TRANSİSTÖR OSİLATÖRLERİNİN GRAFİK OLARAK TASARLANMASI

UDK : 621 .395.62:621 .398: «21.373.42

Transistor Osilatörlerinin Grafik Olarak

Tasarlanması

Y azanlar: W. R. Mc SPADDEN

E. EBERHARD

Çeviren: Nadir SANLI Y. Müh. — S.E.T.

Basitleştirilmiş yaklaşık transistor osilatör ta sarlanmasında grafik metod kullanılır. Yüksek stabiliteli 1 MHz. de çalışan transistor kristal osi latör tasarlamakta, reaksiyon devrelerinin hazır lanmasındaki universal metod ile grafik tekniği kullanılmıştır.

Bu yazıda, transistor osilatör tasarlamasının ye ni bir metodu izah edilmiştir. Öyle ki bir çok kris tal osilatör ihtiva eden farklı devrede ufak deği şikliklerle kullanılabilir. Basit olmakla beraber bir çok mühendislik hesap tasarlamalarında kâfi doğrulukta neticeler verebilecek kabiliyettedir.

Sarflar : Tasarlama metodu, osilâsyonlar için verilen Barkhausen kriterine dayanır,; ki bu kriter: sü rekli rejim şartları altında, bir osilatör'ün kapalı devresinde kazancın bir'e, faz kaymasının da sı fıra eşit olmasını ifade eder.

Problemi basitleştirmek maksadı ile bu iki gart ayrı ayrı nazarı itibara alınacaktır. İlk şart devrede osilasyonun olup olmadığını belirtir. Şa yet «Loop» kazancı birden küçükse osilatör çalış mıyacak, birden büyükse osilasyonlann genliği loop (çevre) içinde doyma oluncaya kadar arta cak, bundan sonra azalmak istiyecektir. İkinci şart osilatörün frekansıyle alâkalıdır. Eğer faz kay ması sıfırdan farklı ise frekansı onu sıfır yapacak şekilde kayar.

Transistor osilatörlerinin tasarlanması, vakum tüplü osilâtörlerde rastlanmayan çeşitli prob lemleri ihtiva eder. Birincisi; bir transistorun çı kış empedansının giriş empedansma oranı umu miyetle yüksektir, ve reaksiyon devresinde empe dans transformer1! kullanmak lüzumludur. Ayni tip transistorlerde bile farklı transistorlerin para metreleri değişik olabilir.

Loop güç kazancı:

Genelleştirilmiş osilatör devrelerindeki güç bağlantılarının analizi yaklaşık olarak her hangi tip reaksiyonlu osilatörlere tatbik edilebilir.

Osilatör, önce şekil 1 deki gibi Uç kısma ayrılır. Transistor amplifikatörün güç kazancı G, giriş em pedansının omik bileşeni Ri, ve çıkış gücü Pt dir. Gösterilen osilatör de faydayı yükle güç RL ve PL ile belirtilmiştir. Amplifikatörün çıkışından giri ' gine kuplaj reaksiyon devresi vasıtasıyle yapıl mıştır.

AMfLlFitATİ* z <rtfUSl>. di HAZA uç Q.

z ( 0 &£4*i)roN

w

ctKn t>. P(

(Şekil : 1) Genelleştirilmiş osilatör

Reaksiyon devresinin giriş emperdansının omik bileşeni Rf ve bunun aldığı güç Pf ve ampli fikatörün Ri direncine Pi gücü nakledilmiştir. Şe kil 1 ve yukarıdaki mülâhazalardan aşağıdaki ba ğıntılar görülmektedir. ,

E = P, /Pf Pt = G. PI

.

(lj

(2)

PL = P, Pr

(3)

Basit işlemlerle bu bağıntılardan şu eşitlik çı karılabilir.

RL=Rf/(EG I)

(4)

Bu eşitlik, reaksiyon devresinin giriş direnci ile yük direnci arasında, bir loop kazancı için olması icab eden bağıntıyı göstermesi bakımından mü himdir.

Reaksiyon şebekesinin bahsedilen genel bağın tılarını düşünelim; şebekenin açık devre transfor masyon kaybı Rn direnci ile gösterilirse şebeke, kayıpsız farz edilen bir empedans transformer'i ile Rn'in paralel bağlanışı gibi kabul edilir. Bu basitleştirme neticesi transformer'in kısa devre kayıpları ihmâl edilebilir.

Şekil 2 düşünülürse, Rf, giriş empedansı; A, hakiki empedans oranı; K, teorik empedans oranı; E, transformer verimi; Rs sekonderdeki yük, netice olarak aşağıdaki bağıntılar elde edilir.

