GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJĠ ENSTĠTÜSÜ FEN FAKÜLTESĠ FĠZĠK BÖLÜMÜ ELEKTRONĠK II LABORATUVARI DENEY KILAVUZU Rf Vg R1 C ─ + Vç A ÇıkıĢ B C Hazırlayan: Doç. Dr. Yusuf Yerli 0 ĠÇĠNDEKĠLER SAYFA NO NOTLARIN BELĠRLENMESĠ 2 ELEKTRONĠK LABORATUVARI KURALLARI 3 DENEYLER YAPILIRKEN DĠKKAT EDĠLMESĠ GEREKEN NOKTALAR 3 ELEKTRONĠK LABORATUVARI RAPOR YAZIM KILAVUZU 4 ÖRNEK RAPOR KAPAĞI 5 1. OSĠLATÖRLER 6 2. FARK YÜKSELTEÇLERĠ 16 3. DOĞRUSAL TÜMDEVRELER 24 4. TOPLAMA, ÇIKARMA, TÜREV, ĠNTEGRAL VE KIYASLAYICI DEVRELER 5. 31 ĠġLEM YÜKSELTEÇLERĠNĠN FREAKANS-KAZANÇ KAREKTERĠSTĠĞĠ VE KARE DALGA ÜRETECĠ 39 6. MANTIK DEVRELERĠ 43 7. ĠKĠLĠ TOPLAMA VE TAM TOPLAYICILAR 57 8. FLOP-FLOP VEYA TETĠKLEME DEVRELERĠ 61 9. SAYICILAR 63 10. ĠKĠLĠ-ONDALIK KODLAYICILAR VE LED GÖSTERGELER 1 69 ELEKTRONĠK II LABORATUVARI Öğretim Üyesi: Doç. Dr. Yusuf YERLİ Deneyler: Toplam 10 deney yapılacaktır (Deney1-Deney10). Öğrenciler katılmadıkları sadece bir deneyi yılsonunda, telafi deneyi olarak yapabilirler. Tüm deneylere katılmıĢ olan öğrencilerden isteyenler, 50’nin altında not aldıkları sadece bir deneyi notlarını yükseltmek için telafi döneminde tekrar edebilirler. Notların Belirlenmesi: 1. Devam Zorunluluğu: Her öğrenci vize alabilmek için en az 8 deneye (telafi deneyi dahil) katılmak zorundadır. 2. Deney Notu: Her deneyden önce ön çalıĢmalarla ilgili sorular sorulacaktır. Ayrıca her deneyden sonra rapor hazırlama kılavuzunda belirtildiği Ģekilde bir grup raporu hazırlanacaktır. Öğrencilerin o deneyden alacağı notu, laboratuvar çalıĢması ve rapor notu belirleyecektir. Öğrencilerin katılmadıkları deneylerin notu sıfır olarak belirlenecektir. Yılsonunda deney notu ortalaması, tüm deney notlarının toplanıp 10’a bölünmesiyle elde edilecektir. Birbirinin kopyası olduğu belirlenen raporlar –10 puan ile cezalandırılacaktır. 3. Dönemiçi Sınavları: Dönem içinde, deneyler arasındaki bir hafta yazılı bir sınav yapılacaktır. Dönemiçi sınavının yapıldığı günlerde deney yapılmayacaktır. 4. Dönemsonu Sınavı: Tüm deneyler tamamlandıktan sonra deneylerde elde edilen bilgileri sınamaya yönelik dönemsonu sınavı uygulamalı olarak yapılacaktır. Bir öğrencinin dönemsonu sınavına girebilmesi için telafi deneyleri bittikten sonra en az 8 deneye katılmıĢ olması zorunludur. 5. BaĢarı Notu: Dönemsonu baĢarı notu aĢağıdaki ağırlıklara göre hesaplanacaktır: Deney notu ortalaması :%25 Dönemiçi Sınavı :%25 Dönemsonu Sınavı :%50 Uygulama 2 ELEKTRONĠK LABORATUVARI KURALLARI Elektronik Laboratuvarı, öğrencilerin Elektronik bilgilerini pratik yönden geliĢtirmeyi ve bu konuda yeni bilgiler edinmelerini sağlamak amacıyla hazırlanmıĢtır. Laboratuvar çalıĢmalarının verimli olabilmesi için deneylerin aĢağıdaki kurallara uygun olarak yapılması gerekmektedir: 1. Öğrenciler, laboratuvar çalıĢmalarından bir yarar elde edebilmek için yapacakları deneye iliĢkin kılavuzu önceden mutlaka okumalı ve her deneye hazırlıklı gelmelidir. Deneylerden önce öğrencilere ön çalıĢmalarla ilgili sözlü sorular sorulacaktır. 2. Deneye ilk 15 dakikada geç gelen öğrenciler uyarılırlar. Ġkinci defa bir deneye geç gelen öğrenci o deneye alınmaz. Deneye 15 dakikadan daha geç gelen öğrenciler deneye alınmazlar. 3. Deneylerin süresi 1.5 saat olarak öngörülmüĢtür. Deney süresince laboratuvardan çıkmak yasaktır. Deneylerini erken bitiren gruplar laboratuvar dersi sona ermeden önce çıkabilirler. 4. Her deneyin raporu ertesi haftaki laboratuar saatinde mutlaka getirilmelidir. Raporu getirmeyenler o deneyden sıfır puan almıĢ olurlar. 5. Yönetmelik gereğince öğrenci deneylere %80 oranında devam etmek mecburiyetindedir. Devam, her deneyde yoklama yapılarak tespit edilecektir. 6. Öğrencinin gelmediği deneyden alacağı not sıfırdır. 7. Öğrencinin yalnızca bir deneyi telafi etme hakkı vardır. 8. Deneyde kullanılacak olan malzeme (elektronik elemanlar, el aletleri, kablolar) deneyi yaptıracak olan öğretim elemanından sayılarak teslim alınacaktır. Deney sonunda aynı malzeme eksiksiz olarak geri verilecektir. Gruplar, kaybettikleri veya zarar verdikleri malzemenin yerine yenisini koymak zorundadır. Bu nedenle deney süresince baĢka grupların malzemelerini almayınız ve kendi malzemelerinizi baĢka gruplara vermeyiniz. 9. Diğer grupları rahatsız etmemek ve daha olumlu bir çalıĢma ortamı sağlamak için laboratuvarda mümkün olduğu kadar sessiz çalıĢınız. DENEYLER YAPILIRKEN DĠKKAT EDĠLMESĠ GEREKEN NOKTALAR: 1. Devreleri kurarken gerilim kaynağı mutlaka kapalı olmalıdır. 2. Devreye gerilim verilmeden önce yapılan bağlantıların doğruluğu kontrol edilmeli. a. Devrelerin besleme ve toprak hatları doğru olarak bağlandı mı? b. Besleme gerilimi ve toprak hattı arasında kısa devre oluĢabilir mi? c. ÇıkıĢ olan bir hatta yanlıĢlıkla giriĢ iĢareti uygulanmıĢ olabilir mi? d. ÇıkıĢlar yanlıĢlıkla kısa devre edilmiĢ olabilir mi? e. Bağlantılar, deneyde istenen iĢlemi gerçekleĢtirmek üzere doğru olarak yapıldı mı? 3. Tüm bağlantıların doğruluğundan emin olduktan sonra devreye besleme gerilimi verilmeli. Eğer devre beklendiği gibi çalıĢmıyorsa hemen besleme gerilimi kapatılarak devre kontrol edilmeli. Kontrol iĢleminde 2. maddede belirtilen noktalara dikkat edilmeli. 4. Doğru çalıĢtığından Ģüphe edilen elemanların devre ile bağlantıları kesilmeli ve bu elemanlar ayrı olarak test edilmelidir. 5. Devre üzerinde değiĢiklik yaparken (eleman ekleme/çıkarma, bağlantı değiĢtirme) gerilim kaynağı mutlaka kapalı olmalıdır. 6. Tüm uğraĢılara rağmen hata bulunamıyorsa laboratuvarda görevli öğretim elemanından yardım istenmelidir. 3 Elektronik Laboratuvarı Rapor Yazım Kılavuzu Laboratuvar raporları, bilimsel bir çalıĢmada elde edilen sonuçları sunmak üzere aĢağıdaki kurallara uygun olarak hazırlanacaktır. 1. Grup elemanları her deneyden sonra ortak bir grup raporu hazırlayacaklardır. Raporlar beyaz A4 kâğıtlarının tek yüzüne, mümkünse bilgisayar ile ya da okunaklı bir el yazısı ile yazılarak hazırlanacaktır. Çizimler bilgisayar ya da cetvel kullanarak bir mühendis özeniyle yapılacaktır. 2. Raporlar bilimsel ve teknik bir anlatım tarzı kullanılarak Türkçe olarak yazılacaktır. 3. Raporlar, deneyi yapan tüm öğrencilerin isimlerinin ve imzalarının yer aldığı tek tip kapak sayfası ile baĢlayacaktır. 4. Raporlar bir sonraki deneyde mutlaka getirilmelidir. Raporlarınızı deneyi yaptıran öğretim üyelerine doğrudan vermeyiniz. Teslim zamanından daha geç getirilen raporlar kabul edilmeyecektir. Eğer teslim tarihi tatil gününe denk geliyorsa tatilden sonraki ilk iĢ günü rapor teslim edilecektir. Teslim edilmeyen raporların notu sıfır olarak belirlenecektir. 5. Raporlar aĢağıdaki bölümlerden oluĢacaktır: Deney No ve Adı: Amaç: Deneyde hangi konuların incelenmesi ve öğrenilmesi amaçlanmaktadır? Verilerin değerlendirilmesi: Bu bölümde deneyde kullanılan devre Ģemaları çizilecek ve veriler tablolar halinde verilecektir. Grafikler çizilecek, hesaplamalar yapılacaktır. Daha sonra veriler deney kılavuzunda tarif edildiği gibi değerlendirilecektir. Sonuçlar: Deneyin her bölümü için elde edilen sonuçlar (tablo, çizim, gözlem) düzgün ve okunaklı bir Ģekilde yazılacak ve yorumlanacaktır. Eğer deneyde istenmiĢse teorik olarak beklenen değerler ile deneyde elde edilen sonuçlar karĢılaĢtırılacaktır. Tamamlayamadığınız bölümler için de beklenen sonuçları yazınız. Sorular: Deney kılavuzunda sorulan sorularının cevapları rapora yazılacaktır. Yorum ve GörüĢler: Öğrenciler isterlerse deneyle ilgili yorum ve görüĢlerini bu bölüme yazabilirler. 4 GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJĠ ENSTĠTÜSÜ FĠZĠK BÖLÜMÜ ELEKTRONİK II LABORATUVARI DENEY RAPORU DENEY NO : DENEYİN ADI : DENEY TARİHİ : RAPOR TESLİM TARİHİ : GRUP NO : DENEYİ YAPANLAR : Numara Adı Soyadı DENEYİ YAPTIRAN ÖĞRETİM ELEMANI: 5 İmza DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI 1234- :EII-1-A : OSĠLATÖRLER : Osilatör prensiplerinin öğrenilmesi. TitreĢim frekansını kontrol etme metotlarını öğrenme. Osilatörlerin çıkıĢ sinyalinin geribesleme, faz iliĢkisi ve yükseltme yönünden incelenmesi RC Faz kaymalı osilatör kullanılarak frekans, faz farkı ve yükseltme iliĢkisinin pratik olarak anlaĢılmasının sağlanması. ÖN BĠLGĠ Osilatörler, belirli frekanslarda alternatif sinyal elde etmeye yarayan elektronik aygıtlardır. Sinyalin frekansı devrede kullanılan R, L, C gibi elemanların değerlerine bağlıdır. Osilatörler radyo, TV alıcı ve vericilerinde, radarlarda, bilimsel araĢtırmalarda, endüstride ve daha pek çok alanlarda kullanılmaktadır. Bir osilatör, devre içinde elektronların ileri geri hareketleriyle yapılır. Bu olay, mekanikte kütle-yay veya sarkaç hareketiyle aynıdır. Bir sarkaç, önce dengesi bozularak harekete baĢlatılır. Eğer sistemde herhangi bir sürtünme yoksa salınım sürekli devam eder. Ancak, gerçek bir sarkaçta sürtünme yok edilemez ve salınım sönümlü olur. Neticede, genliği zamanla azalan ve sonunda duran bir salınım elde edilir. Salınımın sürekli olabilmesi için, sarkaca salınım periyoduyla aynı periyotta bir alternatif kuvvet uygulanmalıdır. Bu kuvvet gerçekte çok küçüktür ve sürtünmeden doğan kaybın yok edilmesi içindir. Elektrik salınımlar ki biz buna osilatör diyoruz, benzer Ģekilde meydana gelirler. Örnek olarak bir paralel LC devresini ele alalım (ġekil 1.1.). S1 S2 + C V L ġekil 1.1. LC Tank devresi Önce anahtarı S1 konumuna alarak C kondansatörünü dolduralım ve anahtarı S2 konumuna alalım. ġimdi V kaynağı devre dıĢı kalmıĢ, sadece L ve C paralel bağlı hale gelmiĢtir. Kondansatörde biriken yük L bobini üzerinden boĢalacak ve boĢalırken de bobin etrafında büyüyen bir manyetik alan meydana getirecektir. Kondansatör tamamen boĢaldığı zaman bobin etrafındaki manyetik alan azalacak ve azalırken de bobin üzerinde ters yönde bir akım indükleyecektir. Bu akım geri dönerek kondansatör tekrar dolacaktır. Kondansatör tam dolduğu zaman tekrar bobin üzerinden boĢalacak ve bu hareket sürekli devam edecektir. Tabii ki bu süreklilik Ģartı, devrede herhangi bir söndürücü eleman olmadığı zaman olabilir ve böyle bir durum ancak süper-iletken bağlantılarla olabilir. Gerçekte, devredeki bağlantılar, bobin ve kondansatör üzerindeki ohmik dirençten dolayı güç harcanır ve salınım kısa sürede söner. Bu devrenin ifadesi, d 2i di 1 L 2 R i 0 Ģeklindedir. dt C dt Birinci ve üçüncü terimler bobin ve kondansatörle ilgilidir. Ġkinci terim, yani direnç terimi sönüm terimidir. Böyle bir diferansiyel denklemin çözümü bize ġekil1.2 deki grafiği verir. Görüldüğü gibi salınım zamanla küçülerek yok olmaktadır (Sönüm teriminden dolayı). Bu grafik akım, gerilim (voltaj) ve yük değiĢimleri için birbirinin benzeridir. 6 V,i,q t ġekil 1.2. Sönüm terimini yok etmek için ya süper iletken bağlantıları kullanılmalı, ya da o terimi yok edecek değerde bir kaynaktan devre sürekli beslenmelidir. Bir LC paralel tank devresinin frekansı 1 f 2 LC ifadesiyle verilir. Devreyi besleyen kaynak frekansı bu değerde olmalıdır. ġimdi, devreye bir sürücü F(t) kuvveti uygulayalım. d 2i di 1 L 2 R i F (t ) A sin 2 f t dt C dt F (t ) A sin 2 f t ifadesi sönüm terimine eĢdeğer bir sürücü kuvvet terimidir. Salınımı sürekli besleyerek sönüm olmasını engeller. F(t) sürücü kaynağı, her zaman devreye dıĢarıdan bağlanmaz. Yani buna gerek yoktur. Bunun yerine LC tank devresindeki salınımı bir amplifikatörle (yükseltici) yükseltilir ve bu yükseltilen salınımın bir kısmını geri tank devresine vererek salınımın devamlı olmasını sağlarız. Bu iĢleme Pozitif Geri Besleme denmektedir. ġekil 1.3 te böyle bir yükseltici ve geri besleme akıĢ diyagramı verilmiĢtir. Geri besleme Yükseltici ÇIKIġ C L ġekil 1.3. OSĠLATÖR ÇEġĠTLERĠ Bir devrede kullanılan elemanlara, yükseltme ve geri besleme iĢlemlerine bağlı olarak çeĢitli osilatörler geliĢtirilmiĢtir. Bu osilatörlerden bazıları Hartley osilatörü, tikler bobinli osilatör, akortlu osilatör, faz kaymalı osilatörler v.s. dir. ÇeĢitli kaynaklarda bu osilatörlerle ilgili yeterli bilgiler mevcuttur. Biz bu deneyimizde sadece faz kaymalı osilatörü inceleyeceğiz. FAZ KAYMALI OSĠLATÖR 7 Bir osilasyonun olabilmesi için iki Ģart olduğunu söylemiĢtik: Yükseltme ve Geri Besleme. Bu deneyimizde salınım elemanı olarak R ve C kullanılacaktır. Bilindiği gibi seri bağlı RC devresinde kondansatör ya exponansiyel (üstel) olarak dolar ya da exponansiyel boĢalır. Paralel LC devresinin aksine bu devrede hiç salınım olmaz. Ancak kondansatörün her boĢalmasından sonra tekrar dıĢarıdan doldurulmasıyla sürekli bir salınım meydana getirilebilir. Bu iĢlem yine bir yükselticide uygun fazda geri besleme ile yapılabilir. C R Vi Vo ġekil 1.4. ġekil 1.4 teki RC devresini ele alalım. Vi kaynağı da bir sinüs kaynağı olsun. Devreye Vi kaynağının uyguladığı gerilim ve R uçlarındaki gerilim arasında aĢağıdaki ifadede verilen kadar bir faz farkı mevcuttur. Faz farkı, salınım frekansı, R ve C değerlerine bağlıdır. X X 1 veya arctan C tan C R 2 fRC R ifadesindeki faz farkı, direncin keyfi olarak sıfır yapılamaması yüzünden 90 olamaz. YaklaĢık 0 ve 90 değerleri arasında değiĢir. Devrenin bu özelliklerini göz önüne alarak bir yükseltici transistör ile devreyi ele alalım (ġekil 1.5.). Kullandığımız transistörün bir özelliği olarak baz gerilimiyle kollektör gerilimi arasında 180 faz farkı olmalıdır. R1 Rc Vcc ÇIKIS Q1 C2 R2 RE C1 ġekil 1.5. Devrede kollektörden gelen geri-besleme sinyali ile baza giden sinyal arasında X tan C 2 R2 faz farkı mevcuttur. Dolayısıyla devre sönümlü giriĢim yaparak salınıma girmez. Fazın 180 olabilmesi için R ve C değerleri öyle seçilir ki faz 60 olsun. Aynı Ģekilde hazırlanmıĢ üç tane RC devresi ard arda bağlanarak 180 faz farkı elde edilir, ġekil 1.6. 