Temel Mikrofon Pre Amplifikatörü (common emitter)

Üniversite hayatımızdaki ilk projemiz olan bu çalışmada basit mikrofon önyükselteci yapmayı amaçladık. Tek transistordan oluşan temel common emitter yükseltme devresi kullanarak mikrofondan alınan ses sinyalini yükseltmeye çalıştık. Projemiz birkaç aşamadan oluşmuştur. Öncelikle uygun devreyi bulduk ve üzerinde çalışmalara başladık.

Devrenin teorik hesaplamalarını tamamladıktan sonra multisim programı ile simülasyonlarını yaptık. Simülasyon sonuçlarının hemen hemen istenilen sonuçları vermesinin ardından devremizin demosunu yapmaya başladık. Devre için gerekli malzemeleri temin ederek, board üzerinde devreyi kurduk ve osiloslopta çıkışı gözledik. Çıkış sonuçlarını değerlendirdikten sonra devrenin kart üzerinde kurma aşamasına geçtik. Bu aşama da sonladıktan sonra hazır olan demomuzun test aşamalarına başladık.

Derste yapılan sunumda demomuzdan istenilen sonuçları alamadık ancak devre üzerindeki çalışmalarımıza devam ettik. İlk ciddi projemiz olması açısından bizim için çok faydalı olduğunu düşündüğümüz bu proje yaptığımız hataları görmek ve bu sorunların nasıl giderileceği konusunda çözümler bulmak açısından bizim için önemli bir tecrübe olmuştur.

Devredeki elektronik malzemelerin tanımı

Transistor : Transistorlar esas olarak bipolar transistorlar ve unipolar transistorlar olarak iki kısma ayrılırlar. Bipolar transistorlarda PNP ve NPN olarak iki tiptir. PNP tipinde base negatif, emitter ve collector pozitif kristal yapısındadır. Bu transistorlar emitter montajında; emitter(+), collector(-) olarak polarize edilirler. Base emittere göre daha negatif olduğunda transistor iletimdedir. NPN tipinde ise base pozitif, emitter ve collector negatif kristal yapısındadır. Emitter topraklı olarak kullanıldığında, emitter negatif, collector pozitif olarak polarize edilirler. İletimde olması için base, emittere göre daha pozitif olmalıdır. Buradaki gerilim farkı silisyum malzeme için 0.7V, germanyum malzeme için 0.3V veya daha fazla olmalıdır.

Piyasada pek çok tip bipolar transistor mevcuttur. Bunların kullanılmaları sırasında mutlaka bacak bağlantılarını içeren bir katalog kullanılmalıdır; çünkü aynı kılıf yapısı içeren iki transistorun bacak bağlantıları ayrı olabilir. Bipolar transistorlar genelde 2 ile başlayan 2N…,2SA…, 2SB…, 2SC… gibi isimler alırlar.

Kapasitor :Elektronların kutulanarak elektriksel yükü, elektrik alanın içerisinde depolayabilme özelliklerinden faydalanılarak, bir yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına yerleştirilmesiyle oluşan temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Piyasada kondansatör, kapasite ve sığaç gibi isimlerle de anılmaktadır. Elektrik yükü depolama, reaktif güç kontrolü, bilgi kaybı engelleme, AC/DC arasında dönüşüm yapmada kullanılırlar.

Direnç : Elektrik akımının akımına direnen, bu sırada Ohm Kanununa göre uçları arasında gerilim düşümüne sebep olan devre elemanıdır. Elektriksel direnci, uçlarındaki gerilim düşümünün üzerinden geçen elektriksel akıma bölünmesiyle bulunur. “R” harfi ile gösterilir ve birimi ohm’dur. Teoride direnç ısı ile doğru orantılıdır.

Dinamik Mikrofon :Dinamik mikrofonlar en çok kullanılan mikrofon türüdür. Çünkü:

Sağlam yapılı, küçük, hafif ve oldukça iyi sayılabilecek bir frekans karakterine sahiptir, (60-10000Hz), Maliyeti düşüktür, Çalışması için ayrıca bir gerilim kaynağına ihtiyaç duymaz
Güçlü bir çıkış vermesine rağmen fidelity özelliği zayıftır.

Dinamik mikrofon diyafram, diyaframa bağlı hareketli bobin, bobinin içerisinde hareket ettiği sabit bir mıknatıs ve empedans uygunluğu sağlayan küçük bir transformatörden oluşur.

