ELE341 ELEKTRONİK DEVRELERİGÜZ 2011, CRN: 11261

DR. H. BÜLENT YAĞCI

-DÖNEM PROJESİ -KUVVETLENDİRİCİ DEVRE TASARIMI

Projenin Amacı

Projede, alt ve üst kesim frekansları 400Hz –6kHz olan -20dB kazançlı kuvvetlendirici devre tasarlanması amaçlanmıştır.

Kuvvetlendirici olarak LM741 kullanılmış olup devre integratör devresi olacak şekilde tasarlanmıştır ve şematiği aşağıda verilmiştir.

LM741 entegresi, şebekeden alınan 220V'luk gerilimin düşürülüp doğrultulmasıyla elde edilen +12V ve -12V ile beslenmiştir.

Devre iki ayrı kısım olarak gerçeklenmiş daha sonra bu kısımlar birleştirilmiştir. İlk olarak LM741 için şebekeden alınan gerilim değeri düşürüldükten sonra doğrultulup filtrelenerek besleme kaynakları kurulmuştur.

Daha sonra devreye diğer elemanlar da eklenerek kuvvetlendirici kısmı gerçeklenmiştir.

Devrenin gerçeklenmesinde kullanılan malzemeler

Doğrultma işlemi için:

• Bir adet 2x15 transformatör (4W gücünde)

• Bir adet köprü diyot• İki adet 2200 µF değerinde

kapasite• Bir adet 7812 entegresi• Bir adet 7912 entegresi

Kuvvetlendirici için:

• Bir adet LM741 entegresi• 10 kΩ ve 1 kΩ değerlerinde iki adet ayarlı direnç (potansiyometre)• 0.47µF ve 3.3 nF değerlerinde iki adet kapasite

Devrenin kurulması için:

• Bir adet delikli kart• Lehim Malzemeleri• İzole edici bant• Bir adet enjeksiyon kablosu• Bir adet açma kapama anahtarı• Bir adet kapalı kutu

Çalışmanın gözlemlenmesi için:

• Bir adet osilatör• Bir adet osiloskop

Doğrultma işleminde, transformatör şebekeden alınan 220V genlikli gerilim değerinin 2x15V’ düşürülmesi için; köprü diyot şebekeden gelen AC gerilimi DC’ye çevirmek yani doğrultmak için; 2200 µF değerindeki kapasiteler filtreleme işlemi için; 7812 entegresi +12V değerinde DC gerilim elde etmek için; 7912 entegresi -12V değerinde DC gerilim elde etmek için kullanılmıştır.

Kuvvetlendirici için ayarlı dirençler gerekli direnç değerlerini (693 Ω ve 8.6 kΩ) ayarlayabilmek için, kapasiteler de kesim frekansları için kullanılmıştır.

Devre delikli kart üzerinde kurulup lehimlenmiştir. Transformatörün girişine enjeksiyon kablosu yardımıyla şebeke bağlantısı kurulmuş ve bu girişler izole edici bantlar ile kaplanmıştır.

Devre açma kapama anahtarı olan bir adet kapalı kutunun içine yerleştirilmiştir. Osilatöryardımıyla devreye giriş işareti verilmiş ve frekans değerleri ayarlanmış, osiloskop yardımıyla ise devreden çıkış işareti gözlemlenmiştir.

Devrenin gerçeklenmesinde 3 ayrı aşamadan geçilmiştir. Bunların

• ilki teorik hesaplamalar yardımıyla alt kesim ve üst kesim frekansının hesaplanması ve kullanılacak direnç ile kapasite değerlerinin belirlenmesi,

• ikinci elde edilen bu değerler ile bir bilgisayar programı (LTSPICE ve ISIS PROTEUS) yardımıyla devrenin simüle edilmesi, kesim frekanslarının ve kazanç değerinin saptanması,

• son aşama ise devrenin önce breadboard ardından da delikli kart üzerinde kurulup lehimlendikten sonra çalıştırılması ve kesim frekansları ile kazancın bulunması için gerekli ölçümlerin yapılması.

Teorik Hesaplamalar

Devrenin alt kesim frekansı devrenin girişine bağlı olan direnç ve kapasite üzerinden

aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanarak şu sonuçlar elde edilmiştir:

= 455 Hz

Devrenin alt kesim frekansının 400 Hz olabilmesi için girişinde yaklaşık olarak 850 Ω değerinde bir direnç olması gerekirdi ancak ölçümlerde ve simülasyonda bu değer daha düşük iken 400 Hz'lik alt kesim frekansı sağlandı.

Teorik hesaplamalarda bu değerin daha düşük hesaplanmasındaki neden devredeki elemanların ihmal edilen iç dirençleri olabilir.

Devrenin üst kesim frekansı C2 kapasitesi üzerinden Miller dönüşümü kullanılarak hesaplanmıştır. Buna göre C2 kapasitesi kuvvetlendiricinin giriş ve çıkışına paylaştırılabilir:

CA = C ( 1 – K ) –> Giriş Kapasitesi

CB = C ( 1 + K ) –> Çıkış Kapasitesi

Buradan C=3.3 nF, K = -10 (20dB) değerleri yerlerine yerleştirilse CA = 36.3x10-9, CB=3.63x10-9

elde edilir.Kuvvetlendiricinin çıkışında yer alan

osiloskobun yarattığı 1MΩ’luk direncinin kuvvetlendiricinin çıkışından görülen ro direncine paralel olması sonucu ve ro direncinin yaklaşık 0Ω olması sonucu CB kapasitesi devrede herhangi bir kutup yaratmaz.

