LM741 Op amp ile 1Hz Astable Multivibratör

Hazırlayan: Aytaç ARIKANLI – Uygulama devresinin yanı sıra detaylı bilgiler hesaplama formulleri ve fazlası. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler

OSİLATÖRLER

Osilatör ve sinyal üreteçleri, elektronikte temel devrelerden sayılır. Çünkü bir dijital saatin çalışması , bir inverter devresinin çalışması ,çeşitli vericilerin çalışması , osilatörlere bağlıdır. O devrenin temel yapısını osilatörler oluşturur

Osilatörler; sinyal jeneratörleri veya işaret kaynakları olarak isimlendirilirler. Osilatörler ;pozitif geri beslemeli amplifikatörlerdir. Amplifikatörlere pozitif geri besleme uygulanarak osilasyon veya değişken işaret üretimi sağlanır. En çok kullanılan dört çeşit değişken işaret vardır. Bunlar;kare, üçgen, testere dişi ve sinüs işaretleridir. İşaret kaynakları da ürettikleri isim aldıkları gibi farklı isimler ile de ifade edilirler.

ASTABLE-MULTİVİBRATÖR (AMV)

Astable multivibratör bir kare dalga osilatörüdür. Şekil 1.1 ‘de gösterilmiş olan astable multivibratör, girişindeki kapasite elemanı dışında bir komparatöre benzer. R1 ve R2 bir gerilim bölücü oluşturarak çıkış geriliminin belli bir oranını operasyonel amplifikatörün + girişine uygulanması sağlanır. Şekil 1.1’de V0 = + Vsat iken geri besleme gerilimi,

Vut =R2.(+Vsat) / (R!+R2)

Şeklinde olur.Rf direnci üzerinden de negatif geri besleme olur.V0 = + Vsat iken Rf ve C üzerinden I+ akımı akarak kapasitenin sarj olması sağlanır. Vc kapasite gerilimi Vut den küçük olduğu sürece çıkış + Vsat ‘a sabit kalır.Vc kapasite gerilimi Vut ‘ yi geçer geçmez, operasyonel amplifikatörün çıkışı +Vsat ‘tan – Vsat ‘a geçer (şekil 1.1 b).Bu durumda +girişe negatif bir geri besleme gerilimi uygulanmış olur. Bu gerilim ,

Vlt = R2.(-Vsat) / (R1+R2)

Olur. Çıkış -Vsat ‘a geçtiğinde kapasite gerilimi Vc = Vut ‘lik değere sahiptir. Bu anda akacak olan I- akımı ile önce 0V’ a kadar deşarj olacak sonra Vlt ‘ ye kadar ters yönde tekrar sarj olacaktır. Vc kapasite gerilimi Vlt den daha negatif olur olmaz , çıkış tekrar konum değiştirerek +Vsat ‘geçer . Bu durumda Vc nin ilk gerilimi Vlt olup,önce 0V’ ta kadar deşarj olacak daha sonra da Vut ‘ye kadar sarj olarak işlem tekrarlanarak devam edecektir.

Şekil 1.1

Kapasitenin sarj ve deşarj zamanı osilasyon frekansını belirler.Şarj ve deşarj zamanı t1=t2=Rf C dir. Kare dalganın periyodu T= 2Rf C dır.

f = 1/T = 1/(2RfC)

bağıntısı ile hesaplanır. Sekil 1.1b kapasite şarj ergisi.

Devre elemanları ; Rf =R1=5kΩ , R2=86kΩ, C= 100µf, Vsat=+22 V , -Vsat=-22V ise;

Vut = 5.15 / 10 =7.5V

Vlt = 5.15 /10 =7.5V

T = 2.100.10ˆ-6,5000 =1s
F=1/T= 1Hz

Sekil 1.1b kapasite şarj ergisi

Devrede Kullanılan Elemanlar ve Teknik Özellikleri

İşlemsel Yükselte (op-amp 741): İşlemsel yükseltecler (operasyonel amplifikatörler) ac ve dc gerilimlerde kararlı bir gerilim kazancı sağlamak için gerilim geri beslemesi kullanan yüksek kazançlı bir fark yükseltecidirler. İşlemsel yükselteçler ilk olarak anolog hesap makinelerinde toplama ,çıkarma, türev alma işlemlerinde hataları azaltmak amacıyla işlem elemanı olarak kullanılmış ve geliştirilmiştir.

