DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı Devreleri

26 Pages·2014·1.09 MB·Turkish

DENEY 3 UJT Osilatör ve Zamanlayıcı
Devreleri

DENEYİN AMACI

1. UJT gevşemeli osilatör devresinin çalışmasını öğrenmek.
2. UJT zamanlayıcı devresinin çalışmasını öğrenmek.

GİRİŞ

UJT (Relaxation) Gevşemeli Osilatör

SCR ve Triyak tetikleme devrelerinin çoğu darbe üreteci olarak temel gevşemeli
osilatör kullanırlar. V-I karakteristiği negatif direnç bölgesi içeren herhangi bir yarı
iletken eleman kullanılabilir. Genellikle kullanılan elemanlar UJT, PUT, SCS, Diyak,
ve Schottky diyotları içerir.

(a) Devre (b) Emetör gerilimi (c) R1 üzerindeki gerilim

Şekil 3-1 Temel UJT Gevşemeli Osilatör

3-1
Şekil 3-1, temel UJT gevşemeli osilatör devresini ve gerilim dalga şekillerini gösterir. S
anahtarı kapatıldığında, C kapasitörü R direncinden akan akımla V değerine kadar
E B
dolar. Kapasitör gerilimi V tepe noktası gerilimi V değerine ulaşınca UJT iletime
E P
geçer. Kapasitör R direnci üzerinde bir gerilim darbesi üreterek E-B yönünde boşalır.
1 1
Çıkış darbesinin büyüklüğü şu denklem ile belirlenir:
V = I x R ……………………………………………………………………(3-1)
O E 1
Emetör akımı, UJT çukur noktası akımına, I , kadar düşer, UJT kesime gider ve
V
kapasitör tekrar dolmaya başlar. Bu döngü S anahtarı kapalı kaldığı sürece devam
eder. Osilasyon periyodu oldukça küçüktür, genellikle birkaç µs’dir.

Şekil 3-1(b)’de V gerilim dalga şekli temel olarak bir eksponansiyel eğridir. Normal
E
çalışmada, deşarj zaman sabiti ((R + R ) x C ) ve şarj zaman sabiti (R x C )’dir.
B1 1 E E E
Gerçeklenen devrelerde R >> (R + R ) olduğundan, (R + C ) >> ((R + R ) x
E B1 1 E E B1 1
C ’dir.
E

Şekil 3-1(b)’deki eğrinin periyodu (t ) şu denklem ile belirlenir:
1
⎡ ⎤
⎢ 1 ⎥
t1= R C ln ……………………………………………………(3-2)
E E ⎢ V ⎥
⎢(1−η)−( D )⎥
⎣ V ⎦
B1B2
V >> V olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir:
B1B2 D
⎡ 1 ⎤
t1= R C ln ………………………………………………...……………….(3-3)
E E ⎢⎣(1−η)⎥⎦
V ’den V ’ye kadar dolan kapasitör şu şekilde ifade edilebilir:
V P
−t1
V =(V −V )(1−eRECE )
P B V
Birçok uygulamada R >> R ve V >> V olduğundan üstteki eşitlik şöyle yazılabilir:
BB 2 B V
−t1
V =V (1−eRECE )
P B
Böylece t1 şarj periyodu şöyle ifade edilebilir:
V
t1= R C ln( B )………………………………………………………………..(3-4)
E E V −V
B P
Şekil 3-1(c)’de çıkış darbesinin frekansı şöyle hesaplanabilir:
f = 1 / (t1+t2) (Hz)…………………………………………………...……………… (3-5)

