1 adet IR Foto-Diyot
1 adet OP-AMP
1 adet 5 µF değerinde kapasitör
1 adet 180 Ω değerinde direnç
1 adet 10 kΩ değerinde direnç
1 adet kırmızı LED
İlk olarak deneyde kullanılan devre elemanlarından “Foto-Diyot”u, ardından da OP-AMP’ı inceleyelim:
Foto-Diyot
Görünür, infrared veya ultraviyole ışımayı algılayıp elektriksel sinyale çeviren “transducer”a foto-diyot denir
Foto-diyot ters kutuplanır. Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır
Saniyede düşen foton sayısı (ışık miktarı) ne kadar yüksek olursa o kadar fazla akım elde edilir.
Foto-diyodun çalışması, LED’in çalışmasının tam tersidir. Işı-ma, ters kutuplanmış diyodun eklem bölgesi üzerine düştüğünde fo-ton absorblanması sonucu elektron-hole çiftleri oluşur. Eklem üze-rindeki elektrik alanı, elektron ve hole’ü birbirinden ayırır ve zıt yönlerde hareket ettirir. Böylece dış devreden akım akar (IF). Foto-diyodun üzerine ışık düşmediğinde ise çevreden ısı enerjisi alan valans elektronları, iletkenlik bandına çıkarak karanlık akımı (Id) oluşturur. Ancak değeri genellikle çok düşüktür, dolayısıyla IF akımı-nın tamamen foton etkisi ile oluştuğu kabul edilebilir.
Foto-diyotların uygulama alanları uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik hesap makineleri gibi çeşitli konuları kapsamaktadır.
Operational Amplifier (OP-AMP)
İşlemsel yükselteçler (Operational Amplifiers, kısaca OP-AMP) 1960'lı yılların sonlarına doğru kullanılmaya başlanmıştır. 741 ve 747 gibi entegre şeklinde üretilirler. Bu entegrelere dışarı-dan bağlanan devre elemanları ile geri beslemesi ve dolayısıyla yükselteç devresinin gerilim kazancı kontrol edilebilir. Genel olarak OP-AMP, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir.
Sembolde gösterilmeyen bir de besleme voltaj uçları bulunur. Genel olarak bir işlemsel yükseltecin iki giriş, bir çıkış, iki de besleme kaynağı ucu bulunur. Sembolde, (-) işaretli giriş ucu tersleyen (eviren, inverting), (+) işaretli giriş ucu terslemeyen (evirmeyen, noninverting) giriş ucudur. (-) işaretli giriş ucuna sinyal uygulandığında çıkıştan 180° faz farklı bir çıkış sinyali alınır. Giriş sinyali (+) işaretli giriş ucuna uygulandığı zaman da çıkıştan alınan sinyalle girişe uygulanan sinyal arasında faz farkı olmaz. Yani aynı fazda bir çıkış sinyali alınır
OP-AMP sembolünde +Vs ve -Vs uç-ları, besleme kaynağının bağlandığı uçlardır. Bir OP-AMP'a ±5 V, ±12 V, ±15 V, ±18 V gibi besleme voltajı verilebilir. OP-AMP'ın AC sinyal yükseltmesinde tek güç kaynağı kullanmak yeterlidir. Genel-likle OP-AMP'lar simetrik kaynaktan beslenir. Şekil 7'de bir OP-AMP'ın simetrik kaynaktan beslenmesi görülmektedir. Örneğin bir OP-AMP devresi olarak deneydeki gibi 741 entegresi kullanılacaksa, entegrenin 7 nolu ucuna pozitif besleme, 4 nolu ucuna ise negatif besleme uygulanır. görülen (+) giriş faz çevirmeyen giriş ucu, (-) giriş faz çeviren giriş ucunu gösterir.
OP-AMP, 4 önemli özelliğe sahiptir. Bunlar;
• Kazancı çok fazladır (Örneğin, 200000).
