.015 VB η RBB ………………………………………………………………(3-19)
Şekil 3-15 Değişik R2 Değerleri İçin Sıcaklık&Frekans Değişimi
Şekil 3-15 değişik R2 değerleri için osilasyon frekansı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi
gösterir. Şekilde gösterildiği gibi –5oC ile 80oC arasında R2 değeri 1.5KΩ iken
osilasyon frekansı oldukça kararlı olacaktır.
Şekil 3-2(a)’daki UJT gevşemeli osilatör devresi örneğinin tasarımına bakalım.
Örnek 3-1
Şekil 3-2(a)’daki gevşemeli osilatör devresinde UJT için şu değerler verilmiştir: VV=2V,
IV=6mA, η=0.8, ve RBB=8KΩ. Besleme gerilimi VB = 20V. B1’de istenen minimum tepe
çıkış gerilimi 1.5V, ve istenen osilasyon frekansı 5.6KHz ise RE, CE, R1, ve R2
değerlerini belirleyiniz.
Denklem (3-15)’ten RE(min) bulunur:
V − VV
20 − 2
RE (min) = B
= 3 KΩ
=
IV
6 × 10 −3
3-14
RE direncini 3RE(min) yani 3 x 3KΩ = 9KΩ olarak seçiniz. Böyle bir durumda 10KΩ’luk
sabit bir direnç yada hassas bir osilasyon frekansı için 25KΩ’luk bir potansiyometre
kullanılabilir.
İstenen osilasyon frekansı 5.6KHz’dir, dolayısıyla osilasyon periyodu T=1 / 5.6KHz
=175µs olarak hesaplanır. Denklem (3-16)’dan CE kapasitansı şöyle hesaplanır:
CE =
T
RE × ln
1
1− η
=
175 × 10 −6
= 0.01µF
1
10 × 10 3 ln
1 − 0.8
Şekil 3-14’ten CE = 0,01µF için R1=50Ω değerini ve istenen minimum tepe çıkış
gerilimi olarak da 1.5V seçeriz.
R2 değeri Denklem (3-19)’dan hesaplanabilir:
R2 = 0.015 VB η RBB
= 0.015 x 20 x 0.8 x 103
= 1920 Ω
Çoğu uygulamada R2 değeri 200Ω ile 3KΩ arasında alınır, biz 2KΩ kullanacağız.
UJT Osilatör Kullanılarak Tasarlanan Tristör Tetikleme Devreleri
SCR ve Triyak anahtarlama devrelerinin çoğu darbe üreteci olarak UJT gevşemeli
osilatör devresini kullanırlar. Şekil 3-16(a)’da gösterildiği gibi R1 üzerindeki gerilim
darbesi SCR’nin kapısını sürmek için kullanılmıştır.
(a) Temel Devre
(b) Yük çizgileri
Şekil 3-16 Temel UJT Gevşemeli Osilatör
UJT gevşemeli osilatör devresinin tetikleme devresi olarak kullanılması için tasarımda
yerine getirilmesi gereken bazı koşullar vardır. Gevşemeli osilatörler için yukarıda
tartışılan koşulların yanında tristörün bazı karakteristikleri de göz önünde
bulundurulmalıdır. Erken tetiklemeden kaçınmak amacıyla R1 direnci şu şekilde
seçilmelidir:
3-15
VGT (max) >
R1VB 2
…………………………………………………….…..(3-20)
RBB + R1
( I F − IV ) R1 > VGT (min) ………………………………………………………(3-21)
Burada VGT(max) SCR yada Triyak’ı tetiklemeyecek maksimum kapı gerilimi ve VGT(min)
elemanı tetikleyecek minimum kapı gerilimidir. VB2 B2 terminalindeki gerilime karşılık
gelir. Kapasitör deşarj zaman sabiti UJT’nin iletime geçme zamanından (ton) daha
uzun olmalıdır, böylece doyma
direnci R1 yük çizgisini etkilemeyecektir. CE x R1 değerini ton’un en az 10 katı
yaparsak alttaki denklem elde edilir:
10t on
……………………………………………………………………(3-22)
R1
Şekil 3-16(b) yük çizgilerini ve statik karakteristik eğrisini gösterir. B’deki emetör akımı,
IF , tristör için gerekli tepe kapı akımına karşılık gelir.
CE >
Zamanlayıcı Devresi
Zamanlayıcı devreleri endüstriyel kontrol sistemlerinde sıklıkla kullanılırlar.
Zamanlayıcı devresinin ana fonksiyonu bir komut işareti yada bir anahtardan başlama
işareti aldıktan sonra yüke enerji vermeden önce bir süre gecikme yapmasıdır.
Dolayısıyla bir zamanlayıcı devresi temel olarak bir zaman geciktirici devredir.
DC zaman geciktiricilerin genel tasarımı, bir pasif RC devresi ve bir aktif yarı iletken
devreyi içerir. Şekil 3-17 UJT zaman geciktiricisinde kullanılan temel devreyi gösterir.
Devrenin yukarıda anlatılan gevşemeli osilatör devresi olduğuna dikkat ediniz.
Şekil 3-17 Temel UJT Zaman Geciktirici Devresi
S anahtarı kapatıldığı zaman, dc besleme gerilimi R2 ve D1’den oluşan zener
regülasyon devresi üzerinden UJT gevşemeli osilatör devresine çalışma gerilimi
sağlar.
3-16
R1 üzerinden akan akım D1’in zener gerilimine kadar C1 kapasitörünü şarj eder. C1
gerilimi UJT’nin tepe noktası gerilimi VP değerine ulaşınca UJT iletime geçer, B1’deki
çıkış darbesi güç kontrol elemanlarını tetiklemek için kullanılabilir.
Zaman geciktirici devrenin tasarımı UJT gevşemeli osilatör devresi ile aynıdır.
Gecikme zamanı R1C1 zaman sabiti ile belirlenir ve R1 değeri osilasyon koşulları ile
sınırlıdır. Belirlenen R1 değeri için genel eşitlik alttaki gibidir:
C1 > T / R1 ……………………………………………………………………(3-28)
Burada T istenen gecikme zamanıdır. Üstteki eşitlikten, uzun zaman gecikmelerinin
büyük ve pahalı kapasitörler gerektireceği görülebilir. Uzun zaman gecikmeleri için
diğer bir yol şarj direnci yerine bir yarı iletken eleman kullanmaktır. Şekil 3-18 bu tip
devrelerden sık kullanılanları gösterir.
(a)
(b)
Şekil 3-18 Zaman Geciktirici Devreler
Şekil 3-18(a)’da şarj direnci bir jonksiyon transistör ile değiştirilmiştir. Şarj akımı
kutuplama dirençleri 1R, 2R, ve 3R ile kontrol edilir. Şekil 3-18(b)’deki devredeki şarj
direnci yerine bir FET kullanılarak yüksek empedanslı bir sabit akım kaynağı
oluşturulmuştur. Şarj akımının büyüklüğü 1R kaynak direncinin seçimi ile kontrol edilir.
Deney Devresinin Açıklaması
Şekil 3-19 KL-53001 modülündeki deney devresini gösterir. Bu devre UJT gevşemeli
osilatör ve UJT zamanlayıcı devrelerinden oluşur.
3-17
Şekil 3-19 Deney Devresi
(1) UJT Osilatör Devresi
UJT osilatör devresi için besleme gerilimi 12VDC’dir. Gerilim uygulandığında şarj
akımı şarj dirençleri VR2 ve R4 üzerinden akarak C kapasitörünü şarj eder.
Kapasitör şarj formülünden şarj zamanının şöyle hesaplandığı görülür:
VR2 = minimum,
VR2 = maksimum,
T1 = R4 x C = 510 x C
T2 = (R4 + VR2) C = (510 + 250 x 103) x C
C = C2 = 100µF ise,
T1 = 0.051 saniye, ve f1 = 19.6Hz
T2 = 25.051 saniye, ve f2 = 0.0399Hz olur.