3-2
Burada t1 şarj periyodu, t2 deşarj periyodudur. Bir çevrimi tamamlamak için geçen
süre genellikle T ile tanımlanır, T = t1+t2’dir. Kapasitör UJT’nin emetörü, R ve R1
B1
üzerinden boşalır. R ihmal edilebilecek kadar küçüktür ve R >> R ’dir, dolayısıyla
B1 E 1
t2 deşarj periyodu t1’e göre oldukça küçüktür. Böylece uygulamada çıkış darbesinin
frekansı şu eşitlik ile hesaplanabilir:
f = 1 / t1 (Hz)……………………………………………………………………………(3-6)
Üstte bahsedilen bu iki çıkışın yanında, istendiği takdirde Şekil 3-1(a)’daki UJT
gevşemeli osilatör devresindeki B2 ucundan da işaret çıkışı alınabilir. Şekil 3-2, bir
UJT gevşemeli osilatör devresinin UJT çıkışlarındaki gerilim dalga şekillerini gösterir.
Şekil 3-2(b)’de B1’deki çıkış dalga şekli, genellikle SCR ve Triyak gibi tetiklemeli
tristörlerde kullanılan pozitif darbe katarıdır. Şekil 3-2(c)’de gösterilen B2’deki dalga
şekli B1’dekinin tersine bir negatif darbe katarıdır. Emetör çıkışında ise Şekil
3-2(d)’de gösterildiği gibi testere dişli dalga oluşmuştur.

Şimdi Şekil 3-2(a)’ya dönelim. V kaynak gerilimi verildiğinde B2 pozitiftir, baz arası
B
direnci (R = R + R ), R1, ve R2 dirençlerinin izin verdiği miktarda küçük bir akım
BB B1 B2
(I = V / (R + R1 + R2)) B2 ile B1 arasından akar. Emetör gerilimi V (C gerilimi)
B2 B BB E E
V gerilimine ulaşır, ve UJT iletime geçer. C deşarj akımı (I ) aniden maksimum
P E E
değerine çıkar, böylece R düşer ve I yükselir. Sonuçta R2’deki gerilim düşümünün
B1 B2
artmasından dolayı B2 gerilimi düşer
(V = V - I R2) olur. Deşarj periyodunun sonunda UJT kesime gider ve B2 çıkışı
B2 B B2
başlangıçtaki potansiyeline döner. Dolayısıyla B2 ucundaki çıkış dalga şekli Şekil
3-2(b)’de gösterildiği gibi negatif darbedir.

R2 direnci sıcaklık kompanzasyonu için kullanılmıştır ve daha ileri ki konularda
incelenecektir.

(a) Devre (b) B1 çıkış gerilimi
3-3
(c) B2 çıkış gerilimi (d) Emetör çıkış gerilimi

Şekil 3-2 UJT Gevşemeli Osilatör

Şimdiye kadar, UJT karakteristiklerini ve UJT gevşemeli osilatörün çalışma ilkelerini
inceledik. Bundan sonraki konular için önemli olan UJT parametrelerini şöyle
özetleyebiliriz:

1. R = 4~10K
BB
2. η=0.6, R =0.6 R , R =0.4R
B1 BB B2 BB
3. I =0.5~50µA
P
4. I =1~10mA
V
5. V =1~3V
V
6. R =5~25Ω
sat

(1) Doğrusallığın Sağlanması
Şekil 3-1(b) ve 3-2(d)’den, emetör gerilimi dalga şeklinin tam bir testere dişli dalga
olmadığını görüyoruz, bunun sebebi şarj akımının eksponansiyel (üssel) bir
formda olmasıdır. Kapasitörde doğrusal bir şarj gerilimi elde etmek için, sabit
akımla şarjı sağlamak için sabit akım kaynağı kullanmak iyi bir çözümdür.

