Bilgisayar Mühendisliği Bölümü Elektronik Devreler Laboratuvarı

Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
Elektronik Devreler Laboratuvarı
Deney 1
Osiloskopun İncelenmesi
Deneyin Amacı:
Bir çok mesleğin kendi alanında kullanılan scopları (scope) vardır.
Bir astronomici için tele-skop ne ise, bir doktor, bir biyolog için
mikro-skop ne ise elektrik ile ilgili mühendisliklerde de osilo-skop
odur denilebilir. Elektriksel büyüklüklerin zamana göre değişim
biçimlerini incelemede çok büyük bir önemi olan osiloskop’un yerini
ne ampermetre ne de voltmetre tutabilir. Osiloskop’un üstünlüğü
elektriksel işaretin şeklini göstermesidir. Osiloskop ile akım, gerilim,
zaman, frekans ölçmelerinin, karakteristik çıkartma işleminin nasıl
yapılacağı bu deney yolu ile kavratılmaya çalışılacaktır.
Ön Bilgiler:
Osililoskop’u dört kısma ayırmak mümkündür.
Osiloskop’un Kısımları:
1. Katot Işınlı Tüp: Katot ışınlı tüp havası boşaltılmış cam bir tüp
olup, ekranın iç yüzeyine flueresan bir madde sürülmüştür.
Televizyon tüplerinin bir benzeri olan bu tüpün şekli aşağıda
verilmiştir.
<< Şekil 1.1 >>
Katot ışınlı tüpün başlıca kısımları:
1. Elektron tabancası,
2. Düşey ve yatay saptırıcılar,
3. Ekran’dır.
Elektron tabancası, elektronların meydana gelmesini ve kontrolünü
sağlamaktadır. Elektron tabancasının katodu yüksek sıcaklıktadır ve
elektron yayar. Izgara gerilimlerinin kontrolüyle ekrana düşen
elektron demetinin ışık şiddeti (intensity) ayarı yapılabilmektedir. Bu
ise ızgaraya negatif gerilim uygulanarak yapılmaktadır. Anotlar
pozitif gerilimdedir. Bu nedenle elektron demetinin odak ayarı ve
hızlandırmaları anot ile sağlanmaktadır. Elektron tabancasından,
şiddeti ayarlanmış, odaklanmış ve hızlandırılmış olarak çıkan
elektronlar, düşey ve yatay saptırma levhalarının arasından geçerek
ekranın iç yüzeyine ulaşırlar. Ekranın iç yüzeyindeki flüoresan
madde nedeniyle, iç yüzeye çarpan elektron demeti ekranın dışında
yeşil bir ışık noktası (spot) olarak görünür. Düşey ve yatay levhalara
hiçbir gerilim uygulanmamışken ışıklı nokta ekranın tam ortasına
gelir. Bu levhalara 20-50V arası gerilimler uygulayarak ışıklı nokta
ekranın istenilen noktasına getirilebilir.
2. Düşey Kuvvetlendiriciler: Osiliskop’ta ölçülmek istenen
büyüklükler çok küçükse ekranda çok küçük bir şekil görülmektedir.
Ölçülmek istenen büyüklüğün ekranda uygun bir büyüklükte
görülebilmesi için, bu büyüklük önce kuvvetlendiricilere
uygulanarak büyütülür daha sonra levhalara uygulanır.
Kuvvetlendiricilerin gerilimleri ayarlanarak ekranda uygun
büyüklükte bir şeklin çıkması sağlanabilir. Böylece osiloskopta
küçük genlikli işaretlerin ölçülmesi de sağlanmış olmaktadır.
Osiliskop’ta düşey kuvvetlendiricilerin kuvvetlendirme katsayıları
VOLTS/DIV, düğmeleriyle ayarlanabilmektedir Gerilim ve zaman
okumalarında hata olmaması için bunlarla ilgili düğmelerin
kalibrasyon konumunda olmalarına dikkat edilmelidir.
3. Yatay Süpürme Devresi: Osiloskop ekranında zaman ekseni
olarak yatay eksen, dikey eksen ise genlik ekseni olarak kabul edilir.
