Elektronik dersi konu anlatkmı, Study notes of Electronics

Download Elektronik dersi konu anlatkmı and more Study notes Electronics in PDF only on Docsity!

Elektronik

Ders Notları

Derleyen: Dr. Tayfun Demirtürk E-mail: tdemirturk@pau.edu.tr

Diyot Uygulamaları

Konular:

1. Yarım-Dalga Doğrultmaç
2. Tam-Dalga Doğrultmaç
3. Filtre Devreleri
4. Kırpıcı ve Sınırlayıcı Devreler
5. Gerilim Kenetleyici ve Gerilim Çoklayıcılar
6. Diyot Veri Sayfaları

Amaçlar:

Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• Yarım dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi
• Tam dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi
• Doğrultmaçlarda filtreleme ve filtre devreleri
• Diyotlarla gerçekleştirilen kırpıcı ve sınırlayıcı devrelerin analizi
• Diyot veri sayfalarının incelenmesi ve çeşitli karakteristikler
• Diyot devrelerinin kısa analizleri ve yorumlar

Şekil-2.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi

Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüştürülür. Transformatör, dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen AC gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur.

Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör) devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da olsa AC bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile inceleyelim.

Transformatörler

Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur. Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. Bu sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan AC gerilim, sekonder sargısından alınır.

Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir AC gerilim değerine dönüştürülmesinde transformatörler kullanılır. Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. Bu durum, güvenlik için önemli bir avantajdır.

Sekonder sargısından alınan AC işaretin, gücü ve gerilim değeri tamamen kullanılan transformatörün sarım sayılarına ve karkas çapına bağıdır. Üreticiler ihtiyaca uygun olarak çok farklı tip ve modelde transformatör üretimi yaparlar. Şekil-2.2’de örnek olarak bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir.

Şekil-2.2 Farklı model ve tipte transformatörler

Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220Vrms/50Hz, sekonderler sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil-2.3'de farklı sargılara sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir.

Şekil-2.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç bağlantıları

Şekil-2.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması

Giriş işaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyotun anoduna negatif alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş işaretinin negatif alternansında diyot yalıtımdadır. Çünkü diyot ters yönde polarmalanmıştrr. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Açık devredir. RL direnci üzerinden alınan çıkış işareti 0V olur. Bu durum şekil-2.5.b üzerinde gösterilmiştir.

Şekil-2.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması

Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil- 2.6’da ayrıntılı olarak verilmiştir. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaret artık AC bir işaret değildir. Çünkü çıkış işareti, negatif alternansları içermez. Doğrultmaç çıkışından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Çıkış işareti bu nedenle DC işarete de benzememektedir dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yakın bir işaret alınmalıdır.

Şekil-2.6 Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkış dalga biçimleri

Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaretin DC değeri önemlidir. Bu değeri ölçmek için çıkış yüküne (RL ) paralel bir DC voltmetre bağladığımızda şekil-2.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;

civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-2.7 üzerinde gösterelim.

Şekil-2.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri

olarak elde edilir.

2.2 TAM DALGA DOĞRULTMAÇ

Basit ve ekonomik DC güç kaynaklarının yapımında yarım dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç kaynaklarının yapımında ise tam dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Tam dalga doğrultmaç devresi çıkışında DC gerilime daha yakın bir değer alınır. Tam dalga doğrultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayrı tipte tasarlanabilir.

Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz.

• Yarım dalga doğrultmaç ile tam dalga doğrultmaç arasındaki farklar.
• Tam dalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi
• Orta uçlu tam dalga doğrultmaç devresinin analizi
• Köprü tipi tam dalga doğrultmaç devresinin analizi

Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüzoidal işaretin sadece tek bir alternansında doğrultma işlemi yapılıyor, diğer alternans ise kullanılmıyordu. Dolayısıyla yarım dalga doğrultmacın çıkışından alınan gerilimin ortalama değeri oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm değildir.

Tam dalga doğrultmaç devresinde ise doğrultma işlemi, şebekenin her iki alternansında gerçekleştirilir. Dolayısıyla çıkış gerilimi daha büyük değerdedir ve DC’ye daha yakındır. Bu durum şekil-2.9 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

Şekil-2.9 Yarım dalga ve tam dalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri

Tam dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül

yardımıyla bulunur.

Örneğin, tam dalga doğrultmaç girişine 17V (^) tepe değerine sahip sinüzoidal bir işaret uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer;

olarak elde edilir. Bu durum bize tam dalga doğrultmaç devresinin daha avantajlı olduğunu kanıtlar.