Şekil 3-3 Sabit Akım Şarjlı Ujt Gevşemeli Osilatör

3-4
Şekil 3-3’te sabit akım kaynağı PNP transistör Q2, R direnci, ve 3 adet diyotla
E
oluşturulmuştur. Her bir diyotun gerilim düşümlerinin transistörün baz emetör
gerilimine tam olarak eşit olduğunu farz edelim. Bu durumda Q2 emetör akımı şöyle
hesaplanabilir:
0.6N −0.6 (N −1)0.6
I = = ………………………………………………………..(3-7)
R R
E E
Burada N diyot sayısıdır. Örneğimizde bu sayı 3 olduğundan Q2’nin emetör akımı I =
E
1.2V/R olur. Yani I akımı sabittir ve R ile belirlenir. I ≈ I olduğundan C kapasitörü
E E E C E E
R direnci ile belirlenmiş bir sabit akım ile dolar.
E

Bir kapasitörün kapasitansı tanımında, kapasitör geriliminin şu şekilde yazılabileceği
belirtilir:
V = Q / C …………………………………………………………………………..(3-8)
C E
Kapasitördeki gerçek yük Q içinde hareket eden yüklerin ortalama hızlarının zaman
ile çarpımına bağlıdır. Yani
Q = I.t ……….…………………………………………………………………………..(3-9)
Daha önce de bahsedildiği gibi, kapasitör çukur noktası gerilimi V ’den tepe noktası
V
gerilimi V ’ye kadar dolar, kapasitör gerilimi V V ’ye ulaştığında UJT iletime geçer.
P C P
Bir çevrimin periyodu (T) şarj süresi t1 ile değiştirilebilir ve şöyle ifade edilebilir:
Q (V )(C ) (V −V )C
t1=T = = C E = P V E ……………………………………………..(3-10)
I I I
Sabit şarj akımını korumak için V < V iken Q2 transistörünün doyma bölgesinde
E P
olmaması gerekir. Şekil 3-3’teki devreye uygulanacak gerilimi belirlemek için Q2
doyma geriliminin uygun bir değerinin bilinmesi gerekir. V = 1V ise, uygulanacak
CE2(sat)
gerilim şöyle belirlenir:
V ≥ V + 1+ (N-1) x 0.6……………………………………………………………..(3-11)
BB P
Şekil 3-4, UJT osilatör devreleri için bir sabit akım kaynağı devresini gösterir. Diyot,
Zener diyot, ve R direncinden oluşan gerilim bölücü Q2 transistörünün bazında sabit
Z
bir iletim yönünde kutuplama oluşturur. Sıcaklık kompanzasyonu için transistörün EB
jonksiyonu ile aynı V-I karakteristiğine sahip bir diyot seçilmiştir.

Şekil 3-4 Zener Sabit Akım Kaynaklı Ujt Osilatör

3-5
Q2’nin emetör akımı Zener diyot gerilimi V ve R direnci ile belirlenir.
Z E
V +V −V V
I = Z D BE = Z
E R R
E E
V sabit olduğundan I de sabit olmak zorundadır. Şarj zamanı t1 alttaki denklemle
Z E
ifade edilebilir.
Q V C (V −V )C
t1=t = = B E = P V E …………………………………………………(3-12)
I I I
Bu durumda besleme gerilimi V ;
BB
V ≥ V + 1 + V ……………………………..……………………………………..(3-13)
BB P Z
Buradaki son sabit akım kaynağı devresi Şekil 3-5’te gösterilen devredir. Bu devrede
JFET Q2 transistörünün savağı (savak: drain) ile UJT’nin B2 bazı birleştirilmiştir. Q2
transistörü C kapasitörünün dolması için sabit şarj akımı sağlar. FET’in I -V
E D GS
karakteristiklerinden görüldüğü gibi, şarj akımı şöyle belirlenir:
V
I = GS
R
R
Osilasyon frekansı R direncine bağlı olarak değişir.
E

Şekil 3-5 JFET Sabit Akım Kaynaklı UJT Osilatör

(2) V ‘nin Küçültülmesi
V
Bir UJT gevşemeli osilatörün emetör gerilim çıkışı V ~V aralığındadır. Çıkış
V P
gerilim aralığını genişletmek için kullanılan bir yöntem V değerini yükseltmek, bir
P
−t1
diğeri ise V değerini düşürmektir. V =V (1−eRECE) denkleminden tepe gerilimi
V P B
V ’nin, V besleme gerilimi arttırılarak kolayca arttırılabileceği görülmektedir. V
P B V
çukur gerilimini azaltmak yada yok etmek için Şekil 3-6’daki devrede kullanılan
teknik faydalı bir tekniktir.

