bölüm 1 - 320Volt
advertisement
BÖLÜM 1 YARIİLETKENLERİN TANITILMASI Konular: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 Atomik Yapı Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan Yarıiletkenlerde İletkenlik N Tipi ve P tipi Yarıiletkenler PN Bitişimi (eklemi) ve Diyot PN Bitişiminin Önbeslemesi Amaçlar: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • • • • • • • • Maddenin temel atomik yapısı Atom numarası ve ağırlığı, elektron kabukları ve yörüngeler, Valans elektronları, iyonizasyon Yarıiletken, iletken ve yalıtkan. Enerji bandları, Silisylum ve germanyum Yarıiletkenlerde iletkenlik, elektronlar ve boşluklarda iletkenlik, N tipi ve P tipi maddenin oluşturulması; Katkı işlemi PN eklemi ve temel işlevleri PN ekleminin önbeslenmesi Diyot karakteristikleri ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-1.1 Çeşitli elektronik devre elemanlarının genel görünümü Kullandığımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre elemanı kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanları ise yarıiletken materyaller kullanılarak üretilir. Diyot, transistör, tristör, FET, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu şekil-1.1’de resimlenmiştir. 2 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için yarıiletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye gereksinim duyarız. Bu bilgiyi ulaşmanın en etkin yolu maddenin temel atomik yapısını incelemekle başlar. Bu kitap boyunca elektronik devre elemanlarını belirli bir sıra içerisinde tanıyacağız. Bu elemanların tüm özelliklerini inceleyerek cihaz tasarımlarını gerçekleştireceğiz. 1.1 ATOMİK YAPI Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar. Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur. İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir. Bu bölümde temel atomik yapıyı inceleyeceğiz. Bölüm sonunda aşağıda belirtilen konular hakkında bilgi edineceksiniz. • • • • • Çekirdek, proton, nötron ve elektron Atom ağırlığı ve atom numarası Yörünge Valans elektronları İyonisazyon Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir. Klasik bohr modeline göre atom, şekil-1.1’de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron’dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Çekirdek artı yüklüdür. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler. 3 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektron Nötron Proton Şekil-1.1 Bohr modeline göre atom. Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil-1.2.a’da gösterildiği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil-1.2.b’de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır. Çekirdek yörüngesinde 1 elekton Çekirdek yörüngesinde 2 elekton - + + + 2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek 1 Protonlu çekirdek b) Helyum Atomu a) Hidrojen Atomu Şekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları Atom Numarası ve Ağırlığı Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1’dir ve atom ağırlığı da 1’dir. Helyumun atom numarası 2’dir ve atom ağırlığı ise 4’ tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir. 4 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektron Kabukları ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür. Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk k ‘dır. k ve l kabukları şekil-1.4 ‘de gösterilmiştir. enerji seviyesi Bu elektron, en yüksek enerjiye sahiptir. W6 2. Kabuk k W5 W4 W3 r3 1. Kabuk l r4 W2 W1 r1 r2 r6 r5 Çekirdek W= Enerji r = Çekirdekten uzaklık Bu elektron, en düşük enerjiye sahiptir. Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri. Valans Elektronları Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar. Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa “kovelant bağ” denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise “valans elektron” adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar. 5 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan İyonizasyon Bir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. Bir atom, pozitif şarjın aşırı artması (protonların elektronlardan daha fazla olması) durumunda nötr değere ulaşmaya çalışır. Bu amaçla atom, valans elektronlarını harekete geçirir. Valans elektronunu kaybetme işlemi “İYONİZASYON” olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H’dır. Hidrojenin valans elektronları kaybedildiğinde pozitif iyon adını alır ve H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan valans elektronları “serbest elektron” olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde (elektronların prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H- olarak gösterilirler. 1.2 YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. Bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalışacağız. Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konularda ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • • • • • • Atomik yapının özü Bakır, silisyum, germanyum ve karbon v.b maddelerin atomik yapıları İletkenler Yarıiletkenler İletken ve yarıiletken arasındaki farklar Silisyum ve germanyum yarıiletken malzemelerin farklılıkları Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. İletken Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örneğin bakır, altın, gümüş v.b …. 6 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Yalıtkan Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yalıtkan maddelere örnek olarak bakalit, ebonit v.b ametalleri sayabiliriz. Yarıiletken Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. Enerji Bandı Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları şekil-1.4’de verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı adeta birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil-1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir. Enerji Enerji Enerji İletim Bandı İletim Bandı Enerji Aralığı Valans Band Enerji Aralığı İletim Bandı Valans Band Valans Band 0 0 0 a) Yalıtkan a) Yarıiletken a) İletken Şekil-1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Şekil-1.5‘de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır. 7 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan En dış yörüngede 4 valans elektronu bulunur. +32 +14 a) Silikon Atomu b) Germanyum Atomu Şekil-1.4 Silisyum ve germanyum atomları. Kovelant Bağ Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir. Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil-1.5 saf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır. - - Si - - Si - - Si - - Si - - - - - - - - Si - - Si - - Si - - Si - Valans Elektronlar Kovelant Bağlar - - - - - - - - - Si - - - Si - - - Si - - - Si - - Şekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları. 8 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 1.3 YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK Malzemenin elektrik akımını nasıl ilettiği, elektrik devrelerinin nasıl çalıştığının anlaşılması bakımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mantığını bilmeden diyot veya transistör gibi yarıiletken devre elemanlarının çalışmasını anlayamazsınız. Bu bölümde iletkenliğin nasıl meydana geldiğini ve bazı malzemelerin diğerlerinden niye daha iletken olduğunu, yarıiletken malzemelerde iletkenliğin nasıl sağlandığını öğreneceksiniz. Bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum şekil1.6‘da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir. Enerji İletim Bandı Enerji Aralıkları Valans Band Enerji Aralıkları 2. Band ( l kabuğu) Enerji Aralıkları 1. Band ( k kabuğu) Çekirdek 0 Şekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı. Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil1.7.a‘da enerji diyagramında, şekil-1.7.b‘de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara “delik=boşluk” veya “hole” denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey eski haline döner. 9 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar. Serbest Elektron Enerji Si Serbest Elektron İletim Bandı Isı Enerjisi Enerji Aralıkları Delik Si Valans Band Isı Enerjisi Delik b) Bağ Diyagramı a) Enerji Diyagramı Şekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması. Elektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil-1.8 üzerinde gösterilmiştir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir. Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si V + Şekil-1.8 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket, silisyum içinde bir elektron akışına neden olur. Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil-1-9‘da gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır. 10 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-1.9 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket silisyum içinde bir elektron akışına neden olur. 1.4 N-TİPİ VE P-TİPİ YARI İLETKENLER Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; Katkı (doping) işlemini • N-tipi yarıiletken maddenin yapısını • P-tipi yarıiletken maddenin yapısını • Çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarını • Ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Katkı İşlemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme “doping” denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde oluşur. 11 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan N-Tipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu şekil-1.10’da gösterilmiştir. Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor’un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz. - Si - - - - Si - - - - Si - Si - Fb - - - - - - - - Si - - - - Si - Si - - - - Si - - - Si - - Si Kovelant Bağ - - - Fb atomunun serbest elektronu - - Si - - Şekil-1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması. Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine Ntipi yarıiletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcıları diye adlandırılır. Böylece N-tipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır. Buna rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. Bu boşluklar 5-değerli katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. N-tipi malzemede boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır. P-Tipi Yarıiletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. Buna “boşluk” veya “delik=hole” denir. Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile P-tipi malzemede çoğunluk akım taşıcıları boşluklardır. Elektronlar ise P tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda oluşmuştur. Bunlar ısı ile oluşan boşluk çifti esnasında meydana gelmiştir. Bu serbest elektronlar, silisyuma yapılan katkı esnasında oluşturulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. 12 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan - - - Si - - Si - - Si - - Si - - - - - - - - Si - - Si - - - B Si - - - - - - - - Si - - - Si - - - Si - - - Si - Kovelant Bağ - B atomundan oluşan delik (hole) - - Şekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 bağlı katkı atomu. Bohr katkı atomu merkezde gösterilmiştir. 1.5 PN BİRLEŞİMİ Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; • • PN bitişiminin özelliklerini Deplasyon katmanı ve işlevini ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Şekil-1.12.(a)‘da yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine “yarı iletken diyot” denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım taşıyıcıcısı olarak görev yaparlar ve “çoğunluk akım taşıyıcısı” olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” adı verilir. pn bitişimi P TİPİ MADDE P TİPİ MADDE N TİPİ MADDE N TİPİ MADDE Delik (hole) Şekil-1.12.a ve b Basit bir PN yapısının oluşumu. Çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir. 13 Elektron ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “çoğunluk akım taşıyıcıları” denir. Bu bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” denir. Bu durum şekil-1.12.(b)‘de gösterilmiştir. PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur. Deplasyon Katmanı ve İşlevi P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı meydana gelmişti. Elektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi şekil-1.13.a’da görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. Birleşim olduğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşluk=delik) birleşirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise, N maddesine gelip elektronlarla birleşirler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmış olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter. Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler. Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında “gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) oluşur. Bu durum şekil-1.13.b’de resmedilmiştir. İletim dengesi sağlandığında deplesyon katı, PN birleşiminde iletim elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler. P TİPİ MADDE Delik (hole) pn bitişimi N TİPİ MADDE P TİPİ MADDE Engel Potansiyeli N TİPİ MADDE - + - + - + + + + Deplasyon Bölgesi Elektron Şekil-1.13.a ve b PN birleşiminin denge iletimi. Elektron boşluk çiftinin oluşturduğu sıcaklıkla, N bölgesindeki birkaç boşluğun azınlık taşıyıcılarının meydana getirilmesi. Şekil-1.13.b’de PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 250 C’de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 10C’lik artış, diyot öngeriliminin yaklaşık 2.3mV azalmasına neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. 14 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 1.6 PN BİRLEŞİMİNİN POLARMALANMASI PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır. bitişimi elektronik devre PN birleşimine elektronik biliminde “diyot” adı verilmektedir. Diyot veya diğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte “Polarma” veya “bias” adı verilmektedir. PN birleşimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır. Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” diğeri ise “ters yönde polarma” dır. İleri veya ters yönde polarma, tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. Bu bölümü bitirdiğinizde; • • İleri yönde polarma (forward bias) Ters yönde polarma (reverse bias) Kavramlarını öğreneceksiniz. İleri Yönde Polarma (Forward Bias) İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birleşiminden akım akmasını sağlayacak şekilde yapılan polarmadır. Şekil-1.14‘de bir diyoda ileri yönde polarma sağlayacak bağlantı görülmektedir. p R n Vpolarma + Şekil-1.14 İleri yönde polarma bağlantısı. R, direnci akım sınırlamak amacıyla kullanılmıştır. İleri yönde polarma şöyle çalışır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) bağlanmıştır. Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birleşim bölgesine doğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birleşim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ulaşınca; N bölgesindeki elektronların ve P bölgesindeki oyukların engel bölgesini aşmasını sağlar. N bölgesinden ayrılan elektronlara karşılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda elektron girmesini sağlar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi (çoğunluk akım taşıyıcıları) eklem bölgesine doğrudur. Karşıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde boşluklar ile birleşirler. Valans elektronları boşluklara taşınır ve boşluklar ise pozitif anot bölgesine taşınır. Valans 15 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan elektronlarının boşluklarla birleşme işlemi PN uçlarına voltaj uygulandığı sürece devam eder ve devamlı bir “akım” meydana gelir. Bu durum şekil-1.15’de resmedilmiştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron akışı görülmektedir. P TİPİ N TİPİ boşluk akımı Elektron akımı R VD + - Vpolarma Şekil-1.15: PN birleşimli diyot ‘ta elektron akışı. İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi PN birleşiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu değere ulaştığında, PN birleşiminde iletim başlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akışı devam eder. Bu akıma ileri yön akımı If denir. If akımı P ve N bölgesinin direncine bağlı olarak çok az değişir. Bu bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir gerilim kaybına sebep olur. Ters Polarma (Revrese Bias) Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine bağlanmıştır. Bu durum şekil-1.16‘da gösterilmiştir. Ters polarmada PN birleşiminden akım akmaz. Bataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki boşlukları kendine doğru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine doğru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yalıtkan katman genişler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar oluşturulur. p n Vpolarma + - Şekil-1.16 Ters Polarma bağlantısı. 16 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas gerilimine eşit oluncaya kadar genişler. Bu noktada boşlukların ve elektronların hareketi durur. Birleşimden çoğunluk akım taşıyıcılarının harekete başlaması (transient ) akımı diye adlandırılır. Bu ise ters kutuplama yapıldığında çok kısa bir anda akan bir akımdır. P TİPİ - N TİPİ - + + + + + + + + + + + + Engel Katmanı - + V polarma Şekil-1.17 Ters polarmada oluşan engel katmanı Diyot ters kutuplandığında engel katmanının yalıtkanlığı artacak ve her iki taraftaki iyonlar şarj olacaktır. Bu durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça engel katmanı genişler. Bu arada kapasitans’da artacaktır. Bu durum, deplesyon katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sağlar. Azınlık Akımı Şimdiye kadar öğrendiğimize göre; diyoda ters gerilim uygulandığında çoğunluk akım çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut olacaktır. Bu ters akım germanyumda, silisyum‘a göre daha fazladır. Bu akım silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile oluşan elektron boşluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulanırken bazı elektronlar PN birleşimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda birleşimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına bağlıdır dolayısı ile ısının artması ters akımı da artıracaktır. Ters Yönde Kırılma Eğer dışarıdan uygulanan ters polarma gerilimi aşırı derecede artırılırsa çığ kırılması meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcıları olan iletkenlik bandı elektronlar dışarıdan uygulanan ters gerilim kaynağının etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronları iletkenlik bandına doğru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının hızla çoğalması olayı, çığ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Çoğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalışacak yönde yapılmışlardır. Bunlara “Zener Diyot” adı verilir. 17 ANALOG ELEKTRONİK- I 1.7 Kaplan DİYOT Önceki bölümlerde oluşturulan PN birleşimine elektronik endüstrisinde “diyot” adı verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini oluşturan en basit aktif devre elemanıdır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine bağlı olarak farklı akım ve gerilim değerlerinde çalışabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmışlardır. Bu bölümde diyodun nasıl çalıştığını, akım-gerilim karakteristiklerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bu bölümde sıra ile; • • • • • • • • Diyot sembolünü İdeal diyot modelini Pratik diyot modelini Diyot’un polarmalandırılmasnıı, Diyot’un V-I karakteristiğini Diyot direncini Diyotlarda yük doğrusu ve çalışma karakteristiğini Diyodun sıcaklıkla ilişkisini Öğreneceksiniz. Bu bölümde öğreneceğiniz temel çalışma prensipleri, ileriki bölümlerde diyotlarla yapacağınız uygulama ve tasarımlara sizleri hazırlayacaktır. PN Bitişimi ve Diyot Bir önceki bölümde oluşturulan P ve N maddesinin birleştirilmesi, Diyot adı verilen yarıiletken devre elemanını meydana getirir. P ve N maddesinin birleştirilmesi işlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yapılabilir. Bu nedenle diyotlara “nokta temaslı diyot” veya “yüzey bitişimli diyot” adı da verilebilir. Her iki tip diyodun özellikleri ve çalışma karakteristikleri aynıdır. Dolayısı ile bu olay üreticileri ilgilendirir. Bizim bu konuyla ilgilenmemize gerek yoktur. Şekil-1.19’da elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların kılıf tipleri ve terminal isimleri verilmiştir. Şekil-1.19 Diyot’larda kılıf tipleri ve terminal isimleri 18 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektronik biliminde her devre elemanı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir takım uluslararası kurallara göre yapılmaktadır. Şekil-1.20’de diyot’un temel yapısı ve şematik diyot sembolleri verilmiştir. Anot Anot Anot Katod Katod P N Katod Şekil-1.20 Diyot’un yapısı ve şematik diyot sembolleri Şekil-1.20’de görüldüğü gibi diyot 2 terminalli aktif bir devre elemanıdır. Terminallerine işlevlerinden dolayı “anot” ve “katod” ismi verilmiştir. Anot terminalini P tipi madde, katod terminalini ise N tipi madde oluşturur. Bu bölümde genel amaçlı doğrultmaç diyotlarını ayrıntıları ile inceleyeceğiz. Elektronik endüstrisinde farklı amaçlar için tasarlanmış, işlevleri ve özellikleri farklılıklar gösteren diyotlarda vardır. Bu diyotlar, özel tip diyotlardır. İleriki bölümlerde incelenecektir. İdeal Diyot Modeli İdeal diyodu tek yönlü bir anahtar gibi düşünebiliriz. Anot terminaline göre; katot terminaline negatif bir gerilim uygulanan diyot, doğru (ileri) yönde polarmalandırılmış olur. Diyot, doğru yönde polarmalandığında kapalı bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin verir. Direnci minimumdur. Bu durum şekil-1.21..a’da görülmektedir. Anot terminaline göre; katot terminaline pozitif bir gerilim uygulanan diyot ters yönde polarmalandırılmış olur. İdeal diyot ters yönde polarmalandırıldığında, açık bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin vermez ve direnci sonsuzdur. Bu durum şekil-1.21.b’de gösterilmiştir. İdeal bir diyot’un Akım-gerilim karakteristiği ise şekil-1.21.c’de verilmiştir. İdeal Diyot İdeal Diyot VF=0V + VDD If Vr IF=VDD /R R VDD + R Vr Vf Ir=0 Ir a) Dogru Polarma b) Ters Polarma Şekil-1.21 İdeal diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları 19 c) V-I Karakteristiği ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Pratik Diyot Modeli Pratik kullanımda diyot, ideal modelden farklı davranışlar sergiler. Örneğin; doğru polarma altında kapalı bir anahtar gibi kısa devre değildir. Bir miktar direnci vardır. Bu nedenle üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir ve VF veya VD sembolize edilir. Bu gerilim değeri; silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Gerçek bir diyot’un doğru polarma altında modellemesi şekil-1.22..a’da verilmiştir. Ters yönde polarmada ise, açık bir anahtar gibi direnci sonsuz değildir. Bu nedenle üzerinden çok küçük bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir ve IR ile sembolize edilir. Sızıntı akımı çok küçük olduğundan pek çok uygulamada ihmal edilebilir. Gerçek bir silisyum diyodun V-I karakteristiği ise şekil-1.22.c’de verilmiştir. Örneğin; şekil1.22.a’da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım değeri IF; IF = VDD − VD R olarak belirlenir. rd 0.7 + rr If S S + Vr Vf I If + VDD + r VDD R Vr Vf R + b) Ters Polarma a) Dogru Polarma Ir c) V-I Karakteristiği Şekil-1.22 Pratik bir diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları 1.8 DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ Diyot karakteristiği; diyoda uygulanan polarma gerilimi ve akımlarına bağlı olarak diyodun davranışını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli karakteristikleri kullanıcıya sunarlar. Bu bölümde; • Diyot’un V-I karakteristiğini • Diyot direncini • Yük doğrusu ve çalışma noktasını • Diyot karakteristiğinin sıcaklıkla ilişkisini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. 