Pre amplifikatörlerin tanımı

Pre amplifikatör, kaynaktan (pikap, CD çalar vb.) alınan ses sinyallerinin güç amplifikatörüne aktarılmadan önce kuvvetlendirildiği bir amplifikatör çeşididir. Genel anlamda bir potansiyometre vasıtası ile ses kontrolünün yapıldığı, güç amplifikatörüne hangi kaynaktan sinyal yollanacağının seçildiği bir mekanizmaya sahiptir. Bunların yanı sıra ton kontrolleri (bas ve tiz için), hoparlör balans ayarı gibi çeşitli ek işlevleri de içerebilir. Üç çeşit pre amplifikatör vardır.

Aktif Pre Amplifikatör : Transistor tarafından kaynaktan gelen sinyallerin büyütülerek güç amplifikatörüne aktarıldığı, pre amplifikatör türüdür. Günümüzde kullanılan en yaygın türdür.

Pasif Pre Amplifikatör :Seste renklendirilmenin önlenmesi adına ortaya çıkan bu pre amplifikatör türü, İçerisinde herhangi bir transistor veya devre yapısı içermemekte, sadece bir kaynak seçici ve ses kontrolü için potansiyometre kullanılan özel bir pre amplifikatör türüdür.

Fono Pre Amplifikatör : Pikapların sinyal karakteristiğinden kaynaklanan daha düşük güçte sinyallerin yükseltilme gereksinimi dolayısıyla çoğu pre amplifikatörde bir fono katı bulunur. Bu katın olmadığı pre amplifikatörler için, sadece pikap sinyallerinin yükseltilmesi amacıyla, ayrı fono pre amplifikatörleri de üretilmiştir. Genel olarak pikap ilk önce fono pre amplifikatörüne bağlanır, bu da pre amplifikatör vasıtası ile güç amplifikatörüne bağlanmaktadır.

Devrenin incelenmesi : Projemizde mikrofondan alınan ses sinyalini yükseltmek için Şekil 1 de görülen common emitter collector feedback konfigürasyonu kullanılmıştır. Temel devre şekil 1 deki gibidir. Feedback devresinin akım ve voltaj kazancı yüksektir. Devre kararlıdır ancak collector üzerindeki gürültü Rf üzerinden artarak gidebilir.

Şekil 1 Collector Feedback Devresi

Bu sorunu gidermek için Şekil 2 de gösterilen devremizde 220uf`lık kapasitor kullandık. Bu kapasitor oluşan gürültüyü süzerek toprağa vermektedir.

Şekil 2 Mikrofon Pre Amplifikatör Devresi

DC Analiz : DC analizde kapasitorlar açık devre gibi davranır ve yapılan hesaplamalarda sonucu etkilemezler. Yani kapasitorlar DC yalıtımı sağlarlar. DC analizde akım iki değişik
yolu izlemektedir. Birinci yolda akım transistorun collectorundan geçerek emitterden
toprağa akmaktadır.

Şekil 3 DC Analiz I.Yol

İkinci yolda ise akım transistorun collectorundan base’ine feedback yaparak R3 direnci üzerinden base den emitter doğru akmaktadır.

Şekil 4 DC Analiz II. Yol

AC Analiz : AC analizde re modelini kullandık. Bu aşamada yalnızca devrenin AC tepkisiyle ilgilendiğimiz için kapasitorları kısa devre ve DC kaynak yerine sıfır potansiyelli eşdeğer devre elemanı konulabilir; çünkü DC kaynak çıkış geriliminin yalnızca DC veya sükûnet düzeyini belirler ve AC çıkışının salınım genliğinde herhangi bir değişikliğe sebep olmaz. re eşdeğer modelinde Rc2 direnci C3 kapasitorundan dolayı kısa devre olmuştur. Bu yüzden eşdeğer devrede bulunmamaktadır.

AC ölçümü DC ölçümü Devrenin simülasyonu

Simulasyon sonuçlarına bağlı olarak çizilen grafiğe bakıldığında genliğin %70 ine düştüğü 1kHz ile genliğin maksimum olduğu 20kHz frekans aralığında devre çalışmaktadır. Ayrıca simulasyon sonuçlarında şu neticeyi de görmüş olduk. Common emitter yükselteç kullanmamızdan dolayı giriş ile çıkış arasında oluşması gereken 180 lik faz farkı 1-20kHz frekans aralığında oluşmuştur. Bu sonuca görede frekans geçiş aralığı 1-20kHz dir. Simulasyon sonuçlarında 2mV uygulanan giriş sinyali yaklaşık 600mV’a kadar yükselmiştir. Simulasyon sonuçlarında hesaplanan kazanç faz farkının da olması sebebiyle yaklaşık 300’dür.