Lineer entegre devrelerinde olan işlemsel yükselteçler günümüzde değişik matematiksel işlemlerin yapımında, haberleşme, güç, bilgisayar ve işaret kaynakları test ve ölçü sistemleri gibi bir çok yerde kullanılır.

İşlemsel yükselteçlerde negatif geri besleme kullanıldığı zaman kullanılan geri besleme bağıntısına uygun besleme elemanları seçilmesi ile yüksek kazançlı devreler yapılabilir.

Genelde işlemsel yükselteçlerin beş ayağı vardır. Bunların ikisi giriş, birisi çıkış ve ikisi beslemedir.

Sekil 1.1c işlemsel yükselteç mimarisi

741 op-amp karekteristiği

Giriş Uçları

Op-amp ların giriş ucları (-) (+) olmak üzere iki adettir . çıkış gerilimi uc;geri besleme yapılmaksızın elde edilen kazanç ac ile (+) girişe uygulanan Ug2 gerilimi ile (-) girişe uygulanan Ug1 gerilimlerin farkı Uf değerinin çarpımı kadardır.(Uf=Ug2-Ug1,Uc=Uf.ac)
sekil 1.1d 741 bacak bağlantıları

Şekil 1.1d 741 bacak bağlantıları 8li ve 14’lü

(+)uç giriş gerilimi Ug2 gerilimi ,(-) uç giriş gerilimi Ug1 den daha pozitif ise çıkış pozitif , daha az pozitif ise çıkış gerilimi negatif olur. Sekil .11.e

işlemsel yükselteclerde giriş ucları arasındaki ve (+) (-) giriş uçları ile şase arasındaki direnç çok yüksektir.

Çıkış Ucları

Genelde işlemsel yükselteçlerin çıkışı bir tanedir. Çıkış ucu, kullanılan op-amp ‘ın kullanım amacına ve imalatçısına göre ayaklarından herhangi birisi olabilir. Çıkış gerilimi kaynak gerilimi ile sınırlandırılmıştır. Çıkış geriliminin genliği, işlemsel yükseltece uygulanan besleme geriliminden 1-2 volt azdır. Çünkü bu gerilim işlemsel yükseltecin çıkış transistorlarında harcanır. Sekil 1.1c opamp741 iç yapısı

İşlemsel Yükselteçlerin Devreye Bağlantısı

+UB ve –UB uçları op-ampların kaynağa bağlandığı uçlardır.burlara op-amp a göre 5V,12V, 15V,18V ve en fazla 38 V uygulanabilir .op-amplara gerilim uygulanışı (şekil1.1g) gibi uygulanır.

Op-amp lar max 5-10 mA akım çekerler.741 gibi op-amp larda akımsınırlama devresi vardır. Eğer çalışma sırasında herhangi bir nedenle RL yük direnci kısa devre olusa bile çıkış akımı, otomatik olarak 20-25mA ‘de sınırlanır. (Şekil 2a-b- 741 op-amp karakteristikleri.)

Şekil 2a 741 op-amp karakteritikleri

İşlemsel yükseltecler ile yapılan devrelerde genellikle besleme kaynağı gösterilmez. Kullanılan yükseltecin kataloglardan ayak bağlantıları bulunarak besleme uçları saptanmalıdır. Sekil2b katolok bilgileri ayak bağlantıları.

İdeal İşlemsel Yükselteçlerin Özellikleri

1. Op-amplar sinyal kaynağını yüklememesi için giriş direnci sonsuz olmalıdır. Bu nedenle işlemsel yükseltecin (-) ve (+) girişlerinden içeriye doğru akım akışı olmaz.

2. Çıkış direnci sıfır olmalıdır.yükün sürülmesi için gerkli akım kaynaktan sağlanır.
3. Geri beslemesiz gerilim kazancı çok yüksek olmalıdır.
4. Girişe verilen sinyal ile çıkıştan alınan sinyal arasındaki zaman farkı çok kısa olmalıdır.
5. Bant genişliği çok yüksek olmalıdır.
6. İki giriş arasına siyal uygulandığı zaman yükselteç çıkışı sıfır olmalıdır .
7. karakteristikler sıcaklıkla değişmez.

Pratikte sonsuz büyüklüklerin çok yüksek ve sıfır gibi büyüklüklerin ise çok alcak değerler olduğunu kabul ederiz. Ancak ideal vegeri beslemesiz bir op-amp ,kazanç çok yüksek olduğundan çıkış gerilimi girişler arasındaki µV gerilim değeri bile hemen (+) ya da (-) maksimum gerilim değerine ulaşır. Girişler pozitif ve negatif yönde peryodik olarak sürekli değişirse çıkış ,kare dalga şeklinde olur.