20 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Diyot’un V-I karakteristiği Diyot’un V-I karakteristiği; diyot uçlarına uygulanan gerilimle, diyot üzerinden geçen akım arasındaki ilişkiyi gösterir. Diyot; doğru ve ters polarma altında farklı davranışlar sergiler. Genel kullanım amaçlı silisyum diyodun doğru ve ters polarmalar altındaki V-I karakteristiği şekil-1.23’de verilmiştir. Şekil-1.23 üzerinde diyodun V-I karakteristiğini çıkarmak için gerekli devre bağlantıları görülmektedir. Diyot, doğru polarmada iletimdedir. Ancak iletime başlama noktası VD olarak işaretlenmiştir. Bu değerden sonra diyot üzerinden akan ileri yön IF akımı artarken, diyot üzerine düşen gerilim yaklaşık olarak sabit kalmaktadır. Bu gerilim diyot öngerilimi olarak adlandırılır. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot’da yaklaşık olarak 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise; diyot üzerinden geçen akım miktarı çok küçüktür. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı, silisyum bir diyot’da birkaç nA seviyesinde, germanyum bir diyot’da ise birkaç µA seviyesindedir. Ters polarma altında diyot, belirli bir gerilim değerinden sonra iletime geçer. Üzerinden akan akım miktarı yükselir. Ters polarma altında diyot’u kırılıp iletime geçmesine neden olan bu gerilime “kırılma gerilimi” denir. Bu durum şekil-1.23 üzerinde gösterilmiştir. If (mA ) + Vf If + R V DD Kırılma noktası Dogru Polarma Sızıntı akımı Vf ( V ) Vr ( V ) VF=0.7V + Vr Ir R VDD + Ters Polarma Ir (µA ) Şekil-1.23 Silisyum diyot’un V-I karakteristiği Diyot; kırılma geriliminde iletime geçmekte ve üzerinden akım akmasına izin vermektedir. Şekil-1.23’deki grafik dikkatlice incelenirse, diyot üzerinden akan akım arttığı halde, gerilim sabit kaldığı gözlenmektedir. Bu durum önemlidir. Üretici firmalar, bu durumu dikkate alarak farklı değerlerde kırılma gerilimine sahip diyotlar geliştirip, tüketime sunmuşlardır. Bu tür diyotlara “zener diyot” adı verilir. Zener diyotlar, ileri bölümlerde ayrıntılı olarak incelenecektir. 21 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-1.23’de verilen diyot karakteristiğinde; diyot’un kırılıp akım akıtmaya başlaması, aşağıda verilen eşitlik ile açıklanabilir. I = I0 qV η ( e kT − 1) Bu formülde; I : Diyot akımını I0 : Ters polarmada sızıntı akımını V : Diyot uçlarına uygulanan polarma gerilimini Q : Elektron şarj miktarını (Coulomb olarak) T : pn birleşim sıcaklığını (K cinsinden) K : Boltzman sabitini ŋ : Metale bağımlı bir sabite (Ge:1, Si=2) Silisyum ve germanyum diyotların akım-gerilim karakteristik eğrileri şekil-1.24’de birlikte verilmiştir. Görüldüğü gibi germanyum diyotların sızıntı akımı çok daha büyüktür. Bu nedenle günümüzde silisyum diyotlar özellikle tercih edilir. Germanyum diyotlar, ise öngerilimlerinin küçük olmaları nedeniyle (0.2-0.3V) özellikle alçak güçlü yüksek frekans devrelerinde kırpıcı olarak kullanılmaktadırlar. If (mA ) Ge Si 30 25 20 15 10 5 Ir(si)=10nA Vr ( V ) 2µA 0.3 0.5 0.7 Vf ( V ) 4µA 6µA Si Ge Ir (µA ) Şekil-1.24 Silisyum ve germanyum diyot karakteristiklerinin karşılaştırılması Diyot Direnci Diyot’un elektriksel olarak direnci; diyot uçlarındaki gerilimle diyot üzerinden geçen akımın oranına göre tayin edilir. Diyot direnci, karakteristiğinde görüldüğü gibi doğrusal değildir. Doğru polarma altında ve iletim halindeyken, direnci minimum 10Ω civarındadır. Ters polarma altında ve kesimdeyken ise 10MΩ-100MΩ arasındadır. Diyodun doğru akım altında gösterdiği direnç değerine “statik direnç” denir. Statik direnç (rs) aşağıdaki gibi formüle edilir. 22 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan rS (statik ) = VD ID Alternatif akım altında gösterdiği direnç değerine “dinamik direnç” denir. Dinamik direnç (rD) aşağıdaki gibi formüle edilir. rD ( dinamik ) = ∆V ∆I Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği kullanılır. Şekil-1.25’de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristiği verilmiştir. IF(mA) Q3 I3 Q2 I2 Q1 I1 V 1 V 2 V3 . VF (v) Şekil-1.25 Statik ve Dinamik diyot dirençlerinin belirlenmesi Statik ve dinamik diyot dirençlerinin belirlenip formüle edilmesinde şekil-1.25’de görülen diyot karakteristiğinden yararlanılır. Şekilde görülen karakteristikte değişim noktaları Q1, Q2 ve Q3 olarak işaretlenmiştir. Örneğin Q1 ve Q2 noktalarında diyot’un statik direnci; rS (Q1 ) = V1 I1 rS (Q2 ) = V2 I2 olarak bulunur. Diyot’un dinamik direnci ise, akım ve gerilimin değişmesi ile oluşan direnç değeridir. Örneğin Q2 noktasındaki dinamik direnç değerini bulmak istersek, Q2 noktasındaki değişimin (Q1 .. Q3 değişimi gibi) küçük bir değişimini almamız gerekir. rD = ∆V V3 − V1 = I 3 − I1 ∆I Elde edilen bu eşitlik ters polarmada da kullanılabilir. Yük Doğrusu ve Çalışma Noktası Diyot, direnç ve DC kaynaktan oluşan basit bir devre şekil-1.26.’da verilmiştir. Devrede diyot doğru yönde polarmalandırılmıştır. I F(mA) VD VDD R IF Egim = − VDD R Q VF 23 VDD 1 R V(v) ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı; IF = V DD R olacağı açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldığında ise; devreden akacak I akımı miktarına bağlı olarak diyot uçlarında VD ile belirlenen bir diyot öngerilimi oluışacaktır. Bu gerilim değeri lineer değildir. Bu gerilim değerinin; V F = V DD − I F ⋅ R olacağı açıktır. Ayrıca devreden akan akacak olan ID akımı değerinin VDD gerilimine bağlı olarak da çeşitli değerler alacağı açıktır. Çeşitli VDD değerleri veya IF değerleri için, diyot ön gerilimi VD’nin alabileceği değerler diyot karakteristiği kullanılarak bulunabilir. VDD geriliminin çeşitli değerleri için devreden akacak olan IF akım değerleri bulunup karakteristik üzerinde işaretlenir ve kesişim noktaları birleştirilirse şekil-1.26’da görülen eğri elde dilir. Bu eğriye yük doğrusu denilir. Yük doğrusu çizimi için; IF=0 için VF=0 için VF=VDD IF=VDD/R (Diyot yalıtkan) (Diyot iletken) Bulunan bu değerler karakteristik üzerindeki koordinatlara işaretlenir. İşaretlenen noktalar karakteristik üzerinde birleştirilirse yük doğrusu çizilmiş olur. Bu durum şekil1.26 üzerinde gösterilmiştir. Diyot karakteristik eğrisinin yük çizgisini kestiği nokta Q çalışma noktası olarak bilinir. Yük çizgisinin eğimi ise -1/R’dir. Şekil-1.26’da verilen devreye bağlı olarak yük doğrusu bir defa çıkarıldıktan sonra VDD’nin herhangi bir değeri için akacak akım miktarı ve buna bağlı olarak R direnci uçlarında oluşabilecek gerilim değeri kolaylıkla bulunabilir. Yük doğrusu ve çalışma noktasının tayini; diyot’u özellikle hassas kullanımlarda duyarlı ve pratik çalışma sağlar. Sıcaklık Etkisi Diyot karakteristiği ile ilgili bir diğer faktör ise sıcaklıktır. Üretici firmalar diyodun karakteristik değerlerini genellikle 250C oda sıcaklığı için verirler. Diyot’un çalışma ortamı ısısı, oda sıcaklığından farklı değerlerde ise diyot öngeriliminde ve sızıntı akımında bir miktar değişime neden olur. • • Diyot öngerilimi VF; her 10C’lik ısı artışında yaklaşık 2.3mV civarında azalır. Diyot sızıntı akımı I0; her 100C’lik ısı artışında yaklaşık iki kat olur. Diyot’un ısı değişimine karşı gösterdiği duyarlılık oldukça önemlidir. Örneğin bu duyarlılıktan yararlanılarak pek çok endüstriyel ısı ölçümünde ve kontrolünde sensör olarak diyot kullanılır. 24 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek:1.1 Kaplan a) Şekil-1.27.a’da verilen devre için diyot üzerinden akan ileri yön akımını ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. b) Şekil-1.27.b’de verilen devre için ters yön gerilim ve akım değerlerini ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. Diyot ters yön akımı IR=1µA RA RA IF VDD 1KΩ 10V IR VDD VF 1KΩ 10V VR (b) (a) Şekil-1.27.a ve b Diyot devreleri Çözüm:1.1 a) İdeal Diyot Modeli; VF=0V 10V V = 10mA I F = DD = 1KΩ RA VA = I F ⋅ RA = ( 10mA) ⋅ ( 1KΩ ) = 10V Pratik Diyot Modeli; VF=0.7V V − VF 10V − 0.7V = = 9.3mA I F = DD 1KΩ RA VA = I F ⋅ RA = (9.3mA) ⋅ (1KΩ ) = 9.3V b) İdeal Diyot Modeli; IR=0A VR = VDD = 10V VRA = 0V Pratik Diyot Modeli; IR=1µA VRA = I R ⋅ RA = (1µA) ⋅ (1KΩ ) = 1mV VR = VDD − VRA = 10V − 1mV = 9.999V c) d) 25 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan a) Şekil-1.28’de verilen devrede germanyum diyot kullanılmıştır. Diyot’un dayanabileceği maksimum akım değeri 100mA olduğuna göre R direncinin minimum değeri ne olmalıdır? Diyot ve direnç üzerinde harcanan güçleri bulunuz? Örnek: 1.2 b) Aynı devrede verilen diyot karakteristiğini kullanarak diyot’un ac dinamik direncini bulunuz? ID VDD I F(mA) V F=0.3V 50 R 10V 10 0.72 0.9 VF (v) Şekil-1.28 Diyot devresi ve V-I karakteristiği Çözüm: V DD = I D ⋅ R + V D a) R= V DD − V D 10V − 0.3V = = 97Ω ID 100mA Direnç ve diyot üzerinde harcanan güçleri hesaplayalım. PR = ( I F ) 2 ⋅ R = (100mA) 2 ⋅ (97Ω) = 0.97W PD = ( I F ) ⋅ (V D ) = (100mA) 2 ⋅ (0.3V ) = 0.03W = 30mW b) İleri yön karakteristiği verilen diyodt’un ac dinamik direnç değeri; ∆V 0.9V − 0.72V 0.18V rD = = = rD = 4.5Ω ∆I 50mA − 10mA 40mA Diyot Testi Diyot, sayısal veya analog bir multimetre yardımıyla basitçe test edilebilir. Analog bir multimetre ile ölçme işlemi Ω konumunda yapılır. Sağlam bir diyot’un ileri yön direnci minumum, ters yön direnci ise sonsuz bir değerdir. Test işlemi sonucunda diyot’un anotkatod terminalleri de belirlenebilir. Şekil-1.29’da diyot’un sayısal bir multimetre yardımıyla nasıl test edileceği gösterilmiştir. Test işlemi sayısal multimetrenin “Diyot” konumunda yapılır. Multimetrenin gösterdiği değer diyot üzerindeki öngerilimidir. Bu gerilim; doğru polarmada silisyum diyotlarda 0.7V civarındadır. Germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır. Ters polarmada her iki diyot tipinde multimetrenin pil gerilimi (1.2V) görülür. 26 ANALOG ELEKTRONİK- I 0.70 Ω 1.20 Ω mA A V Off 10A mA Kaplan COM Katod A Off VΩ 10A Anot a) Ileri Yönde polarma Diyot Saglam Ω mA V 10A 1.20 mA 10A COM VΩ Anot Katod b) Ters Yönde polarma Diyot Saglam A Off Katod Ω mA V 10A mA 0.00 A Off 10A COM mA V VΩ 10A Anot c) Ileri Yönde polarma Diyot Bozuk (açik devre) mA 10A COM VΩ Katod Anot d) Ileri Yönde polarma Diyot Bozuk (kisa devre) Şekil-1.25 Sayısal multimetre ile diyot testi 1.9 BÖLÜM ÖZETi • Doğadaki tüm maddeler atomlardan oluşur. Klasik bohr modeline göre atom 3 temel parçacıktan oluşur. Proton, nötron ve elektron. • Atomik yapıda nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar. Protonlar pozitif yüklüdür. Nötronlar ise yüksüzdür. • Elektronlar, çekirdekten uzakta belirli yörüngelerde bulunurlar ve negatif yüklüdürler. Yörüngedeki elektronlar atom ağırlığı ve numarasına bağlı olarak belirli sayılardadırlar. • Atomun yörüngeleri K-L-M-N olarak adlandırılırlar. yörüngesindeki elektron miktarı 8’den fazla olamaz. Bir atomun son • Atomun son yörüngesindeki elektronlar “valans elektron” olarak adlandırılırlar. Valans elektronlar maddenin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak tanımlanmasında etkindirler. • Yarıiletken materyaller 4 adet valans elektrona sahiptir. Elektronik endüstrisinde yarıiletken devre elemanlarının üretiminde silisyum ve germanyum elementleri kullanılır. • Silisyum veya germanyum elementlerine katkı maddeleri eklenerek P ve N tipi maddeler oluşturulur. P ve N tipi maddeler ise elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılırlar. • P ve N tipi maddelerin birleşimi diyot’u oluşturur. Birleşim işlemi bir noktada yapılabildiği gibi yüzey boyunca da yapılabilir. Bu nedenle diyotlar genellikle yüzey birleşimli veya nokta temaslı olarak imal edilirler. Her iki tip diyot’unda temel özellikleri aynıdır. 27 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan • Diyot elektronik endüstrisinin en temel devre elemanlarından biridir. İki adet terminale sahiptir. N tipi maddeden oluşan terminale Katot, P tipi maddeden oluşan terminale Anot ismi verilir. • Diyot iki temel çalışma biçimine sahiptir. Bunlar İletim ve kesim modunda çalışmadır. • Diyot’un anoduna; kataduna nazaran daha pozitif bir gerilim uygulanırsa diyot iletim bölgesinde çalışır ve iletkendir. Diyot’un anoduna; kataduna nazaran daha negatif bir gerilim uygulanırsa diyot kesim bölgesinde çalışır yalıtkandır. • İletim bölgesinde çalışan bir diyot üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot üzerinde yaklaşık 0.7V, Germanyum bir diyot üzerinde ise yaklaşık 0.3V civarındadır. • Diyot öngerilimi bir miktar diyot’un çalışma ortamı ısısına bağımlıdır. Diyot öngerilimi 10C sıcaklık artmasına karşın yaklaşık 2.3mV azalır. • Kesim bölgesinde çalışan bir diyot, pratik olarak açık devre (direnci sonsuz) değildir. Üzerinden çok küçük bir bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Bu değer nA ile µA’ler mertebesindedir. • Sızıntı akım değeri germanyum diyotlarda silisyum diyotlardan bir miktar daha fazladır.Sızıntı akımı diyot’un çalışma ısısından etkilenir. Örneğin her 100C sıcaklık artışında sızıntı akımı yaklaşık iki kat olur. • Analog veya sayısal bir ohmmetre kullanılarak diyotların sağlamlık testi yapılabilir. Test işlemi sonucunda ayrıca diyot’un anot ve katot terminalleri belirlenebilir. 28 BÖLÜM 2 Diyot Uygulamaları Konular: 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Yarım-Dalga Doğrultmaç Tam-Dalga Doğrultmaç Filtre Devreleri Kırpıcı ve Sınırlayıcı Devreler Gerilim Kenetleyici ve Gerilim Çoklayıcılar Diyot Veri Sayfaları Amaçlar: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • • • • • • Yarım dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi Tam dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi Doğrultmaçlarda filtreleme ve filtre devreleri Diyotlarla gerçekleştirilen kırpıcı ve sınırlayıcı devrelerin analizi Diyot veri sayfalarının incelenmesi ve çeşitli karakteristikler Diyot devrelerinin kısa analizleri ve yorumlar ANALOG ELEKTRONİK- I 2.1 Kaplan YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir DC güç kaynağına (DC power supply) gereksinim duyarlar. Bu gerilimi elde etmenin en pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi Doğrultmaç (redresör) olarak adlandırılan cihazlarla gerçekleştirilir. Doğrultmaç veya DC Güç kaynağı (DC power supply) denilen cihazlar, basitten karmaşığa doğru birkaç farklı yöntemle tasarlanabilir. Bu bölümde en temel doğrultmaç işlemi olan yarım dalga doğrultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve çalışmasını inceleyeceğiz. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • Temel bir güç kaynağı sistemi Transformatörler ve işlevleri Yarım dalga doğrultmaç devresi • Rıpıl faktörü Temel DC Güç Kaynağı (Power Supply) Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, bilgisayar v.b gibi) çalışmak için bir DC enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. Bu oldukça pahalı bir çözümdür. DC enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir şebekesinden alınan AC gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan AC formdaki sinüsoydal gerilim, DC gerilime dönüştürülür. Dönüştürme işlemi için DC güç kaynakları kullanılır. Temel bir DC güç kaynağının blok şeması şekil-2.1’de görülmektedir. Sistem; doğrultucu (rectifier), Filtre (filter) ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır. Sistem girişine uygulanan ac gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş dc gerilim olarak alınmaktadır. Transformatör Doğrultmaç Devresi Filtre Devresi Regülatör Devresi Vgiriş AC RL Şekil-2.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüştürülür. Transformatör, dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen AC gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur. 30 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör) devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da olsa AC bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile inceleyelim. Transformatörler Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur. Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. Bu sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan AC gerilim, sekonder sargısından alınır. Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir AC gerilim değerine dönüştürülmesinde transformatörler kullanılır. Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. Bu durum, güvenlik için önemli bir avantajdır. Sekonder sargısından alınan AC işaretin, gücü ve gerilim değeri tamamen kullanılan transformatörün sarım sayılarına ve karkas çapına bağıdır. Üreticiler ihtiyaca uygun olarak çok farklı tip ve modelde transformatör üretimi yaparlar. Şekil-2.2’de örnek olarak bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir. Şekil-2.2 Farklı model ve tipte transformatörler Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220Vrms/50Hz, sekonderler sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil-2.3'de farklı sargılara sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir. 31 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 36V Sekonder 24V Primer Primer Sargısı Sekonder Sargısı 220Vrms 50Hz 220Vrms 50Hz 12V 220Vrms 50Hz 24V 12Vrms 50Hz 12V 12V 0V a) Transformatör c) Çok uçlu Transformatör b) Orta uçlu Transformatör Şekil-2.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç bağlantıları Üç uçlu transformatörler doğrultucu tasarımında tasarruf sağlarlar. Transformatör seçiminde; primer ve sekonder gerilimleri ile birlikte transfomatörün gücüne de dikkat edilmelidir. Güç kaynağında kullanılacak transformatörün toplam gücü; trafo üzerinde ve diğer devre elemanlarında harcanan güç ile yükte harcanan gücün toplamı kadardır. Transformatör her durumda istenen akımı vermelidir. Fakat bir transformatörden uzun süre yüksek akım çekilirse, çekirdeğin doyma bölgesine girme tehlikesi vardır. Bu nedenle transformatör hem harcanacak güce, hem de çıkış akımına göre töleranslı seçilmelidir. Yarım Dalga Doğrultmaç Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmek için en basit yöntem yarım dalga doğrultmaç devresi kullanmaktır. Tipik bir yarım dalga doğrultmaç devresi şekil-2.4’de verilmiştir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms değere sahip AC gerilim bir transformatör yardımıyla 12Vrms değerine düşürülmüştür. 12Vrms 50Hz 220Vrms 50Hz Diyot RL Şekil-2.4 Yarım Dalga Doğrultmaç Devresi Devrenin çalışmasını ayrıntılı olarak incelemek üzere şekil-2.5’den yararlanılacaktır. Yarım dalga doğrultmaç devresine uygulanan giriş işareti sinüsoydaldır ve zamana bağlı olarak yön değiştirmektedir. Devrede kullanılan diyodu ideal bir diyot olarak düşünelim. Giriş işaretinin pozitif alternansında; diyot doğru polarmalanmıştır. Dolayısıyla iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. pozitif alternans yük üzerinde oluşur. Bu durum şekil-2.5.a üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Diyot İletimde + - V Giriş V Çıkış + 0 t 12Vrms 50Hz RL 0 t Şekil-2.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması 32 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Giriş işaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyodun anoduna negatif alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş işaretinin negatif alternansında diyot yalıtımdadır. Çünkü diyot ters yönde polarmalanmıştır. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Açık devredir. RL direnci üzerinden alınan çıkış işareti 0V olur. Bu durum şekil-2.5.b üzerinde gösterilmiştir. Diyot kesimde + V Giriş V Çıkış 0 t I=0A 12Vrms 50Hz RL 0 t + Şekil-2.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil2.6’da ayrıntılı olarak verilmiştir. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaret artık AC bir işaret değildir. Çünkü çıkış işareti, negatif alternansları içermez. Doğrultmaç çıkışından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Çıkış işareti bu nedenle DC işarete de benzememektedir dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yakın bir işaret alınmalıdır. V VTepe 0 t Şekil-2.6 Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkış dalga biçimleri Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaretin DC değeri önemlidir. Bu değeri ölçmek için çıkış yüküne (RL) paralel bir DC voltmetre bağladığımızda şekil2.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise; VTepe = 2 ⋅ 12V ≅ 17V civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-2.7 üzerinde gösterelim. V VTepe Vort =VDC 0 t T Şekil-2.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri 33 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri; VOrt = V DC = Vt 17V = = 5.4 volt Π 3.14 olarak bulunur. Yukarıda belirtilen değerler gerçekte ideal bir diyot içindir. Pratikte 1N4007 tip kodlu silisyum bir diyot kullandığımızı düşünelim. Bu durumda çıkış işaretinin dalga biçimi ve alacağı değerleri bulalım. V F =0.7v + VGiriş VTt =17-0.7 + 0 t 12Vrms 50Hz RL V DC=5.19 0 t Şekil-2.8 Pratik Yarım Dalga doğrultmaç devresi Çıkış işaretinin alacağı tepe değer; VTepe=17V-0.7V=16.3Volt Dolayısı ile çıkışa bağlanacak DC voltmetrede okunacak ortalama değer (veya DC değer); VOrt = V DC = Vt 16.3V = = 5.19 volt Π 3.14 olarak elde edilir. 2.2 TAM DALGA DOĞRULTMAÇ Basit ve ekonomik DC güç kaynaklarının yapımında yarımdalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç kaynaklarının yapımında ise tam dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Tam dalga doğrultmaç devresi çıkışında dc gerilime daha yakın bir değer alınır. Tam dalga doğrultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayrı tipte tasarlanabilir. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. • • • • Yarımdalga doğrultmaç ile tam dalga doğrultmaç arasındaki farklar. Tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin analizi Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinin analizi 34 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüsoydal işaretin sadece tek bir alternansında doğrultma işlemi yapılıyor, diğer alternans ise kullanılmıyordu. Dolayısıyla yarımdalga doğrultmacın çıkışından alınan gerilimin ortalama değeri oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm değildir. Tamdalga doğrultmaç devresinde ise doğrultma işlemi, şebekenin her iki alternansında gerçekleştirilir. Dolayısıyla çıkış gerilimi daha büyük değerdedir ve DC’ye daha yakındır. Bu durum şekil-2.9 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. V Vt 0 t Vgiriş Vt YARIMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ Vçıkış Vt t V Vt 0 0 t Vgiriş TAMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ Vçıkış 0 t Şekil-2.9 Yarım dalga ve tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül yardımıyla bulunur. VOrtalama = VDC = 2Vt Π örneğin tamdalga doğrultmaç girişine 17V tepe değerine sahip sinüsoydal bir işaret uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer; VOrtalama = V DC = 2 ⋅ (17V ) = 10.8 volt 3.14 olarak elde edilir. Bu durum bize tamdalga doğrultmaç devresinin daha avantajlı olduğunu kanıtlar. Tamdalga Doğrultmaç Devresi Tamdalga doğrultmaç devresi şekil-2.10’da görülmektedir. Bu devre, orta uçlu bir transformatör ve 2 adet diyot ile gerçekleştirilmiştir. Transformatörün primer sargılarına uygulanan şebeke gerilimi, transformatörün sekonder sargılarında tekrar elde edilmiştir. Sekenderde elde edilen geriliminin değeri transformatör dönüştürme oranına bağlıdır. Transformatörün sekonder sargısı şekilde görüldüğü gibi üç uçludur ve orta ucu referans olarak alınmıştır. Sekonder sargısının orta ucu referans (şase) olarak alındığında sekonder sargıları üzerinde oluşan gerilimin dalga biçimleri ve yönleri şekil-2.10 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 35 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VÇIKIŞ Vsek/2 D1 Vgiriş 0 + RL _ 0 t 0 t Vsek/2 D2 Şekil-2.10 Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresi Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin incelenmesi için en iyi yöntem şebeke geriliminin her bir alternansı için devreyi analiz etmektir. Orta uç referans olarak alınırsa, sekonder gerilimi iki ayrı değere (Vsek/2) dönüştürülmüştür. Örneğin; Vgiriş işaretinin pozitif alternansında, transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif bir gerilim oluşacaktır. Bu durumda, D1 diyodu doğru polarmalandırılmış olur. Akım devresini; trafonun üst ucu, D1 diyodu ve RL yük direnci üzerinden transformatörün orta ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde şekil-2.11’de belirtilen yönde pozitif alternans oluşur. Akım yönü ve akımın izlediği yol şekil üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. + D1 - + Vgiriş 0 VÇIKIŞ + RL _ t 0 t + - D2 kesim Şekil-2.11 Pozitif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu Şebekenin negatif alernansında; transformatörün sekonder sargılarında oluşan gerilim düşümü bir önceki durumun tam tersidir. Bu durumda şaseye göre; sekonder sargılarının üst ucunda negatif alternans, alt ucunda ise pozitif alternans oluşur. Bu durum şekil-2.12 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu durumda D2 diyodu iletken, D1 diyodu ise yalıtkandır. Akım devresini trafonun orta ucundan başlayarak D2 üzerinden ve RL yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-2.12’de belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim düşümleri şekil üzerinde gösterilmiştir. 