3-6
Şekil 3-6 V Küçültme Amacıyla Eklenen Transistör
V

Şekil 3-6’daki devre Şekil 3-4’teki devre ile karşılaştırıldığında Şekil 3-6’daki devrede
kullanılan ilave transistör Q ’nin dışında devrelerin tamamen aynı olduğu görülür. Q
D D
transistörü kapasitörün boşalması için başka bir yol sağlaması için kullanılmıştır. Bu
devrenin çalışması kısaca şöyle açıklanabilir:

1. C dolarken UJT ve Q kesimdedir.
E D
2. C gerilimi V değerine ulaşınca, UJT iletime geçer ve C kapasitörü R1 direnci
E P E
üzerinden boşalır. R1’deki gerilim darbesi Q ’yi doyum bölgesine götürür.
D
3. Q doyumda olduğundan, V değeri sıfıra çok yakındır (tipik olarak 0.1V).
D CE(sat)
Ancak bu gerilim değeri Q transistörünün olmadığı devrede V ’nin (tipik olarak
D V
1~3V) yanında çok küçüktür.
4. Q deşarj zamanını arttırır.
D

0V ile V arasındaki büyüklükte bir negatif çıkışa ihtiyaç duyulursa, Şekil 3-7’deki
BB
devre bu ihtiyacı giderebilir. Q transistörü CE kuvvetlendirici yapısına bağlanmıştır,
P
ve evirici olarak çalışır. UJT osilatörün normal çalışmasında, B1 ucundaki pozitif
darbe Q transistörünü doyma bölgesinde iletimde tutacaktır. Kollektör çıkışında Şekil
P
3-7’de gösterildiği gibi 5~12µs’lik kısa süreli bir negatif darbe gözlenir.

Şekil 3-7 Yüksek Gerilimli Kısa Süreli Negatif Gerilim Çıkışı

3-7
(3) Yük Etkisinin Azaltılması
Şekil 3-8, bir R yük direncinin temel bir UJT gevşemeli osilatör devresindeki
D
kapasitöre paralel bağlanmış halidir. R ve R dirençleri bir gerilim bölücü
D E
oluşturur. Eğer R direnci V değerinden daha büyük bir gerilim düşümü
d P
oluşturmak için çok küçükse osilatör osilasyon oluşturamaz, çünkü UJT iletime
geçemez. Buna ek olarak, ilave edilen RD direnci UJT giriş empedansını
değiştirdiğinden osilasyon frekansı da değişir. Bu değişim “yük etkisi” olarak
adlandırılır. Yük etkisinin oluşmasından kaçınmak için, çok yüksek giriş direnci ve
çok düşük çıkış empedansı olan bir yük gereklidir. Şekil 3-9(a)’da gösterildiği gibi,
Q3-Q4 darlington çiftinin aktif empedans eşleme devresi gibi davranır. Bu
devrenin çalışması şöyle özetlenebilir:

1. Her transistörün dc akım kazancının (β) 100’den büyük olduğunu farz edelim.
Darlington çiftinin toplam dc akım kazancı (β2) 10000’dir.
2. R =1KΩ olduğundan, Darlington çiftinin giriş direnci (1K x 10000) 10MΩ’dur.
E
Bu 10MΩ’luk direnç kapasitöre paralel bağlanmıştır.
3. C kapasitörünün şarj akımı (V / R = 5V / 25K) 200µA’dır. En kötü
E Z E
durumda, V = V , 10MΩ’luk giriş direncinde oluşan maksimum şönt akımı
E P
V / 10MΩ = (V + ηV ) / 10MΩ = (0.5V + 0.65V + 30V) / 10MΩ = 2µA’dır. Bu
P D BB
akım şarj akımının yanında ihmal edilebilir. Dolayısıyla yük etkisi
önemsenmez.
4. Q4 emetöründeki çıkış gerilimi Şekil 3-9(b)’de gösterildiği gibi (V - 1.2V)’a
E
eşittir.
5. Q4’ün emetör direnci çıkış gerilimini ayarlayabilmek için bir potansiyometre ile
değiştirilebilir. Emetör direnci ile yük arasına bir kuplaj kapasitörü C
C
bağlanarak, ortalama dc gerilim sabitlenir ve Şekil 3-9(b)’de gösterildiği
gibi –10V ~ +10V aralığında bir çıkış gerilimi elde edilir.

