yarı iletken diyotlar - SABİS

TC
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELM201
ELEKTRONİK-I DERSİ
LABORATUAR FÖYÜ
DENEYİ YAPTIRAN:
DENEYİN ADI:
DENEY NO:
DENEYİ YAPANIN
ADI ve SOYADI:
SINIFI:
OKUL NO:
DENEY GRUP NO:
DENEY TARİHİ
RAPOR TESLİM TARİHİ
KONTROL
DEĞERLENDİRME
Ön Çalışma
(%20)
Deney
Sonuçları
(%20)
Sözlü
(%20)
Deney
Performansı
(%20)
Deney
Raporu
(%20)
TOPLAM
Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri
DENEY 1 :
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
YARI İLETKEN DİYOT KAREKTERİSTİĞİ
AMAÇ: Yarı iletken diyotun Akım-Gerilim karakteristiğinin incelenmesi ve teorik olarak analiz edilen
karakteristik eğrinin, pratik olarak elde edilmesi.
TEORİ: İdeal bir diyotun Akım-Gerilim Karakteristiği
I D = I s (e kVD
Burada
TK
− 1)
eşitliği ile tanımlanabilir.
I D diyot akımını, I s diyot ters yön doyma akımını, V D diyot gerilimini, k = 11600 η olarak
η
ise yine yarı iletken maddenin yapısına bağlı bir
η = 1 |Ge
ve silisyum diyot için ise, düşük gerilim ve akım
değişen ve yarı iletken maddenin yapısına bağlı katsayıyı,
katsayıyı temsil eder. Değeri germanyum diyot için
η = 2 | Si , bunun dışında kalan yüksek akım değerleri için ise
o
cinsinden sıcaklık değerini ifade eder. C cinsinden verilen bir
değerleri için(kırılma voltajı altında kalan bölge)
η = 1 | Si olarak
verilmiştir. TK ise Kelvin
sıcaklık değeri TK = TC + 273 formülü ile Kelvin’e çevrilebilir.
o
Diyotun önemli bir parametreside diyot eşik(Threshold) gerilimidir ve VT ile sembolize edilir. Diyot akımı, eşik
geriliminin altında kalan diyot gerilimleri için çok küçük bir sızıntı akımı olarak görünürken, bu değerin
üzerinde ise hızla yükselen bir karakteristik eğri özelliği gösterir. Diyotun bir diğer önemli parametreside diyot
dinamik direncidir. Bu direnç değeri rd = rac olarak sembolize edilir, ve değeri diyot Q çalışma noktasındaki
karakteristik eğrisinin ters eğiminin bulunması ile hesaplanabilir.
rd =
ΔVD
ΔI D
.
QKnoktası
V D >> VT için
I D ≅ I s e kVD
TK
olarak yazılabilir.
Buradan diyot akımının diyot voltaj değişimine karşılık üstel olarak arttığı görülmektedir(Şekil-1).
ID
Ge
Si
VD
Şekil-1
Bu voltajın tamamı diyot birleşim yüzeyinde görünmez. N ve P tipi yarı iletkenlerin iç direnci ve metal
kontakların(yarı iletken ile elemanın dış ucunun bağlandığı nokta) neden olduğu dirençlerden dolayı, diyot
uçlarında düşen voltaj değeri değişir. Vrb gerilimi bu direnç değerlerinden dolayı düşer ve Vrb = I D rb
formülünden hesaplanır.
Buna göre diyot akım eşitliği
I D = I s (e
k (VD −Vrb ) TK
− 1)
olarak değiştirilebilir.
Bu eşitlik diyot gerilimi için çözülürse;
V D = Vrb +
TK
I
ln( D + 1)
k
Is
I D >> I s için,
2
olarak bulunur.
Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri
rd =
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
T
dV
≈ rb + K
dI
kI D
olarak bulunur.
Buna göre karakteristik eğrinin eğimi;
dI
1
=
≈
rd dV
1
olarak yazılabilir.