36 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan D1 VÇIKIŞ - + kesim Vgiriş RL _ 0 t + 0 t - + - + D2 Şekil-2.12 Negatif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimini tekrar ele alıp inceleyelim. Devrede kullanılan transformatörün sekonder sargılarının 2x12Vrms değere sahip olduğunu kabul edelim. Bu durumda transformatörün sekonder sargısında elde edilen işaretin tepe değeri; VTepe = 2 ⋅ V rms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 17 volt olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullanılacaktır. Bu nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe değeri; VTepe = 17V − 0.7 = 16.3 volt olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur. VOrtalama = 2(VTepe − V D ) Π = 2(17 − 0.7) = 10.3 volt 3.14 çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-2.13 üzerinde gösterilmiştir. V çıkış VTepe =16.3V VOrt =10.3V t 0 Şekil-2.13 Çıkış dalga biçiminin analizi Köprü Tipi Tamdalga Doğrultmaç Tamdalga doğrultmaç devresi tasarımında diğer bir alternatif ise köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresidir. Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresi 4 adet diyot kullanılarak gerçekleştirilir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms/50Hz değere sahip sinüsoydal gerilim bir transformatör kullanılarak istenilen değere dönüştürülür. Transformatörün sekonderinden alınan gerilim doğrultularak çıkıştaki yük (RL) üzerine aktarılır. Doğrultma işleminin nasıl yapıldığı şekil-2.14 ve şekil-2.15 yardımıyla 37 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan anlatılacaktır. Şehir şebekesinin pozitif alternansında; transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif alternans oluşur. D1 ve D2 diyodu doğru yönde polarmalandığı için akım devresini D1 diyodu, RL yük direnci ve D2 diyodundan geçerek transformatörün alt ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ve akım yönü şekil-2.14’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. + Vgiriş D3 + ~ D1 ~ - V Çıkış + + - - D2 ~ D4 RL t _ Şekil-2.14 Pozitif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı Şebekenin negatif alternansında; bu defa transformatörün alt ucuna pozitif alternans oluşacaktır. Bu durumda D3 ve D4 diyotları doğru yönde polarmalanır ve iletime geçerler. Akım devresini; D4 diyodu, RL yük direnci ve D3 diyodu üzerinden geçerek transformatörün üst ucunda tamamlar ve RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil-2.15 üzerinde gösterilmiştir. Vgiriş D3 - ~ + D1 ~ VÇıkış + + + D2 ~ D4 RL _ t Şekil-2.15 Negatif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin aldığı DC değer hesaplanmalıdır. Örneğin transformatörün sekonder gerilimi 12Vrms (etkin) değere sahip ise bu gerilimin tepe değeri; VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 17 volt değerine eşit olur. Doğrultma işleminde tek bir alternans için iki adet diyot iletken olduğunda diyotlar üzerinde düşen öngerilimler dikkate alındığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimin tepe değeri; 38 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VCikis (Tepe ) = VTepe − (V D1 + V D 2 ) VÇikis (Tepe) = 17 − (0.7 + 0.7) = 15.4 volt değerine sahip olur. Bu durum şekil-2.16 üzerinde gösterilmiştir. Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise; VOrtalama = V DC = 2VÇikis (Tepe ) Π = 2(15.4) = 9.8 volt 3.14 VÇıkış V TE P E=15.4V VORT=10.3V 0V t Şekil-2.16 Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi 2.3 DOĞRULTMAÇ FİLTRELERİ Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışlarından alınan doğrultmuş sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzaktır. Doğrultucu devrelerin çıkışından alınan bu sinyal, darbelidir ve bir çok ac bileşen barındırır. Elektronik devre elemanlarının tasarımında ve günlük hayatta kullandığımız DC sinyal ise ideal veya ideale yakın olmalıdır. AC bileşenler ve darbeler barındırmamalıdır. Şehir şebekesinden elde edilen doğrultulmuş sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir. En ideal filtreleme elemanları kondansatör ve bobinlerdir. Bu bölümde bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. • • • • • Filtre işleminin önemi ve amaçlarını, Kondansatör (C) ile gerçekleştirilen kapasitif filtre işlemini Rıpıl gerilimini ve rıpıl faktörünü LC filtre Π ve T tipi filtreler DC Güç kaynağı tasarımı ve yapımında genellikle 50Hz frekansa sahip şehir şebeke geriliminden yararlanılır. Bu gerilim tamdalga doğrultmaç devreleri yardımıyla doğrultulur. Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim ideal bir DC gerilim olmaktan uzaktır. Çeşitli darbeler barındırır ve 100Hz’lik bir frekansa sahiptir. Bu durum şekil-2.17’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 39 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan V V V t 0 Tamdalga Doğrultmaç Devresi Filtre Devresi t 0 0 t Şekil-2.17 Doğrultmaç Devrelerinde Filtre işlemi Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim, büyük bir dalgalanmaya sahiptir ve tam bir DC gerilimden uzaktır. Filtre çıkışında ise dalgalanma oranı oldukça azaltılmıştır. Elde edilen işaret DC gerilime çok yakındır. Filtre çıkışında küçük de olsa bir takım dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanma “Rıpıl” olarak adlandırılır. Kaliteli bir doğrultmaç devresinde rıpıl faktörünün minimum değere düşürülmesi gerekmektedir. Kapasitif Filtre Doğrultmaç devrelerinde filtrelemenin önemi ve işlevi hakkında yeterli bilgiye ulaştık. Filtreleme işlemi için genellikle kondansatör veya bobin gibi pasif devre elemanlarından faydalanılır. Doğrultmaç devrelerinde, filtreleme işlemi için en çok kullanılan yöntem kapasitif filtre devresidir. Bu filtre işleminde kondansatörlerden yararlanılır. Kapasitif filtre işleminin nasıl gerçekleştirildiği bir yarım dalga doğrultmaç devresi üzerinde şekil-2.18 yardımıyla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kondansatör ile gerçekleştirilen filtre işlemi şekil-2.18’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Sisteme enerji verildiğinde önce pozitif alternansın geldiğini varsayalım. Bu anda diyot doğru polarmalandığı için iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. Pozitif alternansın ilk yarısı yük üzerinde oluşur. Devredeki kondansatörde aynı anda pozitif alternansın ilk yarı değerine şarj olmuştur. Bu durum şekil-2.18.a üzerinde gösterilmiştir. + _ VT(giriş) VT(giriş)-0.7V + 0V Vgiriş + + - VC RL 0V t0 - Şekil-2.18.a Poizitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj oluyor 40 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan _ + 0V + + Vgiriş - VC RL 0V t0 t1 - Şekil-2.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine deşarj oluyor. + _ + 0V t0 t1 t2 Vgiriş + + VC - RL 0V t0 t1 t2 - Şekil-2.18.c Yük üzerinde görülen çıkış işaretinin dalga biçimi Pozitif alternansın ikinci yarısı oluşmaya başladığında diyot yalıtımdadır. Diyot’un katodu anaduna nazaran daha pozitiftir. Çünkü kondansatör giriş geriliminin tepe değerine şarj olmuştur. Kondansatör şarj gerilimini şekil-2.18.b’de belirtildiği gibi yük üzerine boşaltır. Şebekeden negatif alternans geldiğinde ise diyot ters polarma olduğu için yalıtımdadır. Kondansatörün deşarjı şehir şebekesinin negatif alternansı boyunca devam eder. Şebekenin pozitif alternansı tekrar geldiğinde bir önceki adımda anlatılan işlemler devam eder. Sonuçta çıkış yükü üzerinde oluşan işaret DC’ye oldukça yakındır. Çıkış işaretindeki dalgalanmaya “rıpıl” denildiğini belirtmiştik. DC güç kaynaklarında rıpıl faktörünün minimum düzeyde olması istenir. Bu amaçla filtreleme işlemi iyi yapılmalıdır. Kondansatörle yapılan filtrreleme işleminde kondansatörün kapasitesi büyük önem taşır. Şekil-2.19’de filtreleme kondansatörünün çıkış işaretine etkisi ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 0V Büyük kapasiteli C Küçük kapasiteli C Şekil-2.19 Filtre kondansatörü değerlerinin çıkış işareti üzerinde etkileri Filtreleme işleminin tamdalga doğrultmaç devresinde daha ideal sonuçlar vereceği açıktır. Şekil-2.20’de ise tamdalga doğrultmaç devresinde gerçekleştirilen kapasitif filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi verilmiştir. 41 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan rıpıl rıpıl Şekil-2.20 Tamdalga doğrultmaç devresinde kapasitif filtreleme işlemi ve rıpıl etkileri Filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi bir miktar dalgalanma içermektedir. Bu dalgalanmaya rıpıl adı verildiğini daha önce belirtmiştik. Filtrelemenin kalitesini ise “rıpıl faktörü=rp” belirlenmektedir. Rıpıl faktörü yüzde olarak ifade edilir. Rıpıl faktörünün hesaplanmasında şekil-2.21’den yararlanılacaktır. } Vr(t-t) VDC Şekil-2.21 Tamdalga doğrultmaçta rıpıl faktörünün bulunması Rıpıl faktörü= Rf = Vr V DC Formülde kullanılan Vr ifadesi; filtre çıkışından alınan geriliminin tepeden tepeye dalgalanma miktarıdır. VDC ise filtre çıkışından alınan gerilimin ortalama değeridir. Çıkışında yeterli büyüklükte kapasitif filtre tamdalga doğrultmaç devresinde bu iki gerilim için aşağıdaki tanımlamalar. Tamdalga doğrultmaç devresi için filtre çıkışındaki dalgalanma miktarı Vr, doğrultmaç çıkışından alınan ve filtreye uygulanan giriş işareti tepe değerinin (VT) maksimum %10’u kadar ve bu sınırlar içerisinde ise, Vr ve VDC değerleri aşağıdaki gibi formüle edilebilir. 1 ⋅ VT (in ) V r = f ⋅ RL ⋅ C 1 ⋅ VT (in ) V DC = 1 − 2 f ⋅ RL ⋅ C Formülde kullanılan f değerleri frekans değerini belirtmektedir. Bir tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin frekansının 100Hz, yarım dalga doğrultmaç devresinde ise 50Hz olduğu unutulmamalıdır. Şekil-2.22’de yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devresi çıkışlarında elde edilen filtresiz işaretlerin dalga biçimleri ve şehir şebekesine bağlı olarak peryot ve frekansları tekrar hatırlatılmıştır. 42 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Yarım dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekans T = 20ms ⇒ 0 1 1 f YD = = = 50 Hz T 20ms TYD Tam dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekansı 1 T = 2 ⋅ f YD f TD = YD = 2 ⋅ 2 TYD f TD = 2 ⋅ 50 Hz = 100 Hz 0 T TD Şekil-2.22 Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinde çıkış işaretinin frekansları D1 D3 220Vrms 50Hz D2 Aşağıda verilen tamdalga doğrultmaç devresinin analizini yapınız? D4 Örnek: 2.1 24Vrms 50Hz C 47 µF RL 1KΩ Önce transformatörün sekonder geriliminin tepe değerini bulalım. Çözüm VT ( sek ) = (1.414) ⋅ (24V ) = 34V Doğrultmaç çıkışında elde edilen doğrultulmuş gerilimin değerini bulalım; VT (in ) = (34V − 1.4V ) = 32.6V Filtre çıkışından elde edilecek çıkış gerilimi değerini bulalım. 1 ⋅ VT (in ) V DC = 1 − 2 f ⋅ RL ⋅ C 1 ⋅ 32.6V V DC = 1 − 2 ⋅100 Hz ⋅1KΩ ⋅ 47 µF V DC = (1 − 0.10) ⋅ 32.6V V DC = 29.3V Devre çıkışından alınan işaretin tepeden tepeye rıpıl gerilimi Vr; 1 ⋅ VT (in ) V r = f ⋅ RL ⋅ C 43 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 1 ⋅ 32.6V Vr = 100 Hz ⋅ 1 K Ω ⋅ 47 µ F Vr = (0.21) ⋅ 32.6V = 6.9V Çıkış geriliminin rıpıl faktörünü bulalım. Rf = Vr V DC Rf = 6.9 29.3 Rf=0.23 Rıpıl faktörü genellikle yüzde olarak ifade edilir. Çıkışında kapasitif filtre kullanılan bir doğrultmaç devresi şekil-2.23’de verilmiştir. Bu devrede S anahtarı kapatıldığı anda; filtre kandansatörü ilk anda yüksüz (boş) olduğu için kısa devre etkisi göstererek aşırı akım çeker. Dolayısıyla devreyi korumak amacı ile kullanılan sigorta (F) atabilir. Ayrıca diyotlar üzerinden geçici bir an içinde olsa yüksek akım geçer. Devrenin ilk açılışında oluşan aşırı akım etkisini minimuma indirmek için genellikle bir akım sınırlama direnci kullanılır. Bu direnç şekil üzerinde RANI olarak tanımlanmıştır. Aşırı akım etkisini minimuma indirmek için kullanılan RANI direncinin değeri önemlidir. Bu direnç diyot üzerinden geçecek tepe akım değerini sınırlamalıdır. Uygulamalarda bu direnç üzerinde bir miktar güç harcaması olacağı dikkate alınmalıdır. VT ( sek ) − 1.4V R ANI = IF D4 D1 F Sigorta D3 D2 RA NI C 47µF S RL 1KΩ Şekil-2.23 Tamdalga doğrultmaç devresinde aşırı akımın önlenmesi LC Filtre Doğrultmaç devrelerinde rıpıl faktörünü minimuma indirmek için bir diğer alternatif bobin ve kondansatörden oluşan LC filtre devresi kullanmaktır. Şekil-2.22’de LC filtre devresi görülmektedir. L AC Giriş Tamdalga Doğrultmaç LC Filtre C Şekil-2.24 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre 44 RL ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktansı (XL) ve kondansatörün kapasitif reaktansından (XC) yararlanılarak filtre işlemi gerçekleştirilir. Böyle bir filtre devresinde giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri şekil-2.25 üzerinde gösterilmiştir. Çıkış geriliminin alacağı değer ve dalgalılık miktarı aşağıda formüle edilmiştir. XC Vr ( out ) = X −X C L Doğrultmaç Devresi AC Giriş ⋅V r (in ) XL Vr(in) XC Vr(out) Şekil-2.25 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre π ve T Tipi Filt re LC tipi filtre devreleri geliştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri oluşturulmuştur. Π ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. Rıpıl faktörünün minimuma indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullanılabilir. Şekil-2.23’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmiştir. Л L V giriş Vçıkış C1 V giriş L1 C2 L2 Vçıkış C1 T - tipi filtre ? - tipi filtre Şekil-2.23 π ve T tipi filtre devreleri 2.4 KIRPICI DİYOT DEVRELERİ Elektronik biliminin temel işlevi, elektriksel sinyalleri kontrol etmek ve ihtiyaca göre işlemektir. Pek çok cihaz tasarımında elektriksel bir işareti istenilen seviyede kırpmak veya sınırlandırmak gerekebilir. Belirli bir sinyali kırpma veya sınırlama işlemi için genellikle diyotlardan yararlanılır. Bu bölümde kırpıcı (Limiting) diyot devrelerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. • Kırpıcı diyot devrelerinin özellikleri ve işlevleri. • Polarmalı kırpıcı devrelerin özellikleri ve analizi 45 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Kırpıcı Devreler Kırpıcı devreler, girişine uygulanan işaretin bir kısmını çıkışana aktarıp, diğer bir kısmını ise kırpan devrelerdir. Örneğin şekil-2.24’de görülen devrede giriş işaretinin pozitif alternansı kırpılıp atılmış, çıkışa sadece negatif alternans verilmiştir. Devrenin çalışmasını kısaca anlatalım. Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot doğru yönde polarmalanır. Çünkü; anaduna +VT gerilimi, katoduna ise şase (0V) uygulanmıştır. Diyot iletimdedir. Diyot üzerinde 0.7V ön gerilim görülür. Bu gerilim, diyoda paralel bağlanmış RL yük direnci üzerinden alınır. Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir. Negatif alternans olduğu gibi RL yük direnci üzerinde görülür. Bu durum şekil-2.24’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. R1 VT V giriş + RL 0 Vçıkış +0.7V 0 -VT Şekil-2.24 Pozitif kırpıcı devre ve çıkış dalga biçimi Giriş işaretinin sadece negatif alternansının kırpıldığı, negatif kırpıcı devre şekil-2.25’de görülmektedir. Bu devrede; giriş işaretinin negatif alternansı kırpılmış, çıkıştan sadece pozitif alternans alınmıştır. Devrenin çalışmasını kısaca açıklayalım. Giriş işaretinin pozitif alternansında, diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir. Girişteki pozitif alternans RL yük direnci üzerinde olduğu gibi elde edilir. Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot iletimdedir. Üzerinde sadece 0.7V diyot ön gerilimi elde edilir. Bu gerilim diyoda paralel bağlı RL yük direnci üzerindede oluşacaktır. R1 VT V giriş 0 RL Vçıkış 0 -0.7V -VT + Şekil-2.25 Negatif kırpıcı devre 46 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Her iki kırpıcı devrede çıkıştan alınan işaretin değerini belirlemede R1 ve RL dirençleri etkindir. Çıkış işaretinin alacağı değer yaklaşık olarak; RL VÇikis (Tepe) = ⋅ VGiriş R L + R1 formülü ile elde edilir. Örnek: 2.2 Aşağıda verilen kırpıcı devrenin analizini bir tam peryot için yapınız? 20V R1=220Ω + RL 2.2KΩ 0 -20V Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot açık devredir. Dolayısıyla çıkışta RL yükü üzerindeki gerilim düşümü; RL VT ( out ) = ⋅ VT (in ) R1 + R L 2 .2 K Ω VT ( out ) = ⋅ 20V 100Ω + 2.2 KΩ VT ( out ) = 19.13V Negatif alternansta ise diyot iletkendir. Dolayısıyla çıkışta -0.7V görülür. Devrenin giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri aşağıda verilmiştir. 20V 19.3V 0 0 -0.7V -20V Polarmalı Kırpıcılar Pozitif veya negatif alternansları kırpan kırpıcı devreleri ayrıntılı olarak inceledik. Dikkat ederseniz kırpma işlemi diyot öngerilimi hariç bir tam periyot boyunca gerçekleşiyordu. Bu bölümde çıkış işaretinin pozitif veya negatif alternanslarını istenilen veya belirtilen bir seviyede kırpan devreleri inceleyeceğiz. Girişinden uygulanan sinüsoydal işaretin pozitif alternansını istenilen bir seviyede kırpan kırpıcı devre şekil-2.26’da görülmektedir. Devre girişine uygulanan sinüsoydal işaretin (Vg) pozitif alternansı, VA geriliminin belirlediği değere bağlı olarak kırpılmaktadır. 47 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan R1 Vt Vgiriş + Vçıkış RL 0 + VA+0.7V 0 VA -Vt Şekil-2.26 Polarmalı pozitif kırpıcı devre Devre analizini Vg geriliminin pozitif ve negatif alternansları için ayrı ayrı inceleyelim. Girişten uygulanan işaretin pozitif alternansı, diyodun katoduna bağlı VA değerine ulaşana kadar diyot yalıtımdadır. Çünkü diyodun katodu anaduna nazaran pozitiftir. Bu durumda devre çıkışında Vg gerilimi aynen görülür. Girişten uygulanan Vg geriliminin pozitif alternansı VA değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot doğru yönde polarmalanacaktır ve iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiği anda VA gerilimi doğrudan çıkışa aktarılacak ve RL yükü üzerinde görülecektir. Giriş işareti negatif alternansa ulaştığında ise diyot devamlı yalıtımdadır. Dolayısıyla VA kaynağı devre dışıdır. RL yükü üzerinde negatif alternans olduğu gibi görülür. Devrede kullanılan R1 direnci akım sınırlama amacıyla konulmuştur. Üzerinde oluşan gerilim düşümü küçük olacağı için ihmal edilmiştir. Diyot üzerine düşen ön gerilim (0.7V) diyot ideal kabul edilerek ihmal edilmiştir. Şekil-2.27’de ise polarmalı negatif kırpıcı devre görülmektedir. Bu devre, giriş işaretinin negatif alternansını istenilen veya ayarlanan bir seviyede kırpmaktadır. Giriş işaretinin tüm pozitif alternansı boyunca devredeki diyot yalıtkandır. Çünkü ters polarmalanır. Dolaysıyla VA kaynağı devre dışıdır. Çıkıştaki RL yükü üzerinde tüm pozitif alternans olduğu gibi görülür. Giriş işaretinin negatif alternansı, diyodun anaduna uygulanan VA geriliminden daha büyük olana kadar diyot yalıtıma devam eder. Dolayısıyla çıkışta negatif alternans görülmeye devam eder. Giriş işaretinin negatif alternansı VA gerilimi değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiği anda çıkışta VA kaynağı görülür. VT Vgiriş R1 + RL 0 VA -VT Vçıkış 0 -VA-0.7V + Şekil-2.27 Polarmalı negatif kırpıcı devre 48 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-2.28’deki devre ise, giriş işaretinin pozitif seviyesini VA gerilimine bağlı olarak sınır-lamaktadır. Giriş işareti, diyodun anaduna bağlanan VA değerine ulaşana kadar diyot iletimdedir. Bu durumda çıkışta VA kaynağı görülür. Girişten uygulanan işaret VA değe-rinden büyük olduğunda ise diyot ters polarma olarak yalıtıma gidecektir. Diyot yalıtım-da olduğunda devre çıkışında giriş işareti aynen görülecektir. Dolayısıyla giriş işaretinin tüm negatif alternansı boyunca diyot iletimde olduğu için çıkışta VA kaynağı görülecektir. R1 VT Vgiriş + RL 0 + VA -VT VA-0.7V 0 Şekil-2.28 Polarmalı pozitif sınırlayıcı devre Giriş işaretinin negatif seviyesini istenilen bir değerde sınırlayan devre şeması şekil2.29’da verilmiştir. Giriş işaretinin tüm pozitif alternansı boyunca diyot doğru polarmalanır ve iletimdedir. Çıkışta VA kaynağı olduğu gibi görülür. Giriş işaretinin negatif alternansı, diyodun katoduna uygulanan VA geriliminden daha negatif olduğunda ise diyot yalıtıma gidecektir. Diyot yalıtıma gittiğinde giriş işareti aynen çıkışta görülecektir. R1 VT Vgiriş + RL 0 VA -VT 0 -VA+0.7V + Şekil-2.29 Çıkış dalga biçiminin analizi Kırpıcı devreler, diyotların çalışma prensiplerinin anlaşılması ve analizi için oldukça önemlidir. Unutulmamalıdır ki bir çok elektronik devre tasarımında ve elektronik cihazlarda DC ve AC işaretler iç içedir ve birlikte işleme tabi tutulurlar. Dolaysıyla herhangi bir sinyalin işlenmesinde diyodun işlevi önem kazanır. Kırpıcı devreler, seri ve paralel olarakta tasarlanabilir. Bu bölümde seri ve paralel kırpıcı devreler sırayla verilmiştir. R1 + Vg + Vç + R1 Vg 5V + 5V 49 5+0.7V Vç 0 t ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan R1 + + R1 Vg Vç Vg Vç 5V 5V + + R1 + + Vç + Vg 5V + t 5-0.7V R1 Vg 0 -5-0.7V Vç 0 t Vç 0 t 5V R1 + + R1 Vg Vç Vg 5V 5V + + -5+0.7V Şekil-2.30 Paralel ve seri kırpıcı diyot devreleri 2.5 GERİLİM KENETLEYİCİLER Gerilim kenetleyiciler; girişlerinden uygulanan bir işaretin alt veya üst seviyesini, istenilen sabit bir gerilime kenetlemek veya tutmak amacı ile tasarlanmışlardır. Kenetleme devreleri; pozitif veya negatif kenetleme olmak üzere ikiye ayrılırlar. Pozitif kenetlemede, girişten uygulanan işaretin en alt seviyesi sıfır referans noktasında kenetlenir. Negatif kenetlemede işleminde ise, girişten uygulanan işaretin en üst seviyesi sıfır referans noktasına kenetlenir. Bu bölümde; pozitif ve negatif kenetleme işlemlerinin nasıl gerçekleştirildiği incelenecektir. Gerilim kenetleme işlemi gerçekte, bir işaretin dc seviyesini düzenleme işlemidir. Kenetleme pozitif ve negatif kenetleme olmak üzere iki temelde yapılabilir. Pozitif ve negatif gerilim kenetleme işlemi şekil-2.31’de görsel olarak verilmiştir. 