Şekil 3-8 Yük Etkisi İllüstrasyonu

3-8
Şekil 3-9 Yük Etkisini Azaltmak İçin Kullanılan Darlingtonlu Devre

UJT Gevşemeli Osilatör Tasarımı

Yukarıda bahsedildiği gibi, bir gevşemeli osilatör devresinde, UJT negatif direnç
bölgesinde çalışmalıdır. Bir UJT gevşemeli osilatör devresi tasarımında, statik V -I
E E
eğrisinin Şekil 3-10’daki Yük çizgisi 3 (load line 3)’te olduğu yük eğrisi ile negatif
direnç bölgesinde kesişmesi gerekir. Tasarım adımları altta listelenmiştir.

Şekil 3-10 UJT Yük Çizgileri

3-9
(1) R ’nin Belirlenmesi
E
R direnci, UJT karakteristik eğrisi ile negatif direnç bölgesi içinde kesişecek
E
şekilde seçilmelidir. Bu koşulu sağlamak için uygulanan V gerilimi UJT’yi iletime
B
geçirecek kadar büyük olmalı, ve kapasitör şarj akımı tepe noktası akımı I ’den
P
daha büyük olmalıdır. Maksimum R değeri alttaki denklem ile belirlenir:
E
V −V
R < B P = R ……………………………………………………….(3-14)
R I E(MAX)
P
R yük çizgisi Şekil 3-10’daki yük çizgisi 1’dir. Gerçek R değeri R ’tan
E(max) E E(max)
küçük seçilmelidir. R direnci, tepe akımı I ‘den daha küçük bir deşarj akımı
E V
sağlamak için çok küçükse UJT doyma bölgesinde (saturation region) çalışacaktır,
bu durumda UJT kesime götürülemez. Kesime götürebilmek için gerekli minimum
R değeri şöyle belirlenir:
E
V −V
R > B V = R ………………………………………………………..(3-15)
E I E(Mİİ )
V
Dolayısıyla R direnci aralığı R ile R ile sınırlıdır. Genellikle R
E E(max) E(min) E(min)
değerinin 2 yada 3 katına eşit bir R değeri yük çizgisini negatif direnç bölgesinde
E
konumlandırmak için uygun bir değerdir.

(2) C ’nin Belirlenmesi
E
Kapasitör değerini belirlemeden önce, şarj olan bir kapasitörün gevşemeli osilatör
devresine etkisini görmek için bu devredeki UJT’nin çalışmasını incelemeliyiz.

Şekil 3-11, daha önce incelenen UJT statik V -I karakteristiğini ve dinamik yolu
E E
gösterir. Kapasitör gerilimi V değerine (B noktası) ulaştığında, UJT çalışmasına
P
devam eder ve yük çizgisi ile elemanın karakteristiğinin negatif direnç
bölgesindeki kesişme noktasında çalışmaya hazırlanır. Kapasitör geriliminin
aniden düşememesi nedeniyle çalışma noktası aniden sabit gerilimde bir C
noktasına kayacaktır. B~C yolundaki zaman aralığı UJT’nin iletime geçiş zamanı
(turn-on time) olarak adlandırılır, bu değer tipik olarak 1µs’den daha küçüktür.

3-10