T
rb + K
kI D
rb direncinin sıfırdan farklı ve η katsayısının birden büyük olması durumunda karakteristik eğrinin eğimi azalır
ve eğri sağa doğru kayar.
rb ve η katsayısının hesabı
rd , karakteristik eğrinin ters eğimine eşit olduğu için, karakteristik eğri üzerindeki çeşitli noktalardan akım ve
gerilim değerleri alınarak ve her noktanın eğimi hesaplanarak farklı rd değerleri bulunur. Bu bilgiler
kullanılarak x ve y koordinatları logaritmik olarak ölçeklendirilmiş grafik kağıdı üzerine rd değerleri I D
değerinin fonksiyonu olarak gösterilir. Bu eğri üzerindeki büyük ve küçük akım değerlerine karşılık gelen iki
asimptot kullanılarak rb ve η bulunur. Büyük akım değeri için asimptot rd = rb , küçük akım değeri değeri
içinse asimptot rd =
TK
olarak bulunur. I s nin yaklaşık değeri rb ve η kullanılarak bulunabilir.
kI D
İŞLEM BASAMAKLARI
1- Şekil-2’deki devreyi kurarak, diyotun akım gerilim karakteristiği osilaskop ekranında görülebilir. Bunun
için sinyal jeneratörünün genliğinin tepeden tepeye 5 Volt, frekansını faz farkının küçük olabilmesi için
gerektiğinde değiştirmek üzere küçük bir değerde(yaklaşık 50 Hz) seçilmesi gerekir. R direncinin değeri
diyot üzerinden geçecek akımı sınırlamak için uygun bir değerde seçilmelidir. Bunun için diyot maksimum
akım değerini katalogdan bularak R değerini bu akımdan daha küçük bir akım için hesaplayınız.
R
+ Osilaskop X girişine
1N4001
D
Vi(t)
Giriş
Voltaji
+ Osilaskop Y girişine
10Ω
- Şase
Şekil-2
Osilaskobun Time/div seçici anahtarını X-Y konumuna getiriniz. Bu durumda osilaskobun iki girişinden
birisi X, diğeri ise Y eksenine uygulanacak sinyal girişleri olacaktır. Osilaskobun sadece gerilim ölçtüğü ve
doğrudan akım ölçemeyeceği unutulmamalıdır. Yine ekranda göreceğiniz dikey eksendeki akım ekseninin
aslında o akıma karşılık gelen(10 Ω’luk direnç üzerine düşen) gerilim olduğu unutulmamalıdır. Bu yüzden
dikey ekseni grafik kağıdına aktarırken ekrandan okuduğunuz dikey eksen gerilim değerini 10 Ω’luk direnç
değerine bölerek akım değerini hesaplayınız. Osilaskobun X girişine verilen gerilim 10 Ω değerindeki
direnç ve diyot üzerinde düşen gerilimlerin toplamına eşittir. Eğer 10 Ω’luk direnç üzerinde düşen voltaj
değeri(bu değer yaklaşık olarak 0,4 Volt olarak alınabilir) diyot üzerinde düşen voltaj değerine(VT=0.7 V)
göre küçük ise, X girişi diyot gerilimi için iyi bir yaklaşımdır. Bu özelliğin R direncinin hesabında göz
önünde tutulması, yaklaşımın geçerliliği açısından kaçınılmazdır. Osilaskop ekranında gördüğünüz diyot V3
Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
I karakteristiğini dikkatlice grafik kağıdına aktarınız. Akım ve gerilim değerlerini karakteristik eğri
üzerinde işaretleyiniz.
2- Diyot üzerinde düşen gerilim ve üzerinden geçen akımı ölçebilmek için Şekil-3’teki devreyi kurunuz. Giriş
gerilimini 10 Volt değerine ayarlayınız. R değerini değiştirerek farklı akım değerlerini ölçünüz. Akım
değerinin olabildiğince yüksek olabilmesi tercih nedenidir, bunun için diyot I max akımının dikkate
alınması gereklidir. Bu ölçümler için 10 noktadan değerlerin alınması yeterlidir. Gerilim değerlerinin
okunması için dijital voltmetre kullanınız. Ölçüm değerlerini Tablo-1’e kaydediniz. Not: Devreden
ölçeceğiniz en yüksek akım olan 100 mA’in ölçülmesi esnasında 82 Ω’luk direnç üzerinde çok fazla güç
harcaması olabilir. P=I2R formülü gereği bu durumda bu direnç üzerinde ısı olarak harcanacak güç;
P=(0,1A)2 x 82Ω = 0,82W yapar. Eğer siz devrede kullandığınız bu direnci ¼ W gücünde seçerseniz bu
durumda direnç kısa süre içerisinde yanacaktır. Bu durumdan sakınmak için ya 1W veya üzerinde güce
sahip 82Ω’luk direnç kullanmalısınız yada 4 adet 330Ω’luk(1/4 W gücünde) direnci paralel bağlayarak
yaklaşık 82Ω’luk direnci elde edebilirsiniz, bu durumda her bir direnç üzerinde harcanan güçte önceki değer
olan 0,82 W’ın ¼’ü olacaktır. Koruma amaçlı olarak siz devreyi yinede uzun süre bu konumda
çalıştırmayınız.
+
R
+
A
+
82Ω
Vi
D
V
1N4001
Şekil-3
Nokta
I(mA)
V(Volt)
1
0.01
2
0.05
3
0.1
4
0.5
5
1
6
5
7
10
8
20
9
50
10
100
Tablo-1
3- Akım gerilim karakteristiğini yukarıda bulduğunuz değerleri kullanarak yarı logaritmik kağıt üzerine çiziniz.
4- Yukarıdaki bilgileri kullanarak aşağıdaki tabloyu doldurunuz. Not: rd =
ΔV
, Iav ise belirtilen iki bilgi
ΔI
noktasında ölçülen akımların aritmetik ortalamasıdır.
Bilgi Noktası
ΔI
ΔV
rd
I av
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
9-10
Tablo-2
5- Logaritmik-logaritmik kağıt kullanarak rd nin, I av nin fonksiyonu olarak değişiminin grafiğini çiziniz. Bu
grafiği kullanarak rb ve η değerlerini hesaplayınız. I s akım değerini hesaplanan rb ve η değerlerini
kullanarak hesaplayınız ve VT eşik gerilimini yaklaşık olarak bulunuz.
VT =............................
η=......................
rb =............................
4
I s =............................
Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Dinamik Diyot Direncinin Ölçülmesi
Dinamik diyot direnci, yukarıda elde ettiğiniz karakteristik eğri yardımı ile bulunabilir. Bu yöntemle alınan
sonucun hata oranı yüksek olduğundan, deneysel yolla dinamik direnç bulunması daha uygun olacaktır. Bilindiği
gibi dinamik direnç, alternatif akım altındaki diyot direnci olduğundan dinamik diyot direnç ölçümü için AC
kaynak kullanılacaktır.
Dinamik diyot direnci, diyot ve R2 direncinden oluşan gerilim bölücü yöntemi ile ölçülmektedir(Şekil-4). Bu
yöntemle dinamik direnç ölçümü, besleme kaynağının yardımı ile çeşitli noktalar için yapılır.
İşlem Basamakları
1- Şekil-4’teki devreyi silisyum diyot ile kurunuz. Sinyal jeneratörü gerilimini 0.5 V pp ve frekansını 1 KHz
seviyesine ayarlayınız.
2- Tablo-3’teki DC akım değerlerini elde etmek üzere besleme kaynağının değerini değiştiriniz. Her akım
değerine karşılık gelen R2 üzerindeki AC gerilimi okuyarak tablodaki yerlerine yazınız.
3- Tablo-3’teki değerleri kullanarak, DC akımın farklı değerleri için diyot dinamik direncini aşağıdaki yolu
takip ederek bulunuz.
Gerilim bölücü prensibine göre,
VD
r
= d
VR2 R2
yazılabilir.
VD = Vi − VR2
olduğu görülebilir.
Diğer taraftan
Buradan
Vi − VR2
VR2
=
rd
R2
olarak bulunur.
Sol tarafı VR2 değerine bölersek ve buradan rd değerini çekersek;
⎛V
⎞
rd = R2 ⎜ i − 1⎟ olarak bulunur.
⎜ VR
⎟
⎝ 2
⎠
Bu eşitlik bize dinamik diyot direnci rd ’yi verir. Bu eşitliği kullanarak Tablo-3’teki uygun alanları doldurunuz.
R1
1K
+
V
D
A
+
DC
AC
V
10 μF
Vi
Sin Jen
Şekil-4
5
150Ω
R2
V
AC
Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Doğru Akım (mA)
R2 uçlarındaki AC Gerilim , VR2 ( Vrms )
2
4
6
8
10
AC Giriş Gerilimi ( Vi ) (Volt)
Ölçülen dinamik direnç (Ω)
Hesaplanan dinamik direnç (Ω)
Tablo-3
SORULAR
Diyot sızıntı akımı nedir ? Açıklayınız.
Diyotun statik direnci nedir ? Nasıl hesaplanır.
Diyotun dinamik direnci nedir ? Nasıl hesaplanır.
Birleşim yüzeyli diyotun uçları arasındaki voltaj değeri birleşim potansiyelini geçer mi? Açıklayınız.
İleri yön polarması altındaki bir diyotun aniden ters polarmalandırılması durumunda kesime geçmesini
engelleyen etki ne olabilir? Açıklayınız.
6- Sıcaklık değişmesinin diyotun çalışmasına olan etkisini açıklayınız.
7- Diyot dinamik direncinin ölçüm ve hesap yöntemleri ile bulunmasını karşılaştırarak, avantaj ve
dezavantajlarını belirtiniz.
12345-
6