(•) December 5 1958 ELECTRONIC mecmuasında ki «Graphical Destgning of Transistor Oscllla tor» isimli makaleden.

B.M.M. 72

>>

T#4UffMHtK.

enfit OAHI

[

\

(Şekil : 2) Translorv&r, Zıt reaksiyon şebekesinin basitleştirilmiş gösterilişi

A = Rr / R,

(5)

A = K / ( 1 + K R, / Rn ) (6)

A/K

(7)

Eşitlik (6) basit bağıntıları ihtiva etmekte dir, Rs, çok küçük değilse eşitlik (7) büyük bir doğrulukla kullanılabilir. Rn'i ölçerek veya dev renin Q su ve K biliniyorsa hesaplamak kolaydır, eşitlik, 6 ve 7 den transformer Rs ile yüklü ise hakiki empedans oranı ile transformer verimini elde etmek için kullanılır. Eğer yüksek hassasiyet istenirse bu miktarlar tecrübi yollarla Rs'in fonk siyonu olarak ölçülebilir.

Fazlalık kazanç :

Bir osilatörü tam olarak birim Loop kazancı ile tasarlamak doğru olmaz, her hangi pratik osi latör fazla Loop kazancını haizdir. Bu yüzden, osı lasyon genliğinin, istenen kararlı osilasyonlan el de etmek için minimum Loop kazancına kadar yük selmesi ve ümitlenmesi mümkün olur. Bir T fak törü, hakiki A sınıfı amplifikatör kazancı Gp nin, osilasyonlan meydana getirmek için lüzumlu mi nimum amplifikatör kazancı G ye oranı olarak ta rif edilmiştir.

T ma Gp / G

('<

T = 1 olduğu zaman osılasyonlar mümkündür. Loop kazancının matematik analizi bazı hallerde

basit olabilir, fakat problem ekseriya osilatör Loop'un muhtelif kısımlarının birbiri ile alâkalı olmasından karışıktır.

Grafik nretod :

Burada kullanılan yaklaşık grafik metod, ta sarlayıcıya, bu problemi halletmede yardım mak sadıyle geliştirilmiştir. Böylece yanlız çözümün kolaylaştırılması değil, çeşitli devre parametre de ğişmelerinin tesirini açıkça görmek kabil olur.

Düşünmenin teferruatı şekil 3 teki diyagram da görülmektedir. Diyagram dört direnç ekseni

ile bölünmüştür. Sağ yukardaki Quadrant (kısım); transistor üzerindeki toplam kollektor yükü Rt ve transistor amplifikatörün giriş direnci Ri ile sı nırlanmıştır. Çok basit osilatör devrelerinde Ri = Rs dır, fakat bu kristal osılatörlerinin bü tün tipleri için cari değildir. Bu kısım transistor Quadrant'ı olarak adlandırılmıştır, ki Ri nin Rt ye göre eğrisi kullanılmış transistor için çizilmiştir. Üst soldaki kısım, Rı ve Rf etsenleri ile sınırlan mıştır. Bu kışıma empedans transformatör Quad rant'ı denir, ve doğruda, hakiki transformasyon oranı A'yı temsil etmektedir, bu doğru 5 eşitliği ne dayanarak çizilmiştir.

(Şekil : 3) Osilator Loop kazancı için grafik çözüm misali Bu usul, diğer tasarlama faktörlerini, bilinen parametrelere dayanarak çözmekte kullanılır

Alt sağdaki kısım, Rf, RL eksenleri ile sınırlan mıştır, ve güç bolümü Quadrant'ı olarak 4 eşit liği ile alâkalıdır.. Bu kısımdaki Rf RL le alâkalı doğru vasıtasiyle verilen bir verim kazanç EG bu lunur. Bu kısımda T nun verilen bir kıymeti içinG=Gp/T yaparak hesap yapmak kabildir. Sağ alt kısım ise yük Quadrant'ı olarak adlandırılır. Bu kısımda Rf in sabit değeri için Rt ve RL ara sındaki bağıntıyı gösteren bir eğri vardır.