Ölçülecek işaretin genliği osiloskop’a uygulanarak dikey eksene
düşürülür. Yatay eksenin de zaman ekseni olarak ele alınabilmesi
için osiloskop’un kendi içinde yer alan, testere dişlerine benzeyen bir
işaret üreten osilotörü vardır. Bu osilatörün ürettiği testere dişli işaret
yatay saptırma levhalarında kullanılır. Düşey levhalara gerilim
uygulanmışken zaman ekseni osiloskop ekranı üzerinde düz bir çizgi
halinde görülür. Ekranı tarama hızı testere dişli işaretin frekansı ile
ilgilidir. Ekranı tarama hızı küçülürse ışıklı noktanın ekran üzerinde
sağ tarafa doğru hareketi gözlenebilir. Bu tarama hızı TIME/DIV
düğmesi ila ayarlanır. Düşeye ve yataya uygulanan işaretler birlikte
senkron olurlarsa, ekrandaki işaret duruyormuş gibi görünür. Aksi
halde işaret sağa ya da sola doğru kayma gösterir. Aşağıdaki şekilde
yatay süpürme devresinin ürettiği testere dişli işaretle osiloskop’un
dikey levhalarında hiç gerilim yokken ekranı tarama ilişkisi
gösterilmiştir. 0-T zaman aralığında testere dişli işaretin gerilimi
zamanla doğru orantılı olarak değişmektedir.
<< Şekil 2 >>
4. Güç Kaynağı: Osiloskop’un bu maddelenen kısımların çalışmasını
sağlayan iki tür doğru akım güç kaynağı vardır. Bunlardan biri
10kV’un üzerinde gerilim veren ve katot tüpünün çalışmasında
kullanılır. Diğeri ise, alçak gerilim kaynağı olup, osiloskop
kuvvetlendiricileri ile süpürme gerilimi devreleri için kullanılır.
Osiloskopun Çalıştırılması:
1.
Osiloskopun açma-kapama (on-off) anahtarı konumdayken,
odaklama (focus) ve ışık ayarı (intensity) düğmeleri en küçük
konumlarda olmalı.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Düşey ve yatay konumu kontrol eden düğmeler yaklaşık olarak
ortada olmalı.
Tetikleme işareti dışarıdan veriliyorsa ki laboratuarda yapılacak
uygulamalar otomatik (içeriden) tetikleme ile olacaktır.
TIME/DIV anahtarı INT konumunda olmalı. Tarama düğmesi
(“TRIG,LEVEL” düğmesi) AUTO konumunda olmalı.
Osiloskop’u açınız. (Fişi elektrik şebekesinin prizine taktıktan
sonra)
Osiloskop ısınıncaya kadar bir süre bekleyiniz. Daha sonra ışıklı
çizgi ekranda görülebilecek kadar INTENSITY düğmesiyle ışık
şiddetini arttırınız. Eğer çizgi ekranda görünmüyorsa, X-Y
POSITION konum ayarlama düğmeleri yardımıyla, ışık çizgisini
bulmaya çalışınız. Daima INTENSITY’yi mümkün olduğu
kadar küçük seviyede tutunuz. Çünkü ışıklı çizgi çok parlak
olursa ekranın fleuresan maddesi yanabilir. Bu işlemleri
yaptıktan sonra hala ışıklı çizgiyi ekranda göremiyorsanız
kullandığınız kanala dikkat ediniz. Probunuz hangi kanalda ise
kanal anahtarı da o kanalda olmalıdır. (CH1, CH2 ya da her
ikisine birden)
FOCUS düğmesi ile netlik ayarı yapınız.
TIME/DIV düğmesini 10ms ya da daha küçük konuma alınız.
Ekrandaki çizgi eğikse üzerinde TRACE ROTATION yazan
küçük deliğin içindeki ayar yeri tornavida ile döndürülerek
ayarlanabilir, düğme yardımıyla düzlük ayarı yapınız.
Osiloskop’un problarınızı takınız. 1’lik ya da 10’luk kademeye
alınız. 1’lik kademede osiloskop ölçülen değerleri aynen
gösterir. 10’luk kademede ise ölçülen işaretin 10 kat küçülmüş
halini gösterir. Bu kademe ayarı probun elle tutulan kısmındaki
düğme yardımıyla yapılır.
Bu işlemlerden sonra, osiloskop’a uygulandığı halde net bir şekil
ekranda yoksa, VOLTS/DIV düğmesi uygun konumda olmayabilir.
Tercihen bu düğme ilk açıldığında 2 ya da 5 volts/dşv konumunda
tutulmalıdır. Eğer 1mV/div gibi bir kademede tutulursa 5V genlikli
bir işaret ekrana sığmayacaktır.
X-Y İşlemi:
Bu konu şu ana kadar işlenmiş konulara göre öğrencilere aşina
olmayan bir uygulamadır. Fakat pratikteki önemi çok büyüktür.