50 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan +2V Çıkış İşareti +V +V t 0 Pozitif Kenetleyici Devre 0 t t 0 Negatif Kenetleyici Devre t 0 -V -V Giriş İşareti Çıkış İşareti Giriş İşareti -2V Şekil-2.31 Pozitif ve negatif gerilim kenetleme işlemi Pozitif kenetleyici devre girişine uygulanan işaret, +V ve –V seviyelerinde salınmaktadır. Kenetleyici çıkışında ise bu işaret 0V referans seviyesine kenetlenmiştir. Yapılan bu işlem sonucunda giriş işaretinin, negatif seviyesi kaydırılmıştır. Çıkıştan alınan işaret artık 0V ile +2V değerleri arasında salınmaktadır. Negatif kenetleyici devre girişine uygulanan işaret de aynı şekilde, +V ve –V seviyelerinde salınmaktadır. Kenetleyici çıkışında bu işaret 0V referans seviyesine kenetlenmiştir. Bu işlem sonucunda giriş işaretinin, pozitif seviyesi 0V referans alınarak kaydırılmıştır. Çıkıştan alınan işaret artık 0V ile –2V değerleri arasında salınmaktadır. Pozitif ve negatif gerilim kenetleyici devreleri ayrı ayrı inceleyelim. Pozitif Gerilim Kenetleyici Şekil-2.32’de pozitif gerilim kenetleyici devre görülmektedir. Bu devre bir diyot, bir kondansatör ve direnç kullanarak gerçekleştirilmiştir. T 0 t + - + VC + Diyot İletimde - + VC=VT-0.7V RL 0.7V + RL + Vt Şekil-2.32 Pozitif gerilim kenetleyici devre Kenetleme işleminin gerçekleşmesi için bu elemanların kullanılması zorunludur. Devrede kullanılan R ve C elemanlarının değeri oldukça önemlidir. Bu elemanların zaman sabitesi (τ=RC) yeterince büyük seçilmelidir. Devrenin çalışmasını kısaca anlatalım. Devre girişine uygulanan işaretin negatif alternasının ilk yarım saykılında; diyot doğru yönde polarmalanır ve iletkendir. Diyot kısa devre etkisi göstereceğinden RL direncinin etkisini ortadan kaldırır. Kondansatör, anında sarj olarak dolar. Kondansatör üzerindeki gerilim; 51 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VC = VT − (0.7V ) değerine eşit olur. Bu gerilimin polaritesi; şekil üzerinde belirtildiği yöndedir. Giriş işaretinin negatif alternansında; kenetleyici çıkışında (RL yük direnci üzerinde) 0.7V’luk diyot öngerilimi elde edilir. Bu durum şekil-2.32 üzerinde gösterilmiştir. Giriş işaretinin pozitif yarım saykılında ise diyot açık devredir. Devreden herhangi bir akım akmaz. RL yük direnci üzerinde ise; giriş işareti ve kondansatör üzerindeki gerilimlerin toplamı görülür. Devreye K.G. K uygulanırsa çıkış gerilimi; V RL = VC + VT V RL = (Vt − 0.7) + VT V RL ≅ 2 ⋅ VT (−0.7) Devre girişine uygulanan ve +VT ve –VT değerlerinde salınan giriş işareti, kenetleyici devre çıkışında 0V veya 0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir. Çıkış işareti artık yaklaşık olarak 0.7V ile +2VT değerleri arasında salınmaktadır. Giriş işaretinin negatif tepe değeri, 0V (0.7V) referans seviyesine kenetlenmiştir. Bu durum şekil-2.33’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. +VT T + + 2VT-(0.7) VC=VT-0.7V + t 0 T - Diyot yalıtımda VT-(0.7) RL t 0 -0.7V -Vt Şekil-2.33 Pozitif gerilim kenetleyici ve çıkış dalga biçimleri Negatif Gerilim Kenetleyici Giriş geriliminin üst seviyesini, 0V referans noktasına kenetlemek için “negatif kenetleyici” kullanılır. Negatif kenetleyici devresinde diyot, kondansatör ve direnç elemanları kullanılır. Kenetleme işlemi; bir diyot yardımı ile kondansatörün şarj ve deşarjından yararlanılarak gerçekleştirilir. Şekil-5.34’de negatif kenetleyici devre görülmektedir. Devre üzerinde, kenetleyici girişine uygulanan işaret ve çıkışından alınan kenetlenmiş işaret gösterilmiştir. +VT 0 T + +0.7V 0 -VT+(0.7) VC=-VT+0.7V + t - Diyot iletimde RL -2VT+(0.7) -VT Şekil-5.34 Negatif gerilim kenetleyici devre 52 t T ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Polarmalı Kenetleyici Polarmalı kenetleyici; girişinden uygulanan işareti dc bir değer üzerine bindirerek çıkışına aktarır. Şekil-2.35’de girişinden uygulanan sinüsoydal gerilimi, VA ile tanımlanan dc gerilim kaynağına kenetleyen polarmalı bir gerilim kenetleyici devresi görülmektedir. - + +Vm VC=Vm-VA T + t 0 -Vm t1 t2 + RL 100K Vi - VA + Vi - VA + RL 100K Şekil-2.35 Polarmalı kenetleyici devresi Devrede giriş gerilimi Vi, VA dc gerilim kaynağından büyük olduğunda (VmSinWt>VA) diyot iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiğinde devrenin eşdeğeri şekilde gösterilmiştir. Giriş gerilimi Vi, maksimum değere ulaştığı anda (+Vm), K.G.K yazarsak; −Vm sin wt + VC + V A = 0V olur. Vc, kondansatör üzerindeki şarj gerilimidir. Kondansatör üzerinde düşen gerilimi hesaplarsak; VC = Vm ⋅ sin wt − V A bulunur. Bu değerler ışığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan; V RL = −VC + Vm ⋅ sin wt olur. Kondansatör gerilimini (Vc=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek; VRL = −(Vm ⋅ sin wt − V A ) + Vm ⋅ sin wt değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin900=1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek; VRL = −(Vm ⋅ 1 − V A ) + Vm ⋅ 1 VRL = −Vm − V A + Vm VRL = +V A değerine eşit olur. Dolayısı ile giriş işaretinin pozitif tepe değerinde; kenetleyici çıkışı VA gerilim kaynağının değerine eşittir. Çünkü RL yük direnci, VA kaynağına paralel hale gelir. Bu durum şekil-2.35’de verilmiştir. 53 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Giriş işaretinin negatif tepe (Vi=Vm sin 2700 t) değerinde ise diyot ters polarma olur ve açık devredir. Kenetleyici devre şekil-2.36’da görülen durumu alır. + +Vm T VC=Vm-VA T t 0 -Vm - t1 t2 Vi 100K + VA VA 0 RL t + -2Vm+VA Şekil-2.36 Polarmalı kenetleyici ve dalga biçimleri Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin matematiksel analizini yapalım. Diyot yalıtımdadır. Kondansatör üzerindeki Vc gerilimi şarj değerini korur. Vc = Vm ⋅ sin wt − V A RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan; −V RL = −VC − Vm ⋅ sin wt olur. Kondansatör gerilimini (VC=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek; −VRL = −(Vm ⋅ sin wt − V A ) − Vm ⋅ sin wt değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin2700=-1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek; −VRL = −(Vm ⋅ ( −1 ) − V A ) − Vm ⋅ ( −1 ) VRL = −2Vm + V A değeri elde edilir. Polarmalı kenetleyici çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil2.36 üzerinde gösterilmiştir. Sonuçta; devre girişinden uygulanan işaret, VA gerilimine kenetlenmiştir. 2.6 GERİLİM ÇOKLAYICILAR Gerilim çoklayıcılar (voltage multipliers); girişinden uygulanan işareti isteğe bağlı olarak birkaç kat yükseltip çıkışına aktaran devrelerdir. Gerilim çoklayıcılar; gerilim kenetleyici ve doğrultmaç devreleri birlikte kullanılarak tasarlanır. Gerilim çoklayıcı devreler; yüksek gerilim alçak akım gereksinilen yerlerde kullanılır. TV alıcıları kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir. Bu bölümü bitirdiğinizde; • Yarımdalga ve tamdalga gerilim çiftleyiciler • Gerilim üçleyiciler • Gerilim dörtleyiciler Hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. 54 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Gerilim Çiftleyici Gerilim çiftleyiciler (Voltage Doupling) girişlerine uygulanan gerilim değerini, ikiye katlayarak çıkışlarına aktaran elektronik düzeneklerdir. Gerilim çiftleyicilerin girişlerine uygulanan gerilim, ac veya darbeli bir işaret olmalıdır. Gerilim çiftleyicilerin çıkışından ise doğrultulmuş dc gerilim elde edilir. Gerilim çiftleyici devrelerin çıkışılarından yapıları gereği sürekli olarak büyük akımlar çekilemez. Gerilim çiftleyici tasarımı, yarımdalga ve tamdalga üzere iki tipde yapılabilir. Şekil2.37’de yarımdalga gerilim çiftleyici devresi görülmektedir. Gerilim çiftleyici devre; gerilim kenetleyici ve yarımdalga doğrultmaç devresinin birlikte kullanılması ile oluşturulmuştur. Bu durum şekil-2.37 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Gerilim Kenetleyici Yarımdalga Doğrultmaç Vi Vo T C1 +Vm + t 0 -Vm D2 t1 +2Vm + Vi D1 Vo C2 - t2 0 t Şekil-2.37 Yarımdalga gerilim çiftleyici devre Devrenin çalışmasını daha iyi anlayabilmek için her bir devre bloğunun işlevleri, dalga şekilleri üzerinde şekil-2.38 üzerinde gösterilmiştir. +Vm T +2Vm 0 t -Vm T Vm 0 a) Giriş İşareti +2Vm b) Kenetleyici Çıkışı t 0 c) Doğrultucu Çıkışı Şekil-2.38 Yarımdalga gerilim çiftleyici devrenin dalga biçimleri Yarımdalga gerilim çiftleyici devresinin nasıl çalıştığı şekil-2.39 üzerinde grafiksel olarak analiz edilmiştir. Giriş işaretinin (Vi) pozitif yarım saykılında; D1 diyodu iletkendir. C1 kondansatörü şekilde belirtilen yönde D1 üzerinden, Vc=Vm-0.7V değerine şarj olur. D2 ise bu anda ters polarma olduğundan yalıtımdadır. Dolayısı ile çıkış gerilimi “0V” dur. 55 ANALOG ELEKTRONİK- I + Vi C1 Kaplan D2 Kesimde - + Vc=Vm-0.7 + Vi Vi - D2 İletimde - - + D1 İletimde C1 C2 D1 C2 Kesimde Vi Vc=2Vm + + a) Vi pozitif alternans b) Vi negatif alternans Şekil-2.39 Yarımdalga gerilim çiftleyici devresinin grafiksel analizi Giriş işareti Vi’nin negatif alternansında ise; D1 diyodu ters polarmalandığından yalıtımdadır. D2 diyodu ise iletkendir. C2 kondansatörü Vi’nin maksimum değerine D2 üzerinden şarj olur. C1 kondansatörü ters polaritede dolu olduğu için boşalamaz. Çıkış işareti C2 kondansatörü üzerinden alınabilir. C2 üzerindeki gerilim ise; K.G.K’dan; VC 1 − VC 2 + Vm = 0 VC 2 = VC 2 + Vm = 0 VC2 üzerinde, giriş işaretinin maksimum değeri olduğundan VC2=Vm’dir. Dolayısıyla çıkışta C2 kondansatörü üzerinden alınan gerilim, giriş gerilimi tepe değerinin 2 katıdır. VC 2 = V0 = Vm + Vm VC 2 = V0 = 2Vm Not: Devre analizinde diyotlar üzerine düşen öngerilimler (0.7V) ihmal edilmiştir. Gerilim kenetleyici tasarımında bir diğer alternatif ise “Tamdalga gerilim çiftleyici” devresidir. Şekil-2.40’da tamdalga gerilim çiftleyici devresi görülmektedir. D1 İletimde D1 Kesimde Vi Vi + + C1 + C1 Vm Vm + 2Vm + C2 C2 D2 Kesimde D2 İletimde Vm Şekil-2.40 Tamdalga gerilim çiftleyici Transformatörün sekonderinde pozitif alternans oluştuğunda D1 diyodu doğru yönde polarmalanır ve iletime geçer. D2 diyodu ise kesimdedir. D1 diyodu iletimde olduğunda; C1 kondansatörü giriş işaretinin maksimum değerine şekilde belirtilen yönde şarj olur. 56 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transformatörün sekonderinde negatif alternans oluştuğunda ise D2 diyodu doğru yönde polarmalanır ve iletime geçer. D1 diyodu ise kesimdedir. D2 diyodu iletimde olduğunda; C2 kondansatörü giriş işaretinin maksimum değerine (Vm) şekilde belirtilen yönde şarj olur. Gerilim çiftleyici devre çıkışından C1 ve C2 kondansatörlerinde oluşan gerilimlerin toplamı alınır. Dolayısıyla çıkış işareti; V0 = +VC 1 + VC 2 V0 = +Vm + Vm ⇒ V0 = 2 ⋅ Vm olarak alınır. Gerilim Üçleyici Tipik bir gerilim üçleyici devresi şekil-2.31’de verilmiştir. Bu devrenin çıkışından alınan işaret, giriş işaretinin tepe değerinin yaklaşık 3 katıdır. Devre ilk negatif yarım saykılda gerilim çiftleyici gibi çalışır. C1 üzerinde şekilde belirtilen yönde giriş işaretinin tepe değeri (VT) görülür. C2 üzerinde ise giriş işaretinin yaklaşık 2 katı (2VT) görülür. Sonraki negatif saykılda ise D3 diyodu doğru yönde polarmalanır. İletkendir. C3, 2VT değerine belirtilen yönde şarj olur. Gerilim üçleyici çıkışından C1 ve C2 üzerinde oluşan gerilimler toplamı 3VT alınır. _ Üçleyici Çıkışı= 3V T VT _ + C1 2V T + C3 D2 D1 Vg D3 C2 _ 2V T + Şekil-2.31 Gerilim üçleyici devre Gerilim Dörtleyici Tipik bir gerilim dörtleyici devre şekil-2.32’de verilmiştir. Bu devrenin çıkışından alınan işaret, giriş işaretinin tepe değerinin yaklaşık 4 katıdır. Devre ilk 3 negatif yarım saykıl süresinde gerilim üçleyici gibi çalışır. C1 kondansatörü üzerinde şekilde belirtilen yönde giriş işaretinin tepe değeri görülür. Devredeki diğer tüm kondansatörler ise 2VT değerine şarj olur. Devre dikkatlice incelenirse her bir negatif alternansta diyotların sırayla iletken olacağı dolayısı ile kondansatörlerin dolacağı görülür. _ VT _ + 2VT + C1 Vg C3 D2 D1 D3 D4 C4 C2 _ + 2VT Dörtleyici Çıkışı= 4VT Şekil-2.32 Gerilim dörtleyici devre 57 _ + 2VT ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Çıkış işareti C2 ve C4 kondansatörleri üzerinden alınmıştır. Dolayısı ile bu kondansatörler üzerinde oluşan gerilimler toplamı; Vç=(2VT) + (2VT) Vç=4VT Değerine eşit olur. Gerilim çoklayıcıların çıkışlarından sürekli yüksek akım çekilmesi mümkün değildir. Anlık yüksek gerilim temininde kullanılabilir. 2.7 DİYOT VERİ SAYFALARI Uluslarası yarıiletken üretecisi pek çok firma farklı özelliklere sahip yüzlerce tip diyot üretimi yaparlar. Üretilen her bir diyot belirli standartlara göre kodlanıp tüketicinin kullanımına sunulur. Üretici firmalar; ürettikleri her bir diyot tipinin çeşitli özelliklerini ve karakteristiklerin veri kitapçıkları (data book) halinde kullanıcıya sunarlar. Devre tasarımlarında kullanılacak diyot seçimi, bu verilerden yararlanılarak seçilir. Veri kitapçıklarında aşağıda belirtilen özellikler hakkında kullanıcıya ayrıntılı bilgiler verilmektedir. Bu bölümde sizlere örnek olarak seçilmiş bazı diyotların veri sayfaları ve karakteristikleri verilecektir. Bu bölümü bitirdiğinizde; • • • Çalışma akım ve geriliminin maksimum değerleri Elektriksel karakteristikleri Çalışma karakteristiklerinin grafiksel analizi hakkında gerekli bilgileri edineceksiniz. Üretici firmalar, ürettikleri devre elemanlarının için genelde iki tür tanıtım yöntemi izlerler. Kısa tanıtımda elemanının çok kısa bir tanıtımı ve genel özellikleri verilir. Ayrıntılı tanıtımda ise elemanla ilgili ayrıntılı açıklamalar, elektriksel grafikler, uygulama notları v.b özel bilgiler yer alır. Veri tablosunda üreticilerin kullandığı sembollere sadık kalınmıştır. Sembollerle ilgili gerekli açıklamalar tablo sonunda verilmiştir. Pek çok üretici veri kitapçıklarında bu sembol tanımlarına uymaktadır. 58 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Tablo-1.1 Bazı silisyum doğrultmaç diyotlarının karakteristikleri VRRM : AÇIKLAMA Peak repertitive reverse voltage Working peak reverse voltage DC blocking voltage SEMBO 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 BİRİ L 1 2 3 4 5 6 7 M VRRM VRWM VR 50 100 200 400 600 800 1000 V Nonrepetitive peak reverse voltage VRSM 60 120 240 480 720 1000 1200 V RMS reverse voltage VR(rms) 35 70 140 280 420 560 700 V I0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 A Nonrepetitive peak surge current (surge capplied at rated load conditions) IFSM 30 30 30 30 30 30 30 A Operating and storage junction temperature range TJ, Tstg Average rectified forward current (single-phase, resistive load, 60Hz, TA=750C VRWM : VRSM : -65.....+175 VR(rms) : I0 : IFSM : TJ : Tstg : 59 0 C ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan SİLİSYUM DOĞRULTMAÇ DİYOTLARI If (A) KILIF 1.0 A DO-15 PLASTİK 1.5 A DO-15 PLASTİK 3.0 A SİLİSYUM HIZLI (FAST) DİYOTLAR 6.0 A DO-27A PLASTİK 1.0 A P-6 PLASTİK DO-15 PLASTİK 3.0 A DO-27A PLASTİK 6.0 A P-6 PLASTİK VRRM VOLT 50 100 200 300 400 500 600 800 1000 If (ort) If FSM Tj 1N4001* 1N4002* 1N4003* ........... 1N4004* .......... 1N4005* 1N4006* 1N4007* 1A@75 C 50A 175 C 1N5391 1N5392 1N5393 1N5394 1N5395* 1N5396 1N5397 1N5398 1N5399 1.5A@75 C 50A 175 C 1N5540 1N5401 1N5402 ............. 1N5404 ............. 1N5406 1N5407 1N5408 P600A P600B P600D ............. P600Q ............. P600J P600K 1N4933 1N4934 1N4935 ............. 1N4936 ............ 1N4937 ......... ......... 3A@105 C 200A 175 C 6A@60 C 400A 175 C 1A@50 C 30A 150 C MR650 MR651 MR652 ............. MR654 ............ MR656 ......... ......... 3A@90 C 100A 175 C MR820 MR821 MR822 ............. MR824 ............ MR826 ......... ......... 5A@55 C 300A 150 C SİLİSYUM KÖPRÜ DİYOTLAR If (A) KILIF 1.0 A PLASTİK KILIF 1.5 A PLASTİK KILIF 1.5 A PLASTİK KILIF + ~ ~ 4.0 A PLASTİK KILIF 10.0 A METAL KILIF 25.0 A METAL KILIF 35.0A METAL KILIF - VRRM VOLT 50 100 200 400 600 800 1000 WL005F WL01F WL02F WL04F WL06F WL08F WL10F If (ort) If FRM If FSM Tj 1A@25 C ....... 30A +175 C W005F W01F W02F W04F W06F W08F W10F 1.5A@50 C ....... 50A +125 C PBF005 PBF01 PBF02 PBF04 PBF06 PBF08 PBF10 PBU4A PBU4B PBU4D PBU4Q PBU4J PBU4K PBU4M 4A@105 C 4A@65 C ....... ....... 50A 200A -55 C to +150 C -55 C to +150 C 60 ........ PB1001 PB1002 PB1004 PB1006 ......... ......... PB2500 PB2501 PB2502 PB2504 PB2506 ........ ........ PB3500 PB3501 PB3502 PB3504 PB3506 ........ ........ 10A@55 C 50A 200A +150 C 25A@55 C 75A 300A +150 C 35A@55 C 75A 400A +150 C ANALOG ELEKTRONİK- I R62 R70 Kaplan R72 DO-200 DO-5 DO-8 DO-9 Şekil-2.33 Çeşitli diyot kılıf tipleri ve kılıf kodları BÖLÜM ÖZETİ • AC gerilimin DC gerilime dönüştürülmesinde silisyum diyotlarından yararlanılır. Dönüştürme işlemini gerçekleştiren devrelere doğrultmaç denir. • Şehir şebekesinden alınan ac gerilim doğrultma işleminden önce bir transformatör yardımıyla istenilen değere düşürülür. • Transformatörler kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatörler ac gerilimi istenilen değere dönüştürme işlemi yanında kullanıcıyı ve sistemi şehir şebekesinden yalıtır. • Transformatör çıkışından alınan ac gerilim, diyotlar kullanılarak doğrultulur. Doğrultma işlemi yarım-dalga ve tam-dalga olmak üzere iki temelde yapılır. • Yarım-dalga doğrultmaç devresinde tek bir diyot kullanılır. Diyot giriş ac işaretinin sadece yarım saykılında (1800) iletkendir. • Tam-dalga doğrultmaç devresi, köprü tipi ve orta uçlu olmak üzere iki temel tipte tasarlanır. • Tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışından alınan işaretin frekansı, giriş işaretinin iki katıdır. Dolayısıyla çıkıştan alınan işaretin ortalama değeri (dc değer) yarım-dalga doğrultmaç devresinden daha büyüktür. • Doğrultmaç çıkışından alınan işaretler dc gerilimden uzaktır ve ac bileşenler (rıpıl) barındırır. Doğrultmaç çıkışlarından dc’ye yakın bir dalga formu elde etmek için filtre devreleri kullanılır. • En basit filtre metodu kondansatörle yapılan filtreleme işlemidir. Bu tipi filtre devrelerinde kondansatörün şarj ve deşarjından yararlanılır. • Filtreleme işleminde L ve C elemanları kullanılabilir. Bu tür filtreleme işlemleri sonucunda çıkış işaretindeki rıpıllar (dalgalanma) minimum düzeye iner. 61 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan • Belirlenen bir işaretin kırpılması işlemi için diyotlar kullanılır. Bu tür devrelere “kırpıcı” (clippers) denir. • Herhangi bir ac işarete, dc seviyeler eklenebilir veya işaretin seviyesi değiştirilebilir. Bu tür devrelere “gerilim kenetleyici” denir. Gerilim kenetleme işlemi diyot ve kondansatörler kullanılarak gerçekleştirilir. • Giriş geriliminin tepe değerini 2, 3, ....n kat yükselterek çıkışına aktaran devreleri “gerilim çoklayıcı” (voltage multiplier) denir. Bu tür devreler, diyot ve kondansatör kullanılarak gerçekleştirilir. • Tipik bir dc güç kaynağı (dc power supply) tasarımı; transformatör, doğrultucu diyot, filtre devresi ve regülatör devresi ile gerçekleştirilir. • Günümüzde yüzlerce yarıiletken devre elemanı (kompenet) üreticisi firma vardır. Her bir firma ürettiği elemanları belirli bir standart dahilinde kodlayarak tüketime sunar. Devre elemanlarının ayrıntılı karakteristikleri ve özellikleri üretici firma kataloglarından temin edilebilir. 62 BÖLÜM 3 3 ÖZEL TİP DİYOTLAR Konular: 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Zener Diyot Zener Diyot Uygulamaları Varikap Diyot Optik Diyotlar Özel Amaçlı Diyotlar Sistem Uygulamaları Amaçlar: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız. • • • • • Zener diyot’un yapısı, karakteristikleri ve işlevleri Zener diyotla gerçekleştirilen gerilim regülasyonu ve kırpıcılar Varikap diyot’un özellikleri, işlevleri ve karakteristikleri Foto-diyot’ların ve LED’lerin özellikleri, işlevleri ve karakteristikleri Regülatör diyotları, şotki diyotlar, pin diyot, tunel diyot v.b özel tip diyotların işlevleri, özellikleri ve karakteristikleri ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektronik endüstrisinin en basit ve temel devre elemanlarından olan diyotlar pek çok cihazın üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Önceki bölümlerde silisyum ve germanyum doğrultucu diyotların pek çok özelliklerini öğrendiniz. Çeşitli uygulama devrelerini gerçekleştirdiniz. Endüstrinin artan gereksinimlerini karşılamak amacı ile farklı tip ve modelde özel tip diyotların üretimide yapılmaktadır. Yukarıda bir kısmının görüntüleri verilen özel diyotları bu bölümde inceleyeceğiz. 64 ANALOG ELEKTRONİK- I 3.1 Kaplan ZENER DİYOT Zener diyot; ters polarma altında kırılma bölgesinde çalıştırılmak üzere tasarlanmış pn bitişimli bir devre elemanıdır. Referans gerilimi temin etmek ve gerilim regülasyonu sağlamak amacı ile kullanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • • Zener diyot sembolü Zener diyot’un çalışma bölgeleri ve kırılma gerilimi Zener karakteristiklerinin analizi Zener veri sayfaları Zener diyot; pn bitişiminden oluşturulmuş ve silisyumdan yapılmış yarı iletken devre elemanlarındandır. Zener diyot; ters polarma bölgesinde zener kırılma geriliminde çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru polarma altında çalışması doğrultucu diyot’la benzerlik gösterir. Şekil-3.1’de zener diyot’un şematik sembolleri verilmiştir. K Katod A Anot K A Şekil-3.1 Zener diyot sembolleri Zener diyot; doğru polarma altında silisyum doğrultmaç diyot’ların tüm özelliklerini gösterir. Doğru polarma altında iletkendir. Üzerinde yaklaşık 0.7V diyot öngerilimi oluşur. Ters polarma altında ise pn bitişimi sabit gerilim bölgesi meydana getirir. Bu gerilim değeri; “kırılma gerilimi” (Broke-down voltage) olarak adlandırılır. Bu gerilime bazı kaynaklarda “zener gerilimi” denilmektedir. Şekil-3.2’de silisyum doğrultmaç diyodu ile zener diyot karakteristikleri birlikte verilmişlerdir. 65 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I F ( mA ) I F ( mA ) Doğru Polarma Bölgesi Kırılma VR (V ) VBR VF (V ) 0.7V Ters Polarma Bölgesi Doğru Polarma Bölgesi Kırılma VR (V ) VZ 0.7V Ters Polarma Bölgesi I R ( µA ) VF (V ) I Z ( mA ) a) Silisyum Doğrultucu Diyot Karakteristiği a) Zener Diyot Karakteristiği Şekil-3.2 Silisyum doğrultucu diyot ve zener diyot karakteristikleri Zener diyot ile silisyum diyot karakteristikleri arasında ters polarma bölgesinde önemli farklılıklar vardır. Silisyum diyot ters polarma dayanma gerilimi değerine kadar açık devre özelliğini korur. Zener diyot ise bu bölgede zener kırılma gerilimi (Vz) değerinde iletime geçer. Zener üzerindeki gerilim düşümü yaklaşık olarak sabit kalır. Zener diyotlarda kırılma gerilimi, üretim aşamasında pn bitişiminin katkı maddesi oranları ayarlanarak belirlenmektedir. Günümüzde 1.8V ile 200V arasında farklı kırılma gerilimlerine sahip zener diyotlar üretilmektedir. Günümüz piyasasında kullanıcının ihtiyacına uygun olarak; 1/4W ile 50W anma güçleri arasında çalışacak şekilde zener diyot üretimi yapılmaktadır. Zener diyotlarla ilgili bazı üretici firma verilerini, veri sayfaları bölümünde bulabilirsiniz. Ayrıntılı karakteristik ve veriler için üretici katalogları incelenmelidir. Şekil-3.4’de farklı güçlere dolayısıyla farklı kılıflara sahip zener diyot’lar görülmektedir. Şekil-3.4 Zener diyotlarda kılıf tipleri 66 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Zener Kırılma Karakteristiği Zener diyot, doğru polarma bölgesinde normal silisyum diyot özelliği gösterdiği belirtilmişti. Zener diyodun en önemli özelliği ters polarma bölgesindeki davranışıdır. Zener diyodun ters polarma altında çalışması için gerekli devre bağlantısı ve akım-gerilim karakteristiği şekil-3.5’de verilmiştir. Ters polarma altında zener diyot üzerine uygulanan gerilim değeri; zener kırılma gerilimi değerini aştığında zener diyot kırılarak iletime geçer. Ters polarma altında iletime geçen zener diyot, üzerinde sabit bir gerilim değeri oluşturur. Bu gerilime “zener gerilimi” (Vz) denir. Zener diyodun iletime geçebilmesi için zener üzerinden geçen akım; Izmin değerinden büyük, Izmax değerinden küçük olması gerekir. Başka bir ifadeyle zenere uygulanan ters polarma gerilimi, Zener kırılma gerilimi (Vz) değerinden büyük olmalıdır. VR (V ) VZ @ IZT R IZ min Iz + VDD I ZTest Vz I Z max I R ( mA ) Şekil-3.5 Zener diyot’un ters polarma altında karakteristiği Zener diyot üzerinden geçen akım miktarı; Izmax değerini geçtiğinde zener bozularak işlevini yitirir. Karakteristikten de görüldüğü gibi zener diyot üzerinden geçen Iz akımı; Izmin ve Izmax değerleri arasında tutulmalıdır. Zener diyot ters polarma altında iletimde kaldığı sürece üzerinde Vz olarak belirtilen bir gerilim oluşur. Bu gerilime “zener gerilimi”, bu işleme ise “gerilim regülasyonu” denir. Zener diyot, karakteristikte gösterildiği gibi üzerindeki gerilimi Vz değerinde sabit tutmaktadır. Bu özellik zener diyodu oldukça popüler kılar. Özellikle gerilim regülasyonu veya referans gerilimi elde etmede sıkça kullanılmasını sağlar. Zener Eşdeğer Devreleri Zener diyodun ters polarma bölgesindeki davranışını tanımlamak için şekil-3.3’de eşdeğer devresi verilmiştir. İdeal bir zenerin eşdeğer devresi, nominal zener kırılma gerilimi değerine eşit gerilim kaynağı (Vz) ile gösterilir. Gerçek (pratik) bir zenerin ters polarma bölgesinde eşdeğer devresi ise, küçük bir iç empedans (Zz) ve nominal zener kırılma gerilimini temsilen bir gerilim kaynağından oluşur. Zener kırılma gerilimi; ideal değildir. Karakteristik eğriden de görüleceği gibi bir 67 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan miktar değişim gösterir (∆VZ). Bu durum şekil-3.3.c üzerinde gösterilmiştir. Zener empedansı; değişen zener akımının (∆VZ), değişen zener akımına (∆IZ) oranıdır ve aşağıdaki şekilde belirlenir. ZZ = ∆VZ ∆I Z Üretici firmalar normal koşullarda veri tablolarında test değerleri için zener akımını IZT ve zener empedansını ZZT verirler. Zenerle yapılan tasarımlarda bu değerler dikkate alınmalıdır. ∆VZ 0 VR (V ) IZ min + + Zz Vz Vz + ZZ = a) İdeal zener eşdeğeri ∆VZ ∆IZ b) Pratik zener eşdeğeri ∆VZ IZ max c) zener karakteristiği I R ( mA ) Şekil-3.3 Zener diyot eşdeğer devresi Isıl Kararlılık Tüm yarıiletken devre elemanları gibi, zener diyotlarda çalışma ortamlarındaki ısıdan etkilenirler. Üretici firmalar zener diyot için gerekli karakteristikleri genellikle 250C oda sıcaklığı için veririler. Isı artımında zener geriliminde oluşabilecek değişimler üretici kataloglarında belirtilir. Örneğin çalışma koşullarındaki her 10C’lik ısı artışı, zener geriliminde (Vz) yaklaşık %0.05 oranında artış gösterir. Bu özellik uygulamalarda dikkate alınmalıdır. Yüksek güçlerde çalıştırılan zener diyotlar üzerine soğutucular monte edilmelidir. Güç Tüketimi ve Bozulma Faktörü Zener diyotlarla uygulama yapılırken maksimum güç değerlerine dikkat edilmelidir. Üretici firmalar DC gerilim altında her bir zener diyot için uyulması gereken güç değerlerini kataloglarında verirler. Örneğin; 1N746 kodlu zener diyot için maksimum güç PD=500mW, 1N3305 kodlu zener diyot için maksimum güç PD=50W olarak verilmiştir. Zener diyotların dc gerilim altında maksimum dayanma gücü; PD = VZ ⋅ I Z(max) formülü kullanılarak bulunur. Zenerlerde maksimum dayanma gücü genellikle 500C için verilir. Çalışma koşullarındaki ısı değişimi, hesaplamalarda dikkate alınmalıdır. 