8 RB 1 Rc Vcc C1 C2 Q1 C3 R1 RB 2 R2 RE ÇIKIS C4 ġekil 1.6. Devreye eklediğimiz yükseltici, Ortak Emitörlü Yükselticidir. Yani geri besleme, kollektörden baza doğrudur (ÇıkıĢtan giriĢe doğru). Transistörlü RC osilatör devresinin çıkıĢ sinyalinin frekansı ve genliği geri besleme hattındaki direnç ve kondansatörlerin değerlerine bağlıdır. Üç kısımlı salınım devresi R1C1, R2C2, RB2C3 elemanlarından oluĢur. RC çiftleri öyle seçilmelidir ki her bir halkada faz kayması 60 olsun. Bundan sonra yapılacak Ģey R1 = R2 = RB2 = Rg (Ortak emitörlü yükseltecin giriĢ empedansı) ve C1 = C2 = C3 elemanlarını seçmektir. Bu Ģartlar altında salınım frekansı 1 f 4R 2R1C 6 C R1 olacaktır. Salınımın sürekli olabilmesi için ayrıca yükseltici transfer katsayısının (kazancının) belirli bir değerin üzerinde olması da gerekmektedir. Bu değer ise, 29 R1 4 RC hFE 23 RC R1 olmalıdır. Yani transistör alternatif akım kazancının bu değerde veya daha yüksek olması lazımdır. Aksi halde yeterli büyütme ve geribesleme olmayacağından salınım sönümlü olacaktır. ARAÇLAR Güç kaynağı Osiloskop, Voltmetre Dirençler: 3x10k, 3.3k, 5.6k, 33k, 5k (Potansiyometre) Kondansatörler: 3x10nF, 3x4.7nF, 47µF Transistör: BC238 DENEYLER RC FAZ KAYMALI OSĠLATÖR 1-ġekil 1.7 deki devreyi kurunuz. 2-Osiloskopla kollektör ve bazdaki dalga Ģekillerini görüntüleyiniz. 3-Frekansı ölçünüz ve Tablo 1.1 e yazınız. Hesapla bulunan değerle karĢılaĢtırınız. Tablo 1.1 Ölçülen Frekans Hesaplanan 9 RB 1 33kohm Rc 5.6kohm Vcc 12V C1 C2 P1 P2 10nF 10nF ÇIKIS Q1 C3 BC238BP P3 10nF R1 R2 10kohm 10kohm RB 2 RE 10kohm 3.3kohm C4 47uF ġekil 1.7. 4-P1, P2 ve P3 noktalarındaki geri besleme sinyallerinin Ģeklini ve tepeden tepeye genliklerini ölçerek Tablo 2 yi doldurunuz. Tablo 1.2 Test Noktaları Dalga ġekli VT-T P1 P2 P3 5-Lissajous Ģekli yöntemini kullanarak çıkıĢ sinyali ile P1, P2 ve P3 noktaları arasındaki faz farkını ölçerek Tablo 3 ü doldurunuz. Tablo 1.3 b a sin 1 b a (Faz açısı) P1 P2 P3 6- Devre elemanlarından hesapladığınız faz kayması ile ölçtüğünüz faz kaymasını Tablo 4 ü kullanarak karĢılaĢtırınız. Tablo 1.4 arctan X C R (Hesaplanan) P1 P2 P3 10 Ölçülen 7- Rc direnci yerine 5k luk potansiyometre takarak bunun maksimum ve minimum konumlarında çıkıĢ dalga Ģeklinin tepeden tepeye değerini ölçünüz. 8- Rc direncini maksimumu konuma alınız ve C1 = C2 = C3 = 4.7nF yaparak çıkıĢ sinyalinin frekansını yeniden ölçünüz. Yeniden hesaplayacağınız frekans değeri ile karĢılaĢtırınız. Bu frekans değerini 3.maddede bulduğunuz değerle karĢılaĢtırarak yorumlayınız. SORULAR 1- Bir osilatör devresi oluĢturmak için gerekli Ģartlar nelerdir? 2- Faz farkı meydana getirmeyen yani çıkıĢı ile giriĢi arasında faz farkı 0 derece olan bir yükseltici kullanıldığında geri besleme devresinin fazı ne olmalıdır? 3- L = 4mH ve C = 1nF olan bir LC osilatöründe titreĢim frekansı ne olur? 4- Bir RC faz kaymalı osilatör C = 4.7nF veR = 5.6k değerlerine sahipse osilatör frekansı ne olur? 5- Bir osilatörde geri besleme devresi olarak kullanılan RC faz kaymalı devre iki bölüme sahip olamaz. Bunun sebebi nedir? 6- Bir osilatörün geri besleme devresi -12 dB’lik bir zayıflatma yaparsa yükselticinin voltaj kazancı ne olmalıdır? 11 DENEY NO DENEYĠN ADI :EII-1-B : MULTĠVĠBRATÖRLER KOLLEKTÖRÜ ÇİFTLENMİŞ MULTİVİBRATÖR DENEYĠN AMACI : Bir astable(serbest) multivibratörün dalga incelenmesi, frekansının ölçülmesi. Ģeklinin ÖNBĠLGĠ RC osilatörlere multivibratör diye isimlendirilen yeni bir tip daha ekleyeceğiz. Multivibratörler, sinüs olmayan dalga üreticileridir. Dalga Ģekilleri kare, üçgen veya testere diĢi olabilir. Her bir dalga Ģeklinin pek çok yerde geniĢ uygulaması vardır. Bir multivibratör, rahatlama osilatörüdür. Ya dıĢarıdan herhangi bir uyarı olmaksızın kendi kendilerini tetikleyerek çalıĢırlar, ya da çalıĢmaları dıĢarıdan bir osilatörle kontrol edilir. Serbest çalıĢan multivibratörlere astable multivibratörler denmektedir. Bunların frekansları içten olduğu gibi dıĢarıdan bağlanan senkronizasyon darbesiyle de kontrol edilir. DıĢarıdan bir kaynaktan uyarılarak çalıĢtırılan multivibratörler gerçekte osilatör değildir. Bu tip multivibratörlerin iki çeĢidi vardır: Monostable (tek kararlı) ve bistable (flipflop veya tetikleyici). Monostable multivibratörlerin tek bir kararlı hali, bistable multivibratörlerin iki kararlı hali vardır. Multivibratörlerde transistör yükseltici olarak kullanılır. Transistörün devreye bağlanıĢ Ģekline göre bunlar kollektörü veya emitörü çiftlenmiĢ multivibratör ismini alırlar. Bu deneyimizde biz yalnızca astable (serbest) ve kollektörü çiftlenmiĢ multivibratörü inceleyeceğiz. KOLLEKTÖRÜ ÇĠFTLENMĠġ MULTĠVĠBRATÖRÜN ÇALIġMASI ġekil 1.8 de kollektörü çiftlenmiĢ bir multivibratör verilmiĢtir. Q1 ve Q2 NPN tipi transistörlerdir. Kollektörler RL1 ve RL2 dirençleri üzerinden VCC kaynak gerilimiyle beslenmektedir. R1 ve R2 dirençleri ise transistörlerin baz denetlemesi içindir. ġimdi, Q1 transistörünün kollektörünü C1 kondansatörü yoluyla Q2 nin bazına, Q2 nin kollektörünü ise, C2 yoluyla Q1 in bazına bağlayalım. Q1 in kollektöründeki herhangi bir gerilim değiĢmesi C1 yoluyla Q2 nin bazına, Q2 kollektöründeki herhangi bir gerilim değiĢmesi ise C2 yoluyla Q1 in bazına iletilecektir. Burada C1 ve C2 kondansatörleri geribesleme iĢini üstlenmiĢtir. RL1 R2 R1 C1 RL2 C2 Vcc ÇIKIS 1 Q2 Q1 ÇIKIS 2 ġekil 1.8 Multivibratördeki iki devre birbirlerine göre simetrik seçilmiĢ olsunlar. Yani, Q1 ve Q2 transistörleri aynı tip karakteristiğe sahip, ve C1 = C2, R1 = R2, RL1 =RL2 seçilmiĢ olsunlar. Transistörün kollektörlerinden VCC gerilimi uygulayalım. Baz uygun denetlemede olduğu için transistörler iletimde olacaktır. Ancak her iki kollektör akımının birbirinin aynısı olacağını 12 söyleyemeyiz. Ġlk gerilimi uygulama anındaki bu küçük akım farkı Ģimdi anlatacağımız biçimde devreyi salınıma sürükleyecektir. Farz edelim ki, Q1 den Q2 ye göre daha fazla akım geçsin. Bu durumda Q1 in kollektörü Q2 ye göre daha alçak gerilimde olacaktır. Bu gerilim farkı C1 yoluyla Q2 nin bazına iletilecek ve böylelikle ileri baz gerilimi azalacaktır. Dolayısıyla Q2 nin kollektör akımı azalacak ve gerilim daha yüksek olacaktır. Bu gerilim değiĢmesi de C2 yoluyla Q1 in bazına iletilecektir. Q1 in baz akımı artacak ve buna bağlı olarak da kollektör akımı artacak, fakat kollektör gerilimi azalacaktır. Bu gerilim azalması C1 yoluyla Q2 nin bazına iletilecek ve iĢlem sırasıyla bu kollektör geriliminin azalıp artması Ģeklinde sürüp gidecektir. Çok kısa aralıklarla bir transistörün kollektöründen diğerinin bazına giden bu geri besleme darbeleri, bir transistörü akım doyumu noktasına sürerken diğerinin akımını kesecektir. Örneğin Q1 doyum noktasında iletim yaparken Q2 kesilimde olacaktır. Bu durumda Q1 e açık, Q2 ye de kapalı diyoruz. Q1 açık, Q2 kapalı kalma süresi devre elemanlarının belirlediği zaman sabitiyle belirlenir. Bu değer yaklaĢık olarak C1R2 veya C2R1 kadardır. Bu zaman aralıklarıyla Q1 açık Q2 kapalı, bir R1C2 kadar sonra da Q1 kapalı Q2 açık olacaktır. Burada, multivibratör dalga Ģekillerinin nasıl meydana geldiği üzerinde duracağız. Sadece dalga Ģeklinin periyodik kare dalga benzeri darbeler Ģeklinde olacağını bilelim yeter. (Bu durum simetrik multivibratör içindir. Simetriklik bozulduğu zaman Ģekilde bozulacaktır.) Simetrik multivibratörde her iki transistörün açık-kapalı zamanları birbirine eĢittir, (t1 = t2). Q1 transistörünün kollektöründeki dalga Q2 kollektörüne göre 180 faz ile oluĢur. Yani iki transistörün dalga Ģekli 180 faz ile oluĢur. Multivibratörlerin tam bir periyodu T = t1 + t2 dir. Frekans ise bunun tersi, yani f 1 t1 t 2 olacaktır. Pratik bir ifade olarak t1 ve t2 zaman sabitleri, t 1 0,707 C1 R 2 ve t 2 0,707 C 2 R 1 olarak bulunur. 0,707 (-3dB) katsayısı kondansatörün dolma veya boĢalma süresinin %50 sine ulaĢması için gerekli bir katsayıdır. SĠMETRĠK OLMAYAN MULTĠVĠBRATÖR Eğer multivibratör devresinde, her iki zaman sabitini farklı kılacak bir değiĢiklik yaparsak dalga Ģekli simetrik olmayan (fakat periyodik) bir çıkıĢ elde ederiz. Bu değiĢiklik R1, R2 ve C1, C2 elemanlarından birinin değeri değiĢtirilerek yapılır. Bunlardan birisinin değiĢmesiyle zaman sabiti de değiĢecektir. Örneğin; R1=10k, R2=100k ve C1=C2=0.01µF alalım. C1R2 zaman sabiti C2R1 zaman sabitinden on defa daha fazla olacaktır ve çıkıĢ dalga Ģekli de simetrikliğini kaybedecektir. Bu multivibratörlerde zaman sabiti, simetrik multivibratörlerde olanın aksine daha karmaĢık metotlarla bulunacaktır. Onun için frekans bağıntısını burada vermeyeceğiz. Deneysel sonuçla yetineceğiz. ARAÇLAR Güç kaynağı. Osiloskop. Dirençler; 0,5 Watt 2 tane 6,8k, 10k, 2 tane 100k ve 500 k değiĢken direnç. Kondansatörler; 2 tane 0,01F. Transistör; 2tane BC337 veya eĢdeğeri. 13 DENEYLER ġekil 1.9 deki devreyi kurunuz. RL1 R2 R1 RL2 6.8kohm 100kohm 100kohm 6.8kohm C1 C2 Vcc 6V 0.01uF 0.01uF ÇIKIS 1 Q2 Q1 ÇIKIS 2 BC337AP BC337AP ġekil 1.9. Tablo 1.5 de verilen test noktalarını gözleyerek uygun yerleri doldurunuz. Test noktaları Q1 Kollektörü Dalga Ģekli VT-T Q1 Bazı Q2 Kolektörü Q2 Bazı Tablo 1.5 Multivibratörün frekansını, her iki transistör için ölçerek tabloda ilgili yerlere yazınız. Ayrıca metinde verilen bağıntıdan hesapladığınız zaman sabiti ve frekansı karĢılaĢtırınız. Frekans Ölçülen Hesaplanan Tablo 1.6 (a) Frekans Ölçülen Hesaplanan t1 t2 t1 t2 Tablo 1.6 (b) SĠMETRĠK OLMAYAN MULTĠVĠBRATÖR Aynı devrede R2 direnci yerine bir 10k ve buna seri bağlı 500k değiĢken direnç takınız. DeğiĢken direnci minimum konuma alınız. 14 Güç kaynağını çalıĢtırarak Tablo 3 de verilen test noktalarındaki gözlemlerinizi ilgili yerlere iĢleyiniz. (Ģekil çizilecek) Multivibratörün frekansını ölçünüz ve kaydediniz. Test noktaları Dalga Ģekli R4 min R4 max VT-T Frekans Q1 Kollektörü Q1 Bazı Q2 Kolektörü Q2 Bazı Tablo 1.7 DeğiĢken direnci yavaĢ yavaĢ maksimuma alırken dalgadaki değiĢmeyi gözleyiniz. R4 maksimum iken aldığınız ölçümleri Tablo 1.7 de yerlerine kaydediniz. SORULAR 1. Multivibratörde PNP transistör kullanarak bir devre de siz çiziniz. 2. Bir astable (kararsız) multivibratörün bazlarındaki ve kollektörlerindeki zamana bağlı dalga Ģekillerini çiziniz.? 3. Bir astable multivibratördeki karĢılıklı her iki kuplaj kapasitörlerini değeri 2.2nF ve baz dirençleri 47k dur. TitreĢim frekansı nedir? 