OP-AMP'ın iki kazancı vardır. Bunlar açık çevrim ve kapalı çevrim kazancıdır. Kapalı çevrim kazancı, devreye harici olarak bağlanan geri besleme direnci ile belirlenir. Açık çevrim kazancı ise OP-AMP'ın kendi kazancıdır. Yani direnç ile belirlenemeyen kazancıdır. Her ne kadar OP-AMP'ın kazancı yaklaşık 200000 gibi bir değerde olmasına rağmen bu kazanç OP-AMP'a uygulanan besleme voltajına bağlıdır. Örneğin, bir OP-AMP'ın besleme voltajı ±12 Volt ve girişe yükseltilmek üzere 1 Volt giriş sinyali uygulansa, OP-AMP'ın özelliğine göre çıkıştan bu kazançla orantılı olarak 200000 Volt alınmaz. Çünkü, besleme voltajı ±12 Volt kullanılmışsa çıkıştan en fazla 12 Volt alınır. Burada, açık çevrim kazancını etkileyen en ö-nemli faktör besleme voltajının değeridir.
• Giriş empedansı çok yüksektir (5 MΩ).
OP-AMP'ın diğer özelliği 5MΩ'a ulaşan giriş empedansıdır. Giriş empedansının bu kadar büyük olması, bağlı olduğu sinyal kaynağını ve bir önceki devreyi yüklememesi, küçük bir giriş akımı ile kuman-da edilmesi gibi üstünlükler sunar.
• Çıkış empedansı sıfıra yakındır.
OP-AMP'ın çıkış empedansı idealde sıfır iken pratikte bu değer 100-150Ω arasındadır. OP-AMP'ın çıkış empedansının küçük olması, çıkış akımını arttırarak kısa devrelerden zarar görmemesini sağlar.
• Bant genişliği fazladır (1MHz).
OP-AMP'ın bant genişliği 1MHz civarındadır. OP-AMP'a uygula-nan sinyalin frekansı yükseldikçe kazanç düşer. DC ve DC'ye yakın sinyallerde OP-AMP'ın kazancı yaklaşık 200000'dir.
OP-AMP’ın pek çok uygulama devresi vardır. Bunlardan bazıları aşağıda verilmiştir:
Tersleyen Yükselteç (Faz Çeviren, Inverting Amplifier) Olarak Kullanılması
Terslemeyen Yükselteç (Faz Çevirmeyen, Noninverting Amplifier) Olarak Kullanılması
Gerilim İzleyici (Voltage Follower) Olarak Kullanılması
Toplar Yükselteç (Summing Amplifier) Olarak Kullanılması
Fark Yükselteci (Difference Amplifier) Olarak Kullanılması
Karşılaştırıcı (Comparator) Olarak Kullanılması
İntegral Alan (Integrator) Devre Olarak Kullanılması
Türev Alan (Differentiator) Devre Olarak Kullanılması
Doğrultmaç Olarak Kullanılması
• Yarım Dalga Doğrultmaç Olarak Kullanılması
• Tam Dalga Doğrultmaç Olarak Kullanılması
Logaritmik Yükselteç Olarak Kullanılması
Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması
Gerilim Kontrollü Osilatör Olarak Kullanılması
Ancak deneyde kullanılan OP-AMP’ın uygulama alanına göre “Tersleyen Yükselteç (Faz Çeviren, Inverting Amplifier)”, “Tersleme-yen Yükselteç (Faz Çevirmeyen, Noninverting Amplifier)”, “İntegral Alan (Integrator)” ve “Türev Alan (Differentiator)” devre uygulama-larını detaylı olarak inceleyeceğiz.
Deneyin Yapılışı
• İlk olarak, deneyde kullanılan malzemeler board üzerine yerleşti-rilmiştir. Yerleştirme işlemi gerçekleştirilirken, IR foto-diyodun, ışımayı algılayan kısmı gözlemlenmiş ve anodu tanımlanmıştır.
• Devrede 5 µF değerindeki kapasitör ve kırmızı LED yok iken çıkıştan alınan sinyalin tepe-tepe voltaj değeri osiloskop yardımıyla ölçülmüştür. IR foto-diyot üzerine TV uzaktan kumanda-sından IR ışıma gönderildiğinde ise bu değer yükselmiştir. Böylece infrared ışıma, deneyde kullanılan OP-AMP ile yükseltilip çıkışta görünür sinyale dönüşmüştür. Ayrıca TV uzaktan kumandasının her farklı tuşu, farklı sinyal olarak çıkışta gözlenmiştir.