68 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Zener Diyot veri sayfası Üretici firmaların binlerce tip farklı çalışma karakteristiklerine sahip zener diyot ürettiklerini belirtmiştik. Bu bölümde sizlere örnek olması amacı ile bazı zener diyotların üretici firma tarafından verilen karakteristiklerini sizlere sunacağız. Üretici firma karakteristikleri genelde ingilizce hazırlandıkları için orijinal metine sadık kalıp, gerekli açıklamaları notlar halinde sunacağız. Maxsimum Rating (maksimum kategoriler) Ratings (Kategoriler) Symbol (Sembol) Value (Değer) Unit (Birim) DC power dissipation @ TA=500C Derete above 500C PD 1.0 6.67 Watt mW/C0 Opereting and stor junction Temperature range TJ, Tstg -65 to +200 0C Electrical Characteristics (TA=250C unless otherwise noted) VF=1.2Vmax IF=200mA for all types Elektriksel karakteristikler (Aksi not olarak belirtilmedikçe TA=250C’de) Tüm tipler için VF=1.2Vmax IF=200mA JEDEC Type no Nominal Zener Voltage VZ@IZT Volts Test Current IZT mA ZZT@IZT Ohms ZZK@IZK Ohms IZK mA IR ųA max VR Volts 1N4728 1N4729 1N4730 1N4731 1N4732 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 76 69 64 58 53 10 10 9.0 9.0 8.0 400 400 400 400 500 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 100 100 50 10 10 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1N4733 1N4734 1N4735 1N4736 1N4737 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 49 45 51 37 34 7.0 5.0 2.0 3.5 4.0 550 600 700 700 700 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 10 10 10 10 10 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 1N4758 1N4759 1N4760 56 62 68 4.5 4.0 3.7 110 125 150 2000 2000 2000 0.25 0.25 0.25 5.0 5.0 5.0 42.6 47.1 51.7 Maxsimum zener impedance Leakage Current Tablo-3.1 Çeşitli tip zener diyotların bazı önemli karakteristikleri 69 ANALOG ELEKTRONİK- I 3.2 Kaplan ZENER DİYOT UYGULAMALARI Zener diyotlar genellikle dc güç kaynaklarında gerilim regülasyonunu sağlamak amacı ile kullanılırlar. Karşılaştırma yapmak için referans gerilimi temininde de zener diyotlar sıklıkla kullanılır. Regülasyon işlemi bir büyüklüğü, başka bir büyüklük karşısında kararlı tutmaktır. Örneğin gerilim regülasyonu terimi; gerilimi, akımdan veya yükten bağımsız hale getirip sabit bir değerde tutma anlamına gelmektedir. Bu bölümde; zener diyotla gerilim regülasyonunun nasıl gerçekleştirildiğini öğreneceksiniz. Ayrıca zenerle yapılan basit kırpıcı devreleri tanıyacaksınız. Zenerin Regülasyonda Kullanılması Zener diyotların en geniş ve yaygın kullanım alanı gerilim regülasyonudur. Gerilim regülasyonu; gerilimi dış etkilerden bağımsız hale getirip sabit tutabilmektir. Kısaca gerilimi kararlı hale getirebilmektir. Gerilim kararlı kılmanın en basit yöntemi şekil3.6’da gösterilmiştir. Devre girişine uygulanan regülesiz VGİRİŞ gerilimi, zener diyotla kararlı hale getirilmiştir. Bu işlem için zener diyot ve R direnciyle gerilim bölücü bir devre oluşturulmuştur. Devre girişine uygulanan VGİRİŞ gerilimi değişmektedir. Devrede kullanılan 12V’luk zener diyot, giriş gerilimindeki tüm değişimleri algılamalı ve devrenin çıkış gerilimini VÇIKIŞ 12V’ta sabit tutmalıdır. Bu işlem gerçekleştirildiğinde zener diyot, gerilim regülasyonu yapıyor diyebiliriz. R IT Regülesiz DC kaynak + - IZ Vz 12V VGİRİŞ IL VÇIKIŞ RL Şekil-3.6 Zener diyotla gerçekleştirilen gerilim regülasyonu Zener diyot bu işlemi nasıl gerçekleştirecektir. Zener’in istediği şartları yerine getirirsek gayet basit. Zener diyot gerilim regülasyonu yapmak için neler istiyordu. Kısaca tekrar hatırlayalım. 12- Zener diyot ters polarma altında çalıştırılmalı Zener’e uygulanan gerilim, zener kırılma geriliminden (VZ) büyük olmalı. (Vin>Vz) 70 ANALOG ELEKTRONİK- I 3- Kaplan Zener’den geçecek akım; Izmin değerinden büyük, Izmax değerinden küçük olmalı (Izmin<Iz<Izmax) Şekil-3.6’da verilen regüle devresinde zener diyot’dan iki temel işlemi gerçekleştirmesi istenmektedir. 1- Zener diyot; giriş gerilimlerindeki değişimi algılamalı ve çıkış gerilimini sabit tutmalıdır. Giriş gerilimlerindeki değişimler, çıkış gerilimini etkilememelidir. 2- Devre çıkışından alınan gerilim, yükteki değişimlerden etkilenmemelidir. Çıkış gerilimi yük akımı IL’den bağımsız ve sabit olmalıdır. Bu özellikleri sırayla inceleyelim. Değişken giriş geriliminde regülasyon Bu bölümde regülesiz giriş gerilimlerinde zener diyot’un nasıl regüle yaptığını öğreneceğiz. amaçla şekil-3.7’deki devre verilmiştir. Devrede giriş gerilimi VGİRİŞ, belli bir aralıkta değişmektedir. Devre çıkışında ise 12V’luk sabit çıkış gerilimi alınacaktır. Bu işlem 12V’luk zener diyot’la gerçekleştirilmektedir. Devredeki R direnci; zener diyot üzerinden geçecek akım miktarını belirlemektedir. Zenerin regüle işlemini yerine getirebilmesi için üzerinden akan akım miktarı (Izmim-Izmax) değerleri arasında olmalıdır. R 220Ω Regülesiz DC kaynak + - I IZ Vz 12V VİN VOUT Şekil-3.7 Değişken giriş geriliminde regülasyon Örneğin şekil-3.7’deki regüle devresinde 1/2W gücünde 12V’luk zener diyot kullanıldığını varsayalım. Zener diyot’un minimum kırılma akımı ise Izmin=IZK=0.50mA olsun. Bu durumda devrenin regüle edebileceği giriş gerilimi aralığını bulalım. Çözüm: Önce zener diyot’un dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım. PD(max) = Vz ⋅ I Z max I Z max = PD(max) VZ = 500mW = 41.6mA 12V olarak bulunur. Zener akımı minimum olduğunda; R direnci üzerine düşen gerilim, 71 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VR = R ⋅ I Z min = ( 220Ω) ⋅ (0.50mA) = 110mV Dolayısıyla giriş geriliminin minimum değeri; VR = VIN − VZ VIN ( MIN ) = VR + VZ = 12V + 110mV = 12.11V Dolayısıyla zener diyot’un regüle işlemini yerine getirebilmesi için giriş gerilimi (VIN) minimum 12.11V olmalıdır. Şimdi giriş geriliminin alabileceği maksimum değeri bulalım. VR = R ⋅ I Z max = ( 220Ω) ⋅ ( 41.6mA) = 9.166V Dolayısıyla giriş gerilimini alabileceği maksimum değer; VR = VIN − VZ VIN ( MAX ) = VR + VZ = 12V + 9.166V = 21.16V Şekil-3.7’de verilen regüle devresinde yapılan hesaplamalar sonucunda aşağıdaki veriler elde edilmiştir. Örnek: 3.1 1- Zener diyot regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için, giriş gerilimi minimum VIN(MİN)=12.11V olmalıdır. 2- Zener diyot regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için, giriş gerilimi maksimum VIN(MAX)=21.16V olmalıdır. Şekil-3.8’de verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için giriş geriliminin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız. R 100Ω Regülesiz DC kaynak + - VİN I Vz 1N4758 IZ VOUT Şekil-3.8 Değişken giriş gerilimlerinde regülasyon 72 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devrede kullanılan 1N4578 kodlu zener diyodun karakteristiklerini üretici veri sayfasından yararlanarak bulalım. VZ=56V, PD(max)=1W, IZmin=0.25mA Bu durumda devrenin minimum giriş gerilimi; VIN(min)=(IZmin . R)+VOUT VIN(min)=(0.25mA)(100Ω)+56V=56.25V Çözüm: Değerinde olmalıdır. Devrenin maksimum giriş gerilimini bulmak için önce zenerin dayanabileceği maksimum akımı bulmalıyız. I Z max = PD(max) = VZ 1W = 17.8mA 56V O halde devrenin maksimum giriş gerilimi; VIN(max)=(IZmax . R)+VOUT VIN(max)=(17.8mA)(100Ω)+56V=57.8V Dolayısıyla şekil-3.8’de verilen regüle devresinde zener diyodun regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için giriş gerilimi; 56.2V>VIN >57.8V aralığında olmalıdır. Değişken yük akımında regülasyon Bu bölümde değişken yük akımında zener diyodun nasıl regüle yaptığını göreceksiniz. Örnek bir regüle devresi şekil-3.9’da verilmiştir. Devrede zener diyoda paralel değişken bir yük direnci (RL) bağlanmıştır. Zener diyot regüle yaptığı sürece RL yükü üzerindeki gerilim düşümü sabit kalmalıdır. Kısaca VOUT=12V olmalıdır. R + - IT Vz 12V VIN IL IZ VOUT RL Şekil-3.9 Değişken yük akımında regülasyon Konuyu daha iyi irdeleyebilmek amacı ile çeşitli uygulama örnekleri verilerek matematiksel analizleri yapılmıştır. 73 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 3.2 Kaplan Şekil-3.10’da verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için RL yük direncinin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız.? R IT 470Ω + 24V - IL IZ Vz 10V 1W VIN RL VOUT Çözüm: Şekil-3.10 Değişken yük direncinde gerilim regülasyonu Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; VZ=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA olarak verilmiştir. Bu veriler ışığında gerekli analizleri yapalım. Devrede kullanılan zener diyodun dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım; I Z(max) = PD(max) VZ = 1W = 100mA 10V Önce devrede yük direnci kullanılmadığında (RL=∞) zener regüle işlemini yerine getirebilir mi? İnceleyelim. Bu durumda IL=0A olacağından, IT=IZ(max) olacaktır. Dolayısıyla; VIN = R ⋅ I T + VZ I T = I Z (max) = V I N − VZ R = 24 − 10 470 Ω I T = I Z(max) = 29.7 mA elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine getirilebiliyor. Devreden; 74 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine getirilebiliyor. Devreden; I T = I Z(max) + I L(min) I T = I Z (min) + I L (max) olacağı açıktır. Buradan yük akımının alabileceği maksimum değeri bulabiliriz. I L(max) = I T − I Z(min) I L (max) = 29.7 − 1mA = 28.7 mA Devre çıkışından alınabilecek maksimum yük akımını hesapladık. Bu veriyi kullanarak çıkışa bağlanabilecek RL yük direncini hesaplayalım. R L(min) = VZ I L (max) = 10V = 348Ω 28.7 mA Sonuç: Elde edilen bu veriler ışığında devremizin regüle işlemini yerine getirebilmesi için RL Yük direncinin alabileceği değerler aralığı; 398Ω>RL>∞ Zener’le bir gerilim regülatörü tasarlanırken dikkat edilmesi gereken faktörler vardır. Bunları giriş gerilimindeki değişimler ve yük akımındaki değişimler olarak özetleyebiliriz. Son olarak komple bir regüle devresi tasarım örneği vererek konuyu bitirelim. Örnek: 3.3 Şekil-3.11’da verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için gerekli R ön direncinin olması gereken değerini hesaplayınız?. R IT + 20V - Vz 10V 1W VIN IZ IL 1KΩ RL Şekil-3.11 Zenerle gerilim regülasyonu 75 VOUT ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; VZ=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA olarak verilmiştir. Devrede kullanılan zener diyodun dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım; PD (max) I Z (max) = I Z (max) = Çözüm: VZ 1W = 100mA 10V Devrede kullanılan RL yük direnci 1KΩ değerindedir. Dolayısıyla yük akımı sabittir. IL = VZ = VOUT 10 = = 10mA RL 1KΩ R ön direncinden geçecek akım IT olarak belirtilmiştir. IT akımının alabileceği değerleri hesaplayalım. I T (min) = I Z (min) + ⋅I L( = 1mA + 10 mA = 11mA I T (max) = I Z (max) + ⋅I L ( = 100 mA + 10 mA = 110 mA Devrede akım sınırlamak amacıyla kullanılan R ön direnci bu değerleri sağlamalıdır. Dolaysıyla R direncinin minimum ve maksimum olmak üzere iki sınır değeri olacaktır. VIN = R min ⋅ I T (max) + VZ R min = R max = V I N − VZ I T (max) V I N − VZ I T (min) = 20 − 10 = 90Ω 110mA = 20 − 10 = 909Ω 11mA Devrede kullanacağımız R ön direnci yukarıda belirtilen değerler aralığında olmalıdır. Sağlıklı çalışma için limit değerler kullanmak önerilmez. Ortalama bir değer kullanalım. R= R max + R min 90Ω − 909Ω = ≅ 470Ω 2 2 R= 90Ω − 909Ω ≅ 470Ω 2 76 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Zener’le kırpıcı devreler Zener diyot’un sıklıkla kullanılan bir diğer uygulama alanı ise kırpıcı devre tasarımıdır. Özellikle ac işaretlerin kırpılması ve farklı dalga formlarına dönüştürülmesi için zener diyotlar sıklıkla kullanılır. Bu bölümde ac işaretlerin kırpılmasını ve dalga formlarının değiştirilmesini inceleyeceğiz. Şekil-3.12’de sinüsoydal bir işaretin nasıl kırpıldığı gösterilmiştir. Bu devrede; giriş işaretinin pozitif saykılında zener diyot kırılma gerilimi değerine kadar yalıtımdadır. Dolayısıyla giriş işareti, çıkışta aynen görülür. Giriş işaretinin pozitif seviyesi, zener kırılma gerilimi değerini aştığında zener diyot kırılarak çıkış gerilimini +5V değerinde sabit tutar. Giriş işaretinin negatif yarım saykılında ise zener iletkendir. Çıkışta 0.7V zener ön gerilimi elde edilir. Dolayısıyla devre girişine uygulanan 20Vt-t değerine sahip sinüsoydal işaret, devre çıkışından +5V’luk kare dalgaya dönüştürülmüş olarak alınır. VIN VOUT R +10V + 0 t Vz 5V VIN 5V VOUT t -0.7V -10V Şekil-3.12 Sinüsoydal bir işaretin pozitif alternansının kırpılması Şekil-3.13de görülen devrede ise sinüsoydal giriş işaretinin negatif alternansı zener diyot tarafından –7V’ta kırpılmıştır. Pozitif alternansta zener diyot iletimde olduğu için çıkış gerilimi +0.7V civarındadır. VIN +10V 0 VOUT R + t VIN Vz 7V VOUT +0.7V -7V -10V Şekil-3.13 Sinüsoydal bir işaretin negatif alternansının kırpılması Şekil-3.14’de ise sinüsoydal bir işaretin pozitif ve negatif alternanslarını kırpan bir devre verilmiştir. Giriş işaretinin pozitif alternansında; VZ2 zeneri iletimdedir. VZ1 ise pozitif alterrnansı kırılma gerilimi değerinde kırpar. Pozitif alternansta çıkış geriliminin tepe değeri VZ1+0.7V değerine eşitttir. Giriş işaretinin negatif alternansında; VZ1 zeneri iletimdedir. VZ2 ise negatif alterrnansı kırılma gerilimi değerinde kırpar. Negatif alternansta çıkış geriliminin tepe değeri – (VZ2+0.7V) değerine eşitttir. 77 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VIN +10V Vz1 + 0 VOUT R t Vz1 t VOUT VIN Vz2 -10V Vz2 Şekil-3.14 Sinüsoydal bir işaretin negatif ve pozitif alternanslarının kırpılması 3.3 VARİKAP DİYOT Varikap diyot, pn ekleminden üretilmiş yarıiletken bir devre elemanıdır. Kimi kaynaklarda “varaktör (varactor) diyot” olarak adlandırılır. P-N bitişimi ters gerilim altında bir miktar kapasitif etki gösterir. Bu özellikten yararlanılarak varikap diyotlar üretilmiştir. Varikap diyot, genellikle iletişim sistemlerinde kanal seçici (tuning) devrelerin tasarımında kullanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • Varikap diyot’un temel yapısı ve sembolü Varikap diyot’un çalışma karakteristikleri Varikap diyot’un veri sayfaları P-N bitişimi ters yönde polarmalandığında bir miktar kapasitif etki oluşturur. P-N bitişiminin bu özelliğinden yararlanılarak varikap diyotlar geliştirilmiştir. Varikap diyodu; ters polarma altında kapasitansı değişen diyot veya yarıiletken kondansatör olarak tanımlayabiliriz. Şekil-3.15’de varikap diyodun şematik sembolü ve eşdeğer devresi verilmiştir. Rs Cv Şekil-3.15 Varikap diyodun şematik sembolü ve eşdeğer devresi Varikap diyodun kapasitif değerini, pn bileşiminin fakirleştirilmiş bölgesinde belirlenmektedir. Üretimde kullanılan katkı maddesi ve fiziksel boyut kapasitif değeri etkileyen diğer faktörlerdir. Kapasitif etkinin nasıl oluştuğu şekil-3.16 yardımıyla görselleştirilmiştir. Varikap diyoda uygulanan ters polarma değerine bağlı olarak kapasitif etkinin değiştiğine dikkat ediniz. 78 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan p n Fakirleştirilmiş Bölge - + VDD VDD Şekil-3.16 Varikap diyodun temel yapısı ve çalışması Varikap diyodun kapasitesi uygulanan ters gerilimin değerine bağlı olarak bir kaç pF’dan yüzlerce pF’a kadar değiştirilebilir. Şekil-3.17’de tipik bir varikap diyodun karakteristiği verilmiştir. Karakteristik eğriden görüldüğü gibi varikap diyoda uygulanan ters polarite artışı, diyodun kapasitif değerini azaltmaktadır. C(pF) R 60 + 40 VDD - 20 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 VR (v) Şekil-3.17 Varikap diyodun karakteristiği Genel kullanım Alanları Varikap diyotlar; genellikle iletişim sistemlerinin tasarımında kullanılır. Kullanım alanlarına örnek olarak; FM modülatörü, otomatik frekans kontrolü, filtreleme devrelerini verebiliriz. Şekil-3.18’de varikap diyot, paralel bir rezonans devresinde, rezonans frekansının ayarlanmasında kullanılmıştır. R D1 Vi L +V D2 Şekil-3.18 Paralel rezonans devresinde varikap diyodun kullanılması 79 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devrede; 2 adet varikap diyot kullanılmıştır. Varikap diyodlara uygulanan dc gerilim; varikap diyodların kapasitif değerlerini değiştirmektedir. Bu durum, paralel rezonans (tank devresi) devresinin rezonans frekansını belirler. Bu devrede rezonans frekansı (Q≥ 10 için) Fr; Fr = 1 2 Π LC Genel veriler Üretici firmalar kullanım amaçlarına bağlı olarak yüzlerce farklı tipte varikap diyot üretimi yaparak tüketime sunarlar. Üretilen her bir varikap diyodun karakteristiklerini üretici kataloglarından temin edilebilir. Bu bölümde; örnek olarak birkaç varikap diyodun genel karakteristikleri verilmiştir. Kodu CD, Diyod Kapasitesi VR=0.5VDC, f=1.0MHz CD, Diyod Kapasitesi VR=28VDC, f=1.0MHz Ters Yön Gerilimi (VR) Ters Yön Akımı (IR) İleri Yön Akımı (IF) Seri Diyod Direnci rS Min Max Min Max Max Max Max Max BB131 8pF 17pF 0.7pF 1.05pF 30V 10nA 20mA 3Ω@200MH z BB135 17.5pF 21pF 1.7pF 2.1pF 30V 10nA 20mA 0.7Ω@470 MHz BB145 6.4pF 7.4pF 6V 10nA 20mA 0.6Ω@470 MHz 32V 200nA 20mA 1.2Ω@100 MHz [email protected] [email protected] F F BB152 1V@52p 1V@62 F pF 2.48pF 2.89pF BB190 1V@18p 1V@20 10V@6p 10V@6p F pF F F 10V 3nA BBY40 3V@26p 3V@32 [email protected] 25V@6p F pF pF F 30V 10nA 0.4Ω@470 MHz 20mA Şekil-3.19 Bazı Varikap diyotların genel karakteristikleri 80 0.7Ω@200 MHz ANALOG ELEKTRONİK- I 3.4 Kaplan OPTİK DİYOTLAR Bu bölümde; optik özellik gösteren iki tür diyodu ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bunlardan ilki ışık yayan diyot’tur. Bu diyot, genellikle LED (Light Emitting Diode) olarak adlandırılır. Optik özellik gösteren bir diğer diyot ise Foto-Diyot olarak adlandırılır. Foto-diyot, ters polarma altında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Ters polarma altında iletkenliği ışığa duyarlıdır. Her iki diyot türü, özellikle optik uygulamalarda sıklıkla kullanılırlar. Bu bölümde; • • • Işık yayan diyotların (LED) özellikleri ve karakteristikleri Foto-Diyot özellikleri ve çalışma karakteristikleri Lazer Diyot Hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. Işık Yayan Diyot (LED) Işık yayan diyot (LED), doğru yönde polarmalandığında görülebilir ışık yayan yarıiletken bir devre elemanıdır. P-N bitişiminden üretilmiştir. Bilindiği gibi germanyum veya silis-yumdan yapılan pn bitişimleri doğru polarma altında üzerlerinden bir akım akmasına izin verir. Akım akışı esnasında bir enerji açığa çıkar. Bu enerjinin bir miktarı ısı, küçük bir miktarı ise ışık (foton) enerjisidir. Bu nedenle LED üretiminde silisyum veya germanyum elementleri kullanılmaz. LED üretimi için P ve N maddelerinin oluşturulma-sında genellikle Galyum arsenit fosfit (GaAsP) veya galyum fosfit (GaP) kullanılır. Bu tür maddeler doğru polarma altında görülebilir ışık elde etmek için yeterlidir. Şekil-3.19.a’da LED’in şematik sembolü, 3.19.b’de ise doğru polarma altında pn bitişiminde ışık enerjisinin oluşumu verilmiştir. Katot Katot + Işık Enerjisi n tipi madde _ Anot n tipi madde Anot a) Led’in şematik gösterimi b) Işık enerjisinin oluşması Şekil-3.19.a ve b Led sembolleri ve ışık enerjisinin oluşması 81 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan PN bitişiminde, bitişim bölgesinde elektron ve boşluklar yeniden birleşir. Yeniden birleşme işlemi esnasında enerjinin büyük bir kısmı ışık enerjisine dönüşerek görülebilmesine neden olur. Bu durum şekil-3.19’b’de resmedilmiştir. Yarıiletken malzemeye elektrik enerjisi uygulanarak ışık enerjisi elde edilebilir. Bu işlem “elektrolüminesans (elektro-parlaklık)” olarak adlandırılır. LED, doğru polarma atında iletime geçer ve üzerinden akım akmasına izin verir. Doğru polarma altında üzerinde maksimum 1.2V ile 3.2V arasında bir gerilim düşümüne sebep olur. LED’lerin üzerlerinden akmalarına izin verilen akım miktarı 10-30mA civarındadır. Bu değer; kullanılan LED’in boyutuna ve rengine göre farklılık gösterebilir. Gerekli maksimum değerler üretici kataloglarından temin edilebilir. Şekil-3.20’de LED’in doğru polarma altında çalışması ve V-I karakteristiği verilmiştir. R + VRD - IF + VDD Işık şiddeti IF IF(mA) + VF - - IF V F(v) 1. 5V a) LED’in Doğru polarmalanması IF (mA) 2. 0V b) LED’in V-I Karakteristiği c) LED akımına bağlı olarak ışık şiddeti Şekil-3.20 Doğru polarma altında LED’in çalışması ve karakteristikleri LED’in yaydığı ışık enerjisinin şiddeti ve rengi imalatta kullanılan katkı maddesine göre değişmektedir. Üretiminde GaP kullanılan LED’ler, kırmızı yada sarı renkte görülebilir ışık yayarlar. GaAsP kullanılan LED’ler ise sarı renkte görülebilir ışık yayarlar. Üretiminde GaAs kullanılan LED’ler ise “kızıl ötesi (infrarad)” ışık yayarlar. LED’lerin yaydığı ışığın görünebilir veya görünemez olması, yayılan ışığın dalga boyu tarafından belirlenir. 500nm-700nm arasında dalga boyuna sahip ışımalar görülebilir. 800nm-1000nm arasında dalga boyuna sahip ışımalar ise kızıl ötesi olarak adlandırılır ve görülemez. Şekil-3.21’de her rengin dalga boyu ve ışık şiddeti grafiksel olarak verilmiştir. 82 ANALOG ELEKTRONİK- I 1.0 0.9 0.9 0.8 0.8 K ırmız 0.7 Nispi ı şı k şiddeti Sa rı Y eşil ı 1.0 0.7 Nispi ı şı k şiddeti Kaplan 0.6 0.5 0.4 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.2 0.2 0.1 0.1 0 500 540 580 620 λ, dalga boyu (nm) 660 700 0 740 a) Görülebilir ışık (visible light) 880 900 920 940 960 λ , dalga boyu (nm) 980 1000 b) Görülemeyen ışık (Nonvisible infrared) Şekil-3.21 Renklerin dalga boyuna göre bağıl şiddetinin grafiği Pek çok üretici firma, kullanım alanı ve gereksinime bağlı olarak LED üretimi yapar. Günümüzde sarı, turuncu, yeşil ve kırmızı renklerde ışık veren LED’ler üretilmektedir. Mavi ışık yayan LED üretimi şimdilik pek ekonomik değildir. Yakın gelecekte bu tür LED’lerinde seri tüketime sunulacak şekilde geliştirilebileceğini söyleyebiliriz. Bir çok farklı kılıfa (yuvarlak, kare, diktörtgen v.b) ve boyuta sahip LED üretimi yapılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bazı LED tiplerinin görünümü şekil-3.22’de verilmiştir. Şekil-3.22 LED’lerde kılıf tipleri ve görünümleri Sınır Değerler Son yıllarda reklam sektöründeki gelişmeler, LED tüketimi ve kullanımını artırmıştır. Enerji tüketimlerinin oldukça az olması yaygın kullanımda etkendir. LED kullanımında iki sınır değere özellikle dikkat edilmelidir. Bunlar ileri yönde maksimum geçirme akımı IFM, ve maksimum ters tepe gerilimi VRM dir. Bu değerlerin aşılması durumunda LED hasar görebilir. İmalatçılar örneğin, 3mm’lik boyuta sahip kırmızı LED için IFM=50mA, diğer renkler için ise IFM=30mA limit değerlerini vermişlerdir. Pratik kullanımda her LED için 10-20mA ileri yön akım değeri yeterli olmaktadır. LED’lerin maksimum ters tepe gerilimi çoğu kez birkaç volt civarındadır. LED’lerin çalışma ömrü çok uzundur ve yaklaşık olarak 105 saat civarındadır. 