15 DENEY NO :EII-2 DENEYĠN ADI :FARK YÜKSELTEÇLERĠ (DIFFERENTIAL AMPLIFIERS) DENEYĠN AMACI : Fark yükselteçlerinin öğrenilmesi ve yükselteçlerde giriĢ-çıkıĢ iĢaretlerinin gözlenmesi. ÖN BĠLGĠ: Fark yükselteçleri (FY) (Differential amplifiers) genellikle doğrudan giriĢli yükseltici tüm devrelerde kullanılmaktadır. Bu yükselteçlerin yapımı hassasiyet gerektirdiğinden, tüm devrelerde iyi sonuçlar vermektedir. Fakat ayrı ayrı elemanlarla da iyi sonuç verenler yapılabilir. Biz bu deneyimizde, ayrı ayrı elemanlarla yapılan fark yükselteçlerini inceleyeceğiz. ġekil 2.1 de Ģeması verilen fark yükselteci (kısaca FY diyeceğiz) görüldüğü gibi aynı tip iki transistörden meydana gelmiĢtir. Ġki ayrı giriĢi ve iki ayrı çıkıĢı vardır. Devre tamamen simetriktir. Transistörler aynı karakteristiğe sahiptir. Emitör direnci RE her iki direnç için ortaktır. Kollektör yük dirençleri de eĢittir, RL1 = RL2. Ayrıca her iki giriĢ devresi de birbirinin aynısıdır (R1 = R2). +Vcc RL2 RL1 ÇIKIS 2 ÇIKIS 1 Q1 Q2 R1 R2 RE V1 V2 -V EE ġekil 2.1. Fark yükseltici prensip devresi. Yükselteçte çıkıĢ sinyali, giriĢ sinyallerinin farkıyla doğru orantılıdır. Orantı katsayısına A dersek (gerilim kazancı) Vçıkış A (V1 V2 ) olur. Bu eĢitlikten hemen Ģu iki önemli sonucu çıkarabiliriz: a) Her iki giriĢ sinyali aynı fazda ve aynı genlikte ise çıkıĢ SIFIR olur. Vçıkış A (V1 V2 ) 0 (V1 V2 ) Bu duruma ―Ortak hal iĢlemi‖ (common mode operation) diyeceğiz. Ortak halde giriĢ sinyalleri devre içinde toplanarak yok edilir ve çıkıĢ yoktur. Fakat gerçekte FY’nin her iki kısmı tamamen simetrik olamayacağından giriĢ sinyalleri dengelenemez ve küçük genlikte bir çıkıĢ olur. Bu dengesizliğin baĢka elemanlarla giderilmesi gerekir (OFFSET iĢlemi). b) Her iki giriĢ sinyalinin genliği eĢit fakat zıt fazda (180 faz) ise (V1 = -V2) çıkıĢ gerilimi, Vçıkış A{(V1 (V1 )} 2V1 A 2V2 A olacaktır. Bu duruma farklı çıkıĢ hali diyeceğiz (non-common mode operation). TEK GĠRĠġLĠ FARK YÜKSELTĠCĠ Bir FY genellikle çift giriĢli olarak kullanılır. Fakat Ģekil 2.2 de görüldüğü gibi tek giriĢli de yapılabilir. Ayrıca, çıkıĢlar da her iki transistör kollektörüyle toprak arasından 16 alınarak çift yapılabilir. Yükseltecin çalıĢmasını anlayabilmek için önce tek giriĢli FY’yi ele alalım. +Vcc GĠRĠġ 1 RL2 RL1 ÇIKIġ 1 ÇIKIS 1 Q1 ÇIKIS 2 Q2 R1 R2 ÇIKIġ 2 RE V1 -V EE ġekil 2.2. Tek giriĢ-çift çıkıĢ FY. ġimdi bir sinüs sinyalin giriĢe uygulandığını düĢünelim, ġekil2.2. Q1’in bazı sürüleceğinden, kollektöründe giriĢ sinyaliyle zıt fazda büyütülmüĢ bir sinyal gözlenecektir (ÇıkıĢ 1). RE direncinin üst noktasından alınan sinyal, giriĢ sinyaliyle aynı fazda ve yaklaĢık aynı genlikte bir sinyal olur. Bu sinyal aynı zamanda Q2 transistörünün emitör-baz (toprak) arasındaki sinyalin görüntüsüdür. Bu sinyalin Q2 transistörünün emitör-baz arasındaki sinyalden 180 faz farkı olacaktır. Bir transistör için önemli olan baz (base)-emitör eklemi üzerine düĢen sinyaldir. Dolayısıyla bu sinyal, Q2 tarnsistörünün kollektörüyle büyütülerek ÇıkıĢ 2’yi oluĢturur. Burada çıkıĢ 2 sinyali ile çıkıĢ 1 sinyalleri zıt fazda ve aynı genliktedir. Yani tek giriĢli FY, tek giriĢli fakat zıt fazda çift çıkıĢlı bir yükselticidir. Eğer çıkıĢ sinyalini Q1 ve Q2 kollektörleri arasından alıyorsak bu çıkıĢ, giriĢ sinyaliyle aynı fazda büyütülmüĢ olacaktır. Bu çalıĢma halinde, yükseltici TERS ÇEVĠRMEYEN +VCC RL2 RL1 ÇIKIŞ Q1 Q2 R1 R2 RE V1 -VEE YÜKSELTĠCĠ ve V1 giriĢi de ters çevirmeyen giriĢ olarak isimlendirilir. 17 ġekil 2.3. Ters Çevirmeyen Yükseltici Eğer Q1 baz direnci topraklanır ve Q2 bazından bir giriĢ sinyali uygulanırsa ve çıkıĢ sinyalini de Q1 ve Q2 kollektörleri arasından alınırsa, çıkıĢ sinyali giriĢ sinyali ile zıt fazda (180 faz) büyütülmüĢ olacaktır. Bu duruma TERS ÇEVĠREN YÜKSELTĠCĠ ve Q 1 giriĢine de ters çeviren giriĢ denmektedir, ġekil 2.4. +VCC RL2 RL1 ÇIKIŞ Q1 Q2 R1 R2 RE V2 -VEE ġekil 2.4. Ters çeviren Yükselteç. FARKLI HAL GĠRĠġĠ (NON-COMMON MODE OPERATĠON) 18 +VCC ÇIKIŞ RL2 RL1 Q1 Q2 R1 R2 RE V1 V2 -VEE ġekil 2.5. Farklı Hal Yükseltici FY’nin iki giriĢinden de sinyal uygulandığını düĢünelim. V1 giriĢ sinyali pozitif iken V2 giriĢ sinyali negatif olsun (zıt fazda, aynı genlikte). Bu iki giriĢ sinyali RE direnci uçlarına eĢit genlikte zıt fazda ulaĢacaklarından sinyaller burada birbirlerini yok ederler. Q1 kollektöründe oluĢan gerilim V1 ile zıt fazda ve büyütülmüĢ, Q2 kollektöründeki gerilim de V2 gerilimiyle zıt fazda ve büyütülmüĢ olacaktır. Dolayısıyla kollektördeki çıkıĢ sinyalleri zıt fazlı ve büyütülmüĢ olacaktır. Eğer çıkıĢ, Q1 ve Q2 kollektörleri arasından alınırsa, elde edilecek sinyalin genliği, Vçıkış A{(V1 (V1 )} 2V1 A 2V2 A olacaktır. ÇıkıĢ sinyalleri, kollektörlerle toprak arasından ayrı ayrı da alınabilir. Tek tek çıkıĢlar, birbirlerine göre zıt fazda ve eĢit genlikte olur. Vçıkış1 AV1 AV2 (V1 = -V2) Vçıkış 2 AV2 AV1 ORTAK HAL ĠġLEMĠ (COMMON MODE OPERATĠON) FY giriĢlerine aynı sinyali uygulayalım, ġek. 6. RE direnci uçlarında oluĢacak gerilim aynı fazda olacağından, iki giriĢ sinyalinin toplamı kadar genlikte bir sinyal oluĢur. Bu sinyal kendisine zıt fazda olan kollektör gerilimini söndürecektir ve o da diğer kollektör gerilimini söndürecek ve çıkıĢ sinyali alınmayacaktır. +VCC RL2 RL1 ÇIKIŞ: 0 Q1 R1 Q2 R2 RE -VEE Vg 19 ġekil 2.6. Ortak Hal giriĢi. ÇıkıĢ sinyali, Vçıkış A (V1 V2 ) 0 olacaktır. (V1 V2 ) ORTAK HAL BASTIRMA ORANI (COMMON MODE REJECTION RATIO, CMRR) Bir FY’de farklı giriĢ halinde yüksek kazançlı çıkıĢ ve ortak giriĢ halinde ise çok düĢük kazançlı çıkıĢ istenir. Farklılık halinde yükseltici kazancına A FH, ortak hal kazancına da AOH diyelim. Ortak hal bastırma oranı, A CMRR FH AOH olarak verilir. Bu oran FY’nin çalıĢma etkinliğini ve verimini gösteren bir ölçüdür ve çok büyük olması istenir. RE DĠRENCĠNĠN FY ÜZERĠNE ETKĠSĠ Ortak hal giriĢi için RE emitör direnci, söndürücü, ya da negatif geribesleme iĢlemi yapar. RE direncinin büyümesiyle ortak halde negatif geribesleme de büyür ve sonuçta ortak hal sinyallerine karĢı bastırma etkisi de artar. Bunun için RE direncinin büyük olması tercih edilir. Çünkü yukarıda anlatılan sebeplerden dolayı CMRR de artar. RE direnci istenen büyüklükte yapılamaz, bir üst sınır vardır. Emitör akımını belirleyen bu dirençtir. Bu akım yaklaĢık olarak V I E EE RE olacaktır. RE nin artmasıyla her iki emitör ve kollektör akımı azalır. Ancak bu akım azalması istenmez. Bunun için çoğu uygulamalarda ġek. 7 de verilen bir Q3 transistörü eklenir. Bu transistör istenen yüksek akımı verirken büyük direnç gösterir. RE direnci bu uygulamada küçük tutulur. +VCC RL2 RL1 Q1 Q2 R1 V1 Q3 R3 R4 RE -VEE ġekil 2.7. FY DEVRE SEMBOLÜ 20 R2 V2 ġimdiye kadar gösterilen karmaĢık devreler yerine, FY’ler standart yapıda olduklarından tek bir sembolle gösterilir. ġekil 2.8 de (-) iĢaretli olan ―TERS ÇEVĠREN GĠRĠġ‖, (+) iĢaretli olan ise ―TERS ÇEVĠRMEYEN GĠRĠġ‖ tir. Ter s Çeviren ÇIKIS 2 3 Ter s Çevirmeyen 1 ġekil 2.8. FY devre Sembolü ARAÇLAR Çift çıkıĢlı güç kaynağı Sinyal üreteci, Osiloskop, Voltmetre Dirençler, 2x1k, 8.2k, 2x10k Transistör, 2xBC337 ve eĢdeğeri Transformatör, 2x12 Volt ac DENEYLER I- TEK GĠRĠġLĠ FARK YÜKSELTĠCĠ 1- ġekil 2.9 daki devreyi kurunuz. 2- VCC gerilimini 10 V yapınız. 3- Voltmetre ile Q1 (veya Q2) kollektörüyle toprak arasındaki gerilim 5 Volt oluncaya kadar VEE’yi (9 Volt civarında) ayarlayınız. (Eğer 5 volt olmuyorsa Vcc kaynağını da değiĢtirebilirsiniz.), 4- Sinyal üretecinden çok küçük genlikli ( 50mVT-T) bir sinüs sinyali giriĢe uygulayınız. 5- Osiloskopla giriĢ sinyalini ölçerek kaydediniz (Tablo 1). 6- Osilioskop giriĢlerini Q1 ve Q2 kollektörleri ile toprak arasına bağlayarak her iki çıkıĢ sinyalini gözleyiniz. Tepeden tepeye genlikleri ve faz farklarını ölçerek Tablo 1 de yerlerine yazınız. Faz ölçümü için Lissajous yöntemini kullanabilirsiniz. 7- Yine osiloskopla her iki transistorün baz sinyallerini gözleyerek Tablo 1 de yerlerine yazınız. RE direncinin ucundaki sinyalin genliğini ölçerek giriĢ sinyaliyle karĢılaĢtırınız. 8- Her iki çıkıĢ gerilim kazancını hesaplayarak yine Tablo 1’e yazınız. 9- ġimdide osiloskobun tek bir kanalıyla çıkıĢ 1 ve çıkıĢ 2 arası gerilim farkını ölçerek bu durum için kazancı bulunuz. Öteki bulduğunuz kazançla karĢılaĢtırınız. RL1 RL2 10kohm 10kohm 10V V cc ÇIKIS 1 Q1 BC337AP ÇIKIS 2 Q2 BC337AP 9V R1 R2 1kohm 1kohm RE 50mV 1kHz 0Deg 8.2kohm V1 21 V EE ġekil 2.9. Tablo2.1 GiriĢ Baz 1 ÇıkıĢ 1 Baz 2 VRE ÇıkıĢ 2 Faz Kazanç ġekil VT-T X ÇıkıĢ 1 için ÇıkıĢ 1-ÇıkıĢ 2 arası ÇıkıĢ 2 için II- FARKLI GĠRĠġ HALĠ Masanızda bulunan transformatörle ġekil 2.10’daki değiĢikliği yapınız. Transformatörün Ģekildeki gibi bağlanmasının sebebi 1 ve 2 giriĢlerinde 180 faz farkı olan sinyallerin oluĢumunu sağlamaktır. Birinci deneydeki sırayı takip ederek Tablo 2.2’yi doldurunuz. Tek giriĢli FY ile farklı giriĢli FY arasındaki en belirgin farkları maddeler halinde özetleyiniz. RL1 RL2 10kohm 10kohm 10V V cc ÇIKIS 1 Q1 ÇIKIS 2 Q2 BC337AP BC337AP 9V R1 R2 1kohm 1kohm 1 V EE RE 8.2kohm 50mV 1kHz 0Deg 2 Vg ġekil 2.10. Tablo 2.2 GiriĢ Baz 1 ÇıkıĢ 1 Baz 2 VRE ÇıkıĢ 2 Faz VT-T Kazanç ġekil X ÇıkıĢ 1 için ÇıkıĢ 2 için ÇıkıĢ 1-ÇıkıĢ 2 arası III- ORTAK GĠRĠġ HALĠ 22 Devrenin giriĢ kısmından transformatörü sökerek ġekil 2.11 deki değiĢikliği yapınız. Sinyal üreteci 1kHz, maksimum 50mVT-T olacaktır. Tablo 2.3’te istenen ölçümleri yaparak tabloyu doldurunuz. RL1 RL2 10kohm 10kohm V cc 10V ÇIKIS 1 Q1 ÇIKIS 2 Q2 BC337AP BC337AP 9V R1 R2 1kohm 1kohm V EE REE 8.2kohm 50mV 1kHz 0Deg Vg ġekil 11. Tablo3 GiriĢ Baz 1 ÇıkıĢ 1 Baz 2 VRE ÇıkıĢ 2 Faz VT-T ġekil X ÇıkıĢ 2 için ÇıkıĢ 1-ÇıkıĢ 2 arası Kazanç ÇıkıĢ 1 için 23 DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI : EII-3 :DOĞRUSAL TÜMDEVRELER (LINEER INTEGRATED CIRCUITS, IC) : Doğrusal Tümdevrelerin tanıtılması. ÖN BĠLGĠ: Çok büyük bir hızla geliĢen elektronik ve yarı-iletkenler teknolojisi, oldukça büyük ve karmaĢık devrelerin yapımını zorunlu kılmıĢtır. Özellikle bilgisayar endüstrisinde, 1950’lerin tüplerle yapılmıĢ, dört iĢlemi güç bela yapabilen birinci nesil dev bilgisayarlarla mukayese edildiğinde, hacim küçülmesinde, karmaĢıklıkla ve iĢlem sayısı ve hızında akıl almaz bir ilerleme olmuĢtur. Ġkinci nesil bilgisayarlarda hacim biraz küçülmüĢ, iĢlem kapasitesi ve hız artmıĢtır, ancak bunlar da hala çok büyük ve yavaĢtır. Bu nesil bilgisayarlar transistör ve diyotlardan yapılmaktaydı. Üçüncü nesil bilgisayarların esas elemanları IC’ler transistörlerle ve diğer klasik devre elemanlarıyla yapılabilecek bir masa büyüklüğündeki devreleri bir toplu iğne baĢı kadar alana sığdırarak yapılırlar. IC’ler yalnız bilgisayarlarda değil, haberleĢme, radyo, TV, vs. gibi çeĢitli endüstri alanlarında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Daha önceki deneylerimizde gördüğümüz çeĢitli yükselticiler, örneğin, daha çok daha verimli ve daha küçük olarak imal edilmektedir. Bir tümdevre, aktif ve pasif elemanların bir bütün halinde özel tekniklerle küçük bir alana yerleĢtirilmesiyle oluĢmuĢlardır. Aktif elemanlar; transistörler ve diyotlar, pasif elemanlar ise dirençler ve kondansatörlerdir. Bir tümdevre artık ayrı-ayrı elamanlar olarak değil, bir bütün halinde adlandırılır ve kullanılır. Bundan sonra yapacağımız deneylerde yalnızca doğrusal tümdevreler üzerinde duracağız, sayısal tümdevreler daha ileri safhalarda incelenecektir. Bir tümdevre çeĢitli bağlantı ve konfigürasyonlar için çok sayıda terminale (bacak) sahiptir. Örneğin UA741 tümdevresinin 8 bacağı vardır. Bu bağlantıların uygun kullanılmasıyla, doğrusal tümdevreler pek çok değiĢik amaç için kullanılabilir. Tümdevrelerin kullanılmasını çeĢitlendiren unsurlar, ona dıĢardan bağlanan elemanlardır. Tümdevreler birkaç değiĢik yapıda ve kılıf Ģeklinde üretilirler. Seramik veya metal olabilen bu kılıf Ģekilleri, TO-5, yapısında, düzgün kılıflı yapıda (flatpack) veya çift sıra bacaklı (dual in-line) yapıda olabilir (ġekil 3.1.). TO-5 Düzgün kılıf (flat pack) ġekil 3.1. Çift sıra bacaklı (dual in line) ĠġLEMSEL YÜKSELTEÇLER (IY) (OPERATIONAL AMPLIFIERS, OPAMP) ĠĢlemsel yükselteçler, çok yüksek kazançlı, doğrudan bağlantılı fark yükselteçleridir. Daha önce gördüğümüz fark yükselteçlerinin geliĢtirilmiĢ ve tümdevre haline getirilmiĢ Ģeklidir. Bu tümdevreler, bilgisayarlarda, toplama çıkarma, türev ve integral iĢlemleri için geliĢtirilmiĢtir ve günümüzde çok amaçlı bir doğrusal yükseltici olarak kullanılmaktadır. Bir IY’nin çalıĢması ona dıĢarıdan bağlanan elemanlarla kontrol edilir. ġekil 3.2 de IY devre Ģeması görülmektedir. Önceki deneyde öğrendiğiniz fark yükselticinin aynısı olarak iki giriĢe sahiptir. Bu giriĢler, TERS ÇEVĠREN GĠRĠġ (─) ve TERS ÇEVĠRMEYEN GĠRĠġ (+) olarak iĢaretlenmiĢlerdir. Ters çeviren giriĢten uygulanan bir gerilim, çıkıĢta iĢareti değiĢmiĢ ve büyümüĢ olarak gözlenir (Örneğin, pozitif bir giriĢ 24 gerilimi, çıkıĢta büyütülmüĢ negatif bir gerilim olarak gözlenir.). Ters çevirmeyen giriĢten uygulanan bir