Devenin bord üzerinde kurulması

Simülasyon da tamamlandıktan sonra artık projemizin en önemli kısmı olan demonun yapımına başladık. Örnek devremizdeki elemanlar Konya Sokak’tan temin ettik.

Temel devre için gerekli olan 3 direnç, 3 kapasitor, 1 transistor, 4 pin, 1 bakır levha, 1 CD kalemi, 1 şişe tuz ruhu, 1 board, 1 sarı kağıt,1 dinamik mikrofon ve 0.8 lik matkap ucunu satın aldık. Ancak her türlü olasılığa karşı bu elemanlardan üçer adet aldık. Proje süresince devrenin oluşturulması içinde harcadığımız toplam tutar 15 YTL olmuştur. Devrede kullandığımız havya, lehim, matkap ve H2O2 yi kendi evlerimizden temin ettik.

Devre elemanlarını da tamamladıktan sonra okulda yeni açılan donanım laboratuarında devreyi board üzerinde kurduk.

Levhaya Aktarım

Devre çizimini sarı kâğıt üzerinden bakır levhaya aktarmamız gerekiyordu. Bunun için bakır levha üzerine, sarı kâğıdın devre şeması olan kısmını koyarak kâğıdı ütüledik. Sarı kâğıtta kabarıklar oluştu ve çizimin bakır levha üzerine düzgün bir şekilde aktarıldığını kontrol ederek yavaş yavaş kâğıdı levhadan ayırdık. Bu işlemi tekrarlayarak yedek devreyi de bakır levha üzerine aktarmış olduk. Bakır levha üzerinde kalan sarı kâğıttan kaynaklanan saydam plastik parçalarını temizledik. 2. bakır levhadaki çizimlerin bir kısmında biraz silik yerler vardı. Bu silik eksik kısımları asetat kalemi ile tamamladık. 1. levha üzerine ise kusursuz bir şekilde devre aktarılmıştı.

Levhanın Çözeltiye Atılması

Bu işlemi gerçekleştirmemizin sebebi tamamıyla iletken olan bakır levhanın, devre şeması ile gösterilen yollar dışında yalıtkan hale getirilmektir. Tamamen bir kimyasal reaksiyon sonucu çözelti bakır levha ile reaksiyona girer ve plaka yalıtkanlaşır. Yalnızca baskı yapılan bölgenin altındaki alan reaksiyona girmez ve iletken olarak kalır.

Çözeltiyi şu şekilde hazırladık; Plastik bir kap içine 3 ölçü tuz ruhu ve 1 ölçü asit döktük. Plastik kabı ve 2 levhayı alıp evin bahçesine çıktık. Bunun sebebi tepkime sırasında oluşan zararlı gazlardan açık havada fazla teneffüs etmeden korunmaktır. Levhaları içinde asit olan kaba attığımız anda sıvıda yeşilleşmeler başladı ve gaz çıkışı gözlemlendi.

Levha üzerindeki iletken kısım asitle tepkimeye girip tamamen yok oluncaya kadar bekledik. Bir plastik eldiven yardımıyla levhaları sıvının içinden aldık. Levhaları incelediğimizde aside atmadan önce asetat kalemi ile üzerine yazdıklarımızın da kaybolduğunun farkına vardık. Bunun sebepleri yazıları ince yazmamız, fazla bastırmadan yazmamız ve belki de kurumasını yeterince beklememiş olmamız olduğunu düşünüyoruz.

İlk ciddi projemiz olan bu çalışmada öğrendiğimiz en önemli sonucun teorik bilgilerin uygulamayla birebir uyuşmadığı olmuştur. Pratik uygulamada hiç bir şeyin ideal olmaması olayların teorideki gibi işlemediğini gösterdi. Çalışmamız süresince birçok problemle karşılaştık ve bunları çözümlemeye çalıştık. İlk deneyimimiz olması nedeniyle çeşitli acemilikler yaşadık; ancak bu çalışma ilerisi için çok önemli bir deneyim oldu.

Yaptığımız devrenin frekans geçiş aralığını incelediğimizde 1-20kHz arasında olduğunu görmekteyiz. Bu durumda devremiz frekansı yüksek olan tiz sesleri yükseltecek, frekansı düşük olan bas sesleri yükseltmeyecektir

Pre Amplifikatör devreleri hakkında detaylı bilgiler hesaplamalar ve örnek uygulama devresi