C = C3 = 22µF ise,
T1 = 0.011 saniye, ve f1 = 90.9Hz
T2 = 5.51 saniye, ve f2 = 0.181Hz olur.
C = C4 = 1µF ise,
T1 = 0.00051 saniye, ve f1 = 1960.8Hz
T2 = 0.25 saniye, ve f2 = 4Hz olur.
Emetörde bir testere dişli dalga ve B1’de pozitif darbe elde edilir. VR2
potansiyometresi ayarlanarak değişik frekanslar elde edilebilir.
Q1 transistörü bir sabit akım kaynağı gibi davranır. Denklem (3-7) ‘den akım
aralığı şöyle hesaplanır:
(0.6V + 0.6V − 0.6V )
(0.6V + 0.6V − 0.6V )
≤ I E1 ≤
50.056 K
56Ω
Dolayısıyla 11.9µA ≤ I E1 ≤ 10.7 mA’dır.
2N2624 tipi UJT için, VV = 1.5V, VP = 7.5V. Denklem (3-10)’dan
3-18
T =
(7.5 − 1.5)C 6C
=
I E1
I E1
C = C2 = 100µF ise,
6 × 100 × 10 −6
= 50.42s
11.9 × 10 −6
f1 = 0.0198 Hz.
T1 =
6 × 100 × 10 −6
= 0.056s
10.7 × 10 −3
f1 = 17.85Hz.
T2 =
C = C3 = 22µF ise,
T1 = 11.09 s
f1 = 0.09Hz
T2 = 0.012 s
f2 = 83.33Hz
C = C4 = 1µF ise,
T1 = 0.5 s
f1 = 2Hz
T2 = 0.00056 s
f2 = 1785.7Hz
Yukarıda bahsedildiği gibi, sabit akım kaynağı emetördeki testere dişli dalga için
doğrusallık sağlar.
UJT gevşemeli osilatör bir AC güç elemanını tetiklemek için kullanıldığında,
tetikleme darbesi AC hat gerilimi ile senkron edilemez. Senkronizasyon için,
osilatör güç kaynağı Şekil 3-20(a)’da gösterildiği gibi bir AC gerilimde olmalıdır.
60Hz’lik AC hat gerilimi köprü tam dalga doğrultucu ile 120Hz’de dalgalı dc
gerilime dönüştürülür. Şekil 3-20(b)’de gösterildiği gibi RD ve D1’den oluşan
gerilim bölücü dalgalı dc gerilimi 12V’lik uygun gerilim değerine sınırlar.
3-19
Şekil 3-20 Hat Gerilimi İle Senkron Tetikleme Darbeleri
Q2 transistörü deşarj zamanını kısaltır. VV değeri R5 ile belirlenir.
(2) Zamanlayıcı Devresi
UJT gevşemeli osilatör aynı zamanda bir zamanlayıcı yada zaman geciktirici
devre olarak da kullanılır. Çıkış darbesinin frekansı VR1 yada VR2 ile kontrol edilir.
Bir röle,
lamba, SCR, yada buzzer sürebilecek bir çıkış darbesi ON ve OFF gecikmelerini
göstermek üzere elde edilmiştir.
Şekil 4-19, R6 uçlarındaki gerilim darbesi Q3 transistörüne baz akımı sağlar, Q3
iletime geçer ve LED ve buzzer’ı çalıştırır. Gecikme zamanı sona erdiğinde gerilim
darbesi kesilir, ve Q3 kesime gider. LED ve buzzer çalışmaz.
KULLANILACAK ELEMANLAR
KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesi
KL-53001 Modülü
Osiloskop
Multimetre
DENEYİN YAPILIŞI
1. Bir AC güç kablosu kullanarak KL-51001 Güç Kaynağı Ünitesinin AC110V girişini
bir AC çıkışa bağlayın. Güç kaynağını açın. Multimetreyi kullanarak ac çıkış
gerilimleri ile +5Vdc ve +12Vdc gerilimleri kontrol edin.