sinyal ise çıkıĢtan aynı iĢaretle büyütülmüĢ olarak gözlenir. Ters çeviren giriĢ ÇıkıĢ Ters çevirmeyen giriĢ ġekil 3.2. ĠĢlemsel Yükselteci Sembolü DıĢarıdan herhangi bir kontrol elemanı bağlanmadan, giriĢe bir gerilim uygulandığında çıkıĢtan çok büyük bir gerilim elde edilecektir. IY’nin bu durumundaki gerilim kazancına AÇIK HALKA KAZANCI (KA) denmektedir. Bu değer genellikle 20000 veya daha büyüktür. Yani açık halka durumunda giriĢ ve çıkıĢ gerilimleri arasında Vç K AVg bağıntısı vardır. Vg KA VÇ Açık halka kazancı çok büyük olduğundan giriĢe uygulanan gerilim çok küçük olmalıdır. Burada bir noktaya daha değinelim; çıkıĢ gerilimi IY besleme geriliminden daha büyük olamaz ve normal bir IY’nin besleme gerilimi 15 V civarındadır. Bu durumda çıkıĢ gerilimi 15 V’dan daha büyük olamaz. Örneğin açık halka kazancı 30000 olan bir IY çıkıĢından 15 V alabilmek için, giriĢe, Vç 15 Vg 0.5x103 0.5mV 30000 30000 gerilim uygulanmalıdır. IY’lerin giriĢ empedansları çok yüksek (birkaç M mertebesinde) olduğundan (+) ve (─) giriĢ uçları arasında potansiyel farkı sıfır olur. Çok yüksek giriĢ empedansı sebebiyle (+) ve (─) giriĢ uçları arasından akan akım pratikte nanoamper seviyesindedir. Bu yüzden IY’ler gerilime duyarlıdır ve çoğu uygulamalarda IY’ye giriĢten akım geçmediği kabul edilir. GERĠ BESLEME ve TERS ÇEVĠREN YÜKSELTEÇ Her ne kadar, bir IY’nin açık halka kazancı çok büyükse de, bunu dıĢarıdan bağlanan elemanlarla istediğimiz değere ayarlama imkânımız vardır. Bu iĢleme geri besleme denmektedir. ġekil 3.3 te verilen bağlantıyı ele alalım. R1 giriĢ direnci, R2 ise geri besleme direncidir. i2 R1 A Vg i1 R2 Vi VÇ ġekil 3.3. Negatif geri-besleme 25 Ters çeviren giriĢten bir Vg geriliminin uygulandığını düĢünelim. IY’nin giriĢ empedansı çok büyük olduğundan akımın yalnızca R2 direnci üzerinden geçtiğini varsayacağız. Bu durumda A noktası için Kirchoff Akım yasası; i1 i2 den, Vg Vi V V ç i R1 R2 elde edilir. Bu eĢitliği yeniden düzenleyelim. R 2 (Vg Vi ) Vç Vi R1 olur. Vi 0 alınırsa kapalı halka kazancı KK, Vç R2 KK Vg R1 olur. Bu formüle göre eğer R1 = R2 olarak seçilirse yükseltecin kazancı ─1’e eĢit olur. Bu gibi durumlarda, yükselteç, giriĢine uygulanan sinyali yükseltmeden sadece iĢaretini değiĢtirerek çıkıĢa aktarır. Kazanç formülündeki (─) iĢareti giriĢle çıkıĢ arasında 180 faz farkı olduğunu gösterir. R1 ve R2 dirençleri ile yükseltecin kapalı halka devre kazancı ayarlanabilir. Bu bağlantıya göre kapalı halka kazancı açık halka kazancından daha küçüktür. Fakat devrenin çalıĢması kapalı halka kazancında daha kararlıdır. Geri beslemeli kazanç geri beslemesiz kazançtan daha küçük olduğundan kullanılan geri besleme NEGATĠF GERĠ BESLEME dir. Pozitif geri besleme olsaydı, geri beslemeli kazanç, geri beslemesiz kazançtan daha büyük olurdu. TERS ÇEVĠRMEYEN YÜKSELTEÇ ġekil 3.4 te görüldüğü gibi giriĢ sinyali IY’nin faz çevirmeyen (+) giriĢine uygulanmıĢtır. Dolayısıyla giriĢ ve çıkıĢ sinyalleri arasında faz farkı olmaz. Ġdeal bir IY’nin giriĢ empedansı sonsuz olması sebebiyle (+) ve (─) giriĢ uçları arasındaki akım sıfır olacağından bu uçlar arasındaki potansiyel farkı sıfır 0 Volttur. R2 R1 A Vi +V + -V VÇ Vi = 0 R2 VVgg Vg R1 VÇ ġekil 3.4. Ters Çevirmeyen Yükselteç ve eĢdeğer devresi Vi = 0 olduğundan giriĢ gerilimi R1 üzerindeki gerilime eĢittir. Dolayısıyla R1 ve R2 gerilim bölücü gibi davranacağından giriĢ gerilimi, R1 Vg Vç R1 R 2 olur. Bu denklemi yeniden düzenlersek, Vç R1 R 2 R 1 2 KK Vg R1 R1 26 bulunur. Eğer bu devrede R1 direncini sonsuz ve R2 direncini de sıfır alırsak elimize kazancı +1 olan gerilim izleyici geçer, ġek.5. Bu devrenin giriĢ empedansı çok yüksek, çıkıĢ empedansı da düĢük olduğu için empedans uyumunda kullanılır. Empedans uyumu yapılacak devre katları arasında maksimum enerji transferinin gerçekleĢebilmesi için bir katın çıkıĢ empedansının diğer katın giriĢ empedansına eĢit olması gerekir. VÇ Vg ġekil 3.5. Gerilim izleyici Faz çevirmeyen yükselteç ile faz çeviren yükselteç arasındaki farklar Ģunlardır: Faz çevirmeyen yükseltecin kazancı, faz çeviren yükselteçten 1 fazladır ve daima birden büyüktür. Faz çevirmeyen yükseltecin giriĢ empedansı IY (OP-AMP) giriĢ empedansına eĢit olup çok yüksektir. Faz çeviren yükseltecin giriĢ empedansı ise R1 direnci kadardır. Faz çevirmeyen yükselteçte giriĢ ve çıkıĢ iĢaretleri aynı fazdadır. Faz çeviren yükselteçte ise giriĢ ve çıkıĢ sinyalleri arasında 180 faz farkı vardır. ĠġLEMSEL YÜKSELTECĠN ÖZELLĠKLERĠ Üretici kataloglarında, üretilen IY’nin çeĢitli uygulamalarıyla ilgili gerekli tüm teknik bilgiler mevcuttur. Ayrıca, pek çok temel elektronik kitaplarında ve değiĢik kaynaklarda IY’ler hakkında ayrıntılı bilgiler kolaylıkla bulunabilir. Biz burada yalnızca, deneyimizde önemli olan bazı temel özellikleri sıralayacağız. IY’ler askeri ve endüstri amaçlı olarak iki ayrı kategoride üretilirler. Bunlar hem çift sıra bacaklı ve hem de metal kılıflı (TO-5) olarak üretilir. ġekil 6 da çift sıra bacaklı bir 741 tümdevrenin bacak bağlantıları verilmiĢtir. 1. GiriĢ offset 2. Ters çeviren giriĢ (─) 8 7 6 5 3. Ters çevirmeyen giriĢ (+) 4. ─VEE (Eksi besleme gerilimi) 5. GiriĢ offset 6. ÇıkıĢ ĠĢaret 1 2 3 4 7. +VCC (Artı besleme gerilimi) noktası 8. BoĢ ġekil 3.6. Bir 741 IY (OP-AMP) için bazı teknik özellikler aĢağıya sıralanmıĢtır: -Besleme gerilimi : 18 Vmax (15V nominal) -Güç harcaması : 500 mWmax -Farklılık giriĢ gerilimi : 30 Vmax -ÇalıĢma sıcaklığı : 0─70C 27 -GiriĢ bias akımı : 800 nA -GiriĢ direnci : 0.3─2 M -GiriĢ gerilim aralığı : 13 V -Ortak hal bastırma oranı (CMRR) : 90 dB -ÇıkıĢ direnci : 75 -ÇıkıĢ kısadevre akımı : 25 mA -Besleme akımı : 2.8 mA -Büyük sinyal kazancı : 15000 -ÇıkıĢ gerilimi salınımı : 13 V ġimdi de bu terimlerden bazılarını açıklayalım. - Farklılık giriĢ gerilimi: (+) ve (─) giriĢler arasına uygulanabilecek maksimum gerilimdir. - GiriĢ bias akımı: ÇıkıĢ geriliminin sıfır olması halinde her iki giriĢten akan akımın ortalamasıdır. - GiriĢ direnci: GiriĢ terminallerinden birisinin topraklanması halinde, iki giriĢ terminali arasındaki dirençtir. - GiriĢ gerilim aralığı: IY’nin (Op-amp) fonksiyonunu tam yapabilmesi için her iki giriĢten uygulanabilecek maksimum gerilimdir. - Ortak hal bastırma oranı (CMRR): Farklılık gerilim kazancının ortak hal gerilim kazancına oranıdır. - ÇıkıĢ direnci: ÇıkıĢ terminali ile toprak arasındaki dirençtir. - ÇıkıĢ kısadevre akımı: ÇıkıĢın toprakla kısadevre yapılması halinde akacak maksimum çıkıĢ akımıdır. - Besleme akımı: IY sıfır volt çıkıĢ verirken güç kaynağından IY’ye akan besleme akımıdır. - Büyük sinyal gerilim kazancı: Geri beslemesiz halde çıkıĢ gerilimi maksimum değerinin diferansiyel giriĢ gerilimine oranıdır. - ÇıkıĢ gerilim salınımı: ÇıkıĢın offset yapılmıĢ olması halinde, bozulma olmaksızın maksimum çıkıĢ gerilimidir. ARAÇLAR Ġki çıkıĢlı güç kaynağı Osiloskop, osilatör, voltmetre Dirençler, 2x10k, 22k, 56k, 100k, 5.6k Tümdevre, UA741 iĢlem yükselteci DENEYLER I- IY KAZANCI, TERS ÇEVĠREN YÜKSELTEÇ 1. ġekil 3.7 deki devreyi kurunuz. 2. RF ve RR dirençleri yerine önce 10k’luk dirençler takarak devreyi çalıĢtırınız. Osiloskobunuzun iki kanalını da giriĢ ve çıkıĢ sinyallerini gözlemek için kullanınız. GiriĢe 100mV ve 1kHz sinüs sinyali uygulayınız. 3. ÇıkıĢ sinyalinin tepeden tepeye değerini ölçerek Tablo 1’e kaydediniz. 4. Lissajous yöntemiyle sinyallerin faz farkını ölçerek kaydediniz. 5. ġimdi RF direnci yerine sırasıyla 5.6k, 22k, 56k, 100k dirençleri bağlayarak aynı ölçümleri Tablo 3.1’de yerlerine yazınız. 28 RF RR + 7 2 10 V 6 VÇ 3 Vg 4 + 10 V - ġekil 3.7. Tablo3.1 RR 10k ″ ″ ″ ″ RF 10k 5.6k 22k 56k 100k GiriĢ VT-T 100mV ″ ″ ″ ″ ÇıkıĢ VT-T Kazanç (Vç Vg ) Kazanç ( RF RR ) Faz II- TERS ÇEVĠRMEYEN YÜKSELTEÇ 1. Devreyi ġekil 3.8 deki gibi değiĢtiriniz. RF RR + 7 2 10 V 6 VÇ 3 4 + Vg 10 V - ġekil 3.8. 2. Birinci kısımda takip ettiğiniz sırayı bu devre için de aynen tekrar ediniz. Sonuçları Tablo 3.2’de toplayınız. Tablo 3.2 RR RF 10k 10k ″ 5.6k ″ 22k ″ 56k ″ 100k GiriĢ VT-T ÇıkıĢ VT-T Kazanç (Vç Vg ) 100mV ″ ″ ″ ″ 29 Kazanç (1 RF ) RR Faz III- GERĠLĠM ĠZLEYĠCĠ 1. ġekil 3.9 daki devreyi kurunuz. 2 + 7 10 V 6 - 3 VÇ 4 + Vg 10 V - ġekil 3.9. 2. Sinyal üretecinden, sırasıyla 100 mV, 500 mV ve 1 V gerilimleri sırasıyla yükselteç giriĢine uygulayarak çıkıĢ gerilimlerini ölçünüz. Sonuçları Tablo 3.3’e kaydediniz. Tablo 3.3 GiriĢ VT-T 100mV 500mV 1V ÇıkıĢ VT-T Kazanç (Vç Vg ) Faz SORULAR 1. Bir faz çeviren yükselteç devresinde kazanç giriĢe göre nasıl değiĢir? Niçin? 2. Doğrusal bir iĢlem yükselteci devresinde elde edilen maksimum çıkıĢ sinyalinin tam değerini ne belirler? 3. Bir ĠY nin doyum voltajı seviyeleri hangi aralıkta değiĢir? Niçin? 4. Gerilim izleyiciyi hangi devreden nasıl elde edersiniz? 30 DENEY NO DENEYĠN ADI :EII-4 :TOPLAMA, ÇIKARMA, TÜREV, ĠNTEGRAL VE KIYASLAYICI DEVRELER DENEYĠN AMACI : ĠĢlemsel yükselteçle aritmetik toplama, çıkarma, integral, türev ve kıyaslama, iĢlemlerinin yapılmasının öğrenilmesi. ÖNBĠLGĠ ĠĢlemsel yükselteçlerle yapılabilecek devre sayısı oldukça fazladır. Biz bu deneyimizde temel sayılabilecek devreleri öğreneceğiz. Bunlardan önemli kabul edebileceklerimiz, toplama iĢlemi, türev, integral alma iĢlemi ve kıyaslama iĢlemleridir. TOPLAMA VE ÇIKARMA ĠġLEMĠ Toplama iĢlemi analog bilgisayarlarda gerekli olan toplama ve çıkarma iĢlemleri için hazırlanmıĢtır. ġekil 4.1 deki ters çeviren yükselteci ele alalım. Devredeki A noktası zahiri veya sanal toprak (Virtual ground) olarak isimlendirilir. Yani bu noktada R1, R2, R3, . . . dirençlerinden gelen akımlarla, geribesleme direnci Rf üzerinden gelen akımlar toplanarak sıfır olacaktır (Kirchoff akım yasası). i i1 R1 i2 R2 i3 R3 i4 R4 V1 V2 V3 Rf A ─ Vç + V4 ġekil 4.1. A noktası için K.A.K yazılacak olursa i1 i2 i3 i4 .........in i V V V1 V2 V3 V4 ........ N ç R1 R2 R3 R4 RN Rf V V V V V Vç Rf ( 1 2 3 4 .............. N ) R1 R2 R3 R4 RN olur. Buradan da görüldüğü gibi çıkıĢ gerilimi ters çevrilmiĢ olarak giriĢ geriliminin toplamıdır. Bu giriĢleri –V1, –V2 gibi iĢaretleri değiĢtirilmiĢ olarak uyguladığımızda, çıkıĢ diğer pozitif giriĢlerden bunların çıkartılması olacaktır. Örnek: ġekil 4.2 devresinde V1 = 0.5 V, V2 = -1 V olsun. ÇıkıĢ gerilimini bulalım. Rf = 6k R1 = 1k V1 V2 ─ R2 = 3k + ġekil 4.2. 31 Vç R R 6k 6k Vç f V1 f V2 (0.5V ) (1V ) R2 3k 1k R1 Vç (3 2) 1V Benzer bir örneği de birim kazanç için yapalım. Yani Rf R1 R2 olsun. Bu durumda Vç (0.5V 1V ) 0.5V olacaktır. Görüldüğü gibi giriĢ gerilimleri çıkıĢta toplanarak verilmektedir. TÜREV ALMA ĠġLEMĠ Elektronik devrelerde türev ve integral alma denildiği zaman biz kare ve üçgen dalgaların birbirlerine çevrilmesini anlıyoruz. Çünkü kare dalga üçgen dalganın türevidir veya üçgen dalga kare dalganın integralidir. Ayrıca sinüs ve kosinüs fonksiyonları birbirilerinin türevi veya integralidir. Bizim devremiz de bu iĢlemleri yapmaktadır. ġekil 4.3 deki devreyi ele alalım. GiriĢten bir üçgen dalga verilmiĢ olsun. ÇıkıĢ geriliminin nasıl olacağına bakalım. Rf iç C Vg ig ─ A + Vç ġekil 4.3. Türev alma devresi A noktası için K.A.K yazılırsa, ig iç dir ve iç Vç olur. ig için de akım yük arasındaki türev bağıntısını aĢağıdaki gibi yazarız. Rf Kondansatör üzerinden geçen ig akımının değeri dq/dt dir. Burada q = C.V ve C de sabittir. dVg dq ig ve bu bağıntıda q yerine CVg yazılırsa, ig C dt dt olur. Akımların eĢitliğinden de dVg dVg V ç C veya Vç Rf C Rf dt dt türev bağıntısını buluruz. Devrenin çıkıĢ formülünden de anlaĢıldığı gibi çıkıĢ gerilimi, giriĢ geriliminin türevi ile orantılıdır ve türevleyici devre giriĢ iĢaretinin türevini, Rf.C sabitiyle çarparak çıkıĢına aktarır. Formüldeki (-) iĢareti, devrenin ters çeviren giriĢten iĢlem yaptığını ve giriĢle çıkıĢ arasında 180 faz farkı olduğunu gösterir. ġekil 4.3 deki devre, pratik uygulamalara elveriĢli değildir. Çünkü C kondansatörü, yüksek frekanslı giriĢ sinyallerinde kısa devre özelliği göstererek, üzerine çok az bir gerilim düĢmesine sebep olur. Bu da yükselticinin kazancını arttırır. Yüksek frekanslı giriĢ sinyallerinde çıkıĢ iĢareti en büyük düzeye ulaĢır. Dolayısıyla giriĢ sinyalinde gürültü mevcut ise yüksek frekans kısmı olduğu gibi yükseltilir. Bu istenmeyen durumu engellemek için ġekil 32 4.4 deki gibi giriĢe seri bağlı bir R1 direnci eklenir. Böylece yüksek frekanslarda devre kazancına Rf R1 oranı gibi bir sınır getirilir. Rf C R1 Vg ─ Vç + ġekil 4.4. Pratikte kullanılabilen türev alma devresi Türev alıcı devrenin giriĢine uygulanan iĢaretin türevini alabilmesi için aĢağıdaki Ģartların yerine gelmesi gerekir: 1 1. f giriş f c olmalıdır. Yani giriĢe uygulanan sinyalin frekansı, fc kritik 2 R1C frekansından küçük veya eĢit olmalıdır. 