Devre elemanlarının karakteristiğinin çıkartılmasına imkan tanıyan
bu işlem, osiloskop’un TIME/DIV düğmesi X-Y konumuna, INT
TRIG düğmesi yine X-Y konumuna alınarak yapılır.
Bu konumda yatay ekseni belirleyen X (CH1) girişidir. Dikey eksen
ise Y (CH2) girişidir. Daha önceki uygulamalarda yatay eksen
zaman ekseni iken bu uygulamada yatay eksen X (CH1) girişidir.
CH1 ve CH2’ye farklı işaretler uygulandığında osiloskop ekranında
oluşacak şekil aşağıdaki örnekte verilen yöntemle bulunabilir.
Örnek: CH1 ve CH2’ye sırayla 3 ve 4 volt uygulanırsa X-Y
işleminde elde edilen şekil aşağıdaki gibi olur.
<< Şekil 3 >>
Şekilden de anlaşılacağı gibi zaman ekseni ortadan kalkmış, sadece x
ve y parametrelerine bağlı bir şekil ortaya çıkmıştır.
Bu, bir devre elemanının karakteristiğini çıkarmada, çok uçlu devre
ve sistemlerin karakteristiğini çıkarmada büyük önem taşımaktadır.
Aşağıdaki şekilde verilen çok uçluyu ele alalım:
X=x(t)
Y=f(x)
<< Şekil 4 >>
Y=y(t)
Bir X=x(t) giriş işaretine karşı çok uçlu devre Y=y(t) çıkış işaretini
vermektedir. X-Y işlemi harici işlemlerde giriş ve çıkış işaretlerini
zamanın bir fonksiyonu olarak osiloskopta görmek mümkündür. X-Y
işlemi ile osiloskopta X parametresine karşı Y parametresini nasıl
değiştiği görülebilir.
Bu işlemi yapmak için giriş x(t) işareti CH1’e çıkış işareti CH2’ye
uygulanır. TIME/DIV düğmesi X-Y EXT yazan yere alınır. Yatay ve
dikey kuvvetlendirme katsatıları uygun değerlere alınır.
Deneyin Yapılışı:
1. Ayarlı DC gerilim kaynağının + ucunu osiloskop’un + ucuna
kaynağın – ucunu da osiloskop’un – ucuna bağlayınız. Gerilimi
yavaş yavaş arttırarak ekrandaki değişimi gözleyiniz.
2. Aşağıda şekli verilen deney düzenini kurunuz. Fonksiyon
üreticiden sırayla
Frekans
Vin
Vout
100
0.5
1k
1
50k
5
100k
4
500k
0.5
Hz
Volt
<< Tablo 1 >>
<< Şekil 5 >>
Sinüs işaretlerini üretip osiloskop’ta uygun zamanlama ve
büyüklük ayarlarını yapınız. Elde ettiğiniz dalga şekli ekrana
uyacak şekilde TIMING ve VOLTS/DIV düğmelerini
ayarlayınız. Şekilleri sırayla çizip yanına her birim uzunluğun
kaç volt ve saniyeye denk düştüğünü yazınız.
3.
Fonksiyon üretecinden 2sin(6280t) işaretini üreterek bu işareti
CH1 girişine uygulayınız. Fonksiyon üretecinin OFFSET
düğmesini kullanarak osiloskop DC konumda iken
3+2sin(6280t) işaretini elde ediniz. Şekli çiziniz. Bu kez
osiloskop’u AC konuma getirerek elde edilen şekli çiziniz.
Elektronik Devreler Laboratuvarı
Deney 2
Diyot Uygulamaları
Deneyin Amacı:
Yarıiletken teknolojisinin temel elemanı sayılan diyot’un, yapısının,
çalışma şeklini deneysel yolla anlaşılmasını sağlamak, elektronik
devrelerde nasıl kullanıldığını göstermektir. Diyot elemanı
elektronik devrelerde birçok amaç için kullanılmaktadır. Fakat temel
özelliği, iletim yönünde kutuplandığı zaman akım geçirmesi, aksi
yönde kutuplandığı zaman akım geçirmemesidir.
Deneyin Yapılışı:
1. Karakteristik Çıkarma: Aşağıda şekli verilen devreyi kurunuz.
Devreye tepe değeri 10V olan bir sinüs işareti uygulayarak,
osiloskopu X-Y moduna geçiriniz. Diyotun karakteristiğini
çıkartınız. CH2’deki işaret diyotun akımının 1000 katıdır.
CH1’deki işaret ise diyotun gerilimidir. Bu yolla iki uçlu bir
elemanın akım gerilim karakteristiği çıkartılır.