• Daha sonra, 10 kΩ değerindeki dirence, 5 µF değerindeki kapasitör paralel olarak bağlanmıştır. Bu durumda da çıkışta gözlenen sinyalin genliği, kapasitör bağlanmadan elde edilen çıkış sinyalinin genliğinden hem daha düşük hem de daha “smooth” yani keskin elde edilebilmiştir.
• Deneydeki bir sonraki aşama olarak IR foto-diyot üzerinden ge-çen akımın, IR ışıma uygulanmadan önce ve uygulandıktan son-raki değerleri, devre kesilerek multimetre yardımıyla ölçülmüştür. IR ışıma uygulanmadan önce geçen bu akım, belirlenmiş olup IR ışıma uygulandıktan sonra akım yükselmiştir.
• Son olarak, kırmızı LED devrenin çıkışına eklenmiş olup, TV uzaktan kumandasından IR foto-diyoda gönderilen ışıma, LED üzerinden görünür ışımaya dönüştürülmüştür. Gözlenen, LED olmadığı zaman çıkışta görülen sinyalin, LED’in yanıp sönmesine uyarlanmasıdır.
• Tersleyen yükselteç sayesinde devreden akan akım negatif yönde akmaktadır. Çıkış sinyali de
olduğundan dolayı bu negatif yönde akan akım çıkışa, pozitif yüklü voltaj olarak yansımaktadır. Bu da LED in kutuplama şartlarını sağlamaktadır.
Deneyde tersleyen yükselteç (Inverting OP-AMP) kullanıldığı için IR dedektör ters bağlandığında devreden pozitif yönde akım akar.
formülü dikkate alındığında pozitif yönde akan akım, deneyde kullanılan LED’in anoduna negatif voltaj uygulanması anlamına gelmektedir. Sonuç olarak, IR dedektör devreye ters yönde bağlandığında LED’in yanmadığı gözlenmiştir.
Yorum
IR foto-diyodun anodunun, OP-AMP’ın (+) ucuna bağlanması ve bu ucun da toprağa bağlanması, OP-AMP’ın tersleme yükselteci olarak kullanılmasına olanak sağlamıştır. Bu durumda IR dedektör üzerinden geçen akım negatif yönde akarken, OP-AMP’ın tersleme göreviyle giriş sinyali hem pozitif hem de yükseltilerek çıkış sinyali olarak görülmüştür.
IR dedektör üzerine ışıma düşürülmediğinde devreden çok dü-şük bir akım akmaktadır ki bu da foto-diyodun karanlık akımına ya-kın bir değerdir. Dolayısıyla OP-AMP ne kadar yükseltirse yükseltsin bu çıkış değeri, LED in çalışması için gerekli eşik voltajına ulaşama-mıştır. Bu nedenle de LED yanmamıştır.
IR dedektör üzerine TV uzaktan kumandası yardımıyla IR ışıma düşürüldüğünde ise IR foto-diyodun çalışma prensibi gereği üzerinden geçen akım artmıştır. Artan akım ile çıkış sinyali daha da artmıştır. Çünkü OP-AMP, yükseltme göreviyle var olan sinyalin üzerine bindirerek çıkış sinyalini oldukça yükseltebilmektedir.
Böylece LED’in çalışması için gerekli olan eşik voltaj değeri aşıldığı anda LED, çıkış sinyalindeki darbelere göre yanıp sönmeye başlamıştır. Her bir tuşun farklı çıkış sinyal vermesini, hem osiloskoptan alınan çıkış sinyalinin şeklinden hem de LED’in yanıp sönme şeklinden anlayabiliriz. O halde girişe bağlı olarak çıkış sinyalindeki bu değişimi bir tür “MODÜLASYON” olarak algılayabiliriz.
Devredeki 10 kΩ değerindeki dirence, 5 µF değerindeki kapasitör paralel olarak bağlandığında çıkış sinyalinin genliği az da olsa düşmüştür, böylece daha “smooth” yani keskin sinyal elde edi-lebilmiştir. Devredeki direnç ile kapasitörün bu şekilde bağlanması da bu devreyi, Şekil 11’deki integral alan devreye benzetmiştir. Çünkü TV uzaktan kumandası ile IR foto-diyoda uygulanan kare dalgalar (palslar), çıkışta kapasitörün dolup boşalması hareketlerine dönmüştür. Bu da üçgen dalgaya benzer bir sinyal demektir.
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder