Negatif Voltaj Jeneratörü Devresi

Negatif voltaj jeneratörü devresini öğrendiğiniz zaman; Op-amp, müzik-ses sistemleri, analog devreler, güç kaynağı gibi alanlarda kolaylıkla uygulayabilir ve kullanabilirsiniz.

Negatif Voltaj Nedir?

Aslında negatif voltajı anlamak için küçük bir benzetme yeterli olacaktır, bu sayede kolay yoldan “gerilim” yani potansiyel fark kavramını anlayabileceksiniz. Çubuk Adam’ın boyunu ölçerek başlayalım;

Çubuk Adam’ın boyu 1.8m.

Çubuk Adam’ın 1,8 m boyunda olması ne anlama geliyor? Boyunu sadece ona bakarak bulabilir miyiz? Tabii ki hayır, bir canlının, nesnenin ya da objenin yüksekliğin ölçebilmek için bir konumu referans olarak almamız gerekir. Çubuk Adam’ın boyunu 1.8 metre olarak ölçmek için, yeri yani zemini başlangıç noktası(referans) olarak alıyoruz.

Gerilim yani voltaj ile aynı mantık. Gerilim hakkında başka bir nokta ile karşılaştırmadan hiçbir şey söyleyemeyiz. Bu yüzden bir referans noktası almak zorundayız. Genel olarak devrelerde referans noktası 0V, ground olarak alınır yani referans noktası 0V’tur. Özel olarak belirtilmediği sürece, neredeyse her devrede referans noktası 0V olur. Mesela bir kişi size pilin 5V olduğunu söylüyorsa; bu pilin + çıkışı ve – çıkışı(GND)na referansı +5V olduğu anlamına gelir, +5V-0V= +5V.

Çubuk Adam modelimize geri dönelim ve onu 1.8 metre derinliğinde bir çukura koyalım;

Şimdi boyunu tekrar zemine göre ölçtüğümüzde metremiz; EKSİ 1.8 metreyi göstermiş oldu. Çubuk Adam hâlâ aynı kişi, referans noktamız da aynı fakat bulunduğu konum diğer örneğe göre farklı bir yerde olduğu için böyle bir sonuç aldık. Bu mantık voltaj yani gerilim hakkında konuşurken tamamen geçerli.

Pillerle Negatif Voltaj Oluşturmak

İki adet 9V pili birbirlerine seri olarak bağladığımızı düşünün, toplam volt 18V olur. Unutmayın – 9V’luk bir pil, artı terminalin eksi terminalden 9V daha yüksek olduğu anlamına gelir.

İki pili bu şekilde seri bağladığımızda;

A ve C çıkışlarını bir multimetre ile ölçünce yani A çıkışını, C çıkışına referans alarak ölçünce 18V gibi bir değer alırız.

Peki A ve C çıkışları, B bağlantısına göre referans alırsak?

İşte tam olarak Çubuk Adam örneğinde bahsettiğimiz gibi! Referans noktası iki pilin bir birine bağlandığı yerden yani birinci pilin + kutubu ile ikinci pilin – kutubu bağlantısını referans alınca, ilk pilden +9V, ikinci pilden -9V alıyoruz!

Negatif Voltaj Neden Gerekli?

Negatif voltaj genellikle op-amp, müzik, AC dalgaları gibi alanlarda oldukça sık kullandığımız bir gerilim çeşididir. Örneğin bir astable multivibrator yani kararsız multivibratör devresinde negatif gerilime ihtiyaç duyarız.

Bazen üç bağlantıya sahip bir güç kaynağına ihtiyaç duyan devreleri görürsünüz, örneğin + 9V, 0V ve -9V. Bu, amplifikatör devreleri için çok yaygındır. Ancak, devrenin + 18V, + 9V ve 0V (GND) ihtiyacı olduğunu da söylemiş olabilirler. Sadece farklı isimlerle aynı şey olurdu.

Kapasitör ve Harikaları

Kapasitif kuplaj, bir kapasitörün terminaller arasındaki voltajı sabit tutmaya çalıştığı bir etkidir. Örneğin, bir kapasitörün her iki tarafı 0V ise ve plaka 1 aniden 10V’a getirilirse, diğer plakadaki voltaj hemen 10V’a yükselmeye başlayacaktır. Aynı şey tersi için de geçerlidir: İlk plaka 10V’dan 0V’ye getirilirse, diğer plaka 10V ile düşerek kondansatör üzerindeki voltajı sabit tutmaya çalışır.

Sol plaka 10V’a yüklendiğinde ve diğer plaka 0V’da tutulduğunda negatif değişikliğin nasıl -10V verdiğine dikkat edin. Bu, negatif voltaj üretmek için kullanılacak olan mantıktır. Ancak diğer tarafı da 10V’a şarj etmeden sol tarafı 10V’a nasıl şarj ederiz? İlk plakayı 10V’a aldığınızda, diğer tarafın da bu voltaja ulaşmaya çalışacağını unutmayın. İşte tam bu esnada diyotlar devreye giriyor!

Diyot ile Pozitif Voltajı Filtrelemek

Diyotların sadece bir yönde akım geçirdiğin hatırlıyor musunuz? Bir kapasitör ve iki diyot ile basit ama işlevsel bir düzenleme kullanırsak, bir kapasitör plakasında negatif bir voltaj üretebiliriz!

Giriş 0V’dan 10V’a yükseldikçe, C1 üzerindeki negatif plaka da kapasitif kuplaj nedeniyle eşleşmeye çalışacaktır. Bununla birlikte, plaka 0.7V’ye ulaştığında, D1 iletken olur ve bu, plaka voltajının 0.7V’den daha yüksek olmasını önler. Şimdi 10V’da pozitif plaka ve 0.7V’de negatif plaka ile, plakadaki potansiyel fark 10 – 0.7 = 9.3V’dir. Pozitif plaka hızla 10V’dan 0V’a düştüğünde, bu 9.3V potansiyel farkı kuplaj nedeniyle korunmalıdır. Bu nedenle, negatif plaka -9.3V’ye düşer. D1 ters yönlü olduğu için iletemez, bu nedenle bu negatif voltaj kondansatör üzerinde kalır.

Bununla birlikte, D2 şimdi iletmektedir çünkü anot (C2 negatif plakaya bağlı), katottan (-9.3V’ye bağlı) daha yüksek bir potansiyele sahiptir. Bu nedenle, C2’nin negatif plakasındaki voltaj, D2 iletimi durana kadar azalacaktır. D2, voltaj gerilimi 0,7V’den düşük olduğunda iletimi durdurur. Bu, C2’nin negatif plakası -9.3 – -0.7 = -8.6V olduğunda gerçekleşecektir.

Ancak harici bir cihaz negatif voltajı kullanmaya çalışırsa, çok hızlı bir şekilde tüketilir! Bunun nedeni, devre sürücüsünün akım sınırlarının yanı sıra, nispeten küçük C1 ve C2 boyutlarıdır. Çözüm, girişe bir osilatör bağlamaktır, böylece C1’de sürekli olarak negatif bir voltaj üretilir, bu da C2’yi yukarıda tutar.

C2, değeri olabildiğince sabit tutmaya çalışmak için negatif voltaj kullanan harici cihazlar için bir ayırıcı olarak kullanılır. Projemiz için C1 10uF kapasitör ve C2 100uF kapasitör olacak.

Osilatör / Sinyal Üreteci

Osilatör, 555 zamanlayıcıdan mikro denetleyiciye kadar herhangi bir şey olabilir, ancak negatif voltajın osilatörün maksimum voltajı – min voltajına eşit olacağını unutmayın. Bu projede, iki farklı osilatör kullanmayı göstereceğiz.

Kullanılan Malzemeler

Osilatör ile devreyi oluşturmaya başlayın ve ardından kapasitör-diyot devresini oluşturun. 74HC14 osilatörünün sadece bir kapasitörü ve direnci olduğundan, 555 entregresine göre daha az kullanıyoruz. 555 entegresinde R1 için 5.6kΩ direnç, R2 için 47kΩ direnç, C1 için 10nF kapasitör ve C2 için 100nF kapasitör kullanır.

Diyot Filtre Devresi

• 1N4148 / Çok Amaçlı Diyot x 2
• 10uF x 1 ve 100uF x 1 Elektrolitik Kondansatör

555 İle Kurulan Devre

• 1N4148 / Çok Amaçlı Diyot x 2
• 10uF x 1 ve 100uF x 1 Elektrolitik Kondansatör

74HC14 İle Kurulan Devre

• 1N4148 / Çok Amaçlı Diyot x 2
• 10uF x 1 ve 100uF x 1 Elektrolitik Kondansatör

Bir osiloskopunuz varsa, osilatörün çıkışına bağlayarak nasıl çalıştığını görebilirsiniz. Sadece bir multimetreniz varsa, bir DC voltaj okuması kullanarak çıkışı ölçebilirsiniz. Okuduğunuz değer kaynağın yaklaşık yarısı ise, devrenin doğru çalışma olasılığı yüksektir. Örneğin, devrenizi 9V beslemeden beslerseniz ve devre doğru çalışıyorsa, çıkış 4.5V civarında okunur. Bunun nedeni voltmetrenin hızlı bir şekilde birden fazla okuma alması ve ortalama bir değer üretmesidir. Çıkış sürenin yarısı kadar açık ve diğeri için kapalı olduğundan, ortalama değerin yarısı maksimum değerin yarısıdır.

Devre Şemaları

İki farklı entegre ile oluşturulmuş şemalar, simülasyonlar ve gerçek devre görüntülerini ekledik;

555 Entegresi İle Kurulan Devre

Breadboard ile kolay bir şekilde bu devreyi kurabilirsiniz;

Proteus Simülasyonu

Gerçek şartlar altında okunması gereken -5V iken, simülasyondan kaynaklı -9V görüyoruz. Osiloskop ile ölçüm yaptığınızda görmeniz gereken değer ile aynısı.

Son Görüntüler

Burada ise 5V bir voltaj kaynağı kullandık, bu şartlar altında ise -3.5V gibi bir değer alıyoruz.

74HC14 Entegresi İle Kurulan Devre

Breadboard Hali

Son Görüntüler

Buradaki çıkış -7.95V’dir ve 555 zamanlayıcı entegresinden daha yüksektir, çünkü 74HC14 bir sürücü oluşturmak için çıkış kapılarını kullanır. Bu sürücü, 555 çıkışından daha fazla akım kaynağı yapabilir ve böylece daha büyük bir negatif voltaj üretebilir. Kullanılmayan tüm girişleri CMOS çiplerinde toprağa bağlamayı unutmayın!

Sınırları Zorlamak

Burada gösterdiğimiz negatif voltaj jeneratörleri ile sadece az miktarda akım çekebilirsiniz. Çıkışta bir regülatör kullanılıyorsanız (7905 gibi), 4mA ~ 5mA’dan fazla akım almayı beklemeyin. Devreyi daha verimli hale getirmek için genel kullanım silikon diyotlar yerine Schottky diyotları kullanabilirsiniz bu sayede çıkış voltajını artırabilirsiniz. Bunun nedeni Schottky diyotlarının daha küçük bir negatif voltaj düşüşüyle sonuçlanan, küçük bir ileri voltaj düşüşüne(forward voltage) (0.1V’a kadar) sahip olmasıdır.