İşlemsel Yükseltec Yapısı

İşlemsel yükselteci oluşturan katların blok şeması şekil 3a

1. fark yükselteci
2. kazanç katı
3. buffer seviye kaydırıcı
4. kısa devre koruma katı
5. çıkış katı

Şekil 1.1c deki işlemsel yükseltecin iç yapısı incelendiğinde t1 ve t2 trans. fark yükseltici ,t3 ve t4 trans. kazanç katı , t5 buffer (tampon) katı ,t7 ve t8 çıkış katı , t9 kısa devre koruma olarak çalıştığı görülecektir.

741 Op-amp ile Astable Multivibratör 1 Hz

Devre elemanları ; Rf =R1=5kΩ , R2=86kΩ, C= 100µf, Vsat=+22 V , -Vsat=-22V, SUBCKT

741 1 2 3 4 5 ise;
Vut = 5.15 / 10 =7.5V

Vlt = 5.15 /10 =7.5V

T = 2.100.10ˆ-6.5000 =1s
F=1/T= 1Hz

SUBCKT 741 1 2 3 4 5

* EWB Version 4 – 5 Terminal Opamp Model
* nodes: 3=+ 2=- 1=out 5=V+ 4=V-
* VCC= 15 VEE= -15 CC= 3e-011 A= 200000 RI= 2e+006
* RO= 75 VOS= 0.001 IOS= 2e-008 IBS= 8e-008
* VSW+= 14 VSW-= -14 CMMR= 90
* ISC= 0.025 SR= 0.5 Fu= 1e+006 Pm= 6.09112e-007
VC 5 15 DC 1.68573V
VE 12 4 DC 1.68573V
IEE 10 4 DC 1.516e-005A
R1 10 0 10Gohm
R6 11 0 100Kohm
R7 5 4 1Kohm
Rc1 6 5 5305.16ohm
Rc2 5 7 5305.16ohm
Re1 9 10 1839.19ohm
Re2 8 10 1839.19ohm
Ro1 1 14 37.5ohm
Ro2 14 0 37.5ohm
Ree 10 0 1.31926e+007ohm
Rcc 0 13 2.20906e-005ohm
Cee 0 10 1e-012
Cc 14 11 3e-011
C1 6 7 1e-016
GA 11 0 6 7 0.000188496
GC 0 13 1 0 45268.1
GB 14 0 11 0 282.942
GCM 0 11 10 0 5.96075e-009
D1 14 13 Dopamp1
D2 13 14 Dopamp1
D3 1 15 Dopamp2
D4 12 1 Dopamp2
Qt1 6 2 9 Qopamp1
Qt2 7 3 8 Qopamp2

.MODEL Dopamp1 D (Is=7.53769e-014A Rs=0 Cjo=0F Vj=750mV Tt=0s M=0)
.MODEL Dopamp2 D (Is=8e-016A Rs=0 Cjo=0F Vj=750mV Tt=0s M=0)
.MODEL Qopamp1 NPN (Is=8e-016A BF=83.3333 BR=960m
+ Rb=0ohm Re=0ohm Rc=0ohm Cjs=0F Cje=0F Cjc=0F
+ Vje=750m Vjc=750m Tf=0 Tr=0 mje=0 mjc=0 VA=50)

.MODEL Qopamp2 NPN (Is=8.30948e-016A BF=107.143 BR=960m
+ Rb=0ohm Re=0ohm Rc=0ohm Cjs=0F Cje=0F Cjc=0F
+ Vje=750m Vjc=750m Tf=0 Tr=0 mje=0 mjc=0 VA=50)

Astable 1Hz multivibratör 741 op-amp devresi

Osiloskop analizi

Kapasite şarj deşarj eğrisi

Karşılaşılan sorunlar :

1Hz frekansı bulmak için yapılan işlemlerde direnç değerleri hatalı bulundu. Sorunun matematiksel hatalardan kaynaklandığı belirlendi. Multisim Elec. Workbench programında elde edilen veriler pratik devreden farklı olduğu gözlendi. Rf direnci teoride 5kΩ olduğunda 1Hz bulundu. Pratik ve Elec. Workbench programında çalışma frekansı 1Hz gözlenemedi. Peryot 1s olması gerekirken 350 ms ve yakın değerlerde olduğu gözlendi. Sorun 5kΩ ayarlı direnç ile giderildi.

Devre % +_ 0.5 hata ile çalıştı