Diyagramın kullanılması :

Bu diyagramı kullanmak için; bir E verimi ve Ad hakiki transformasyon oranı bilinen bir em pedans tranisformatör'ü ile toplam transistor yü kü Rt ekseni üzerinde (a) noktası ile belirtilen şartlar belirli olmalıdır, (a)'dan Rtye çıkılan dik ve (b) den çizilen yatayla (c) ve (d) noktaları ve (d) den inilen dikle (e) noktası bulunur. Keza, (a) dan indirilen dikle (h) ve (h) dan çizilen ya tayla (g) bulunur. Dördüncü kısımda kullanılmış hususî Rf eğrisi (e) noktasından Rf'in değerine uygun olmalıdır (e) noktası reaksiyon şebekesi nin giriş empedansının değerini verir ve (e) nok tası RL in değerini belirtir ki Rp le konbinezonu Rt nin orijinal kabul edilen değerini verir.

g h ve dr©ı doğrularını (f) te kesişinceye kadar uzatılırsa, osilasyonların başlaması için te min edilmiş kazanç verimi bulunabilir. Verilmiş E için bilinen (f) noktasından EG bulunmuştur, minimum istenen kazanç G elde edilebilir. Eğer bu kazanç transistorun A sınıfı kazancı Gp den bü yükse devre osilasyon yapmıyacaktır. ve eğer G, Gp den küçükse osilasyon belirir ve T (şim di birden büyük) 8 eşitliğinden elde edilebilir. Bu yolda muhtelif haller derhal görülecektir. Meselâ, Rt, RL1 T ve E biliniyorken empedans uydurucu devrede düşünülmüşse tasarlama başlıyabilır.

Avantajlar:

Bu yolda, tasarlamanın avantajlarından biride kolaylığıdır. Şekil 3 teki basit diyagramın kolay değişmeleri bu metodun, seri usulde kullanılan kristal osilatörlere tatbikini mümkün kılar. Bu de ğişme, Rs'ın yeni bir değerini elde etmek için kris talin eşdeğer seri direnci RL 'e transistorun giriş direnci R! i eklemek gerekir E verimi kristaldeki güç kaybı için tekrar hesablanmıştır. İlerdeki, mi sâl bu durumu aydınlatacaktır.

Grafik usulü kolaylaştırmak için birinci kısım da yardımcı bir eğri düşünülebilir. Bu eğri, top lam yük Rtye karşılık transistorun güç kazancı Pt nm diyagramıdır ve Rt nın farklı değerlerinde, çalışmanın neticesini kolayca belirterek tasarla mayı basitleştirir.

Tasarlama usulü, transistor Quadrant'ında eğri aileleri ile çalışılarak genişletilebilir. Bu, empe dans oranları; istihsal kazanç verimleri ve Rt,RL( Rf değerlerinin geniş değişme sınırları arasına yer leştirilebilir. Eğer, transistor için limit güç kazan cı ve Ri eğrileri biliniyorsa, bu da transistor Quad rant'ı içine yerleştirilebilir.

Reaksiyon Şebekesi:

Bilindiği gibi bu şebele, bir Rn şönt direnci ve empedans oranı k olan kayıpsız transformer ol mak üzere iki kısımdır. Şekil 2.

"Teorik olarak bir emyedans transformatörü nün çalışması Rn ve K faktörleri ile karakterize edilebilir. Bu iki faktör verilen bir şebekede bili nir Eşitlik 5, 6, 7. Genel olarak bu reaksiyon şe bekesi çalışmanın arzu edilen frekansına ayar edil miş band geçirici (band pass) filtredir.

Şebekede, yüksek Q lu (Q>10) bobinler kulla nıldığı düşünülerek Rn; sekonder yüklenmemişken ( Rs = oo ) ve şebekenin rezonansta giriş empe dansı hesablanarak koreyca bulunabilir. Filtre ka yıpsız kabul edilerek ve Rs in fonksiyonu olarak Rf hesablanarak K için bir ifade elde' edilebilir. Bu kabulden dolayı kısa devre kayıpları sıfırdır. Her zaman Rs in bir minimum değeri olacaktır ki ta sarlama eşitlikleri doğrudur.

Yukardaki iki paragrafta prensiplerin ana hat ları kullanılarak üç şebeke için eşitlikler inkişaf ettirilmiştir. Basit bağıntılar ve sınırlamalar şekil 4 te gösterilmiştir.

Şekil 4 c deki devreyi kullanarak yapılan osila tör Colpitts osilûtörüdür, ve eğer Ls ve R3, pa ralel usullü kristalle yer değiştirirse bilinen Pier ce osilâtor'u elde edilir. Şekil 4 c deki kabuller daha sonraki hallere tatbik edilmez. Değişme baş ka yerlerde yapılabilir.