83 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Led Gösterge Led diyotlar günümüzde çeşitli kombinazasyonlar oluşturularak da kullanılmaktadır. Özellikle sayısal elektronik uygulamalarında rakam ve yazıların gösterimi bu tür devre elemanları ile yapılır. Yedi parçalı gösterge (seven-segment displey) olarak adlandırılan bu tür optik devre elemanları ortak anot veya ortak katot bağlantılı olarak üretilirler. Şekil-3.23’de Led göstergelerin temel yapısı ve birkaç tipik led göstergenin görünümleri verilmiştir. E A G D B F E G D F GND GND C E F GND G C A C dp A dp B D Led göstergenin oluşturulması Ortak katodlu gösterge B Ortan anotlu gösterge Şekil-3.23 Led göstergenin temel yapısı ve tipik görüntüleri Foto-Diyot Foto-diyot (Photo-diode), ışık enerjisine duyarlı aktif devre elemanlarındandır. Ters polarma altında çalıştırılmak üzere PN bitişiminden üretilmiştir. Şekil-3.24’de fotodiyot’un sembolü ve birkaç farklı tip foto-diyot’un görünümü verilmiştir. Foto-diyot ışık enerjisine duyarlı bir elemandır. Bu nedenle tüm foto-diyotlar ışık enerjisini algılamaları için şeffaf bir pencereye sahiptir. Katod Katod λ Anot Anot Şekil-3.25 Foto-Diyot’un şematik gösterimleri ve görünümleri 84 GND ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Foto-diyot; doğru polarma altında normal diyotlar gibi iletkendir. Ters polarma altında ise, üzerine uygulanan ışık yoğunluğuna bağlı olarak çok küçük bir akım akmasına izin verir. Dolayısıyla karanlık bir ortamda bulunan foto-diyot yalıtkandır. Bir foto-diyot’un ışık enerjisine bağlı olarak nasıl çalıştığı şekil-3.26’da gösterilmiştir. Öncelikle foto-diyot ters polarma altında çalıştırılmıştır. Şekilde görüldüğü gibi karanlık ortamda foto-diyot’un direnci maksimumdur ve üzerinden akım akmasına izin vermez. Foto-diyot üzerine bir ışık kaynağı uygulandığında ise µA’ler seviyesinde bir akım akmasına izin verir. λ Işık Yok λ Ampermetre VR A 0 A 0 Iλ Işık Var λ Ampermetre VR VR Şekil-3.26 Foto-diyot’un çalışması Bir foto-diyot’un karakteristiği üzerine gelen ışık gücüne bağlı olarak üreteceği foto-akım (Iλ) miktarıdır. Karakteristikler genellikle watt başına akım miktarı olarak belirtilir. Şekil3.27’de bir foto-diyot için gerekli karakteristikler verilmiştir. 100 2 H=20mW/cm Foto akımı, (Iλ ) IL, Foto akımı (µA) 50 10 20 5 10 2 5 1 2 0.5 1 0 0 Karanlık, H 20 40 60 80 100 VR , ters gerilim (V) Şekil-3.26 Foto-diyot için gerekli karakteristikler Lazer Diyot Lazer; İngilizce, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (uyarılmış ışın neşriyle ışık kuvvetlendirilmesi) cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiş bir kelimedir. Normal ışık, dalga boyları muhtelif, rengarenk, yani farklı faz ve frekansa sahip dalgalardan meydana gelir. Lazer ışığı ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel, tek renkli (monochromatic), hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak 85 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 1x109 Hz ile 3x1012 Hz arasında yer alır. Bu bölge, kırmızı ötesi ışınları, görülebilen ışınları ve elektromanyetik spektrumun morötesi ışınlarını kapsar. Lazer diyot çok yüksek frekanslarda çalışır. Lazer ışınımının üretimi için farklı yöntemler ve malzemeler kullanılmaktadır. Yarıiletken malzemelerden elde edilen kristallerden yapılan lazerlere, “lazer diyot” adı verilmektedir. Galyum arsenik kristali yarıiletken lazere örnektir. Lazer diyot; Yarı iletken diyot gibi p-n malzemenin birleşmesinden oluşturulmuştur. Birleşim yüzeyinde pozitif gerilim p tarafına, negatif gerilim ise n tarafına verildiği zaman elektronlar n malzemesinden p malzemesine geçerken enerjilerini kaybeder ve foton yayarlar. Bu fotonlar tekrar elektronlara çarparak bu elektronların daha çok foton üretmesine sebep olurlar. Neticede yeterli seviyeye ulaşan foton neşri, lazer ışınını meydana getirir. Bu tür lazerler verimli ışık kaynaklarıdır. Genellikle boyları bir milimetreden büyük değildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir. Lazer diyot’un görünümü ve yapısı şekil-3.25’de verilmiştir. + Anot Metalleşme N tipi katman P P Duvarı N Duvarı Pn bitişimi N P tipi katman Metalleşme _ Katod Şekil-3.25 Lazer diyot’un görünümü ve yapısı Lazer ışınının özellikleri: • Lazer ışınının en büyük özelliği, dağılmaması ve yön verilebilmesidir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine, belli yönlerde hareket ederler. Bu durum lazer ışının çok parlak olmasını sağlar. 86 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan • Laser ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar lazer dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal üreteci olarak kullanılır. • Lazer ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi mümkündür. Kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır. • Lazer ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için lazer cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür. Lazer çeşitleri: Günümüzde lazer ışınımının üretimi için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bu nedenle lazerler; katı, gaz, kimyasal, sıvı ve yarıiletken lazer olmak üzere sınıflara ayrılırlar. İlk bulunan katı lazer türü, yakut lazeridir. Yakut, az miktarda krom ihtiva eden alüminyum oksit kristalidir. İlk yakut laser sadece bir darbe ile çalıştırılırdı. İlk gaz lazer’in üretiminde helyum ve neon karışımı şeklinde kullanılmıştır. Helyum ve neon gazı ile çalışan lazerde, gazlar yüksek voltaj altında iyonize hale gelir. Helyum atomları elektrik deşarjı esnasında elektronların çarpması ile ikazlanarak yüksek enerji seviyelerine çıkar. Bunlar, kazandıkları enerjilerini neon atomlarındaki eş enerji seviyelerine aktarırlar. Bu enerji aktarma işlemi fotonun yayılmasına sebep olur. Aynalar vasıtasıyla yeterli seviyeye ulaştıktan sonra lazer ışını elde edilmiş olur. Bu tür lazer ışınının dalga boyu 1,15 mikrondur. Kimyasal lazerde ise meydana getirilen gazlar kimyasal reaksiyon yoluyla pompalanır. Kimyasal pompalama bir eksotermik kimya reaksiyonunda enerji açığa çıkmasıyla olur. Örneğin; hidrojen ve flüor elementleri tersine çevrilmiş bir toplumda hidrojen flüorur meydana getirmek üzere reaksiyona girdiklerinde lazer etkisi ortaya çıkar. En çok kullanılan sıvı lazer türü, organik bir çözücü içindeki organik boyanın seyreltik bir çözeltisidir. Birkaç lazer paralel olarak çalıştırılabilir. Böylece saniyenin birkaç trilyonda biri devam eden lazer darbeleri elde edilebilir. Boya lazerlerinin en önemli özelliği dalga boyunun geniş bir alanda hassas bir şekilde ayarlanabilmesidir. Lazer ışınının kullanıldığı yerler: Lazer, haberleşmede kullanılabilecek özelliklere sahiptir. Lazer ışını da güneş ışını gibi atmosferden etkilenir. Bu sebeple atmosfer, radyo yayınlarında olduğu gibi lazer yayını için uygun bir ortam değildir. Bu bakımdan lazer ışınları, içi ayna gibi olan lifler içinden gönderilirse, lifler ne kadar uzun, kıvrıntılı olursa olsun kayıp olmadan bir yerden diğerine ulaşır. Bu liflerden istifade edilerek milyonlarca değişik frekanstaki bilgi aynı anda taşınabilmektedir. Bu maksatla foto diyot kullanılmakta ve elektrik enerjisi foto diyotta ışık enerjisine çevrilmektedir. Karbondioksit lazerleri metal, cam, plastik kaynak ve kesme işlerinde kullanılır. Lazer, uzayda mesafe ölçmede kullanılır. Peykler arasındaki mesafeyi 25cm hata ile ölçebilmektedir. Lazerle ilk mesafe ölçümü, 1962 senesinde, Ay’a yerleştirilen argon-iyon lazeri ile yapılmıştır. Lazer, inşaatlarda, boru ve tünel yapımında, yön ve doğrultu tayininde ve tespitinde klasik teodolitlerden çok daha mükemmel ve kullanışlıdır. 87 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Lazer; askeri alandaki mesafe bulma ve yer tanıma maksadıyla kullanıldığı bilinmektedir. Gece karanlığında gece görüş dürbünleri ile operasyon yapılabilir. Çok başlıklı füzelerin hafızalarına yerleştirilen hedef resmi, füze hedefe yaklaşınca lazer ışını ile tanınır. Holografi ve fotoğrafçılıkta çok mühim yeri vardır. Lazerle görüntü kaydetme süresi saniyenin 10 trilyonda biri zamanda mümkün olur. Holografi, lazer ışınları ile üç boyutlu resim çekme ve görüntüleme tekniğidir. Tıpta lazer “kansız ameliyat” maksatları ile kullanılır. Yırtılmış göz retinası, lazer ışını ile acısız ve süratle dikilir. Vücudun çeşitli bölgelerindeki tümörler bıçakla açılmadan yerinde kesilerek tedavi edilebilir. Damardaki dokular, lazer ışını ile kaynar ve kanama olmaz. Çürük diş çukurları dolgu yapılmak üzere acısız delinebilir. Lazer teknolojisinde beklenen gelişmeler: Nükleer enerji alanında lazerin çeşitli gelişmelere yol açacağı umulmaktadır. En önemlisi başlatılması zor olan termonükleer-füzyon olayının (hidrojen bombası ve güneşte her an meydana gelen reaksiyon) lazer ile tetiklenmesidir. Böylece dünya enerji problemi ortadan kalkacaktır. Laser ışınının darbe süresinin saniyenin trilyonda birine düşürülmesi halinde kısa bir sürede üretilecek enerji bugün dünyada aynı müddette üretilmekte olan enerji toplamından fazla olacaktır. Lazer ışını ile çalışan silahların yapılması ile çok uzaklardan mühimmat, akaryakıt, karargah binaları imha edilebilecektir. Lazer özelliği dolayısıyla bilgisayarın hafıza kapasitesini büyük ölçüde arttırabilir. 3.5 ÖZEL TİP DİYOTLAR Bu bölümde elektronik endüstrisinde azda olsa kullanılan bazı özel amaçlı diyot türleri tanıtılacak ve çalışma karakteristikleri verilecektir. Bu tür diyotlara örnek olarak Şotki (Schoottky), Tunel diyot, Pin diyot’u sayabiliriz. Bu bölümde sırayla; • • • Şotki diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri Pin diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri Tunel diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri İncelenecektir. 88 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şotki (Schottky) Diyot Şotki diyotlar çok yüksek frekanslarda kullanılmak üzere tasarlanmış özel bir diyot türüdür. Bu diyotlara sıcak taşıyıcı (hot-carrier) diyotlarıda denilmektedir. Çok yüksek frekanslar altında yapılan çalışmalarda normal diyotlar anahtarlama işlevini yerine getirirken zorlanırlar. Örneğin istenilen sürelerde durum değiştiremezler (iletim/kesim). Bu soruna çözüm bulmak amacı ile şotki diyotlar geliştirilmiştir. Şotki diyotlar çok yüksek anahtarlama hızlarına sahiptirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda yapılan çalışmalarda anahtarlama elemanı olarak şotki diyotlar tercih edilir. Kullanım alanlarına örnek olarak sayısal (digital) sistem tasarımlarını verebiliriz. Şotki diyotların yapısı normal diyotlarla benzerlik gösterir. Sadece P ve N maddesinin birleşim yüzeyi normal diyotlardan farklıdır. Anahtarlama hızını artırmak amacı ile şotki diyotların birleşim yüzeylerinde altun, gümüş veya platin gibi metaller kullanılır. Şotki diyot’un sembolü ve yapısı şekil-3.26’da verilmiştir. Katod Metal-Slikon bitişimi Katod Katod Anot N Anot Anot Şekil-3.26 Şotki Diyot’un sembolü ve yapısı Pin Diyot Pin diyotlarda P ve N eklemleri yoğun bir şekilde katkılandırılmıştır. Fakat bu iki malzeme katkısız bir silisyum malzeme ile ayrılmıştır. Ğin diyot, Ters yönde polarmalandırıldığında sabit bir kondansatör gibi davranır. Doğru yönde polarmalandığında ise değişken bir direnç gibi çalışır. Pin diyot bu özelliklerinden dolayı modülasyon elemanı olarak kullanılır. Hızlı değişiminden dolayı kontrollü mikro dalga anahtarı gibi, ya da direnci akım kontrollü olduğundan zayıflatma uygulamalarında kullanılırlar. Pin diyodun yapısı ve eşdeğer devreleri şekil-3.27’de verilmiştir. Özel Bölge Katod N i Anot + P CR _ b) Ters polarma eğdeğeri + _ c) Doğru polarma eşdeğeri a) Temel Yapısı Şekil-3.27 Pin Diyot’un temel yapısı ve eşdeğer devreleri 89 RF ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Tunel Diyot Tunel Diyot (Tunnel diode), diğer diyotlar gibi PN bitişiminden üretilmiştir. Üretiminde germanyum veya galyum arsenit kullanılır. Doğrultucu diyotlardan farklı olarak p ve n tipi eklemleri oluşturulurken daha yoğun katkı maddesi kullanılır. Tunel diyot’un en belirgin özelliği negatif direnç karakteristiğidir. Bu özellik onu özellikle osilatör devrelerinin tasarımında popüler kılar. Tunel diyotların sık kullanıldığı bir diğer uygulama alanı ise mikrodalga yükselteçleridir. Şekil-3.28’de tunel diyot’un şematik sembolü ve karakteristiği verilmiştir. Katod Negatif Direnç Bölgesi B IF Katod Tunel Akımı C A VF Anot Anot Şekil-3.27 Tunel Diyot’un şematik sembolü ve karakteristiği Tunel diyot, doğru polarma altında çok küçük gerilim değerlerinde dahi iletimdedir ve üzerinden bir akım akmasına izin verir. Bu durum karakteristikte A-B noktaları arasında görülmektedir. Tunel diyot üzerine uygulanan doğru yöndeki polarma gerilimi, tunel diyot kırılma (barrier) gerilimi değerini aştığında tunel diyot negatif direnç özelliği gösterir. Bu noktada (B noktası) tunel diyot üzerinden geçen akım miktarı arttığı halde, üzerine düşen gerilim azalır. Bu durum negatif direnç özelliğidir. Tunel diyot’a has bir özelliktir. Karakteristikte B-C noktaları arasında gösterilmiştir. Tunel diyot’un bu özelliği onu kimi uygulamalarda popüler kılar. Örneğin osilatör devrelerinde tetikleme elemanı olarak kullanılabilir. Tunel diyot’un bir osilatör devresinde nasıl kullanıldığını küçük bir örnekle açıklayalım. Şekil--3.28’de paralel bir rezonans devresi verilmiştir. Bu devre, S anahtarı kapatıldığında sönümlü bir osilasyon üretilir. S V S R C L V R C L Şekil-3.28 Sönümlü bir osilasyonun oluşumu Bu devreye bir tunel diyot ilavesiyle osilasyon sürekli hale gelir. Devrenin çalışmasını kısaca açıklayalım. S anahtarı kapatıldığında tunel diyot tetiklenerek tank devresine enerji pompalar. Tank devresinde salınım oluşur ve tunel diyot kesime gider. Tank 90 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan devresinde oluşan salınımın genliği belli bir değerin altına düştüğünde tunel diyot tekrar tetiklenerek tank devresine enerji pompalar. Bu durum sürekli tekrarlanarak osilasyonun sürekliliği tunel diyot tarafından sağlanır. D1 Tank Devresi IF S V D1 R1 R C L VF Şekil-3.29 Tunel diyot’la gerçekleştirilen osilatör devresi 3.7 BÖLÜM ÖZETİ • Zener diyot, ters polarma altında ve kırılma geriliminde çalıştırılmak üzere üretilmiş özel tip bir diyot’dur. • Zener diyot, anot ve katod olarak adlandırılan iki adet terminale sahiptir. Gerilim regülatörü ve kırpıcı olarak kullanılır. • Zener diyotlarda kırılma gerilimi üretim aşamasında 1.2V ile 200V arasında farklı değerlerde ayarlanarak kullanıcının tüketimine sunulur. • Regüle işlemi hat ve yük regülasyonu olmak üzere iki temelde yapılır. Zenerin temel işlevi üzerine uygulanan ters gerilimi, kırılma gerilimi değerinde sabit tutmaktır. • Zener diyot, regüle işlemini belirli koşullar altında yerine getirir. Zener’e uygulanan ters gerilim değeri, zener kırılma geriliminden büyük olmalıdır. Zener akımı ise belirli limitler içerisinde tutulmalıdır. • Zener diyot, regüle işlemini küçük güçler söz konusu olduğunda yerine getirebilir. Büyük güçlerde regüle işlemi için ek devre elemanları kullanılmalıdır. • Zener diyot’un bir diğer kullanım amacı ise referans gerilimi elde etmektir. Dolayısıyla zener, kimi zaman referans diyot olarak kullanılabilir. • Varikap diyot, ters polarma altında ayarlı bir kondansatör gibi davranır. Üzerine uygulanan ters gerilim değerine bağlı olarak kapasitesi değişir. • Varikap diyotlar genellikle iletişim sistemlerinde; modülatör, otomatik frekans kontrolü ve filtreleme devrelerinde kullanılır. 91 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan • Şotki (Schottky) diyotlar, çok yüksek frekanslarda anahtarlama elemanı olarak çalıştırılmak üzere tasarlanmışlardır. • Pin diyot, özellikle mikro dalga devrelerinde çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru yönde sabit bir kondansatör etkisi, ters yönde ise ayarlı bir direnç gibi davranır. Mikro dalga ve sinyal zayıflatma devrelerinde sıklıkla kullanılır. • Doğru polarma altında ışık yayan diyod’lara LED adı verilmektedir. LED, ters polarma altında yalıtkandır. Üzerinden akım akmasına izin vermez. • Farklı yarıiletken materyaller kullanılarak sarı, turuncu, kırmızı ve yeşil renklerde ışık görülebilir ışık yayan LED üretimi yapılmaktadır. • Fasklı dalga boylarında gözle görülemeyen ışık yayan LED üretimi de yapılmaktadır. Bu tür LED’lere infrared adı verilmektedir. • Foto-diyot, ters polarma bölgesinde üzerine uygulanan ışık miktarına duyarlı bir diyot’dur. Üzerine uygulanan ışık şiddetine bağlı olarak üzerinden küçük bir miktar akım akmasına izin verir. • Bazı özel tip diyotların şematik sembolleri şekil-3.30’da toplu olarak verilmiştir. Doğrultmaç Diyodu Zener Diyot LED Şotki Diyot Tunel Diyot λ Foto Diyot Şekil-3.30 Özel tip diyotların şematik sembolleri 92 BÖLÜM 4 4 BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖR Üretilen ilk yarıiletken transistör ve bulan bilim adamları Konular: 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Transistörün Yapısı Transistörün Çalışması Transistör Karakteristikleri ve parametreleri Transistörün anahtar olarak çalışması Transistörün Yükselteç olarak çalışması Transistörlerde kılıf tipleri ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Elektronik bilimi, 1904-1947 yılları arasında elektron lambalarının kullanımıyla gelişip önem kazandı. İlk diyot lamba 1904 yılında J.A. Fleming tarafından yapıldı. 1906 yılında Lee De Forest, diyot lambaya üçüncü elektrodu ilava ederek Triyot lambayı geliştirdi. İzleyen yıllarda elektron lambalarındaki gelişmelere paralel olarak ilk radyo ve televizyon üretildi. 1931-1940 yılları katı maddeler elektroniği hakkında daha ziyade teorik çalışmalar devri olmuştur. Bu sahada isimleri en çok duyulanlar, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky'dir. 23 haziran 1947 tarihinde elektronik endüstrisi gelişme yolunda en büyük adımı attı. Bu tarihte Bell laboratuarlarında Walter H. Brottain ve John Bardeen tarafından nokta temaslı ilk transistör tanıtıldı. Yükselteç olarak başarıyla denendi. Bulunan bu yeni elemanın elektron lambalarına göre bir çok üstünlüğü vardı. İmal edilen ilk transistör, nokta temaslı transistördü ve gücü miliwatt seviyesindeydi. Sadece alçak frekanslarda kullanılabiliyordu. Bu transistörün esası, germanyum bir parça üzerine iki madeni ucun çok yakın şekilde bağlanmasından ibaretti. Kolay tahrip olması ve fazla dip gürültüsü olması sebebiyle çok tutulmamıştır. 1949'da William Schockley tarafından geliştirilen "Jonksiyon Transistör" ise 1953'ten itibaren elektroniğin çeşitli alanlarında deneysel maksatlarla, 1956'dan itibaren ise her alanda seri olarak kullanılmaya başlanmıştır. Zamanla daha pek çok transistör çeşidi bulunarak hizmete sunulmuştur. Günümüzde transistörler mikron teknolojisi ile üretilebilir hale gelmiş ve tümdevrelerin (chip=Ic’s) içinde kullanılmaya başlanmıştır. Kullandığımız bilgisayarların işlemcileri modeline göre 3 ila 100 milyon adet transistör içerebilmektedir. Transistör, bir grup elektronik devre elemanına verilen temel addır. Transistörler yapıları ve işlevlerine bağlı olarak kendi aralarında gruplara ayrılırlar. BJT (Bipolar Jonksiyon Transistör), FET, MOSFET, UJT v.b gibi... Elektronik endüstrisinde her bir transistör tipi kendi adı ile anılır. FET, UJT, MOSFET... gibi. Genel olarak transistör denilince akla BJT’Ler gelir. Bu bölümde bipolar jonksiyon transistörlerin genel yapısını, özelliklerini ve çalışmasını inceleyeceğiz. Çeşitli tip transistörlerin görünümleri 94 ANALOG ELEKTRONİK- I 4.1 Kaplan TRANSİSTÖRÜN YAPISI Transistörler, katı-hal "solid-state" devre elemanlarıdır. Transistör yapımında silisyum, germanyum yada uygun yarıiletken karışımlar kullanılmaktadır. Bu bölümde; Bipolar Jonksiyon transistörlerin temel yapısını inceleyeceğiz. Transistör sözcüğü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Diğer transistörler adları ile anılırlar. FET, MOSFET, UJT... gibi. Bipolar Transistörler npn ve pnp olmak üzere iki temel yapıda üretilirler Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • Npn ve pnp transistörlerin temel yapısı Npn ve pnp tipi transistörlerin şematik gösterimi Bipolar Transistörlerin temel çalışma prensipleri Bipolar Jonksiyon Transistör (BJT) elektronik endüstrisinin en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT; anlam olarak “Çift kutuplu yüzey birleşimli transistör” ifadesini ortaya çıkarır. BJT içinde hem çoğunluk taşıyıcıları, hem de azınlık taşıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. Transistör ilk icat edildiğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara "Nokta Temaslı Transistör" denirdi. Günümüzde transistörler yapım itibari ile bir tost görünümündedir. Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılırlar. Transistörün temel yapısı şekil-4.1’de gösterilmiştir. Metal Kontaklar Oxide Emiter Beyz Kollektör Substrate (taban) Şekil-4.1 Bipolar Jonksiyon transistörün yapısı BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yarıiletken madde arasına 1 adet P tipi yarıiletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarıiletken madde arasına 1 adet N tipi yarıiletken madde konur. Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir diyebiliriz. 95 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörün her bir terminale işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kollektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil-4.2’de NPN tipi ve PNP tipi transistörün fiziksel yapısı ve şematik sembolleri verilmiştir. Fiziksel yapıdan da görüldüğü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter arasındaki bölge “beyz-emiter jonksiyonu”, beyzkollektör arasındaki bölge ise “ beyz-kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katkılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur. C (Kollektör) N B (Beyz) C (Kollektör) C (Kollektör) Beyz-Kollektör Jonksiyonu B (Beyz) B (Beyz) P N P C (Kollektör) Beyz-Kollektör Jonksiyonu B (Beyz) N P Beyz-Emiter Jonksiyonu E (Emiter) E (Emiter) Beyz-Emiter Jonksiyonu E (Emiter) a) NPN tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembolü E (Emiter) b) PNP tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembol Şekil-4.2 NPN ve PNP tipi transistörlerin fiziksel yapısı ve şematik sembolleri 4.2 TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA İLKELERİ Bipolar transistörlerin genelde iki çalışma modu vardır. Yükselteç (amplifier) ve anahtar olarak. Transistör, her iki çalışma modunda harici dc besleme gerilimlerine gereksinim duyar. Bu bölümde NPN tipi transistörün çalışma ilkeleri analiz edilecektir. PNP tipi transistörün çalışma ilekeleri, NPN ile benzerlik gösterir. PNP tipi transistörde dc besleme gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle sadece NPN tipi transistörlerin çalışması incelenecektir. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • • Transistörlerin doğru ve ters yönde polarmalandırılması Transistörlerde polarma gerilimlerinin bağlantı yönleri Transistörlerde oluşan akım ve gerilim ilişkileri Transistörde beyz, emiter ve kollektör akımları arasındaki ilişkiler Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır. 96 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır. Şekil-4.3’de NPN ve PNP tipi transistörlerin yükselteç olarak çalıştırılması için gerekli polarma gerilimleri ve bu gerilimlerin polariteleri verilmiştir. NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistöründe çalışma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle bu bölüm boyunca NPN tipi bir Transistörün çalışmasını analiz edeceğiz. - R VBE + BE Doğru Polarma - + VBC R R BC Ters Polarma VBE BE Doğru Polarma - + - R VBC + BC Ters Polarma Şekil-4.3 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması Transistörün yükselteç olarak çalışması şekil-4.4’de verilen bağlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandığında doğru polarma yapılmıştır. Bu polarma etkisiyle geçiş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddeki (beyz) çoğunluk akım taşıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedirler. Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kollektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda çoğunluk akım taşıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçiş bölgesinin kalınlığı artacaktır. (Diyodun ters polarmadaki davranışını hatırlayın). Azınlık taşıyıcıları, beyzkollektör jonksiyonundan VCB kaynağına doğru akacaktır. Özet olarak yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları doğru, beyz-kollektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz. Bu durum şekil-4.4’de ayrıntılı olarak verilmiştir. Çoğunluk Akım Taşıyıcıları N P E Azınlık Akım Taşıyıcıları N N C Geçiş Bölgesi P N E B C B VEB Geçiş Bölgesi VCB Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlarının doğru ve ters polarmadaki davranışları 97 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörün nasıl çalıştığını anlamak amacıyla yukarıda iki kademede anlatılan olayları birleştirelim. Şekil-4.5’de NPN tipi bir transistöre polarma gerilimleri birlikte uygulanmıştır. Transistörde oluşan çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir. Transistörün hangi jonksiyonlarına doğru, hangilerime ters polarma uygulandığını şekil üzerindeki geçiş bölgelerinin kalınlığına bakarak anlayabilirsiniz. N N P Azınlık Akım T aşıyıcıları IC0 E C Çoğunluk Akım Taşıyıcıları IE IC Geçiş Bölgeleri VEB B IB VCB Şekil-4.5 NPN tipi transistörde çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarının akışı Doğru yönde polarmalanan emiter-beyz jonksiyonu, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sağlar. Beyz bölgesinde toplanan taşıyıcılar nereye gidecektir. IB akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenliği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarına kıyasla çok küçüktür. Şekil-4.5’de gösterildiği gibi çoğunluk taşıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla kollektör ucuna bağlı Ntipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk taşıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır. Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kollektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kollektöre doğru akan elektronların toplamı kadar olduğu söylenebilir. Transistör akımları arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanabilir. I E = IC + I B Kısaca, kollektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile doğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden bağımsızdır. Çünkü kollektör ancak beyzin toplayabildiği taşıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen taşıyıcıların yaklaşık %99’u kollektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar. Bir transistörün çalışması için gerekli şartları kısaca özetleyelim. • Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyzkollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir. 98 ANALOG ELEKTRONİK- I 4.3 Kaplan • Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir. • PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; transistör, VBE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır. TRANSİSTÖR PARAMETRELERİ VE KARAKTERİSTİKLERİ Transistörle yapılan her türlü tasarım ve çalışmada dikkat edilmesi gereken ilk konu, transistörün dc polarma gerilimleri ve akımlarıdır. Transistörlerin dc analizlerinde kullanılacak iki önemli parametre vardır. Bu parametreler; βDC (dc akım kazancı) ve DC olarak tanımlanır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • • • • Transistörde dc beta (βDC) parametrelerinin tanıtımı Transistörde dc alfa (DC) parametrelerinin tanıtımı βDC ve DC parametrelerinin karşılaştırılmaları ve matematiksel analizleri Transistör devrelerinde akım-gerilim ilişkileri Temel transistör devrelerinin dc analizleri Transistörlerin şematik gösterimi Transistörlerin çalışması için gerekli ilk şart, dc polarma gerilimlerinin uygun şekilde bağlanmasıdır. Şekil-4.6’da NPN ve PNP tipi transistörler için gerekli polarma bağlantıları verilmiştir. Transistörün beyz-emiter jonksiyonuna VBB kaynağı ile doğru polarma uygulanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonuna ise VCC kaynağı ile ters polarma uygulanmıştır. RC IC RB VBB RC RB VCC IB V BB IE IC VCC IB IE Şekil-4.7 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması Bir transistörün analizi yapılırken iki önemli parametresi vardır. Bunlar; βDC akım kazancı veDC akım kazancıdır. Bu parametreleri inceleyelim. 99 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan DC Beta (ßDC) ve DC Alfa (αDC) β akım kazancı, ortak emiter bağlantıda akım kazancı olarak da adlandırılır. Ortak emiter bağlantı kavramı ileride açıklanacaktır. Bir transistör için β akım kazancı, kollektör akımının beyz akımına oranıyla belirlenir. β= IC IB β akım kazancı bir transistör için tipik olarak 20-200 arasında olabilir. Bununla birlikte β değeri 1000 civarında olan özel tip transistörlerde vardır. β akım kazancı kimi kaynaklarda veya üretici kataloglarında hFE olarak da tanımlanır. β = h FE Kollektör akımını yukarıdaki eşitlikten; IC = β ⋅ I B olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; IE=IC+IB idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek; IE = β ⋅ IB + IB I E = I B (1 + β ) değeri elde edilir. Ortak beyzli bağlantıda akım kazancı olarak bilinen değeri; kollektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır. α= IC IE Emiter akımının kollektör akımından biraz daha büyük olduğu belirtilmişti. Dolayısıyla transistörlerde akım kazancı 1’den küçüktür. akım kazancının tipik değeri 0.95-0.99 arasındadır. Emiter akımı; IE=IC+IB değerine eşitti. Bu eşitlikte eşitliğin her iki tarafı IC’ye bölünürse; I E IC I B = + IC IC IC ⇒ IE I = 1+ B IC IC DC=IC/IE ve βDC=IC/IB olduğundan, yukarıdaki formüle yerleştirilirse 1 α = 1+ 1 β değeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ilişki; α= β 1+ β olarak belirlenir. Bir transistörde akım kazancı değeri yaklaşık olarak sabit kabul edilir. Ancak akım kazancı değerinde çok küçük bir değişimin, β akım kazancı değerinde çok büyük miktarlarda değişime neden olacağı yukarıdaki formülden görülmektedir. 100 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörlerde β akım kazancı, gerçekte sabit bir değer değildir. Değeri bir miktar transistörün çalışma ısısına bağımlıdır. Örnek 4-1 Bir transistörün β akım kazancı değeri 200’dür. Beyz akımının 75µA olması durumunda, kollektör akımı, emiter akımı ve α akım kazancı değerlerini bulunuz. Çözüm: β DC = IC IB ⇒ I C = β ⋅ I B = ( 200 ⋅ 75 µA) = 150mA I E = I C + I B = (1 + β ) ⋅ I B = (1 + 200 ) ⋅ 75 µA = 150.75mA α= β ⇒ α= 1+ β 200 = 0.99 1 + 200 Transistörlerde βDC akım kazancı sabit değildir. Değeri bir miktar kollektör akımı ve sıcaklık değişimi ile orantılıdır. Transistör üreticileri kataloglarında belirli bir IC değeri ve sıcaklık altında oluşan ortalama βDC değerini verirler. Çoğu uygulamalarda transistörün IC değeri ve jonksiyon sıcaklığı sabit tutulsa dahi βDC değeri değişebilir. Bu nedenle; üreticiler ürettikleri her bir transistör tipi için, βDC akım kazancının minimum ve maksimum değerlerini verirler. Şekil-4.8’de sıcaklık ve kollektör akımındaki değişime bağlı olarak βDC akım kazancındaki değişim örneklenmiştir. Transistörle yapılan devre tasarımlarında βDC değerindeki değişimler dikkate alınarak β değerinden bağımsız uygulama devreleri geliştirilmiştir. Minimum akım ka za ncı (βD C) 70 T=125 0C 50 T=250 C 30 T=-15 0C 20 T=-55 0C 10 1 .0 2.0 3.0 10 20 30 50 10 0 200 IC ( mA ) Şekil-4.8 Sıcaklık ve kollektör akımındaki değişime bağlı olarak βDC’nin değişimi Transistörde Akım ve Gerilim İlişkileri Bir transistör devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. Transistörün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler şekil-4.9 üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır. 101 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan RC IC II.GÖZ IB IE IC V CB + + RB _ IB VBB VBE VCC VCE + : Beyz akımı (dc) : Emiter akımı (dc) : Kollektör akımı (dc) VBE : Beyz-emiter gerilimi (dc) VCB : Kollektör-beyz gerilimi (dc) VCE : Kollektör-emiter gerilimi (dc) _ _ IE I.GÖZ Şekil-4.9 Transistörde akım ve gerilimler Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kaynağı ile doğru yönde polarmalanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise VCC gerilim kaynağı ile ters yönde polarmalanmıştır. Beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalandığında tıpkı ileri yönde polarmalanmış bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V gerilim düşümü oluşur. VBE ≅ 0.7V Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa; VBB = I B ⋅ R B + VBE olur. Buradan beyz akımı çekilirse; VBB − VBE = I B ⋅ R B IB = VBB − VBE RB olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz. I C = β .I B I E = I C + .I B RC direnci üzerine düşen gerilim; V R C olur. 102 = IC ⋅R C ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa; VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCE VCE = VC C − ( I C ⋅ RC ) olarak bulunur. Örnek 4-2 RC Yanda verilen devrede; transistörün polarma akım ve gerilimlerini bulunuz? 100Ω VCB + + RB 10KΩ _ + V BE _ I B=?, I C=?, IE =? VC C VC E 10V V BE =?, V CE =?, V CB =? _ 5V VBE=0.7V β=200 VBB = I B ⋅ R B + VBE Çözüm: β DC = IB = VBB − VBE 5V − 0.7V = = 430 µA RB 10K IC IB ⇒ I C = β ⋅ I B = ( 200 ⋅ 430 µA) = 86mA α= β 1+ β ⇒ α= 200 = 0.99 1 + 200 VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCE VCE = VC C − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (86mA ⋅ 100Ω) = 3.4V VCB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır. VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCB + VBE VCB = VCC − ( I C ⋅ RC ) − VBE VCB = 12 − (86mA ⋅ 100Ω) − 0.7V = 2.7Volt 103 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörün Giriş Karakteristiği Karakteristik eğri, herhangi bir elektriksel elemanda akım-gerilim ilişkisini gösterir. Transistör; giriş ve çıkış için iki ayrı karakteristik eğriye sahiptir. Transistörün giriş karakteristiği beyz-emiter gerilimi ile beyz akımı arasındaki ilişkiyi verir. Transistörün giriş karakteristiğini çıkarmak için şekil-4.10’daki bağlantıdan yararlanılır. Transistörün giriş karakteristiklerini elde etmek için, kollektör-emiter gerilim (VCE) parametre olarak alınır ve bu gerilime göre beyz akımı (IB) değiştirilir. Beyz akımındaki bu değişimin beyz-emiter gerilimine (VBE) etkisi ölçülür. Grafikten de görüldüğü gibi transistörün giriş karakteristiği normal bir diyot karakteristiği ile benzerlik gösterir. VBE gerilimi 0.5V’un altında olduğu sürece beyz akımı ihmal edilecek derecede küçüktür. Uygulamalarda aksi belirtilmedikçe transistörün iletime başladığı andaki beyz-emiter gerilimi VBE=0.7V olarak kabul edilir. Beyz-emiter (VBE) gerilimi, sıcaklıktan bir miktar etkilenir. Örneğin her 10C’lik sıcaklık artımında VBE gerilimi yaklaşık 2.3mV civarında azalır. RB IB (mA) T1 T2 T3 RB IB VCC T1>T2>T3 VBB VBE 0 0.5 0.7 VBE (V) Şekil-4.10 Transistörün giriş karakteristiğinin çıkarılması ve giriş karakteristiği Transistörün Çıkış Karakteristiği Ttransistörlerde çıkış, genellikle kollektör-emiter uçları arasından alınır. Bu nedenle transistörün çıkış karakteristiği; beyz akımındaki (IB) değişime bağlı olarak, kollektör akımı (IC) ve kollektör-emiter (VCE) gerilimindeki değişimi verir. Transistörün çıkış karakteristiğini elde etmek için gerekli devre düzeneği ve transistörün çıkış karakteristik eğrileri şekil-4.11’de ayrıntılı olarak verilmiştir. RC IC IC (mA) IC B C VCC RB VCE IB VBB A 0 0.7 VCE (V) Şekil-4.11 Transistörün çıkış karakteristiklerinin çıkarılması ve çıkış karakteristikleri 104 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devredeki VBB kaynağı beyz akımını ayarlamada kullanılır. Bu kaynağın oluşturduğu beyz akımı değerine bağlı olarak transistörün kollektör akımı değişecektir. Karakteristik çıkarmak için farklı IB ve IC değerleri için VCE gerilimleri ölçülür ve kaydedilir. Başlangıçta VCC=0, IC=0 ve VCE=0 iken VBB’nin belirli bir IB değeri vermek üzere ayarlandığını kabul edelim. VCC geriliminin artırılmasıyla birlikte IC akımı dolayısıyla VCE artacaktır. Bu durum şekil-4.11’deki karakteristik üzerinde gösterilmiştir (A-B noktaları arası). VCE gerilimi B noktasına ulaşana kadar beyz, kolektörden daha yüksek potansiyeldedir ve B-C jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu nedenle gerilim artışı ile birlikte kollektör akımıda artmaktadır. VCE gerilimi B noktasına ulaştığında değeri yaklaşık olarak 0.7V civarındadır.Bu anda beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalanmaya başlar. Kollektör akımı IC=β·IB ilişkisi ile gösterilen maksimum değerine ulaşır. Bu noktadan sonra VCE gerilimine karşılık IC değeri hemen hemen sabit kalmaya başlar. Bu durum karakteristikte B ve C noktaları arasında görülmektedir. Gerçekte ise artan VCE gerilimi ile, beyz-kollektör jonksiyonu fakirleşmiş bölgenin büyümesi nedeniyle kollektör akımıda az miktarda artmaktadır. Üretici firmalar her bir transistörün giriş ve çıkış karakteristik eğrilerini kataloglarında kullanıcıya sunarlar. Şekil-4.12’de farklı beyz akımlarında transistörün çıkış karakteristik eğrileri verilmiştir. Transistörlerle yapılan devre tasarımlarında üretici firmanın verdiği karakteristik eğrilerden yararlanılır. IC (mA ) I C (mA) I B6 I B6 I B5 I B5 I B4 I B4 I B3 I B3 I B2 I B2 I B1 I B1 VC E (V) VC E (V) Transist örde kırılma gerilimi sınırı I B1 <I B2<IB 3<IB4 <I B5<I B6 Şekil-4.12 Transistörün IC-VCE karakteristikleri ve kırılma gerilimi Transistöre uygulanan VCE gerilimi önemlidir. Bu gerilim değeri belirli limitler dahilindedir. Bu gerilim belirlenen limit değeri aştığında transistörde kırılma (avalange) olayı meydana gelerek bozulmaya neden olur. Bu durum şekil-4.12’de gösterilmiştir. Kırılma gerilim değerleri üretilen her bir transistör tipi için üretici kataloglarında verilir. Transistörde Çalışma Bölgeleri Transistörlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (kat-off) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistörün çalışma bölgeleri şekil-4.13’de transistörün çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim. 105 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I C (mA) I B6 DOY UM BÖLG ESİ I B5 I B4 AK TİF BÖ LGE I B3 I B2 I B=0 I B1 VCE (V ) KES İM BÖLG ESİ Şekil-4.13 Transistörlerde çalışma bölgeleri Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kollektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (VCE>0V) olduğu bölgedir. Transistör aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kollektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Transistörün aktif bölgede nasıl çalıştığı, transistörün çalışması bölümünde ayrıntılı olarak incelenmişti. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında transistör genellikle bu bölgede çalıştırılır. Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalıştığı şekil-4.13.a yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyzemiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kollektör akımı (IC) oluşmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kollektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC değerine eşit olur. Kollektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir. RC RC I C0 IC + VCE ≅ V CC I B =0A + RB VCE ≅ VCC − IC ⋅ R C V CC IB - VCC - VBB a) Transistörün kesim bölgesinde çalışması b) Transistörün doyum bölgesinde çalışması Şekil-4.13.a ve b Transistörün kesim ve doyum bölgesinde çalışması 106 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalışma şekil-4.3.b yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kollektör akımıda artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır. Kollektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (VCE(DOY)) beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanacaktır. Sonuçta IB değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki IC=β·IB eşitliği doğruluğunu kaybedecektir. Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle VCE(DOY)=0V olarak ifade edilir. Transistörde Maksimum Güç Sınırı Her bir transistör tipinin çalışma alanını belirleyen bir takım sınır (maksimum) değerler vardır. Bu değerler standart transistör kataloglarında verilir. Transistörle yapılan tasarımlarda bu değerlere uyulmalıdır. Kataloglarda verilen tipik maksimum sınır değerlerini; kollektör-beyz gerilimi (VCB(max)), emiter-beyz gerilimi (VBE(max)), kollektöremiter gerilimi (VCE(max)), kollektör akımı (IC(max)) ve maksimum güç harcaması (PD(max)) olarak sayabiliriz. Şekil-4.14’de tipik bir çıkış karakteristiği üzerinde maksimum değerler gösterilmiştir. Transistörlerde güç harcaması; kollektör-emiter gerilimi (VCE) ve kollektör akımına (IC) bağlıdır. Aşağıdaki gibi formüle edilir. IC = PD( MAX ) VCE I C (mA) Ma ksimum güç sınırı IC (max) V CE (V) V CE (max) Şekil-4.14 Transistörde maksimum sınır değerler ve güç sınırı Örnek: 4.3 Aktif bölgede çalışan bir transistörün VCE gerilimi 8V ölçülmüştür. Transistörün maksimum güç harcama sınırı 300mW verildiğine göre, kollektör akımının maksimum değeri ne olmalıdır. Hesaplayınız 107 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Çözüm: IC = Örnek: 4.4 RC PD(max) = VCE 300mW = 37.5mA 8V 1K Ω RB 33 KΩ VC C V BB 5V Çözüm: Şekildeki devrede transistörün maksimum sınır değerleri verilmiştir. Transistörün zarar görmeden çalıştırılabileceği maksimum VCC gerilimi değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? PD(MAX) =1W V CE(MAX) =20V IC(MAX) =100mA β DC =150 Transistörün VCE gerilimi değerini belirleyen faktörler; VCC, IC ve IB değerleridir. İlk etapta devredeki IB değerini belirleyelim. VBB = I B ⋅ R B + VBE ⇒ I B = VBB − VBE 5V − 0.7V ⇒ IB = = 130 µA RB 33KΩ IC = β ⋅ I B I C = 150 ⋅130 µA ⇒ 19.5mA VCE geriliminin 20V olmasını sağlayan IC akımının değeri, IC(max) değerinden küçüktür. IC akımını belirleyen bir diğer faktör ise VCC gerilimidir. Bu gerilimin olması gereken değerini bulalım. VCC = I C ⋅ RC + VCE VCC = 19.5mA ⋅1KΩ + 20V VCC = 39.5V Buradan transistörün maksimum güç şartlarında çalışabilmesi için VCC geriliminin alabileceği değeri belirledik. Şimdi transistörde harcanabilecek maksimum gücü bulalım. PD = VCE( MAX ) ⋅ I C ⇒ PD = 20V ⋅ 19.5mA PD = 390mW Transistörde harcanabilecek toplam güç, 390mW bulunmuştur. Bu değer transistörün sınır güç değerinden (1W) küçüktür. 39.5V’luk VCC besleme geriliminde güvenli bir çalışma ortamı sağlanmıştır. 108 ANALOG ELEKTRONİK- I 4.4 Kaplan TRANSİSTÖRÜN ANAHTAR OLARAK ÇALIŞMASI Transistörlerin en popüler uygulama alanlarına örnek olarak yükselteç ve anahtarlama devrelerini verebiliriz. Transistörün elektronik anahtar olarak kullanılmasında kesim ve doyum bölgelerinde çalışmasından yararlanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • Transistörde kesim (cutoff) ve doyum (saturation) bölgeleri Transistörün kesim bölgesindeki özellikleri Transistörün doyum bölgesindeki özellikleri İdeal bir anahtar, açık olduğunda direnci sonsuzdur. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Kapalı konuma alındığında ise direnci sıfırdır ve üzerinde gerilim düşümü olmaz. Ayrıca anahtar bir durumdan, diğer duruma zaman kaybı olmadan geçebilmelidir. Transistörle gerçekleştirilen elektronik anahtar, ideal bir anahtar değildir. Fakat transistör küçük bir güç kaybı ile anahtar olarak çalışabilir. Transistörün bir anahtar olarak nasıl kullanıldığı şekil-4.14’de verilmiştir. Şekil-4.14.a’da görüldüğü gibi transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla transistörün kesimdedir. Kollektör-emiter arası ideal olarak açık devredir. Transistör bu durumda açık bir anahtar olarak davranır. +VC C I C=0 RC RB C +V CC +VC C IC RC RC C RB 0V +VC C RC C C E E +VBB IB=0 E IB E b) Transistör doyumda -Anahtar KAPALI a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK Şekil-4.14.a ve b Transistörün anahtar olarak çalışması Şekil-4.14.b’de ise transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu devrede beyz akımı yeterli derecede büyük seçilirse transistör doyum bölgesinde çalışacaktır. Kollektör akımı maksimum olacak ve transistörün kollektör-emiter arası ideal olarak kısa devre olacaktır. Transistör bu durumda kapalı bir anahtar gibi davranır. 109 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistör kesimdeyken; Beyz-emiter jonksiyonu iletim yönünde polarmalanmamıştır. Dolayısıyla transistörün kollektör-emiter gerilimi; VCE = VCC − I C ⋅ RC değerine eşittir. Bu değer aynı zamanda transistörün çıkış gerilimidir. Transistör kesimdeyken IC=0 olduğunu biliyoruz. Çünkü transistörün kollektör-emiter arası açık devredir. Bu durumda; VCE( KESIM ) = VCC olur. Bu gerilim, transistörün kollektör-emiter arasında görülebilecek maksimum değerdir ve yaklaşık olarak transistörün besleme gerilimi VCC değerine eşittir. Transistör doyumdayken; Kollektör akımı maksimum değerine ulaşmaktadır. Kollektör-emiter gerilimi ise ideal olarak düşünülürse VCE=0V olmaktadır. Bu durumda transistörün kollektör akımı; VCC = VCE( DOYUM ) + I C ⋅ RC I C ( DOYUM ) = VCC RC değerine eşit olur. Bu değerden hareketle transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum değeri belirlenebilir. I I B(min) = C β Örnek 4.5 Şekildeki devrede transistör anahtarlama amacı ile kullanılmaktadır. VC C=+12V RC 1KΩ a) VB =0V olduğunda V0 değerini bulunuz? RB VO b) Transistörü doyumda tutacak minimum beyz akımını bulunuz? Β=150 Çözüm: c) V B=6V olduğunda transistörü doyumda tutacak RB değerini bulunuz? a) VB=0V olduğunda transistör kesimdedir. Kollektör akımı IC=0A olur. Dolayısıyla transistörün V0 gerilimi; V0 = VCE = VCC = +12V b) Transistör doyumda olduğunda; VCE(DOYUM)=0V olacaktır. Buradan IC akımını bulalım. VCC = I C ⋅ RC + VCE 110 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I C ( DOYUM ) = VCC 12V = = 12 mA RC 1K olacaktır. Buradan transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum değerini buluruz. I B( MIN ) = I C ( DOYUM ) β = 12 mA = 80 µA 150 Bulunan bu değer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum değerdir. Beyz akımının bu değerden daha fazla olması kollektör akımını artırmayacaktır. c) Transistörü doyuma ulaştıracak beyz akımını belirleyen devre elamanı RB direncidir. Bu direncin olması değerini bulalım. Transistör iletime girdiğinde, beyzemiter gerilimi VBE=0.7V olacaktır. Dolayısıyla devreden RB değerini bulabiliriz. VB = I B ⋅ R B + VBE RB = VB − VBE 6V − 0.7V = = 66.2KΩ IB 80 µA olarak bulunur. Transistörlü anahtar uygulaması Pek çok endüstriyel uygulamada veya sayısal tasarımda tümdevrelerin çıkışından alınan işaretlerin kuvvetlendirilmesi istenir. Örneğin şekil-4.15’a.da tümdevre çıkışından alınan bir kare dalga işaretin bir led’i yakıp söndürmesi için gerekli devre düzeneği verilmiştir. Giriş işareti; 0V olduğunda transistör kesimdedir, LED yanmayacaktır. Giriş işareti +V değerine ulaştığında ise transistör iletime geçerek LED yanacaktır. +V CC=12V RO LE 12V/100mA +VCC RC RB RB BC547 β = 150 5V +V VBE=0.6V 0V a) Transistörün anahtar olarak çalışması b) Transistörle role kontrol Şekil-4.15.a ve b Transistörün anahtar olarak kullanılması 111 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-4.15.b’de ise bir tümdevre çıkışından alınan işaretin kuvvetlendirilerek bir röleyi, dolayısıyla role kontaklarına bağlı bir yükü kontrol etmesi gösterilmiştir. Örnek: 4.6 Çözüm: Şekil-4-15.b’de verilen devrede tümdevre çıkışı +5V olduğunda rolenin kontaklarını çekmesi istenmektedir. Tümdevre çıkışının izin verdiği akım miktarı 10mA’dir. RB direncinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? Rolenin kontaklarını çekebilmesi için gerekli minimum akım değeri 100mA’dir. Dolayısıyla transistörün kolektöründen akacak IC akımı değeri 100mA’dir. Buradan IB akımının olması gereken değerini bulabiliriz. IB = I C 100mA = 0.6mA = β 150 Bulunan bu değer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum değerdir. Şimdi bu akımı akıtacak RB değerini bulalım. Devreden; +5V = I B RB = 4.5 R B + VBE VB - VBE 5V - 0.6V = 7.3KΩ = IB 0.6mA TRANSİSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞMASI Transistörlerin çok popüler bir diğer uygulama alanı ise yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Yükseltme (amplifikasyon) işlemi, transistöre uygulanan her hangi bir işaretin genliğinin veya gücünün doğrusal olarak kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi) işlemidir. Yükselteç olarak tasarlanacak bir transistör, genellikle aktif bölgede çalıştırılır. Bu bölümde bitirdiğinizde ; • Yükselteç (amplifier) • Temel transistörlü yükseltecin dc ve ac analizi Hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz. Transistörün en temel uygulama alanlarından biri de yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Temel bir yükselteç devresinin işlevi, girişine uygulanan işareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkışına aktarmasıdır. 