<< Şekil 1 >>
2.
V1=3V, R=1k için aşağıdaki devreyi kurunuz. Vi=8sin(6280t)
işaretini uygulayıp giriş ve çıkış şeklini alt alta çiziniz.
<< Şekil 2 >>
3.
Aşağıdaki seviye kaydırıcı devreyi C=10uF kondansatör ile
kurunuz. Girişe tepe değeri 5V olan sinüs işareti uygulayıp çıkış
işaretlerini çiziniz. Aynı deneyi diyotu ters bağlayarak tekrar
ediniz.
<< Şekil 3 >>
4.
Aşağıdaki yarım dalga doğrultucu devreyi R=10k için kurup
tepeden tepeye 10V genlikli sinüs işareti uygulayınız. Giriş ve
çıkış işaretlerini gözleyiniz. Aynı işlemleri R direncine paralel
sırayla C=1uF ve C=10uF kondansatör bağlayarak tekrarlayınız.
<< Şekil 4 >>
Elektronik Devreler Laboratuvarı
Deney 3
Tranzistörlü Devre Uygulamaları
Deneyin Amacı:
Elektronik devrelerde vazgeçilmez bir yapı taşı olan transzisörlü
devrelerin çalışma şekli ve uygulamaları deney yolu ile kavratılmaya
çalışacaktır. Özellikle kuvvetlendiriciler üzerinde durulacak, aşama
aşama giriş işaretinin değişimi izlenecektir.
Deneyin Yapılışı:
1. Devrenin girişine genliği 5V, frekansı 1kHz olan sinüzoidal ve
kare dalga bir işaret uygulayıp çıkış işaretini çiziniz. Sonra giriş
işaretinin genliğini 5V’dan 10V’a kadar arttırarak çıkış
işaretinin nasıl değiştiğini gözleyiniz.
Daha sonra girişe frekansı 10Hz’ler mertebesinde olan bir işaret
uygulayıp tranzistörün anahtarlama yaptığını gözleyiniz.
<< Şekil 1 >>
2.
Aşağıdaki devreyi kurunuz. Tranzistörün baz, emetör ve
kollektör bacakları ile toprak arasındaki gerilimleri sırayla ölçüp
kaydediniz.
Devrenin çıkış ucunu bir bir osiloskopa bağlayarak kırpılmasız
bir sinüzoidal işaret elde ediniz. Gerilim kazancını hesaplayınız.
Giriş gerilimini arttırarak çıkışta her iki yönde kırpılmalı bir
dalga elde ediniz. Dalga şeklini çiziniz.
<<Şekil 2>>
Elektronik Devreler Laboratuvarı
Deney 4
İşlemsel Kuvvetlendirici Uygulamaları
İngilizcesi Operational Amplifier olan ve piyasada sıklıkla OPAMP
olarak anılan işlemsel kuvvetlendiriciler elektronik devrelerinde çok
sık kullanılırlar. Bu deneyin amacı öğrencilere elektronikte çok
önemli bir yer tutan opampı tanıtmak ve bazı temel uygulamalarını
göstermektir.
Opamp çok uçlu bir elemandır ve tümdevre dediğimiz yapılar içinde
yer alır. Opampın temel uç bağıntıları ve eşdeğer devresi aşağıda
verilmiştir.
İdeal bir opampda olması gereken özellikler:
• Açık çevrim kazancı sonsuzdur.
• Giriş direnci sonsuzdur.
• Bant genişliği sonsuzdur.
• Çıkış direnci sıfırdır. R0=0 (Giriş akımları I1=I2=0)
• V1=V2 için V0=0’dır.
• Gürültüsü yoktur, karakteristikleri sıcaklıkla ve zamanla
değişmez.
Deneyin Yapılışı:
1. Aşağıdaki evirici devresini kurunuz. Girişe genliği 0.2V genlikli
150Hz sinüzoidal işaret verip giriş ve çıkış dalga şekillilerini
çiziniz. (Rb=10k, 47k değerleri için tüm işlemleri tekrarlayınız
ve tabloyu doldurunuz.) Ra=10k
<< Şekil 1 >>
Rb
10k
47k
Vo
Kazanç
<< Tablo 1 >>
2.
Aşağıdaki evirmeyen kuvvetlendirici devresini kurunuz. Yine
girişe tepeden-tepeye 200mV, 150Hz sinüzoidal işaret vererek,
Rb direncine yine yukarıdaki gibi 10K, 47K değerlerini vererek
aşağıdaki tabloyu doldurunuz.
<< Şekil 2 >>
Rb
10k
47k
Vo
Kazanç
<< Tablo 2 >>
3.