Misâl:

Bir kristal osilatör L C C şebekesi ile beraber misali anlatmak için seçilmiştir. Transistor, kris

c.c, k. 3ur*Ja

C'tii İCL

*,«*(,

M)

co

(Şekil . 4) Zıt reaksiyon şebeıcelerıntn üç tipi için devre ve basitleştirilmiş eşitlikler. (Al L C C tipi, (B) C L L tipi, (C) C L C tipi. (C) tipi Colpitts osılatörü içindir.

tal ve yük direncinin belirtildiğini kabul edelim. Çalışma frekansı 1 mHz. olacaktır, transistor 6,900 o faydalı yüküyle 2N247 tipi kristal de CR 19/U tipi olacaktı. Şekil 5'e göre tasarlama aşağıdaki gibi devam edecek;

(1) Rtnın değişik değerleri için 1 mHz. deki güç kazancını ve giriş rezistansını belirtmek ve transistor öngerilim (bias) şebekesini tasarlamak. Bias şebekesini tasarlamak için her hangi standart transistor karakteristiklerine bakılır. Rt ye karşı Gp güç kazancı ve Ri şekil 5 te. Bu misâl için RE = 4.700 ohm, RB = 180.000 ohm; Ic = lmA; Ve = 3V; kristalin Rj = 140 ohm.

(2) Şekil 5 te bütün bilinen noktaları ve eğri leri bulmak.

(Şekil S) L C L, Zıt reaksiyon şebekesi ile tasar lanan kristal osilatör misali. Trcmzistor tıpı 2N247 ve isteyen frekans 1 Hz.

RL = 6.900 ohm, Ri = 34 ohm. (tahminen sabit)

Rs = Ri + R! = 174 ohm. (3) R! le mukayeseli olarak Rf'i seçmek.. Şim di Rf = 35000 ohm. seçelim . Bu noktayı grafik te işaret edelim. (4) Loop'u kapayıp aşağıdaki parametreleri kaydetme: RL = 6900 ohm; A = 200; Rs = 174 ohm; EG = 6.1; Rf = 35000 ohm ve Gp = 170. (5) Şimdi L; yi seçelim. Bu misâl için küçük ferrite toroidal endüktör aşağıdaki sabit değer leri alabilir. L2 = 286 fiH; Q = 147; R2 = 12,2 ohm. ayarlama için bobinle rezonansa gelebilen Ct kondansatörü 90 (j.(j,F. (6) Rn ve K yi hesablamak : Rn = Q XL2 = 265000 ohm. K = A. Rn/ (Rn —ARs); K = 231.

E.M M. 72

(7) Verimi ve Loop kazancını hesablamak : Et = A/K = 0,867 transformatöı verimi Ex = R, / Rs = 0,195 kristal verimi T = E, . E*. Gp / E. G = 4,7 (T) nun bu değeri ile osilasyon garantidir. (8) Şebekenin kondansatör hesabı .

C, = \ / K. C« = 1, 70 |ijı_F

C3 =

/

T 1 ) = 96,5 |x

Yukardakı osılator yapılmış ve T (nun seçi len değerleri için iyi netice alınmıştır. Stabılıte için yapılan ölçülerde, besleme gerilimındeki % 1 değişme için frekans kaymasının 0,0005 ten daha az olduğu görülmüştür.

Çıkış gerilimi :

Tasarlamalarda osilatör çıkış gerilimini düşün mek gerektir. Eğer aşağıdaki ıkı faktör biliniyor sa problem cidden kolay çözülür; faktörler: Osi lasyonlar için uygun minimum kazanç G; istenen çalışma noktasında ve istenen yük direnciyle çıkış gerilimi ile güç kazanç eğrisi.. Bu faktörlerle osi latörün netice genliği oldukça iyi bir doğrulukla tespit edilebilir.

. Pratikte, yukardaki bilgiler ekseriya bilinmez ve tasarlayıcılar çıkış gerilimi ile güç kazancı eğ risini elde etmeden çıkış gerilimini yaklaşık ola rak hesab etmek isteyebilirler. Eğer osilatör ça lışma noktası sabit ve A sınıfı çalışma bölgesinde olacak şekilde hazırlanmışsa, çıkış gerilimi fazla lık loop kazancı miktarından çıkarılabilir Bunu şöyle yapabiliriz : Kollektördekı a c geriliminin tepe değeri d c kollektör gerilimine eşit olduğu zaman limiti eme keskin olacak; ve kazanç sür'atle düşecektir. Şekil 6 daki tecrübi bilgi gösterirki eğer loop kazancı T 1,8 den büyükse, çıkış geri limi bu maksimum teorik değerin % 15, civarın da olacaktır; eğer T 2,5 tan daha büyükse, çıkış

2eirr

L0Op (Şekil 6) A sınıfı çalışma bölgesinin ortalarında çalışan ostlatör için Loop kazancının fonksiyonu olarak çıkış gerilimi

gerilimi bu teorik değerin % 9, civarında olacak tır. Bu bağıntı eğer genlik limitlemesi kâfi dere cede keskinse caridir.