Buna karşın CA kapasitesinin yarattığı kutup aşağıdaki formül yardımıyla hesaplanmıştır:

= 6.4 kHz

Simülasyon

Şekil 1: LTSPICE'ta simüle edilen devre şematiği

Şekildeki devre LTSPICE üzerinde çizilerek simüle edilmiştir. Şekilde yer alan R4 direnci devrenin gerçeklenmesine kullanılacak olan

osilatörün iç direncini, R1 direnci ile C3 kapasitesi de kullanılacak olan osiloskobun iç direnci ile kapasitesini temsil etmektedir. Bu

simülasyonda LM741 için doğrultucu kullanılmamış, beslemeler gerilim kaynakları yardımıyla verilmiştir. Devrenin simülasyonundan

aşağıdaki grafikler elde edilmiştir:

Şekil 2: Devreden elde edilen kazanç

Yukarıdaki grafiklerden de görülebildiği gibi devrenin çalışması sorunsuz olmuş, devreden 20dB kazanç elde edilmiştir.

Bu değer çıkışın tepe değeridir. Tepe değerinin 3dB düştüğü noktalar da devrenin alt ve üst frekanslarıdır.

Şekil 3'te verilen alt kesim frekansı 394.18 Hz, şekil 4'te verilen üst kesim frekansı ise 6.13 kHzolarak bulunmuştur.

Yapılan bağıl hatalar alt kesim frekansı için %1.45, üst kesim frekansı için ise %2.16 olarak hesaplanmıştır.

Devrenin Gerçeklenmesi

Devrenin gerçeklenmesi için önce doğrultucu kısmı PROTEUS’ta çizilmiş ve gerekli değerler elde edildikten sonra breadboard üzerine kurularak aynı değerler elde edilmiştir.

Daha sonra board üzerinde kurulu olan doğrultucuya kuvvetlendirici devre de kurulmuş ve çalıştığı gözlemlenmiştir. Ardından devre delikli kart üzerinde kurulup lehimlendikten sonra girişine değişken frekanslı 400mV genlik değerinde sinüs işareti verilmiş ve çıkış gözlenmiştir.

Giriş işaretinin farklı frekans değerleri için farklı çıkış değerleri elde edilmiştir. Orta frekans bölgesinde çalışan devrenin alt ve üst kesim frekansları, dB olarak, çıkışın maksimum olduğu noktalardan itibaren 3dB düşen noktalardır.

(NOT: Ölçümlerde volt olarak ifade edilen değerler peak – to – peak değerlerdir.)

Çıkıştan elde edilen maksimum değer 19.462 dB (3.76 V) olarak ölçülmüştür. Beklenen değere göre (20 dB – 4 V) bu ölçülen değerde %2.69 hata payı hesaplanmıştır.

Bu değerler giriş işaretinin 1.2 kHz ile 1.4 kHz olduğu aralıkta elde edilmiştir. Aynı zamanda giriş ile çıkış işareti arasında π kadarlıkbir faz fakı gözlemlenmiştir ki bu da zaten devreye – ucundan girildiği için beklenen bir durumdur.

Çıkış işaretinin maksimum genliğinden 3dB düştüğü yer, çıkış işaretinin değerinin 16.462 dB olduğu noktadır. Yapılan ölçümler sonucunda bu değere ulaşılan giriş işaretinin frekansı 412 Hz olarak bulunmuştur.

Beklenen frekans değeri 400Hz olup iki değer arasındaki hata payı %3 olarak hesaplanmıştır. Giriş işaretinin 400Hz’teki değeri için ise ölçülen çıkış işareti 16.776 dB (2.76 V) olarak bulunmuştur. Bunun da beklenen değer ile aralarındaki hata payı %1.9 olarak hesaplanmıştır.

Aynı değere, yani çıkış işaretinin 16.462 olduğu değere giriş işaretinin frekansının 6 kHz olduğu noktada da ulaşılması beklenmiştir ancak bu noktada ölçülen çıkış işaretinin değeri 16.25 dB (2.60V) olarak bulunmuştur.

Bu iki değer arasındaki hata payı %1.28 olarak hesaplanmıştır. Çıkış işaretinin tam olarak 16.462 dBolduğu noktada ise giriş işaretinin frekansı 5888 Hz olarak hesaplanmıştır. Bu frekans değeri ile beklenen frekans değeri arasında ise %1.86 olarak hesaplanmıştır.

Osiloskopta Gözlenen Çıkış Değerleri

Şekil 5: Giriş işaretinin 40 Hz olduğu durum için gözlemlenen çıkış

Şekil 6: Giriş işaretinin 400 Hz olduğu durum için gözlenen çıkış

Şekil 7: Giriş işaretinin 1.4 kHz olduğu durum için gözlenen çıkış

Şekil 8: Giriş işaretinin 6 kHz olduğu durum için gözlenen çıkış

Şekil 9: Giriş işaretinin 60 kHz olduğu durum için gözlenen çıkış

Tüm bu ölçümler sonucunda elde edilen değerlerin %5 hata payından düşük olduğu gözlemlenmiştir.

Gerçeklenen devreden elde edilen değerler ile simüle edilen devreden elde edilen değerler arasında çok az fark vardır bunun da nedeni simülasyonda programların malzemelerin tümünü ideal kabul etmesidir ancak gerçekte bu elemanlar ideal değildir.

HAZIRLAYANLAR

• 040090313 | HÜSEYİN EFE EVYAPAN

• 040090947 | DUYGU MUMCİ

• 040080475 | HAKAN AKGÜN

• 040080489 | GENCAY OĞUZ