2. Şekil 3-19’daki devreye bakarak, KL-53001 Modülündeki S anahtarını OFF
konumuna getirin. Test uçlarını kullanarak DC12V girişini Güç Kaynağı Ünitesinin
+12V çıkışına bağlayın.
3-20
3. Bağlantı fişlerini 1, 4, 7, 8, 11, 12, ve 14 numaralı yerlere bağlayın. Minimum
değer elde etmek için VR2’yi saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin.
4. S1’i ON konumuna getirin. Osiloskopu kullanarak, B1’deki çıkış darbesini ölçün ve
Tablo 3-1’e kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin.
T = ___________________
(Not: Osilasyon görünmezse, VR2’yi bir dalga şekli görünene kadar sağa doğru
yavaşça çevirin.).
5. Osiloskopu kullanarak, UJT’nin emetöründeki gerilim dalga şeklini ölçün ve Tablo
3-1’e kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin. T = ________________
5. ve 6. Adımlardaki T değerleri birbiri ile uyuşuyor mu? ____________________
6. VR2’yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. LED ve buzzer’ın durumlarını
gözlemleyip kaydedin.
LED_______________________; Buzzer _____________________________
Bir kronometre kullanarak, LED’in sönük olduğu zamanı ölçüp kaydedin.
T = _________________________________
Tablo 3-1
B1
E
V
0
V
T
0
T
7. VR2’yi sağa doğru çevirerek E ve B1’deki dalga şekillerindeki değişimi
gözlemleyip kaydedin.
______________________________________________________________
3-21
8. VR’’yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. Periyodu hesaplayın.
T = (VR2 + R4) x C4 = _____________________________________________
9. Osiloskobu kullanarak, B1’deki dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-2’ye kaydedin.
Osilasyon periyodunu ölçün ve kaydedin.
T = ________________________
10. 8. Ve 9. Adımlar yaklaşık olarak birbiriyle uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
11. E’deki dalga şeklini ölçün ve Tablo 3-2’ye kaydedin. Osilasyon periyodunu ölçün
ve kaydedin. T = ______________________________
Bulduğunuz T değeri 9. Adımdaki T ile uyuşuyor mu?
______________________________________________________________
Tablo 3-2
E(1)
B1
V
0
E(2)
V
T
V
0
T
0
T
12. E’deki gerilim dalga şekline bakarak UJT parametrelerini belirleyiniz.
VV = _______________________V ; VP = _______________________V.
13. Bağlantı fişlerini 12 ve 14 numaralardan çıkarıp sırasıyla 13 ve 15’e takınız. S1
anahtarını ON konuma getirdikten sonra LED ve buzzer’ın ON olmasına kadar
geçen süreyi ölçün.
T = ____________ . E’deki gerilim dalga
şeklini ölçün ve Tablo 3-2’ye kaydedin.
14. 7 numaradaki bağlantı fişini çıkarıp 6’ya takın. VR2’yi saat yönünün tersi
yönde sonuna kadar çevirin. 5., 6., ve 7. Adımları tekrar edin ve sonuçları Tablo
3-3’e kaydedin.
3-22
Tablo 3-3
B1
E
V
V
0
T
0
T
15. VR2’yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. 8., 9., 10., ve 11. Adımları tekrar edin
ve sonuçları Tablo 3-4’e kaydedin.
Tablo 3-4
B1
E(1)
V
V
0
E(2)
T
V
0
T
0
T
16. 13. Adımı tekrarlayın ve sonucu Tablo 3-4’e kaydedin.
17. 6 numaradaki bağlantı fişini çıkarıp 5 numaraya takın. VR2’yi saat yönünün tersi
yönde sonuna kadar çevirin. 4., 5., 6., ve 7. Adımları tekrar edin ve sonuçları
Tablo 3-5’e kaydedin.
3-23
Tablo 3-5
B1
E
V
V
0
T
0
T
18. VR2’yi saat yönünde sonuna kadar çevirin. 8., 9., 10., ve 11. Adımları tekrar edin
ve sonuçları Tablo 3-6’ya kaydedin.
Tablo 3-6
B1
E(1)
V
V
0
E(2)
T
V
0
T
0
T
19. 13. Adımı tekrar edin ve sonucunu Tablo 3-6’ya kaydedin. Bütün Bağlantı fişlerini
çıkarın.
20. AC18V-0V-18V girişlerini Güç Kaynağı Ünitesinin çıkışına bağlayın. Bağlantı
fişlerini 2, 4, 7, 8, 11, 12, ve 14 numaralara takın. Doğrultucu çıkış gerilimini ölçün
ve kaydedin. ___________________
UJT gevşemeli osilatör devresi için üstteki adımları tekrar edin. Sonuçları
karşılaştırarak açıklayın.
______________________________________________________________
______________________________________________________________
3-24
21. Bağlantı fişlerini 1, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 12, ve 14 numaralara takın. E’deki gerilim
dalga şeklini ölçün ve gözlemleyin. Deşarj zamanı hızla azalıyor mu?
______________________________________________________________
SONUÇ
UJT gevşemeli osilatör ve zamanlayıcı devrelerinin çalışmaları incelendi. Hesaplanan
ve ölçülen T değerleri arasındaki küçük farkı gördünüz. Bu fark kapasitörlerin
tabiatında olan doğal hatadan kaynaklanmaktadır.
15. Adımda kapasitör üzerindeki gerilim dalga şekillerini ve VV ve VP değerlerini
gözlemlediniz. Önemli UJT parametrelerini gerçek çıkış dalga şekillerinden elde
etmek tipik bir yöntemdir. Alttaki örnek bu yöntemi daha iyi anlamanızı sağlayacaktır.
Örnek 3-2
Osilasyon periyodu T=5ms (f = 200Hz), VBB = 10V olan bir UJT gevşemeli osilatör
tasarlayın ve (1) VV, (2) VP, (3) η, (4) IV, ve (5) IP parametrelerini belirleyin.
Çözüm:
RE = 50KΩ seçeriz (RE(min) ve RE(max) değerlerinin ortalaması), şarj zaman sabiti
formülünden CE’yi belirleriz:
T = CE x RE
T ve RE değerlerini denklemde yerine koyarsak,
5ms = CE x 50KΩ
CE = (5 x 10-3) / (50 x 10) = 0.01 µF buluruz.
UJT gevşemeli osilatör Şekil 3-21(a)’d gösterildiği gibi tasarlanmıştır. Osiloskopta
görünen dalga şekilleri Şekil 3-21(b)’de gösterilmiştir. VE dalga şeklinden, şunları elde
ederiz:
(1) VV = 1.5V
(2) VP = 7.5V
3-25
Şekil 3-21 UJT Gevşemeli Osilatör Ve Gerilim Dalga Şekilleri
RE (50KΩ) direncini osilasyon durana kadar yavaşça arttırın. Ölçülen RE değeri
RE(max)’tır.
RE(max) = 3MΩ olduğunu farz edin.
RE (50KΩ) direncini osilasyon durana kadar yavaşça azaltın. Ölçülen RE değeri
RE(min)’dir.
RE(min) = 2KΩ olduğunu farz edin.
VV = 1.5V, VP = 7.5V, RE(max) = 3MΩ, ve RE(min) = 2KΩ değerleri ile şu değerler bulunur:
(3) VP = VD + ηVBB, Æ η = (VP - VD) / VBB = (7.5 - 0.5)V / 10V =0.7
(4) RE(min) =(VBB - VV) / IV, Æ IV = (VBB – VV) / RE(min) = (10-1.5)V / 2KΩ = 4.2mA
(5) RE(max) =(VBB – VP) / IP, Æ IP = (VBB – VP) / RE(max) = (10-7.5)V / 3MΩ = 0.8µA
3-26