Aşağıdaki integral alıcı devreyi R=1K ve C=1uF için kurunuz
ve girişine kare dalga vererek çıkışı gözleyiniz.
1V
150Hz
<< Şekil 3 >>
4.
Aşağıdaki türev alıcı devreyi R=1K ve C=1uF için kurunuz ve
girişine üçgen dalga vererek çıkışını gözleyiniz.
1V
150Hz
<< Şekil 4 >>
Elektronik Devreler Laboratuvarı
Deney 5
Zamanlayıcı Uygulamaları
Günümüzde özellikle sayısal devrelerde olmak üzere tüm elektronik
devrelerde değişik türde ve değerlerde zamanlama işaretleri yaygın
biçimde kullanılmaktadır. Bu nedenle hassas ve kararlı zamanlama
işaretlerinin üretilebilmesi elektronik devre tasarımında en önemli
konulardan biri haline gelmektedir. Son yıllarda bu ihtiyacı
karşılamak üzere tasarlanmış genel amaçlı zamanlayıcı tümdevreleri
yaygınlaşmış olup bu tümdevreler üretilecek zamanlama işaretinin
biçimi, genliği ve frekansı gibi elektriksel büyüklükleri esnek bir
şekilde ve geniş bir aralıkta değiştirebilme olanağı sunarak hassas ve
kararlı (sıcaklık, gürültü vb ne karşı) bir çıkış işaretinin üstelik çok
ucuz bir fiyata elde edilmesini sağlarlar. Bu zamanlayıcılar değişik
çalışma modlarına alınarak, tüm zamanlama ihtiyaçlarına çözüm
getirebilirler.
Yukarıda sözü edilen zamanlayıcı tümdevreleri içinde en yaygın
olanlardan biri de 555 zamanlayıcısıdır. Bu deneyde 555 tümdevresi
incelenerek belli başlı çalışma modları deneysel yolla gözlenecektir.
555’in en çok kullanılan modları şunlarıdır:
•
•
•
Monostable (One-Shot) Modu: Bu modda, bir tetikleme darbesi
üzerine konum değiştiren çıkış, harici kapasite ve direnç
elemanının belirlediği süre kadar bu konumda kaldıktan sonra
yeniden eski konumunda döner. Bu süre içinde iken gelecek
diğer tetikleme darbeleri ise çıkışın konumunu etkilemez. Çıkış
darbesi devrenin RESET girişi (pin4) etkinleştirilerek
sonlandırılabilir.
Astable (Oscillator) Modu: Bu modda devre kendi kendini
tetikleyerek sürekli bir darbe dizisi oluşturur. Çıkış işaretinin
frekansı ve darbe/boşluk oranı harici direnç ve kapasite
elemanları ile belirlenir. Çalışma frekansı besleme geriliminden
bağımsızdır.
Frekans Bölme Modu: Devre monostable modda, seçilen uygun
bir darbe genişliği ile girişine uygulanan işareti istenen oranda
bölen bir frekans bölücü olarak çalıştırılabilir.
•
Darbe Genişlik Modülatörü (PWM) Modu: Zamanlayıcı
monostable modda iken tetikleme girişine sürekli darbe dizisi
uygulandığında, çıkış işaretinin darbe genişliği MODULATION
girişine (pin5) uygulanan gerilimle değiştirilebilir.
Deneyde Yapılacaklar:
1. “Grup No” kHz frekans değerinde bir çıkış işareti üretecek
direnç ve kapasite elemanlarını kullanarak zamanlayıcıyı astable
modda çalıştıracak devreyi kurarak ve çıkış işareti ile kapasite
gerilimini gözleyerek şekillerini çiziniz.(dirençler Kohm’lar
mertebesinde olmalıdır).
2. “Grup No” mod 10 +2 saniye süresinde bir çıkış darbesi
üretiniz. Giriş çıkış işaretleri arasındaki ilişkiyi gözleyip
şekillerini çiziniz.
3. Zamanlayıcıyı uygun değerdeki harici elemanlar kullanarak
frekans bölme modunda 10kHz frekansındaki giriş işaretini beşe
bölecek şekilde çalıştırarak giriş ve çıkış işaretlerini gözleyip
çiziniz.
Not: 555’in modlarına data booktan çalışarak deneye gelmeden önce
gerekli direnç ve kondansatör değerlerini hesaplayıp gerekli
elemanları temin ediniz (hesaplamalar yapılırken elde olan bir
kondansatör değerine göre direnç değerleri hesaplanmalıdır).