Şekil-2.11 Pozitif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu

Şebekenin negatif alternansında; transformatörün sekonder sargılarında oluşan gerilim düşümü bir önceki durumun tam tersidir. Bu durumda şaseye göre; sekonder sargılarının üst ucunda negatif alternans, alt ucunda ise pozitif alternans oluşur. Bu durum şekil-2.12 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu durumda D 2 diyotu iletken, D 1 diyotu ise yalıtkandır. Akım devresini trafonun orta ucundan başlayarak D 2 üzerinden ve R (^) L yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-2.12’de belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim düşümleri şekil üzerinde gösterilmiştir.

Şekil-2.12 Negatif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu

Orta uçlu tam dalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimini tekrar ele alıp inceleyelim. Devrede kullanılan transformatörün sekonder sargılarının 2x12Vrms değere sahip olduğunu kabul edelim. Bu durumda transformatörün sekonder sargısında elde

edilen işaretin tepe değeri;

olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullanılacaktır. Bu nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe değeri;

olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur.

çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-2.13 üzerinde gösterilmiştir.

Şekil-2.14 Pozitif alternansta tam dalga doğrultmaç devresinin davranışı

Şebekenin negatif alternansında; bu defa transformatörün alt ucuna pozitif alternans oluşacaktır. Bu durumda D 3 ve D 4 diyotları doğru yönde polarmalanır ve iletime geçerler. Akım devresini; D 4 diyotu, R (^) L yük direnci ve D 3 diyotu üzerinden geçerek transformatörün üst ucunda tamamlar ve RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil- 2.15 üzerinde gösterilmiştir.

Şekil-2.15 Negatif alternansta tam dalga doğrultmaç devresinin davranışı

Tam dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin aldığı DC değer hesaplanmalıdır. Örneğin transformatörün sekonder gerilimi 12Vrms (etkin) değere sahip ise bu gerilimin tepe

değeri;

değerine eşit olur. Doğrultma işleminde tek bir alternans için iki adet diyot iletken olduğunda diyotlar üzerinde düşen öngerilimler dikkate alındığında R (^) L yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimin tepe değeri;

değerine sahip olur. Bu durum şekil-2.16 üzerinde gösterilmiştir. Tam dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise;

Şekil-2.16 Köprü tipi tam dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi

Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim, büyük bir dalgalanmaya sahiptir ve tam bir DC gerilimden uzaktır. Filtre çıkışında ise dalgalanma oranı oldukça azaltılmıştır. Elde edilen işaret DC gerilime çok yakındır. Filtre çıkışında küçük de olsa bir takım dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanma "Rıpıl" olarak adlandırılır. Kaliteli bir doğrultmaç devresinde rıpıl faktörünün minimum değere düşürülmesi gerekmektedir.

Kapasitif Filtre

Doğrultmaç devrelerinde filtrelemenin önemi ve işlevi hakkında yeterli bilgiye ulaştık. Filtreleme işlemi için genellikle kondansatör veya bobin gibi pasif devre elemanlarından faydalanılır. Doğrultmaç devrelerinde, filtreleme işlemi için en çok kullanılan yöntem kapasitif filtre devresidir. Bu filtre işleminde kondansatörlerden yararlanılır.

Kapasitif filtre işleminin nasıl gerçekleştirildiği bir yarım dalga doğrultmaç devresi üzerinde şekil-2.18 yardımıyla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kondansatör ile gerçekleştirilen filtre işlemi şekil-2.18'de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Sisteme enerji verildiğinde önce pozitif alternansın geldiğini varsayalım. Bu anda diyot doğru polarmalandığı için iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. Pozitif alternansın ilk yarısı yük üzerinde oluşur. Devredeki kondansatörde aynı anda pozitif alternansın ilk yarı değerine şarj olmuştur. Bu durum şekil- 2.18.a üzerinde gösterilmiştir.

Şekil-2.18.a Pozitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj oluyor

Şekil-2.18.b Negatif alternansın da diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine deşarj oluyor.

Şekil-2.18.c Yük üzerinde görülen çıkış işaretinin dalga biçimi

Pozitif alternansın ikinci yarısı oluşmaya başladığında diyot yalıtımdadır. Diyot'un katodu anoduna nazaran daha pozitiftir. Çünkü kondansatör giriş geriliminin tepe değerine şarj olmuştur. Kondansatör şarj gerilimini şekil-2.18.b'de belirtildiği gibi yük üzerine boşaltır. Şebekeden negatif alternans geldiğinde ise diyot ters polarma olduğu için yalıtımdadır.

Kondansatörün deşarjı şehir şebekesinin negatif alternansı boyunca devam eder. Şebekenin pozitif alternansı tekrar geldiğinde bir önceki adımda anlatılan işlemler devam eder. Sonuçta çıkış yükü üzerinde oluşan işaret DC'ye oldukça yakındır.

Çıkış işaretindeki dalgalanmaya "rıpıl" denildiğini belirtmiştik. DC güç kaynaklarında