2. Devrenin zaman sabitesi (T = Rf.C) ile giriĢe uygulanan sinyalin periyodu birbirine eĢit veya yakın bir değerde olmalıdır. Eğer, devrede bu Ģartlardan birisi veya ikisi sağlanamıyorsa, devre, giriĢine uygulanan sinyalin türevini alamaz ve kazancı Rf R1 olan ters çeviren yükselteç gibi çalıĢır. ĠNTEGRAL ALMA ĠġLEMĠ Ġntegral alma iĢlemi türev alma iĢleminin tersidir. Türev alma devresinde C ve R’nin yeri ġekil 4.5 deki gibi değiĢtirilirse integral alma iĢlemi yapan devre elde edilir. Cf iç Vg R1 ─ ig + Vç ġekil 4.5. Ġntegral iĢlemi yapan devre Bu devre için de denklemler aĢağıdaki gibi yazılarak gerekli integral bağıntısı bulunur. ig iç iç ig dV dq ve iç C ç dt dt Vg R1 33 dir. Akımlar eĢitlendiğinde Vg dV 1 C ç veya Vç Vg dt R1 dt R1C elde edilir. Böylelikle çıkıĢ geriliminin giriĢ geriliminin integrali ile orantılı olduğu görülmüĢ olur. Op-Amp devresindeki, giriĢ ofset geriliminin, iĢlemsel yükselteci (Op-Amp) doyuma götürmesini engellemek için ġek. 6 daki gibi geri besleme kondansatörüne paralel bir Rf direnci bağlanır. Rf Cf Vg R1 ─ Vç + R2 ġekil 4.6. Pratikte kullanılabilir bir integral alıcı devre GiriĢ akımlarının eĢit olmayıĢından dolayı meydana gelebilecek ofset gerilimini ve bu gerilimin etkilerini gidermek amacıyla yine ġek. 6 da görüldüğü gibi ters çevirmeyen giriĢle toprak arasına bir de R2 direnci bağlanmıĢtır. Aynı zamanda bu devre pratikte kullanılan integral alıcı devredir. R2 direncinin değeri, R2 R1 // Rf ifadesinden bulunur. Ġntegral alıcı bir devrenin, giriĢine uygulanan bir iĢaretin integralini alabilmesi için aĢağıdaki Ģartların sağlanması gerekir: 1 1. f giriş f c olmalıdır. Yani giriĢe uygulanan sinyalin frekansı, fc kritik 2 Rf Cf frekansından büyük veya eĢit olmalıdır. 2. Devrenin zaman sabitesi (T = R1.Cf) ile giriĢe uygulanan sinyalin periyodu birbirine eĢit veya yakın bir değerde olmalıdır. FARK YÜKSELTECĠ Ters ve ters çevirmeyen giriĢler ġek. 7 deki gibi birlikte kullanıldığında fark yükselteç devre elde ederiz. R2 R1 ─ V1 R3 + V2 R4 ġekil 4.7. Fark yükselteci 34 Vç Burada kazanç K K Vç dir. V2 V1 Özel bir durum olarak R1 R3 , R2 R4 seçilirse R R KK 2 4 R1 R3 olur. ÇıkıĢ, R Vç 2 (V2 V1 ) R1 elde edilir. GERĠLĠM (VOLTAJ) KIYASLAYICI (COMPARATOR) Dijital devrelerle analog sinyalleri birleĢtirdiğimizde, genellikle iki voltaj seviyesinden hangisinin daha büyük olduğunu bilmemiz gerekir. Kıyaslayıcı devre, isminden de anlaĢıldığı gibi, bir kıyaslama yapar ve kıyaslanan sinyalin bağıl boyutuna bağlı olarak iki farklı seviyenin sadece birinde çıkıĢ verir. Bir kıyaslayıcı genellikle değiĢen bir giriĢ voltajını sabit bir referans voltajına kıyaslar. ġekil 4.8 deki gibi ters çevirmeyen uçtan yapılan giriĢ referans voltajından birazcık büyük olduğunda, kıyaslayıcının çıkıĢı en uç pozitif (+V) sınır değerini alır. GiriĢ referanstan azıcık küçük olduğunda ise, çıkıĢ en uç negatif (-V) sınır değerini alır. Geri beslemesiz çalıĢan bir iĢlemsel yükselteç son derece yüksek açık halka voltaj kazancına sahiptir ve pratikte açık halka kazancını sınırlayan faktör +V, –V besleme voltaj değerleri olduğu için çıkıĢtan yaklaĢık +V veya –V gerilim değeri kadar sinyal alınır. GiriĢler arasındaki en küçük bir fark bile çıkıĢın iki uç değerden birinde (+V veya –V) doyuma gitmesine sebep olacaktır. IY bu özelliği ile basit bir kıyaslayıcı gibi davranır. Vç Vg +V VÇ Vr -V Vg Vr ġekil 4.8. Gerilim Kıyaslayıcı ve transfer eğrisi Vg > Vr olursa, çıkıĢtan yaklaĢık +V değeri alınır. (Vç = +V) Vg < Vr olursa, çıkıĢtan yaklaĢık -V değeri alınır. (Vç = -V) Devre bu haliyle ters çevirmeyen çalıĢma özelliğindedir. Çünkü Vg giriĢ voltajı ters çevirmeyen (+) giriĢe uygulanmıĢtır. Ters çeviren giriĢe sabit referans voltajı uygulanmıĢtır. GiriĢ ve referans (-), (+) uçlar arasında yer değiĢtirirse yukarıdaki kıyaslamanın tam tersi olur. ARAÇLAR Ġki çıkıĢlı doğru akım güç kaynağı. Osiloskop, Sinyal üreteci Dirençler; 1k, 3.3k, 5.6k, 12k, 2x10k Kondansatörler; 100 nF, 10nF Tümdevre; UA741 35 DENEYLER TOPLAMA (ÇIKARMA) YÜKSELTECĠ 1. ġekil 4.9 daki devreyi kurunuz. Rf = 12k 3.3k + 7 5.6k V1 + 10 V 6 2 VÇ V2 + 3 4 5V 5V + - - 10 V - ġekil 4.9. 2. V1 ve V2 gerilimlerini 1.5 V ve 2 V’a ayarlayınız ve yükseltici çıkıĢ gerilimini ölçerek toplama denklemini doğrulayınız. 3. V1 ve V2 gerilimlerinden birisini ters çevirerek çıkarma iĢlemini doğrulayınız. Sonuçları Tablo 4.1’e kaydediniz. Tablo 4.1 GiriĢ V1 1.5 1 V2 2 3 ÇıkıĢ Hesapla Ölçülen GiriĢ V1 —1.5 1 ÇıkıĢ Hesapla Ölçülen V2 2 —3 GERĠLĠM KIYASLAYICI 1. ġekil 4.10 daki devreyi kurunuz. 10k + 7 2 10k Vg + 5V - VÇ 3 Vr 10 V 6 4 + + 10 V 5V - - ġekil 4.10. 2. Osiloskobun birinci kanalını Vg’ye bağlayınız. Ġkinci kanalını da çıkıĢı gözlemek için Vç’ye bağlayınız. Vr yi (referans voltajı) 0 V’a ayarlayınız. Vg yi -5 V ile +5 V aralığında değiĢtirirken çıkıĢı da Osiloskoptan izleyiniz. ÇıkıĢta atlama olduğu andaki Vg giriĢ voltajını Tablo 4’e kaydediniz. 3. Vr nin 1, 3, -1, -2, -3 V değerleri için ikinci maddedeki iĢlemleri tekrarlayarak Tablo 4.4’e kaydediniz. Tablo 4.4 Vg Vr (V) 1 2 3 -1 36 Vç -2 -3 TÜREV ALICI DEVRE 1. ġekil 4.11 deki devreyi kurunuz. Rf = 10k R1 Vg 1k C + 7 100 nF 10 V 6 2 VÇ 3 4 + 10 V - ġekil 4.11. 2. Sinyal üretecinden 1 VT-T ve 1 KHz üçgen dalgayı giriĢe uygulayınız. 3. Osiloskopla giriĢ ve çıkıĢ iĢaretlerini gözleyiniz. 4. Frekansı 100 Hz ile 100 kHz arasında değiĢtirerek çıkıĢta meydana gelen değiĢmeleri gözleyiniz. Dalga periyodu T ile Rf.C zaman sabitinin oranını bulunuz. 5. Sinyal üretecinden bu sefer giriĢe 100mVT-T, 1kHz sinüs dalgası vererek, giriĢ ve çıkıĢ dalgaları arasındaki faz farkını bulunuz. Bulduğunuz faz iliĢkisinden giriĢ ve çıkıĢ dalgaları arasında nasıl bir bağlantı olduğunu belirtiniz. 6. 100 Hz ve 100 kHz frekanslarındaki çıkıĢ sinyallerini gözleyerek Tablo 5’e yazınız. 7. Aynı iĢlemleri kare dalga giriĢi için de yapınız. Tablo 4. 5 GiriĢ dalga Ģekli 1 kHz ÇıkıĢ dalga Ģekli 100 Hz 100 kHz Faz Üçgen Sinüs Kare T Rf C ĠNTEGRAL ALICI DEVRE 1. ġekil 12 deki devreyi kurunuz. 2. Sinyal üretecinden 2 VT-T ve 10 KHz kare dalgayı giriĢe uygulayınız. 3. Osiloskopla giriĢ ve çıkıĢ iĢaretlerini gözleyiniz. 4. Frekansı 100 Hz ile 100 kHz arasında değiĢtirerek çıkıĢta meydana gelen değiĢmeleri gözleyiniz. Dalga periyodu T ile R1.Cf zaman sabitinin oranını bulunuz. 37 5. Sinyal üretecinden bu sefer giriĢe 100mVT-T, 1kHz sinüs dalgası vererek, giriĢ ve çıkıĢ dalgaları arasındaki faz farkını bulunuz. Bulduğunuz faz iliĢkisinden giriĢ ve çıkıĢ dalgaları arasında nasıl bir bağlantı olduğunu belirtiniz. 6. 100 Hz ve 100 kHz frekanslarındaki çıkıĢ sinyallerini gözleyerek Tablo 6’ya yazınız. 7. Aynı iĢlemleri Üçgen dalga giriĢi için de yapınız. Rf = 100k 10 nF C R1 Vg + 7 10 V 6 2 10k VÇ 3 R2 4 + 10k 10 V - ġekil 4. 12. Tablo 4.6 GiriĢ dalga Ģekli ÇıkıĢ dalga Ģekli 100 Hz 10 kHz Üçgen Sinüs Kare T R1Cf 38 100 kHz Faz DENEY NO DENEYĠN ADI :EII-5 : ĠġLEM YÜKSELTEÇLERĠNĠN FREAKANS-KAZANÇ KAREKTERĠSTĠĞĠ VE KARE DALGA ÜRETECĠ DENEYĠN AMACI : ĠĢlem yükselteçlerin frekans kazanç karakteristiklerinin bulunması ve iĢlem yükselticiler kullanılarak kare dalga üretecinin çalıĢma ilkesinin öğrenilmesi. ÖN BĠLGĠ ĠĢlem yükselteçleri frekansa karĢı oldukça duyarlıdır. Yani, yükselme zamanları oldukça uzun olduğundan çok hızlı bir gerilim yükselmesine anında cevap veremezler. Belirli bir süre sonra cevap verirler. Eğer giriĢten uygulanan sinyalin periyodu yükselme zamanı ile kıyaslanabilir ölçüde ise Ġ.Y nin kazancı küçülecektir. Yükselme zamanı (Rise time) bir sinyali belirli bir düĢük değerden belirli bir yüksek değere yükseltmek için geçen zamandır. Genellikle bir darbenin (puls) ön kenarını %10 dan %90 a yükseltmek için geçen zaman olarak ifade edilir. Deneyde kullandığımız 741 tüm devrelerin yükselme zamanları 0.3s civarındadır. Bu süre oldukça uzun bir yükselme zamanıdır. ĠĢlemsel yükselteçlerin frekans kazanç karakteristikleri deneysel yollarla saptanır ve bu karakteristikler kataloglarda verilir. Örnek bir 741 tümdevre frekans-kazanç karakteristiği dB cinsinden ġekil 5.2 de verilmiĢtir. Kazanç dB Av=1000 Av=100 dB 20log Av=50 Vç Vg Av=10 Frekans MHz ġekil 5.2. Bir tümdevre (Op-Amp) frekans-kazanç karakteristiği Kapalı halka frekans kazanç karakteristiği açık halka karakteristiği sınırları içinde kalır. Kazanç küçüldükçe, kazanç daha geniĢ bir frekans aralığında (bant geniĢliğinde ) sabit kalır. Kazanç büyüdükçe sabit kazanç frekans aralığı daralır. Frekans aralığını daraltan etki açık halka kazancıdır. ġekil 5.2 deki aralıklı çizgiler çeĢitli kapalı halka kazançlarını göstermektedir. Frekans-kazanç karakteristikleri, iĢlem yükselteçlerde yapılan ac devrelerinde oldukça önemlidir. Örneğin Ġ.Y ile yapılan bir sinyal üretecinde önce bu karakteristiğe bakılır ve çalıĢılacak frekansın üzerindeki etkisi önceden gözden geçirilir ve önlem alınır. KARE DALGA ÜRETECĠ ġekil 5.3’te verilen devre gerçekte bir serbest salınımlı multivibratördür. Ancak çoğu hassas uygulama gerektirmeyen devrelerde kare dalga sinyal üreteci olarak kullanılır. Devre, ilk bakıĢta anlaĢılacağı gibi bir fark yükselticidir. Devrenin ilk açılması ile oluĢacak kararsızlık, giriĢlere farklı gerilim uygulanmasına sebep olur. Bu giriĢ darbesi, Ġ.Y de büyültülerek geri besleme direnci Rg üzerinden C kondansatörünü doldurur. Bu sırada + 39 giriĢten R1, R2.ve R3 dirençleri yolu ile bir referans gerilimi verilmiĢtir. C kondansatörü uçlarındaki gerilim, -giriĢ gerilimidir, referans gerilimi seviyesinin biraz üzerine çıkıncaya kadar çıkıĢ pozitif bir değerdedir. Kondansatör gerilimi, referans gerilimi geçtiği anda çıkıĢ derhal negatif değere geçer (kondansatörün çalıĢma prensibi) ve kondansatör boĢalmaya baĢlar (Rg direnci üzerinden). Kondansatör gerilimi referans geriliminin biraz altına düĢünceye kadar çıkıĢ negatif kalır. Kondansatör gerilimi referans geriliminin biraz altına düĢtüğü anda, çıkıĢ tekrar pozitif değere yükselir ve kondansatör dolmaya baĢlar. Bu iĢlem sırasıyla birbirini takip eder. ÇıkıĢ geriliminin maksimum ve minimum değerleri besleme gerilimlerine bağlıdır. Besleme gerilimi tam simetrik ise çıkıĢ sinyali de simetriktir, eğer besleme simetrik değilse, çıkıĢ simetrikliği de bozulur. Devrenin çalıĢma frekansı Rg, C ve gerilim bölücü; R1, R2 elemanlarının değeri ile belirlenir. KarmaĢık hesaplamaya gitmeden çalıĢma frekansı, 1 f 2 R1 2 R ç C ln(1 ) R2 olduğunu vermekle yetineceğiz. Rç=12k C ─ Vç + R2=100k R3=12k R1=12k ġekil 5.3. Kare dalga üreteci devresi ĠĢlem yükselteçleri ile yapılacak devre sayısının sınırsız olduğunu söylemiĢtik. Bunun içine çeĢitli sinyal üreteçleri, (Sinüs, kare , üçgen, asimetrik dalgalar ve darbeler), aktif pasif süzgeçler, da yükselticiler ve anolog ve sayısal dönüĢtürücüler en çok kullanılanlardır. ÇeĢitli kaynaklarda değiĢik uygulamaları kolaylıkla elde etmek mümkündür. ARAÇLAR 1. Ġki çıkıĢlı güç kaynağı 2. Osiloskop, osilatör, voltmetre 3. Dirençler, 2x12k, 68 k, 100k potansiyometre, 47k potansiyometre, 4.7k, 1k 4. Tümdevre; UA741 iĢlem yükselteci DENEYLER A) ĠġLEM YÜKSELTEÇLERĠN FREKANS-KAZANÇ KARAKTERĠSTĠĞĠ Not: ĠĢlem yükselteçlerinin açık halka kazançları çok yüksek olduğundan, tüm frekans aralığı için frekans-kazanç karakteristiklerini elde etmemiz mümkün değildir. Bu karakteristiği kapalı halka karakteristiklerinden bulacağız. 1- ġekil 5.4 deki devreyi kurarak gerekli bağlantıları yapınız. 40 R2 = 100k R1 1k Vg + 7 2 3 10 V 6 VÇ - 4 + 10 V ġekil 5.4. 2- GiriĢ voltajını (Vg) sinyal üretecinden 200mVT-T genlikli sinüs dalga olarak uygulayınız. R1 direncini ölçüm sonuna kadar değiĢtirmeyiniz. 3- Potansiyometreden önce R2 direncini 5 k olarak ayarlayınız (Ohmmetreyle). 4- Osiloskopla çıkıĢ sinyalinin genliğini sırasıyla, giriĢ sinyalinin 100Hz. 1kHz, 10kHz, 20kHz, 50kHz, 100kHz, 200kHz. 300kHz. 400kHz, 500kHz, 1MHz frekansları için ölçerek Tablo 5.1 e kaydediniz. 5- Aynı ölçümleri sırasıyla 10 k, 20 k, 50 k, 80 k, 100 k değerleri için de tekrarlayarak Tablo 5.1 e kaydediniz. 6- Her bir frekans ve geribesleme direnç değerleri için tüm devrenin gerilim kazancını hesaplayarak, elde ettiğiniz sonuçları her bir kapalı halka kazancına karĢı frekans değerleri olarak aynı grafik üzerine çiziniz ( DüĢey eksen kazanç, yatay eksen frekans ). 7- Ayrı bir grafik kâğıdına, düĢey eksen dB yatay eksen frekans olmak üzere aynı grafiği yeniden çiziniz. 8- Eğrilerin bükülme sınırlarında açık halka kazancını yaklaĢık olarak çiziniz. 9- Her iki eğri demetini karĢılaĢtırarak kazancın frekansla nasıl bir bağıntıya sahip olabileceğini söyleyiniz. Tablo 5.1 Frekans R2 (5k) R2 (10k) R2 (20k) R2 (50k) R2 (80k) R2 (100k) Vç(T-T) Vç(T-T) Vç(T-T) Vç(T-T) Vç(T-T) Vç(T-T) 100Hz 1kHz 10kHz 20kHz 50kHz. 100kHz 200kHz 300kHz 400kHz 500kHz 800kHz 1MHz B) KARE DALGA ÜRETECĠ 1- ġekil 5.5 deki devreyi kurarak gerekli bağlantıları yapınız. 41 2- Osiloskopla her iki giriĢ ve çıkıĢ sinyalinin frekans ve genliklerini potansiyometrenin herhangi iki konumu için ölçerek Tablo 5.2 ye kaydediniz. 3- 47k’luk potansiyometre ile frekansı değiĢtirerek çıkıĢ sinyalini gözleyiniz. Potansiyometrenin maksimum ve minimum konumlarında, frekans ve genlikleri ölçerek Tablo 5.3 e kaydediniz. C=0.1 F Rç=12k 2 7 ─ 3 + 4 + V 6 ç R2=68k R3=12k R=47k R1=4.7k 10 V + 10 V - ġekil 5.5. 4- Potansiyometrenin maksimum ve minimum konumlarında R1, R2 dirençlerinin değerlerini dikkate alarak, gözlenmesi gereken frekansı hesaplayınız ve ölçümlerinizle karĢılaĢtırınız. 5- Sonuçları yorumlayınız. Tablo 5.2. Potansiyometre ÇıkıĢ Frekans Genlik - GiriĢ Frekans Genlik + GiriĢ Frekans Genlik Konum 1 Konum 2 Tablo 5.3. Potansiyometre ÇıkıĢ Frekans Genlik - GiriĢ Frekans Genlik Minimum Konum Maksimum Konum 42 + GiriĢ Frekans Genlik DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI :EII-6 : MANTIK DEVRELERĠ (LOGĠC CIRCUITS) : Mantık kapılarının incelenmesi. ÖN BĠLGĠ Günümüzün modern elektronik bilimi iki ayrı dalda geliĢmektedir. Bunlar ANALOG (Benzer) ve DIGITAL (Sayısal) elektroniktir. Analog elektronikte, bir fiziksel büyüklük baĢka fiziksel büyüklüklere (burada elektriksel niceliklere) çevrilerek incelenir. Metallerin dirençlerinin sıcaklıkla değiĢmesinden yararlanılarak yapılan elektriksel bir termometre analog elektroniğe bir örnektir. Sıcaklıkla değiĢen direnç, üzerinden geçen akımın ve gerilimin değiĢmesine sebep olur. Akım ve gerilimdeki bu değiĢme, uygun yükselticilerle yükseltilerek, yine uygun bir ölçü aletinde doğrudan sıcaklık olarak okunabilir. Sayısal elektronikte durum farklıdır. Herhangi bir büyüklük (matematiksel ve fiziksel) sayısal elektronikte darbelere dönüĢtürülür. Bu iĢlem analog-sayısal dönüĢtürücülerle yapılır. Ayrıca, el hesaplayıcılarında ve bilgisayarlarda olduğu gibi belirli karekterlerin darbe Ģekilleri devrede iĢleme sokulur. Sayısal elektroniğin esas elemanları mantık devreleridir. Mantık devrelerinin giriĢ ve çıkıĢları sadece iki halden ibarettir. Büyüklükleri gerilim veya akım olarak standart ölçülerde olan bu haller ya YÜKSEK (HIGH), ya da ALÇAK (LOW) durumlardır. Bu durumlara H veya L denilebildiği gibi 1 ve 0 da denmektedir. Biz deneylerimizde sadece 0 ve 1 olarak ifade edeceğiz. Görüldüğü gibi 0 ve 1, ikili sayı sisteminin sayılarıdır. Bilgisayarların ikli sayı sistemi ile çalıĢmaları da bu yüzdendir. Sayısal hallere verilebilecek en basit örnek evlerimizdeki elektrik anahtarlarıdır. Anahtarın bir konumunda lamba yanar, bu hale 1, diğer konumda söner, bu hale de 0 diyebiliriz. BaĢka bir konum söz konusu değildir. Mantık devrelerinin giriĢleri 0 veya bir, çıkıĢları da 0 veya 1 olabilir. BaĢka bir durum kabul edilmez. Mantık devreleri temel bazı KAPI veya GEÇĠġ (GATE) devrelerinden oluĢur. Bu kapı devreleri VE (AND) VEYA (OR), VEYA DEĞĠL (NOR) VE DEĞĠL (NAND), TERS ÇEVĠREN (INVERTER) veya bunların çeĢitli Ģekillerde birleĢtirilmeleriyle yapılan basit düzeneklerdir. Bunlardan en basit olanları, VE ve VEYA mantık kapılarıdır. Önce basit anahtarlarla bu mantık kapılarını kavramaya çalıĢalım. 1) Seri bağlı iki anahtarla yapılmıĢ devreyi ele alalım. ġekil 6.1. Her iki anahtar kapalı olmadıkça lamba yanmaz. Bu da bize VE mantığını vermektedir. 2) Paralel bağlı iki anahtarı gözönüne alalım. 43 ġekil 6. 2. Her iki anahtar açık olmadığı sürece lamba yanar. Bu bize VEYA mantığını vermektedir. Elektronik devrelerde mekanik anahtarlar değil, bunların görevini yapacak diyod veya transistörlü kapı devreleri kullanılır. Yukarıdaki iĢlemlerin aynısını diyodlarla yapalım. A) Diyod VE devresi ġekil 6.3. Yukardaki devrede her iki giriĢ 0 V olduğunda her iki diyot da ileri denetlemede olacağından çıkıĢ 0.7 V dur. Bu 0.7 V luk voltaj silikon eklem diyodunun ileri denetleme voltajıdır. Ġki diyottan birinin griĢi 0 V olduğunda bu diyot ileri denetlemede olcacağından yine çıkıĢ yaklaĢık olarak 0.7 V olacaktır. Her iki giriĢ +5 V olduğunda diyotların ikisi de ters denetlemede olacağından çıkıĢ voltajı, çıkıĢta yük direnci olmaması Ģartıyla, kaynak voltajı olacaktır. ÇıkıĢa bir RL yük direnci bağlandığında çıkıĢ voltajı 5xRL/(R1+RL) lik bir değere indirgenir. Bu durum aĢağıdaki Ģekilde ve ilgili voltajlara karĢılık gelen mantık durumları da yandaki tabloda gösterilmiĢtir ġekil 6.4. 44 B) Diyod VEYA devresi ġekil 6.5. Yandaki voltaj doğruluk tablosunun mantık durumları aĢağıdaki tabloda gösterilmiĢtir. Yukardaki devrede her iki giriĢ 0 V ise, çıkıĢ 0 voltdur. Ġki diyottan birinin giriĢi +5 V ise bu diyot ileri denetlemede olacağından akım diyot ve yük direncinden akacaktır ve çıkıĢ voltajı giriĢ voltajından yaklaĢık olarak 0.7 V daha az olacaktır. Bunun sebebi silikon eklem diyodun üzerine düĢen ileri denetleme voltajıdır. Bu da yaklaĢık olarak 0.7 V dur. Her iki giriĢ +5 V olduğunda yine çıkıĢ kaynak voltajından 0.7 V daha az olacaktır (4.3 V). C) Diyod Transistör Mantığı Devresi 1- Transistörün Anahtar Olarak Kullanılması ( tersleme) + V - S Lamba ġekil 6.6. Transistörün DEĞĠL kapısı olarak kullanılması, doğruluk tablosu, basit anahtar modeli ve devre sembolü ġekilde npn tipi bir transistörün baz besleme direnci R1 ve kollektör yük direnci R2 dir. Eğer giriĢ 0 volt ise transistörde baz akımı oluĢmaz. Bu nedenle transistör kapalıdır. Bu durumda kollektör akımı da oluĢmaz. Kollektörden alınan çıkıĢ voltajı, çıkıĢa bağlı bir yük 45 direnci olmaması Ģartıyla, kaynak voltajı değerindedir. GiriĢ +5V olduğunda transistörün baz emitör devresinde bir akım akacaktır ve dolayısıyla transistör açık olacak yani iletime geçecektir. Bu durumda çıkıĢta 0V gözlenir. Bu durum, R1 in değeri kollektör voltajını yaklaĢık olarak sıfıra götürecek biçimde seçilmesiyle baĢarılır. Dolayısıyla bu Ģartlarda kollektör akımı çok büyür ve transistör doyumda gider. Doğruluk tablosundan çıkıĢın giriĢ durumunun tersi olduğu görülebilir. Bu devre bir ters çevirici olarak iĢlem yapar ve DEĞĠL (INVERTER veya NEGATOR) kapısı olarak ifade edilir veya ters çevirici de denmektedir.. 2) Diyod ve Transistörle Yapılan VEYA DEĞĠL ( NOR ) kapısı ġekil 6.7. Yukardaki devrede her iki giriĢ 0 volt olduğunda transistör kapalıdır yani iletimde değildir, dolayısıyla çıkıĢ 5 volt olacaktır. Ġkisinden biri ya da her iki giriĢ 5 volt olduğunda transistör doyumda olacak ve çıkıĢ voltajı 0 volt olacaktır. ÇıkıĢ durumları VEYA mantık kapısınkilerinin tersidir. Bu da VEYA DEĞĠL (NOR) kapısıdır. 3) Diyod ve Transistörle Yapılan VEDEĞĠL (NAND) Mantık kapısı ġekil 6.8. Yukardaki devrede her iki giriĢ ya da biri 0 volt olduğu zaman ileri denetlemeden dolayı diyot iletimde olacaktır. Dolaysıyla R1 ve R3 eklemindeki voltaj 0.7 volt olacaktır. Bu durumda transistör kapalıdır, yani iletimde değildir. Bu yüzden çıkıĢ voltajı +5V olacaktır. Her iki giriĢ +5 voltta iken transistörün baz-emitör devresi R1 ve R3 yoluyla ileri denetleme altında tutulacaktır, dolayısıyla tansistör doyuma ulaĢtırılacak ve böylelikle çıkıĢ voltajı 0 volt olacaktır. ÇıkıĢ durumları VE kapısınkilerinin tersidir. Bu da VEDEĞĠL (NAND)mantık kapısıdır. 46 AĢağıdaki Ģekillerde transistörle yapılan mantık kapıları ve bunların sembolleri verilmiĢtir. Bazı sembollerin çıkıĢındaki boĢ yuvarlak değil anlamına gelir. Orneğin VE kapısının sonunda varsa VEDEĞĠL kapısı demektir. RA A B Q1 RB Q2 Çıkış A RE ÇıkıĢ B +VEE ġekil 6.9. Transistörlerle yapılan VE kapısı ve Devre sembolü A B RA +VEE -VCC RE RC RB Q1 Çıkı ÇıkıĢ A B ġekil 6.10. Transistörlerle yapılan VEYA kapısı ve Devre sembolü S1 +VCC RC V - Çıkış RA A S2 + Lamba RB Q1 Q2 B A ÇıkıĢ B ġekil 6.11. Transistörlerle yapılan VEYADEĞĠL (NOR) kapısı, basit anahtar modeli ve Devre sembolü 47 -VCC S1 + V RB1 - RB2 RC S2 Lamba Çıkış RA A RB Q1 Q2 B A ÇıkıĢ B ġekil 6.12. Transistörlerle yapılan VEDEĞĠL (NAND) kapısı, basit anahtar modeli ve Devre sembolü Diyotlarla yapılan mantık devrelerinin çalıĢmasını ve tansistörlerle yapılan mantık kapılarını yukarki kısımlarda anlatmağa çalıĢtık. Bunlardan bir adım daha ileri gidilerek, mantık kapı (geçit) devreleri tümdevreler halinde hazır olarak bulunmaktadır. Tümdevrelerde kapı devreleri, yapılarında kullanılan elemanlara göre isimlendirilirler. Bunlar RTL (ResistorTransistor Logic), DTL (Diod-Transistor Logic), TTL (Transistor-Transistor Logic) ve metaloksit yarı-iletkenlerden yapılan CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) kapılardır (geçitlerdir). A) Transistör-Transistör Mantık Kapısı (TTM) Bu devreler temel olarak birkaç transistör, direnç ve diyotlardan meydana gelen kapı devreleridir. Bunlar küçük bir silikon parçası üzerinde oluĢturulur ve plastik bir malzeme içersine yerleĢtirilir. Normal olarak aynı silikon parçası üzerine bir kapıdan daha fazlası yerleĢtirilebilir ve her bir kapının kaynak ve giriĢ ve çıkıĢ noktaları dıĢarı çıkıĢ ayaklarına (pin) bağlanır. Bu birleĢik ve toplu devreler entegre devre (IC: integrated circuit: Tümdevre) olarak ifade edilir. Bu devreler ayrı ayrı elemanlarla oluĢturulan eĢdeğer devrelerden daha güvenilir ve daha hızlıdır, çünkü çok daha küçüktür ve minumum bağlantı gerektirir. Bu devrelerin alıĢıla gelmiĢ kılıf Ģekli dikdörtgendir ve bağlantı pinleri iki uzun kenar boyunca dizilmiĢtir. Bu yüzden çift sıra bacaklı (DUAL-IN-LINE (DIL)) kılıf olarak ifade edilir. Kapı devreleri için ya 14 yada 16 bağlantı pinine sahip kılıflar kullanılır ve bunlar 14pin DIL ya da 16-pin DIL kılıfları olarak ifade edilir. Entegreler genellikle iki ana grupta toplanır: 1) Bipolar tipi entegreler, 2) CMOS tipi entegreler. ġekil 6.13. Entegre devrelerin kılıf Ģekilleri 48 Dörtlü iki giriĢli VEDEĞĠL (NAND) kapısı Dörtlü iki giriĢli VEYADEĞĠL (NOR) kapısı Dörtlü iki giriĢli VE (AND) kapısı Dörtlü iki giriĢli VEYA (OR) kapısı Altılı DEĞĠL (NEGATOR) kapısı ġekil 6.14. 74 xx serisi mantık devrelerinin iç yapıları ve bacak (pin) bağlantıları Bipolar entegreler, npn veya pnp tipi transistörlerle gerçekleĢtirilir. ÇalıĢma voltajları yüksektir. Yüksek hızlarda çalıĢabilirler, fakat fazla güç harcarlar. CMOS entegreleri alan etkili olarak adlandırılırlar. 3-16V aralığında geniĢ bir çalıĢma gerilimi vardır, güç harcamaları azdır. ÇalıĢma hızları bipolar entegrelere göre daha azdır. Bizim deneylerimizde kullanacağımız geçitler TTL (74 xx serisi) geçitleridir. ġekil 13’te bu serinin kılıf biçimi ve ġek. 14’te de iç yapıları ve bacak bağlantıları verilmiĢtir. Bu tümdevrelerin herbirinde birbirinden bağımsız çalıĢan dört tane geçit bulunmaktadır. Biz bunlardan sadece bir tanesini kullanacağız. ARAÇLAR 1. Güç kaynağı 2. 4.7k’luk bir direnç 3. 2 tane 1N4001 diyot, bir Led diyot 4. Voltmetre ve osiloskop 5. Anahtar (üç adet) 49 6. SN74LS08 (VE: AND), SN74LS32 (VEYA: OR), SN74LS00 (VEDEĞĠL: NAND), SN74LS02 (VEYADEĞĠL: NOR) ve SN74LS04 (DEĞĠL) geçit tümdevreleri DENEYLER I- DĠYOTLA YAPILAN VE, VEYA GEÇĠTLERĠ 1. Ġki diyot ve dirençle ġekil 6.15 deki devreyi kurunuz. A ve B giriĢlerinden 5 Volt uygulanırsa 1 durumu, 0 Volt uygulanırsa 0 durumu olcak Ģekilde 4 farklı giriĢ için çıkıĢtaki voltaj ve bunlara karĢılık gelen mantık durumlarını aĢağıdaki tablolara giriniz. ÇıkıĢ için deney setinde LED varsa kullanabilirsiniz. Led’in yanması 1 ve sönük olması 0 durumuna karĢılık gelir. ġekil 6. 15. Mantık(logic) dogruluk tablosu A B ÇıkıĢ 0 0 1 0 0 1 1 1 VE Voltaj dogruluk tablosu A B VçıkıĢ 0 0 5 0 0 5 5 5 2. Aynı iĢlemleri ġekil 16 devresi için de yapınız ve aĢağıdaki tabloları doldurunuz. ġekil 6. 16. Mantık dogruluk tablosu A B ÇıkıĢ 0 0 1 0 0 1 1 1 VEYA 50 Voltaj dogruluk tablosu A B VçıkıĢ 0 0 5 0 0 5 5 5 II- VE (AND) GEÇĠTĠ (Tümdevre: integrated circuit) ile 1. ġekil 17’deki devreyi SN74LS08 (VE) tümdevresi ile kurunuz. Güç kaynağından 5 voltluk bir besleme gerilimi uygulmak için her zaman, güç kaynağının (+) ucunu entegre devrenin 14 nolu ayağına ve (-) ucunu da 7 nolu ayağına bağlayınız. 2. Güç kaynağını 5 Volta ayarladıktan sonra devreye bağlayınız. Bu kaynak hem tüm devrelerin beslenmesinde hem de sayısal durumları 1 (5V) ve 0 (0V) elde etmekte kullanılacaktır. 3. S1 ve S2 anahtarlarıyla giriĢlere 4 ayrı giriĢ durumunu uygulayarak doğruluk tablosunu doldurunuz. ÇıkıĢ halini Voltmetre veya bir lede bağlayarak veya osiloskoptan gözleyebilirsiniz. 5V 1 0 A + ─ B S1 V 1 0 Çıkı Ģ S2 ġekil 6.17. VE geçiti deney devresi Mantık dogruluk tablosu A B ÇıkıĢ 0 0 1 0 0 1 1 1 VE Voltaj dogruluk tablosu A B VçıkıĢ III- VEYA (OR) GEÇĠTĠ 1. ġekil 6.17 deki devrede tümdevreyi SN74LS32 VEYA (OR) tüm devresi ile değiĢtiriniz, yani ġekil 6.18 deki devreyi kurunuz. 2. Birinci deneydeki sırayı takip ederek aĢağıdaki doğruluk tablosunu doldurunuz. 51 5V 1 0 A + ─ B S1 V 1 0 Çıkı Ģ S2 ġekil 6.18. Mantık dogruluk tablosu A B ÇıkıĢ 0 0 1 0 0 1 1 1 VEYA Voltaj dogruluk tablosu A B VçıkıĢ IV- BĠRLEġĠK VE-VEYA GEÇĠTĠ 1. ġekil 6.19 daki devreyi kurunuz. 2. S1, S2 ve S3 anahtarlarıyla her üç giriĢe bütün mümkün durumları (tabloda verilmiĢitir) uygulayınız ve bunlara karĢılık gelen çıkıĢ mantık durumlarını aĢağıdaki tabloya doldurunuz. 3. Aynı devrede tümdevrelerin yerlerini değiĢtirerek, ikinci tabloyu VEYA-VE geçiti için doldurunuz. VE-VEYA dogruluk tablosu A B C ÇıkıĢ 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 VEYA-VE dogruluk tablosu A B C ÇıkıĢ 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 52 5V 1 0 + ─ A B S 1 1 0 Çıkı VĢ C S 2 1 0 S 3 ġekil 6.19. V- VEDEĞĠL GEÇĠTĠ 1. ġekil 20 deki devreyi kurunuz. 5V 1 0 A + ─ B S1 V 1 0 Çıkı Ģ S2 ġekil 6.20. 2. Güç kaynağını 5 Volta ayarladıktan sonra devreye bağlayınız. S 1 ve S2 anahtarlarıyla giriĢlere 4 ayrı giriĢ durumunu uygulayarak doğruluk tablosunu (Tablo 6.1) doldurunuz. ÇıkıĢ halini Voltmetre veya bir lede bağlayarak veya osiloskoptan gözleyebilirsiniz. 3. Devreyi ġekil 6.21 deki gibi değiĢtirerek deneyi tekrarlayınız ve Tablo 6.2’yi doldurunuz. 53 5 V 1 0 + ─ A B S1 1 0 V Çıkı Ģ S2 ġekil 6.21 Tablo 6.1. Mantık doğruluk tablosu A 0 1 0 1 B 0 0 1 1 Tablo 6.2. Mantık doğruluk tablosu ÇıkıĢ A 0 1 0 1 ÇıkıĢ B 0 0 1 1 V- VEYADEĞĠL GEÇĠTĠ 1. ġekil 6.22 deki devreyi kurunuz. 2. Güç kaynağını 5 Volta ayarladıktan sonra devreye bağlayınız. S1 ve S2 anahtarlarıyla giriĢlere 4 ayrı giriĢ durumunu uygulayarak doğruluk tablosunu doldurunuz. ÇıkıĢ halini Voltmetre veya bir lede bağlayarak veya osiloskoptan gözleyebilirsiniz. 5V B A Çıkı V Ģ 1 1 0 S2 S1 0 ġekil 6.22. 54 + ─ VEYADEĞĠL Mantık (logic) dogruluk tablosu A 0 1 0 1 ÇıkıĢ B 0 0 1 1 VI- BĠLEġĠK GEÇĠTLER 1. ġekil 6.23 deki devreyi kurunuz. Devreyi kurarken bağlantıların ġekil 6.24.a daki gibi olmasına dikkat ediniz. 2. Her üç giriĢten sırasıyla 0 ve 1 durumlarını uygulayarak Tablo 6.3’ü doldurunuz. 3. Geçitlerin yerlerini değiĢtirerek, aynı iĢlemleri tekrarlayınız ve Tablo 6.4’ü doldurunuz. Geçitlerin yerlerini değiĢtirirken ġekil 6.24.b deki gibi olmasına dikkat ediniz. Tablo 6.3 A 0 1 0 0 1 1 0 1 B 0 0 1 0 1 0 1 1 C 0 0 0 1 0 1 1 1 Tablo 6.4 ÇıkıĢ A 0 1 0 0 1 1 0 1 B 0 0 1 0 1 0 1 1 C 0 0 0 1 0 1 1 1 ÇıkıĢ 5V Çıkı Ģ V B C 1 0 1 S3 A 1 0 S2 S1 0 ġekil 6.23. (a)A ÇıkıĢ B C 55 + ─ ġekil 6.24.a A ÇıkıĢ B C ġekil 6.24.b SORULAR 1. Ġki giriĢli bir VE kapısında çıkıĢ mantık durumu 1 dir. Buna göre A ve B giriĢlerinin mantık durumları ne olur? 2. Ġki giriĢli bir VE kapısı +5V luk bir kaynak voltajı ile beslenir. Bu devrede silikon eklem diyotları kullanılmıĢtır. Eğer bu kapının bir giriĢi 0V ta ise çıkıĢ voltajı yaklaĢık olarak kaç volt olur? 3. Ġki giriĢli bir VEYA kapısında çıkıĢ mantık durumu 0 dır. Buna göre A ve B giriĢlerinin mantık durumları ne olur? 4. Ġki giriĢli bir VEDEĞĠL kapısında çıkıĢ mantık durumu 0 dır. Buna göre A ve B giriĢlerinin mantık durumları ne olur? 5. Ġki giriĢli bir VEDEĞĠL kapısı +5V luk bir kaynak voltajı ile beslenir. Eğer bir giriĢi 0V ta ise çıkıĢ voltajı yaklaĢık olarak kaç volt olur? 6. Ġki giriĢli bir VEYADEĞĠL kapısında çıkıĢ mantık durumu 1 dir. Buna göre A ve B giriĢlerinin mantık durumları ne olur? 7. Ġki giriĢli bir VEYADEĞĠL kapısı +5V luk bir kaynak voltajı ile beslenir. Eğer bir giriĢi 5V ta ise çıkıĢ voltajı yaklaĢık olarak kaç volt olur? 56 DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI :EII-7 : ĠKĠLĠ TOPLAMA VE TAM TOPLAYICILAR : Ġkili sayılarla toplama iĢlemleri ve mantık devreleriyle yapılan toplayıcılar. ÖN BĠLGĠ Bilgisayarların ve hesap makinelerinin ikili sayı sistemi ile iĢlem yaptıklarını söylemiĢtik. Bu deneyimizde, ikili sayılarla yapılan iĢlemlerden sadece bir tanesini, toplama iĢlemini göreceğiz. Yalnız daha önce, ikili sayı sistemini tanımamız gerekmektedir. Sayılar, bizim alıĢkan olduğumuz onlu sistemin dıĢında, herhangi bir tabana göre de ifade edilebilirler. (ikili, dörtlü, altılı, sekizli, v.s.). Sayı sistemleri birkaç temel prensiple birbirine dönüĢtürülürler. ġimdi bu dönüĢmenin nasıl yapıldığını kısaca görelim. Onlu sistemde yazılmıĢ herhangi bir sayıyı, sağ baĢtan itibaren birler hanesi (100), onlar hanesi (101), yüzler hanesi (102) v.s. ayırırız. Örneğin, 1987 sayısı aĢağıdaki gibi ifade edebiliriz. 1986 6x100 = 6 8x101 = 80 9x102 = 900 1x103 = 1000 + 1986 Benzer yolla, ikili sistemde yazılmıĢ bir sayıyı da, aĢağıdaki gibi ikili hanelere ayırabiliriz ve ondalık sisteme dönüĢtürebiliriz. 11111000010 0x20 = 0 + 1x21 = 2 0x22 = 0 0x23 = 0 0x24 = 0 0x25 = 0 1x26 = 64 1x27 = 128 1x28 = 256 1x29 = 512 1x210 = 1024 1986 Bu Ģekilde ikilik sayının ondalık sisteme nasıl dönüĢtürüldüğünü de görmüĢ olduk. Ondalık sistemdeki bir sayıyı da ikili sisteme çevirirken bu iĢlemin tersi yapılır, yani sayı sürekli iki ile bölünür ve kalan sayılar yan yana yazılır. Bu iĢlemi küçük bir örnek üzerinde görelim. 10 sayısını ikili sistemde aĢağıdaki gibi ifade ederiz. 10 -10 0 2 5 -4 1 2 2 -2 0 2 1 -0 1 2 0 Bu durumda (10)10 = (1010)2 elde edilir. 57 Ondalık sayılarla yapılan bütün aritmetik iĢlemler diğer herhangi bir sistemde de yapılabilir. Yine kural aynıdır. Ancak biz sadece toplama iĢlemiyle ilgileneceğiz. Örnek olarak 18 ve 9 sayılarını toplarsak, önce 8 ve 9 toplanır. O da 17 yapar. Bunun 7’si sağa yazılır. 1’e de elde 1 eklenerek 2 yapar ve 7’nin soluna eklenir. Toplam 27 bulunur. Bir toplama iĢlemi de ikili sayı sisteminde yapalım. 1011 + 0010 1101 Yaptığımız iĢlem sırasıyla Sayısal elektronikte yapılan toplama iĢlemi, aynısıdır. 1+0=1 elde 0 1+1=0 elde 1 1+0=1 elde 0 1+0=1 elde 0 dir. yukarıda son örnekte yaptığımız iĢlemin Tablo 7.1. 0-9 arası ondalık sayılar ve bunlara karĢılık gelen ikili sayılar Ondalık 0 1 2 3 4 Ġkili 0 1 10 11 100 Ondalık 5 6 7 8 9 Ondalık 101 110 111 1000 1001 ĠKĠLĠ YARI TOPLAYICILAR Pratik önemi pek olmamasına rağmen, en basit toplama devresi ikili yarıtoplayıcılardır. Bu devreler, iki giriĢ, biri kalan çıkıĢı olmak üzere iki çıkıĢlı devrelerdir. ÇalıĢma prensibi son yaptığımız toplama iĢlemiyle aynıdır. ġimdi giriĢlerden sırasıyla 0 ve 1 durumlarını uygulayalım. Devredeki VE, VEYA ve DEĞĠL geçitlerinin yaptığı görevleri sırasıyla takip edersek toplayıcının doğruluk tablosunu hemen yazabiliriz. Tablo 7.2. Yarı-toplayıcı doğruluk tablosu GĠRĠġLER ÇIKIġLAR A B VE1 VEYA1 DEĞĠL VE2 ELDE 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 Elde A B VE1 Toplam VE2 ġekil 7.1. Ġkili Yarı Toplayıcı 58 ĠKĠLĠ TAM TOPLAYICI Yarım toplayıcıdaki ―elde‖ çıkıĢı ve iki giriĢ, yeni bir toplayıcının giriĢi olarak alınırsa, elde edeceğimiz devre bir tam toplayıcı devre olur. Bu devre üç giriĢli ve iki çıkıĢlıdır, ġekil 7.2. Yapılmak istenen Ģey, kalan eldeyi de sonuçta alabilmektir. Tablo 7.3’de tam toplayıcının giriĢ ve çıkıĢları, ġekil 7.2’de numaralandırılan elemanlara göre sırasıyla verilmiĢtir. Her bir geçidin yaptığı iĢlemi göz önüne alırsanız, çıkıĢın nasıl olacağını hemen bulabilirsiniz. 2 9 1 3 8 6 Toplam 7 A 4 B C 5 Elde ġekil 7.2. Tablo 7.3. Üç giriĢli tam toplayıcı doğruluk tablosu A 0 1 0 0 1 1 0 1 GĠRĠġLER B C 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 2 3 ÇIKIġLAR 5 6 4 7 8 9 Top. Elde Bir bilgisayarda, bilgisayarın iĢlem kapasitesine göre pek çok tam toplayıcı (TT) ġekil 7.3 örneğinde olduğu gibi irtibatlanarak toplama iĢlemi yapılır. Dikkat ederseniz, bir sonraki toplayıcının ―Elde (C)‖ çıkıĢı, bir önceki toplayıcının üçüncü giriĢini oluĢturmaktadır. An Bn Cn-1 TT Cn Tn n (2 ) A3 B3 C2 A2 B2 C1 TT3 TT2 C3 T3 3 (2 ) C2 A1 B1 C0 C1 2 T1 1 (2 ) (a) TT0 TT1 T2 A0 B0 (2 ) C0 T0 0 (2 ) (b) ġekil 7.3. (a) Tam toplayıcının sembolü (b) Ard arda tam toplayıcılardan oluĢturulmuĢ 4-bit paralel ikili tam toplayıcı 59 ARAÇLAR 1. Güç kaynağı, 2. Voltmetre veya LED, 3. SN74LS08 (VE: AND), SN74LS32 (VEYA: OR), ve SN74LS04 (DEĞĠL: NOT) geçit tümdevreleri DENEYLER NOT: Deney 6 da verilen tüm devre iç yapılarını göz önüne alınız. Tümdevrelere güç kaynağından +5 volt uygulamayı ve bunu yaparken de güç kaynağının (+) kutbunu 14 nolu ayağa ve (─) kutbunu da 7 nolu ayaklara bağlamayı unutmayınız. 1. ġekil 7.2 deki devreyi kurunuz. ÇıkıĢı ölçmek için Osiloskop, Voltmetre veya LED kullanabirisiniz. Bunun için bağlantı ilgili çıkıĢ ucuyla toprak veya (─) kutup arasına yapılacaktır. 2. Her üç giriĢten sırasıyla 0 ve 1 durumlarını uygulayarak Tablo 7.3’ü doldurunuz. SORULAR 1. 38683 sayısını ikili sayı sistemine çeviriniz. 2. 101010101110 ikili sayısını onlu sisteme çeviriniz. 3. 10111000 101110 + ĠĢlemini yapınız. 4. ġekil 7.3’te verilen dört bitlik tam toplayıcı çıkıĢları A ve B giriĢlerinden uygulanacak dört ayrı ayrı giriĢ durumu için ne olur? Tablo hazırlayınız. 60 DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI :EII-8 : FLOP-FLOP VEYA TETĠKLEME DEVRELERĠ : Bir flip-flop devresinin VEYADEĞĠL geçiti ile yapılması ve karakteristiklerinin incelenmesi. ÖN BĠLGĠ Flip-flop veya tetikleme devreleri, iki kararlı hale sahip multivibratörlerdir. Flip-flop herhangi bir sinyalle uyarılmamıĢsa bulunduğu hali değiĢtirmez. Bu özelliğinden dolayı flipflop devreleri bilgi saklamak için hafıza birimi, sayıcı ve kaydedici olarak kullanılırlar. Ġki transistörlü bir flip-flop, birbirlerine çapraz bağlı iki ters çeviriciden oluĢur (ġekil 8.1). Kararlı hallerden birinde Q1 tam iletimde, Q2 kesimdedir. Q1 iletimdeyken kollektör gerilimi hemen hemen sıfır olur. R1 ve R3 gerilim bölücü dirençleri Q2 transistörünü kesime sürerler. Bu arada Q2 kollektöründeki gerilim RL2, R2 ve R4 dirençleriyle tespit edilen bir değerdedir (~5 volt). Kararlı hallerden birisi de bu haldir. Kararlı hallerden diğeri de Ģudur: Q1 iletimde, Q2 kesimde, Q1 kollektörü 0 volt ve Q2 kollektörü ~5 volttur. Flip-flopun diğer kararlı hale geçmesi için ya Q1 bazına negatif bir darbe ya da Q2 bazına pozitif bir darbe uygulanmalıdır. Biz, Ģimdi sadece Q1 bazına negatif bir darbe uygulandığını varsayalım. Baza uygulanan bu negatif darbe sebebiyle Q1 üzerindeki akım azalır ve kollektör gerilimini pozitif olmaya yöneltir. Bu negatif darbe Q1 tarafından yükseltilerek ve yükselticinin tersleme etkisi ile Q1 kollektöründe büyük bir pozitif darbe olarak belirir. R1 ve R3 dirençlerinden oluĢan gerilim bölücü de pozitif gerilimde olduğundan Q2 transistörü iletime geçer ve kollektör gerilimi sıfıra düĢer. Bu esnada R2 ve R4 dirençlerinden oluĢan gerilim bölücü de negatif olacağından Q1 transistörü kesime gider. Bu hal flip-flopun ikinci karalı halidir. DıĢarıdan bir darbe gelinceye kadar sürer. Aynı iĢlem Q1 bazına negatif darbe yerine Q2 bazına pozitif darbe verilerek de yapılır. ġekil 8.1 de gösterilen C1 ve C2 (~100pF) kondansatörleri olmadan da devre çalıĢır. Ancak, bu kondansatörler tetikleme hızının artmasına yardım ederler. Yani transistörlerin çabuk durum değiĢtirmelerini sağlarlar. Böylelikle transistörlerin çalıĢabileceği frekansta büyür. Buraya kadar anlattıklarımızı aĢağıdaki tabloda özetleyerek, FF devrelerinin asıl fonksiyonuna geçeceğiz. Q1 kollektörü 5 volt (1) 0 volt (0) Q2 kollektörü 0 volt (0) 5 volt (1) +Vcc 5V RL1 Q1 RL2 C1 C2 R1 R2 R4 Q2 R3 -5 V -VBB ġekil 8.1. Transistörlü flip-flop devresi 61 Flip-flop devrelerinin iki ayrı çıkıĢı ve iki ayrı giriĢi olduğunu öğrenmiĢ olduk. Devremizi ufak bir değiĢiklikle yeniden ele alalım. Her iki transistörün bazına birer diyot ilave edelim, ġekil 8.2. GiriĢ ve çıkıĢlar ayrı birer amaç için kullanılır ve buna göre isimlendirilirler. +Vcc 5V RL1 Q çıkış Q1 RL2 C1 C2 R1 R2 R4 D1 Q çıkış Q2 R3 -5 V -VBB SET Girişi D2 RESET Girişi ġekil 8.2. Ġki giriĢ ve iki çıkıĢlı Flip-flop D1 diyotu üzerinden olan giriĢ SET giriĢidir. Buradan uygulanan pozitif bir darbeyle Q1 transistörü iletime Q2 transistörü kesime gider. D2 diyotu üzerinden olan giriĢ RESET giriĢidir. Bu giriĢten uygulanan bir darbeyle Q2 transistörü iletime Q1 transistörü kesime gider. Q1 transistörünün kollektörü: Q çıkıĢıdır. Q1 iletimdeyken buradaki çıkıĢ 0, kesimdeyken çıkıĢ 1 dir. Q2 transistörünün kollektörü: Q çıkıĢıdır. Q2 iletimdeyken buradaki çıkıĢ 0, kesimdeyken çıkıĢ 1 dir. Diğer çeĢit flip-floplarla karıĢmaması için anlatılan bu tür FF’lere SET-RESET flipfloplar denmektedir. FF giriĢleri SET (S), RESET (R) ve çıkıĢları da Q (1) ve Q (0) olarak gösterilir. Bu özelliklerini göz önünde tutarak, FF’lerin bilgisayarlarda ne iĢe yaradığına kısaca değineceğiz. Diyelim ki, bir (1) bilgisini belirli bir süre bir yerlerde saklayıp sonra yerinde kullanacağız. ĠĢte (1) bilgisinin saklanabileceği yer FF’dir. S giriĢinden FF’ye bilgiyi veririz. Onu RESET yapmadıkça, yani silmedikçe bu bilgi flip-flopta saklanır. Bu bilgiyi silmek istediğimiz zaman R giriĢinden bir darbe uygular ve sileriz. FF’a artık (1) bilgisini unutmuĢtur. Aynı Ģekilde (0) bilgisini de saklayabilirdik. (0) ve (1) ikili sayılarıyla iĢlem yapan bilgisayarlarda bilgileri geçici olarak saklamak için, anlattığımız FF’lerin binlercesi vardır. Her bir FF, bir keresinde ya (0) ya da (1) bilgisini saklar ve bu bilgi gerektiği yerde kullanılır ve gerekiyorsa değiĢtirilebilir. IC Flip-Floplar Her ne kadar transistörlü flip-floplar istenen neticeyi veriyorsa da, fazla hacim kapladıkları için her yerde, özellikle bilgisayarlarda kullanılmazlar. Flip-flop fonksiyonu, biz iki VEYADEĞĠL geçidinin çapraz bağlanmasıyla da elde edebiliriz. ġekil 8.3’te bu bağlantının nasıl yapıldığı ve bir FF devre sembolü (RS tipi için) verilmiĢtir. VEYADEĞĠL davranıĢlarını göz önünde tutarak devrenin fonksiyonunu inceleyelim. 62 BaĢta, devrenin RESET yapıldığını varsayalım (bilgisayarlarda ilk açılıĢta bu iĢlem otomatik olarak yapılır). Q çıkıĢı 0, Q 1 halindedir (RESET hali). S giriĢinden 1 halini uygulayalım. A geçidi giriĢleri 1 ve 0 olduğundan bu geçit çıkıĢı 0 olur. B geçidi giriĢleri bu durumda 0 ve 0 halindedir ve çıkıĢ 1 dir. Yani, A çıkıĢına bağlı Q 0, B çıkıĢına bağlı Q ise 1 halini almıĢtır. S giriĢinden daha fazla 1 durumlarının uygulanması bu hali bozmaz. Devreyi RESET yapmak için R giriĢine 1 halini uygulayalım. B geçidi giriĢleri 1 ve 0 olduğundan çıkıĢ 0 olur ve A geçidi giriĢleri de 0 ve 0 olduğundan A çıkıĢı ( Q ) 1 olur. Yani, Q çıkıĢı 0, Q çıkıĢı 1 halindedir. R giriĢinden daha fazla 1 hallerinin uygulanması bu hali bozmaz. RESET SET S Q R Q B A Q Q ġekil 8.3. VEYADEĞĠL geçitleriyle yapılan Flip-flop ve FF devre sembolü. ARAÇLAR 1. Güç kaynağı, 2. Voltmetre veya LED, 3. SN74LS02 VEYADEĞĠL geçidi, 4. 2N3053 veya BC 337 transistör, 5. Dirençler; 560, 1k NOT: Deney 6 da verilen tüm devre iç yapılarını göz önüne alınız. Tümdevrelere güç kaynağından +5 volt uygulamayı ve bunu yaparken de güç kaynağının (+) kutbunu 14 nolu ayağa ve (─) kutbunu da 7 nolu ayaklara bağlamayı unutmayınız. DENEYLER 1. ġekil 8.4 deki devreyi kurunuz. 2. AĢağıdaki tabloda verilen giriĢ hallerini kullanarak çıkıĢları gözleyiniz ve tabloyu doldurunuz. ÇıkıĢları gözlemek için voltmetre veya Ģekildeki gibi LED kullanabilirsiniz. 63 + 5V RESET (R) 560 LED 1 0 Q 1 k SET (S) A 2N3053 B Q ġekil 8.4. GĠRĠġLER S R 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 TETĠKLEME HALLERĠ (SET veya RESET) ÇIKIġLAR Q Q SORULAR 1. Bir tek kararlı multivibratörle çift kararlı multivibratörü karĢılaĢtırınız ve farkları yazınız. 2. Bir FF’de giriĢlere sürekli gerilim uygulama ile sadece bir darbe uygulamanın farkı var mıdır? 3. Bir bilgisayar hafızasında 1987 sayısını saklamak için kaç tane FF devresine ihtiyaç vardır? 4. Hafızada 1987 sayısı yerine 1988 sayısını saklamak istersek, yapacağımız iĢlemi açıklayınız. 5. Daha önce gördüğümüz mantık devreleriyle FF arasındaki en belirgin fark nedir? 64 DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI :EII-9 : SAYICILAR : Sayıcıların öğrenilmesi. ÖN BĠLGĠ Sayısal elektronikte ikili sayıların ondalık sayılara dönüĢtürülmesi, frekans sayma, bölme iĢlemleri daha önceki deneylerimizde öğrendiğimiz flip-flop devreleriyle yapılırlar. Sayıcılar, sıralı iĢlem yapan ve belirli baĢlama Ģartı sağlandığında periyodik olarak baĢa dönen devrelerdir. Herhangi bir reset yapılmadan önce, sayma sırasında sayıcının çıkıĢı, giriĢten kaç tane darbe girdiğini gösterir. Bu sayma iĢlemleri ikili kod halinde gösterilir. En çok kullanılan kod tümdevreleri (entegre) Ģu isimlerle anılırlar. a) Ġkili sayıcılar, b) Ġkili kodlanmıĢ onlu sayıcılar (BCD: Binary Code Decimal), c) Gray sayıcılar. En çok kullanılan sayıcı bakımından ikili-kodlanmıĢ onlu sayıcıları bu deneyde inceleyeceğiz. ġekil 9.1 de verilen devreyi ele alalım. Eğer her iki flip-flop baĢlangıçta sıfıra reset yapılmıĢsa, ilk saat (clock) darbesinin alçalan kenarı A flip-flopunun Q çıkıĢını değiĢtirecek, B çıkıĢını değiĢtirmeyecektir. Çünkü B’nin J giriĢi sıfır durumundadır. Ġkinci saat darbesinin biten kenarı QA çıkıĢını 0 yaparken QB çıkıĢını da 1 yapacak ve Q B 0 olacaktır. Çünkü Q B A’nın J giriĢine bağlıdır. Üçüncü saat darbesinin biten kenarı QB çıkıĢını 0 yaparken QA çıkıĢını değiĢtirmez ve dolayısıyla her iki çıkıĢ sıfır olur. Bundan sonra sayıcı baĢtaki durumuna döner ve bu hareketi tekrarlar. QA J CL K QA QB J CL A QA K QB B QB Saat GiriĢi ġekil 9.1. ġekil 9.1 devresinin QB çıkıĢı, aynı Ģekilde hazırlanan diğer bir devrenin saat giriĢine uygulandığı zaman, bu devrede birincinin aynısını yapacak, ancak sayma daha yavaĢ olacaktır. Yani, baĢtaki saat giriĢini esas alırsak, ikinci sayıcının QA çıkıĢı üçüncü saat darbesinin bitiminde, QB çıkıĢı altıncı saat darbesinin bitiminde 1 durumuna gelir. Bu Ģekilde üçüncü bir sayıcı QA çıkıĢı dokuzuncu darbe sonunda 1 konumuna gelecektir. BaĢka düzenlemelerde bu devre onlu sayıcı haline kolaylıkla sokulabilir. ġimdilik bu sayıcıdan iki tanesini ard arda (kaskat) bağlayarak sayıcı iĢlemini 65 1 0 SAAT 1 0 QA 1 0 ġekil 9. 2. Sayıcı giriĢ ve çıkıĢ darbeleri (puls) QB ARAÇLAR 1. Güç kaynağı, 2. Voltmetre veya LED, Osiloskop 3. SN74LS76 tüm devresi, 4. Deney seti, 5. Bağlantı kabloları NOT: ġekil 9.3’te SN74LS76 tüm devresinin bacak bağlantıları görülmektdir. Ġçinde bağımsız iki ayrı flip-flop vardır. ġekil 9.2 deki devreyi kurarken Q1’i QA ve Q2’yi de QB olarak alınız. Değillerini de benzer oalrak düĢünün. Her iki PRESET giriĢlerine mantık 1 (5 volt sürekli) giriĢi veriniz. ġekil 9.3. 7476 Tümdevresi 66 DENEYLER 1. ġekil 9.1 deki devreyi kurunuz. 2. Önce deney seti üzerindeki darbe çıkıĢ terminallerinden birisinden alacağınız sinyali ortak bağladığınız CLK (Saat) giriĢlerine uygulayınız. QA (Q1) ve QB (Q2) çıkıĢlarını da 1 ve 2 numaralı LED terminallerine bağlayınız. Butona basarak uygulayacağınız sinyallere karĢılık QA (Q1) ve QB (Q2) çıkıĢlarını ledlerden gözleyiniz. Aynı sayma iĢlemini, deney seti veya sinyal üretecinden 1 Hz kare dalga ile de yapabilirsiniz. Gözlemlerinizi aĢağıdaki tabloya doldurunuz. Darbe sayısı QA QB 1 2 3 4 3. Osilatör frekansını 1, 10 veya 100kHz yapınız. Osiloskop giriĢlerinden birisine saat darbelerini, diğer giriĢine sırasıyla QA ve QB çıkıĢ darbelerini uygulayarak çift iz konumunda gözleyiniz. Dalga Ģekillerini mukayeseli olarak çiziniz. 4. Birinci sayıcıya benzer ikinci bir sayıcı devre kurunuz ve birincinin QB çıkıĢını ikinci sayıcının Clock (saat) giriĢine uygulayınız. Aynı gözlemleri yaparak aĢağıdaki tabloyu doldurunuz ve osiloskop gözlemlerini çiziniz. Darbe sayısı QA2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 67 QB2 DENEY NO DENEYĠN ADI DENEYĠN AMACI :EII-10 : ĠKĠLĠ-ONDALIK KODLAYICILAR VE LED GÖSTERGELER : Kodlayıcıların öğrenilmesi ÖN BĠLGĠ Kısaca BCD ondalık sayıcılar diye isimlendirilen sayıcı tümdevreler, bir önceki deneyde yaptığımız sayma iĢleminin aynısını yaparlar. GiriĢten verilen saat darbelerini sayarak bunu A, B, C ve D çıkıĢlarından ikili kodlanmıĢ olarak verirler. A, B, C ve D çıkıĢlarının ne olacağı, 0-9 arası sayıların ikili sistemde ifade edilmesiyle bulunabilir. Deneye baĢlamadan aĢağıdaki çevirme tablosunu doldurunuz. Ondalık A B C D 0 0 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Bu iĢlemi yapan tümdevrelerin içinde en çok kullanılan 7490 BCD ondalık sayıcılardır. Bu tümdevrelerin içinde 4 tane flip-flop vardır ve deney 9 benzeri bir Ģekilde birbirlerine bağlanmıĢlardır. Bir giriĢ ve 4 çıkıĢ vardır (A, B, C, D). ÇıkıĢlar, yukarda dolduracağınız onlu-ikili dönüĢüm tablosundaki gibi olacaktır. GiriĢ A BoĢ A D GND B C 14 13 12 11 10 9 8 1 2 3 4 5 6 7 Reset Reset BoĢ Vcc Reset Reset GiriĢ B ġekil 10.1. 7490 Tümdevresi bacak bağlantıları KOD ÇÖZÜCÜLER Kod çözücüler, 4 giriĢ ve 7 çıkıĢı olan tümdevrelerdir, ġekil 10.2. GiriĢlerden uygulanan ikili kodlanmıĢ ondalık sayıları, 7 bölmeli LED göstergeyi sürecek Ģekilde hazırlanmıĢlardır. Deney setimizin içinde kod çözücü ve 7 bölmeli LED gösterge hazır bulunmaktadır (iki tane). GiriĢler set üzerinde A1, B1, C1, D1 ve A2, B2, C2 D2 olarak 68 iĢaretlenmiĢtir. Bu giriĢler, kod çözücü tümdevre ve LED gösterge bağlantıları ġekil 10.3’deki gibidir. ġekil 10.2. 7447 tümdevresi bacak bağlantıları ve yedi bölmeli LED ABCD a b c d e f g ġekil 10.3. Kod çözücü tümdevre ve LED gösterge bağlantıları Kod numarası 7447 olan tümdevreler bu amaçla hazırlanmıĢtır ve LED’leri ondalık sayı sistemine dönüĢtürecek Ģekilde sürerler. 7 BÖLMELĠ LED GÖSTERGE Ġkili kodlanmıĢ sayıları ondalık sayıya dönüĢtürme iĢlemini yapan kod çözücü tümdevreye (7447) 7 ayrı LED’den oluĢmuĢ (Ortak katodlu veya ortak anotlu olabilir) göstergeyi sürer. ġekil 10.4’te 7 bölmeli göstergenin ayrıntılı yapısı görülmektedir. Bu Ģekle yaparak ve daha önce doldurduğunuz tabloyu kullanarak kod çözücü tümdevre çıkıĢlarının ne olacağını kolayca bulabilirsiniz. Bunu daha iyi öğrenmek için aĢağıdaki tabloyu doldurunuz. Örnek olarak LED’in 0 (sıfır) göstermesi için birinci satır doldurulmuĢtur. ġekil 5’de tek haneli bir sayıcı devre verilmiĢtir. Böyle bir sayıcı yan yana seri bağlanarak çok haneli (ikili, üçlü vs.) sayıcı, frekans bölücü devreler kolaylıkla yapılabilir. Bunun için bir önceki sayıcının D ucundan alınacak darbelerin bir sonraki saat giriĢine bağlanması yeterlidir. 69 a Ondalık a b c d e f g 0 1 1 1 1 1 1 0 1 f b 2 g 3 e c 4 d 5 Yedi Bölmeli LED 6 7 8 9 ġekil 10.4. +5V 0.01µF 7 6 10 2 3 5 14 11 8 9 12 1 Saat Darbe GiriĢi Saat Darbe GiriĢi 16 D C B A a b c d e f g a b c d e f g +5V 8 Ortak Anotlu 7 Bölmeli LED 3 +5V 14 ġekil 10.5. ARAÇLAR Deney seti, tümdevre: 7490 kodlayıcı, 7447 kod çözücü, bağlantı kabloları, 7x330 dirençler, 2x0.01µF kondansatör. 70 DENEYLER 1. Deney setinde bulunan S1,S2, S3 ve S4 anahtarlarına bağlı 1, 2, 3, 4 numaralı terminalleri karĢılıklı olarak A1, A2, A3 ve A4 HEX GÖSTERGE terminallerine bağlayınız. S1,S2, S3 ve S4 anahtarlarından uygulayacağınız ikili kodlanmıĢ sayılarla doldurduğunuz birinci tabloyu karĢılaĢtırınız. UyuĢuyor mu? 2. Yine, birinci ve ikinci tabloyu kullanarak ve ġekil 10.4’te verilen LED bağlantılarını kullanarak doldurduğunuz ikinci tabloyu karĢılaĢtırınız. UyuĢuyor mu? 3. ġekil 10.5 devresini kurunuz. A, B, C, D çıkıĢlarını HEX GÖSTERGE terminallerine sırayla bağlayınız. Sayılacak darbeyi SET üzerindeki basmalı butonlardan (Q çıkıĢı) veya osilatör çıkıĢı (1 Hz konumunda) alabilirsiniz. LED göstergenin sayma sırası doğru mu? 4. ġekil 10.1 de 7490 bağlantılarını göz önüne alarak, 9 sayı sayıldıktan sonra baĢa dönmek için hangi bağlantıyı yapmanız gerekir? Bu bağlantıyı yaparak sayma iĢlemini tekrar tekrar yapınız. 5. Ġki haneli sayıcı Ģemasını çiziniz. 71