Eğer transistor çalışması kesim noktasına ya kınsa, limitleme, kollektör gerilimi tepe değerinin çok aşağı değerlerinde başlıyacaktır, fakat limit leme keskin olmıyacak ve çıkış genliğinin tepe de ğeri d c ye eşit oluncaya kadar kazanç düşmesi devam edecektir.

Osllatör frekansı:

Osilatör frekansına tesir eden faktörler ara nırken Barkhausen kriteri düşünülür ki, o da, her hangi osilatörde sürekli çalışma şartları için Loop civarında faz kayması sıfır olmalıdır.

İyi bir frekans stabitesi için amplifikatörde çok az faz kayması olmalıdır. Burada birinci dere cede mühim olan faktör; transistor transfer ka rakteristiği hfe veya hn> ile birleştirilmiş faz açısı büyüklüğüdür.

UbK : 621.315.051

CIGRE 1962 Toplantısı

Turhan ONUR Y. Müh. İLLER B.

Cigre (Conference International Des Grand R6seaux Electriques International Conference on Large Electric Systems Milletlerarası büyük elek trik sistemleri Konferansı) 19 uncu toplantısını Pariste 16 ile 26 Mayıs tarihleri arasında yaptı. Konferansa Türkiyeden Türk Milli Komitesi Baş kanı EJ.E İdaresi Genel Direktörü Y. MÜH. İbra him Deriner, Komite Genel Sekreteri Ord. Prof. Cabir Hamdi Sepen, I.T.Ü.Elektrik Fakültesin den Prof. Turgut Boduroğlu, Doçent Muzaffer Öz kaya, E.Î.E. İdaresinden Y. Müh. Demir Aykor, Eti bank Genel Müdürlüğünden Y. Müh. Kenan Er gen, İller Bankası Genel Müdürlüğünden Y. Müh. Tahsin Armay ve Y. Müh. Turhan Onur iştirak et miştir.

Bu yıl yapılan toplantıyı izah etmeden önce Cigre'yı kısaca tanımak faydalı olacaktır.

Cigre 1921 yılında kurulmuştur. Her iki yıl da bir toplanmaktadır. Gayesi Elektroteknik ko nusundaki gelişmeleri araştırmak ve bütün mem leketler elektrik teknisyenlerine yaymaktır.

1939 yılına kadar 10 toplantı yapmıştır, 8 Tem muz 1939 tarihli toplantısından sonra 1946 yılına kadar İkinci Cihan Harbi sebebi ile toplantılar' ya pılamamıştır. İkinci Cihan Harbinden sonra 11 in ci toplantı 27 Haziran 6 Temmuz 1946 tarihleri arasında Pariste yapılmıştır'. Bu tarihten itibaren her iki senede bir muntazam olarak toplantılarını

yapmıştır. 19 uncu toplantıya Cigre'nin 2700 üye sinden 1715 i katılmıştır.

1946 Toplantısında 17 milli komite vardı. Bun lar Belçika, Bulgaristan, Mısır, İspanya, Amerika Birleşik Devletleri, Fransa, Büyük Britanya, İtal ya, Norveç, Hollanda, Polanya, Romanya, İsveç, İs viçre, Çekosİavakya, Rusya ve Yugoslavya idi. 1962 yılında ise milli komitelerin sayısı 36 ya yüksel miştir. Yeni katılan milli komiteler Güney Afrika, Almanya, Arjantin, Avustralya, Avusturya, Kana da, Danimarka, Finlandiya, Yunanistan, Macaris tan, Hindistan, İrlanda, İzlanda, İsrail, Japonya, Ma rok, Meksika, Portekiz, Türkiye ve Uruguay'dır.

Cigre'ye hakiki ve hükmi şahıslar aza olabilir. Bir çok mühendis ve ilim adamları ile beraber ima lâtçı, müşavir ve tesisci resmi ve hususi firmalar üyedir. Devamlı üyelerin aidatı 320 NF muvakkat üyelerin aidatı 400 NF dir.

Cigre Toplantısına gönderilen raporlar İngiliz ce ve Fransızca basılır ve üyelere birer kopya verilir. '

Cigre'nin devamlı merkezi «112 Boulevard Haussmann Paris» dir. Toplantılar La Fondation Berthelot 28 bis Saint Dominique de yapılır, bu yılki toplantı programı aşağıda verilmiştir. Top lantıyı 16 Mayıs 1962 Çarşamba günü saat 10.00 da Cigre Başkanı M. SİLVA açmıştır ve müteaki ben Fransa Sanayi Bakanı Mr. BOKANOWSKİ ko nuşmuştur.