112 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörlü temel bir yükselteç devresi şekil-4.16’da verilmiştir. Devrede kullanılan dc kaynaklar transistörün aktif bölgede çalışmasını sağlamak içindir. Devre girişine uygulanan ac işaret (VİN) ise yükseltme işlemine tabi tutulacaktır. Transistörlü yükselteç devresinde; devrenin yükselteç olarak çalışabilmesi için dc besleme (polarma) gerilimlerine gereksinim vardır. Dolayısıyla transistörlü yükselteç devreleri genel olarak iki aşamada incelenilirler. Bu aşamalar; • • Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi Transistörlü yükselteç devrelerinin ac analizi +V CC RC V out RB V in V BB Şekil-4.16 Transistörlü yükselteç devresi DC Analiz İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun dc polarma akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin dc analizdir. Analiz işleminde transistörün çalışma bölgesi belirlenir. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi ac çalışmaya hazır hale getirilir. Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizinde eşdeğer devrelerden yararlanılır. Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi ilerideki bölümlerde tüm ayrıntıları ile incelenecektir. AC Analiz Transistörlü yükselteç tasarımında ikinci evre, tasarlanan veya tasarlanacak yükselteç devresinin ac analizidir. Yükselteç devresinin ac analizini yapılırken eşdeğer devrelerden yararlanılır. Şekil-4.17’a.da transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmiştir. Aynı devrenin ac eşdeğeri devresi ise şekil-4.17.b’de görülmektedir. 113 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan +V CC RC RB RC Vout RB Vout Vo Vin Vin Vin Vg VBB a) Transistörlü yükselteç devresi b) Transistörlü yükselteç devresinin ac eşdeğeri Şekil-4.17.a ve b Transistörlü temel yükselteç devresi ve ac eşdeğeri Transistörlü bir yükselteç devresinin ac eşdeğer devresi çizilirken, dc kaynaklar kısa devre yapılır. Yükselteç devresi doğal olarak girişinden uygulanan ac işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Dolayısıyla bir kazanç söz konusudur. Yükseltecin temel amacıda bu kazancı sağlamaktır. Bir yükselteç devresi; girişinden uygulanan işaretin genliğini, akımını veya gücünü yükseltebilir. Dolayısıyla bir akım, gerilim veya güç kazancı söz konusudur. Yükselteçlerde kazanç ifadesi A ile sembolize edilir. Gerilim kazancı için AV, Akım kazancı için AI ve güç kazancı için AP sembolleri kullanılır. Örneğin şekil-4.17’de görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı AV; AV = V0 Vg Transistörlü yükselteçler, belirtildiği gibi elektronik biliminin en önemli konularından birisidir. Bu nedenle transistörlü yükselteçlerin analizi ve tasarımı bu kitabın ilerleyen bölümlerinde ayrıntılı olarak incelenecektir. Bu bölümde sizlere kısa ön bilgiler sunulmuştur. 4.6 TRANSİSTÖRLERDE KODLAMA VE KILIF TİPLERİ Günümüzde pek çok farklı kılıf tipine sahip transistör üretimi yapılmaktadır. Transistörlerin kılıf tipleri genelde kullanım amacına ve kullanım yerine bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, küçük veya orta güçlü transistörlerin üretiminde genellikle plastik veya metal kılıflar kullanılmaktadır. Transistörlerde kullanılan kılıf tiplerini belirleyen diğer önemli bir faktör ise çalışma frekanslarıdır. Bu bölümde transistörlerin kılıf tiplerini belirleyen etkenler olarak ; Transistörlerde uluslarası standart kodlama • Transistörlerde üretim kategorileri • hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz. 114 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Uluslararası bir çok firma, transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen her bir transistör farklı özellikler içerebilir. Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen her bir transistör; üreticiler tarafından bir takım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler; bu kodlarla anılırlar. Üretilen her bir transistörün çeşitli karakteristikleri üretici firma tarafından kullanıcıya sunulur. Uluslararası Standard Kodlama: Transistörlerin kodlanmasında bir takım harf ve rakamlar kullanılmaktadır. Örneğin AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 v.b gibi bir çok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rasgele değil uluslar arası standartlara göredir ve anlamlıdır. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip standart kodlama vardır. Bir çok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunarlar. Yaygın olarak kullanılan standart kodlamalar aşağıda verilmiştir. 1. 2. 3. 4. Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron) Amerikan jedec standardı (EIA-jedec) Japon (JIS) Doğu Blok (eski SSCB) Pro-Electron Standardı: Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlarlar. Kodlamada genel kural, Önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. Kullanılan her bir harf anlamlıdır ve anlamları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır. İLK HARF: Avrupa (Pro Electron) standardına göre kodlanmada kullanılan ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Örneğin AC121, AD161, AF254 v.b kodlanan transistörler germanyumdan yapılmıştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile başlar. Örneğin; BC121, BD161, BF254 v.b kodlanan transistörler silisyumdan yapılmıştır. IKINCI HARF: Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf Avrupa Standardına göre, transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar aşağıda verilmiştir. AC: BC: BD: BF: BL: BU: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi... Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür ve Silisyumdan yapılmıştır. BC107, BC547 gibi... Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, alçak frekans transistörü. BD135, BD240, BD521 v.b. gibi Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, yüksek frekans transistörü. BF199, BF240, BF521, gibi... Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, yüksek frekans transistörü. BL240, BL358, BL521 gibi... Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, anahtarlama transistörü. BU240, BU521 gibi...Germanyumdan yapılan transistörlerin başına A harfinin geldiği unutulmamalıdır. AC, AD, AF, AU gibi... 115 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan ÜÇÜNCÜ HARF: Avrupa (pro electron) standardında bazı Transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak koşuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. Örnek olarak; BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 v.b gibi Diğer Kodlama türleri ve standartlar: Avrupa pro-electron standardına göre kodlamanın özelliklerini verdik. Bu kodlamaya ilave olarak Amerikan ve Japon üreticilerin uydukları kodlamalar ve anlamları aşağıda liste olarak verilmiştir. Bu gruplara ilave olarak, büyük yarıiletken üreticisi bazı kuruluşlar azda olsa özel kodlar kullanmaktadırlar. KOD AÇIKLAMALAR 2N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET dahil). 3N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET, MOSFET) 4N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı opto-kuplör v.b 2S..... : Japon (JIS) Standardı Si (2S2134 gibi...) 2SA....: Japon (JIS) Standardı, PNP, Yüksek frekans 2SB.... : Japon (JIS) Standardı, PNP, Alçak frekans 2SC.... : Japon (JIS) Standardı, NPN, Yüksek frekans 2SD.... : Japon (JIS) Standardı, NNP, Alçak frekans 2SH.... : Japon (JIS) Standardı, Unijonksiyon Transistör 2SJ.... : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 2SK....: Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı 3SJ.... : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 3SK....: Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı MA... : Motorola, Ge, Düşük güçlü, metal kılıf MPS... : Motorola, Si, Küçük işaret, plastik kılıf MJE... : Motorola, Si, Büyük güçlü, plastik kılıf MPF... : Motorola, JFET, plastik kılıf MJ… : Motorola, Si, Büyük güçlü, Metal kılıf Bazı büyük üretici firmalar ise kendi kodlarıyla özel üretim yapmaktadırlar. Özelliklerini kataloglardan temin edebilirsiniz. Transistör kategorileri ve kılıf tipleri Uluslarası transistör üreticileri, üretimlerini genellikle 3 temel kategoride gerçekleştir. Bu kategorileri; • • • Genel amaçlı/alçak frekans transistörleri Güç transistörleri Radyo frekans (RF) transistörleri Olarak tanımlayabiliriz. Her bir kategori, belirli alt kategorilerede ayrılmaktadır. Üretici firmalar transistör adlarının kodlanmasında, kılıf ve pin tiplerinin belirlenmesinde belirli standartlara uyarlar. Genel Amaçlı/Küçük Sinyal Transistörleri: Bu tip transistörler genellikle orta güçlü yükselteç veya anahtarlama devrelerinde kullanılır. Metal veya plastik kılıf içerisinde üretilirler. Şekil-4.18’de plastik kılıfa sahip standart transistör kılıf tipleri, kılıf kodları ve terminal isimleri verilmiştir. 116 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan C C B E C B E C E B E C E B B TO-92 veya TO-226AA TO-92 veya TO-226AE SOT-23 veya TO-236AB Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal plastik transistör kılıfları ve terminal isimleri Şekil-4.19’da ise aynı kategoride bulunan ve metal kılıf içerisinde üretilen bazı transistörlerin kılıf kodları ve terminal isimleri ile birlikte verilmiştir. Farklı terminal bağlantılarına ve kılıf tipine sahip onlarca tip transistör vardır. Bu bölümde örnekleme amacı ile çok kullanılan birkaç tip kılıf tipi verilmiştir. Ayrıntılı bilgileri üretici kataloglarından elde edebilirsiniz. B B B B E C C C C E E TO-18 veya TO-206AA TO-46 veya TO-206AB E TO-39 veya TO-205AD C C C B B B E E TO-52 veya TO-206AC TO-5 E C B E G G=GÖVDE TO-72 veya TO-206AF Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal metal transistör kılıfları ve terminal isimleri Güç (power) Transistörleri: Güç (power) transistörleri yüksek akım ve gerilim değerlerinde çalıştırılmak üzere tasarlanmışlardır. Dolayısıyla boyutları oldukça büyüktür. Bu tip transistörler genellikle metal kılıf içerisinde üretilirler. Transistörün gövdesi metaldir ve genellikle kollektör terminali metal gövdeye monte edilmiştir. Şekil-4.19’da yaygın olarak kullanılan bazı güç transistörlerinin kılıf kodları ve terminal bağlantıları verilmiştir. 117 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan C C C B B E C B C TO-126 ve TO-225AA E E TO-218 B E C C TO-218AC TO-220AB GÖVDE C GÖVDE C C B E SMD TİPİ TO-66 TO-3 veya TO204AE Şekil-4.19 Bazı güç transistörlerinin kılıf tipleri ve terminal bağlantıları Radyo Frekans (RF) Transistörleri: Çok yüksek frekansla çalışan sistemlerde (Radyo frekans=RF) çalıştırılmak üzere tasarlanmış transistörler, RF transistörleri olarak anılmaktadır. Özellikle iletişim sistemlerinde kullanılan bu transistörlerin kılıf tipleri diğerlerinden farklılık gösterebilir. Bunun nedeni yüksek frekans etkisini minimuma indirmektir. Şekil-4.20’de bazı RF transistörlerinin standart kılıf tipleri örnek olarak verilmiştir. Şekil-4.20 RF transistörlerinde kullanılan kılıf tipleri 118 ANALOG ELEKTRONİK- I 4.7 Kaplan TRANSİSTÖR VERİ SAYFALARI Üretici firmalar ürettikleri her bir transistör tipi için standart ve maksimum çalışma karakteristiklerini veri kitapçıklarında tasarımcının kullanımına sunarlar. Bu bölümde üretici firmanın ürettiği bir transistör için veri kitapçığında kullanıcıya sunduğu katalog bilgileri örnek olarak sizlere verilecektir. 4.8 TRANSİSTÖR TESTİ Elektronik cihazlarda kimi zaman bir takım arızalar oluşabilir. Bu arızalar genellikle yarıiletken devre elemanlarının bozulmasından kaynaklanır. Bu nedenle herhangi bir cihazın onarımında ilk aşama cihazda kullanılan yarıiletken devre elemanlarının sağlamlık testinin yapılmasıdır. Transistörlerin sağlamlık testi; statik ve dinamik test olmak üzere iki aşamada yapılabilir. Transistöre herhangi bir enerji uygulamadan bir ölçü aleti yapılan test 119 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan işlemine statik test denir. Bu işlemde transistörün jonksiyonlar arası direnci ölçülür. Dinamik test işlemi ise transistör devre üzerinde çalışma halindeyken yapılır. Bu işlemde transistör üzerinde oluşabilecek polarma gerilim ve akımlarının ölçümü yapılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; • • Bir transistörün multimetre ile statik testinin nasıl yapıldığını Bir transistörde dinamik ölçümlerin nasıl yapılabileceğini Ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Yaptığınız test işlemleri sonucunda her hangi bir transistörde sağlamlık testinin nasıl yapılacağı, transistör tipinin (pnp veya npn) ve terminal bağlantılarının nasıl bulanacağını yetisini kazanacaksınız. Transistör’ün Statik Testi Sayısal veya analog bir multimetre kullanılarak herhangi bir transistörün sağlamlık testi yapılabilir. Test işleminde sonucunda transistörün sağlam olup olmadığının yanı sıra transistör tipi (npn/pnp) ve transistör terminalleride (b,e,c) belirlenebilir. Npn veya pnp tipi bir transistörün test işleminde pratik bir çözüm, transistörü sırt sırta bağlı iki diyot gibi düşünmektir. Test işleminde bu durum bize kolaylık sağlar. NPN ve PNP tipi transistörlerin diyot eşdeğerleri şekil-4.21’de verilmiştir. Bu durum sadece transistörü test etmemizde bize kolaylık sağlar. İki gerçek diyot, şekilde belirtildiği gibi bağlanırsa transistör olamayacağı ve transistör gibi çalışmayacağı özellikle bilinmelidir. C C C p n p B B n B E E Yapısı B B B n Sembolü C C C p E Diyot eşdeğeri a) npn tipi transistör ve diyot eşdeğeri E Sembolü E Yapısı E Diyot eşdeğeri a) npn tipi transistör ve diyot eşdeğeri Şekil-4.21 Npn ve Pnp tipi transistörlerin sembolü ve diyot eşdeğerleri Transistörün diyot eşdeğer devresinden yararlanılarak sayısal bir multimetre ile test işleminin nasıl yapılabileceği şekil-4.22 yardımı ile anlatılacaktır. Test işlemi için sayısal multimetre’nin diyot ölçme konumu kullanılır. Her bir aşamada transistörün sadece iki terminali arasındaki öngerilim ölçülür. Sağlam bir transistör’ün doğru polarma altında terminalleri arasındaki ögerlim 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise bu değer multimetrenin pil gerilimidir. Şekil-4.22 üzerinde bir transistör için gerekli test aşamaları ve sonuçları adım adım gösterilmiştir. Belirtilen adımları sıra ile izleyerek sonuç ve yorumları gözlemleyiniz. 120 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan 0.70 0.70 E B C Ω E B C 1.20 E B C V off V off A mA COM VΩ a) E-B jonksiyonu doğru polarma Sonuç: Doğru değer A mA COM VΩ b) B-C jonksiyonu doğru polarma Sonuç: Doğru değer Ω E B C Ω c) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Doğru değer 1.20 E B C V off V off Ω V off A mA COM VΩ 1.20 1.20 E B C Ω Ω V off A mA COM VΩ A mA COM VΩ A mA COM VΩ d) E-B jonksiyonu ters polarma Sonuç: Doğru Değer e) B-C jonksiyonu ters polarma Sonuç: Doğru değer f) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Doğru değer 1.20 E B C Ω 0.00 E B C Ω V off V off A mA COM VΩ A mA COM VΩ g) E-B jonksiyonu doğru polarma Sonuç: E-B Bozuk açık devre h) B-C jonksiyonu doğru polarma Sonuç: E-B Bozuk kısa devre 1.20 E B C Ω V off A mA COM VΩ i) B-C jonksiyonu doğru polarma Sonuç: B-C Bozuk açık devre Şekil-4.22 npn tipi bir transistörün sayısal multimetre ile statik testi Test işlemi, analog multimetre kullanılarak da yapılabilir. Multimetre ohm kademesine alınır. Transistörün jonksiyonları arasındaki direnç değerleri sıra ile ölçülür. Multimetre; Ters polarmada çok büyük direnç değeri, doğru polarmada ise küçük bir direnç değeri göstermesi gerekir. Aksi durumlarda transistörün bozuk olduğu anlaşılır. Transistörleri test etmek amacı ile çeşitli firmalarca geliştirilmiş hazır transistör test cihazları da (transistor tester) vardır. Şekil-4.23’de örnek olarak birkaç transistör test cihazı verilmiştir. Her bir cihazın kullanımı kataloglarından öğrenilebilir. 121 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Şekil-4.23 Transistör test cihazları Transistör’ün Dinamik Testi Çalışan herhangi bir devre veya cihaz üzerinde bulunan transistörler test edilebilir. Test işleminde devre üzerindeki transistörün terminalleri arasındaki gerilimler ölçülür. Dolayısı ile ölçüm sisteminde enerji vardır. Bu tür test işlemine dinamik test denir. Sağlıklı bir test işlemi için bazı analizler yapılmalı veya bilinmelidir. Test işleminde size pratiklik kazandırmak amacı ile şekil-4.24’de görülen basit bir transistörlü devre verilmiştir. +V CC=12V RC 680Ω VC RB BC108 VB B=+3V 47KΩ VBE β (DC)=hFE =200 Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri Devrenin kısaca analizini yaparak elde edilen sonuçları şekil üzerinde gösterelim. Doğru polarma altında çalışan bir transistörde beyz-emiter gerilimi VBE her zaman; VBE = 0.7V değerinde olur. Transistörün diğer polarma akım ve gerilimlerini bulalım. IB = VBB − VBE 3V − 0.7V 2.3V = = = 48 µA RB 47 KΩ 47 KΩ I C = β ( DC ) ⋅ I B = ( 200) ⋅ ( 48 µA) = 9.6mA 122 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VC = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (9.6mA ⋅ 680Ω) = 12 − 6.5V = 5.5V hesaplamalar sonucunda sağlam bir transistör üzerinde bulunan değerler şekil-4.24 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. +12V RC 680Ω 5.5v RB BC108 +3V 47KΩ 0.7v β (DC)=hFE =200 Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri Şekil-4.24’de verilen devrede veya herhangi bir transistörlü devrede oluşabilecek pek çok arıza çeşidi vardır. Transistörlü bir devrede oluşabilecek arıza, devrede yapılacak gerilim ölçmeleri sonucunda belirlenebilir. Şekil-4.25’de transistörlü bir devrede olası arızalar nedenleri ve ölçme sonuçları verilmiştir. Dikkatlice inceleyiniz Not: Tüm ölçmeler şase (gnd) terminaline göre yapılmıştır. +12V +12V RC 680Ω Açık Devre RC 680Ω 12v 12v RB RB BC108 BC108 +3V +3V 47KΩ µv 47KΩ 0.5..0.7v Test : Beyz-Emiter terminalinde birkaç µV, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmüştür. Yorum : Transistörün beyz akımını alamaktadır. Sonuç : RB direnci açık devre olmuştur. Çözüm : RB direnci değiştirilmelidir. 123 Test : Beyz-Emiter terminalinde 0.5V…0.7V, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmüştür. Yorum : Transistör kesimdedir, kollektör akımı yoktur. Sonuç : Kollektör terminali içten açık devre olmuştur Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir.. ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan +12V Açık Devre +12V RC 680Ω RC µv 12v RB RB BC108 +3V BC108 +3V 47KΩ 47KΩ 3v 05...0.7v Test : Beyz-Emiter terminalinde 0.5…0.7V, Kollektör de birkaç µV ölçülmüştür. Yorum : Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç : RC direnci açık devre olmuştur. Çözüm : RB direnci bozuktur, değiştirilmelidir. Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V, emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum : Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç : Emiter terminali içten açık devre olmuştur. Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir. +12V Açık Devre +12V RC 680Ω RC 680Ω 12v 12v RB RB BC108 BC108 +3V +3V 47KΩ 3v 0v Açık Devre 0v 47KΩ 3v 2.5v Açık Devre Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V,Emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum : Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç : Emiter terminalşase bağlantısı kopmuştur. Çözüm : Bağlantı sağlanmalıdır. Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V,Emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum : Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç : Beyz terminali içten açık devre olmuştur. Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir. Şekil-4.25 Transistörlü bir devrede oluşabilecek olası arızalar ve nedenleri Herhangi bir transistörlü devrede oluşabilecek arızalar ve arıza tipleri yukarıda ayrıntıları ile verilmiştir. Arıza aramada temel mantık transistör polarma gerilimlerinin ölçülüp yorumlanmasıdır. Normal koşullarda çalışan bir transistör de beyz-emiter geriliminin her zaman 0.7V civarında olacağı unutulmamalıdır. 124 ANALOG ELEKTRONİK- I 4.9 Kaplan BÖLÜM ÖZETİ • Bipolar jonksiyon transistör BJT olarak bilinir ve üç katmandan oluşur. Katmanlarına işlevlerinden ötürü Beyz (base), Emiter (emiter) ve Kolektör (collector) isimleri verilir. • Bipolar transistör iki adet pn bitişim yüzeyine (jonksiyona) sahiptir. Bu jonksiyonlara beyz-emiter ve beyz-kollektör jonksiyonaları adı verilir. • BJT içinde hem serbest elektronlar, hem de oyuklar akım taşıyıcı olarak görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. • Bipolar transistörde beyz bölgesi; kolektör ve emiter bölgesine nazaran daha az katkılandırılmıştır ve daha incedir. • Bipolar Jonksiyon transistörler npn ve pnp olmak üzere iki tipte üretilirler. • Transistör bir yükselteç elemanı olarak kullanıldığında; beyz-emiter jonksiyonu ileri yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalandırılır. • Transistörlerde 3 temel akım vardır. Bunlar; beyz akımı (IB), kolektör akımı (IC) ve emiter akımı (IE) olarak adlandırılır. • Transistörde beyz akımı, kolektör ve emiter akımına nazaran çok küçüktür. Fakat transistörün çalışmasında çok etkindir. Beyz akımı, kolektör ve emiter akımlarını kontrol eder. • Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı beta akım kazancı olarak bilinir ve βDC olarak tanımlanırlar. βDC değeri akım yükseltme katsayısıdır. Tipik βDC değeri 20 ile birkaç 100 birim arasında olabilir. • Transistörde βDC değeri kimi üretici firma kataloglarında HFE olarak tanımlanır ve verilirler. • Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı alfa akım kazancı olarak bilinir ve αDC olarak tanımlanırlar. Tipik αDC değeri 0.95 ile 0.99 arasındadır. • Transistör kesim ve doyum bölgelerinde elektronik bir anahtar gibi çalıştırılabilir. • Kesimde çalışan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalandırılmıştır. Transistörün kollektör akımı yoktur. İdeal olarak kollektör-emiter jonksiyonu açık devredir ve açık bir anahtar gibi davranır. • Doyumda çalışan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalandırılmıştır. Transistörün kolektör akımı maksimumdur. Kolektör-emiter jonksiyonu ideal olarak kısa devredir ve kapalı bir anahtar gibi davranır. • βDC değeri çalışma ortamı ısısından bir miktar etkilenir. βDC değeri aynı tip transistörlerde farklı değerlerde olabilir. • Transistörler kendi aralarında sınıflandırılırlar. Transistörlerin kılıflarında metal, plastik, seramik v.b materyaller kullanılır. Transistör üretiminde yüzlerce farklı kılıf kullanılır. Bir transistörün sağlamlık testi statik veya dinamik olarak gerçekleştirilebilir. Testişleminde multimetre kullanılır. Ayrıca test işlemi sonucunda bir transistörüntipi(npn/pnp) ve uçları (e/b/c) belirlenebilir. 125 BÖLÜM 5 5 TRANSİSTÖRLERİN DC ANALİZİ Konular: 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 Transistörde DC çalışma noktası Transistörde temel polarama Beyz polarma Gerilim bölücülü polarma devresi Geribeslemeli polarma devresi Onarım Amaçlar: • Yükselteç tasarımında dc çalışma noktasının önemi • Yükselteçlerde dc polarma ve analizi • Yükselteçlerde kararlı çalışma için çeşitli polarma yöntemleri Bu bölümde transistörün yükselteç olarak nasıl çalıştırılacağını öğreneceksiniz. Yükselteç tasarımında dc polarma akım ve gerilimlerinin analizini yapacak ve kararlı bir çalışma için yöntemler geliştireceksiniz. ANALOG ELEKTRONİK- I 5.1 Kaplan DC ÇALIŞMA NOKTASI Bir transistör yükselteç (amplifikatör) olarak çalışabilmesi için dc polarma gereksinim duyar. Doğrusal ve verimli bir çalışma için transistörlü yükselteç devresinde polarma akım ve gerilimleri iyi seçilmeli veya hesaplanmalıdır. Bu durum bir önceki bölümde belirtilmişti. Bu bölümde; yükselteçlerde düzgün ve verimli bir çalışma için gerekli analizler yapılacaktır. Bu analizlerde dc yük hattı ve çalışma noktası (Q) gibi kavramların önemini ve özelliklerini kavrayacaksınız. DC Polarma ve Çalışma Noktası Transistörlü yükselteç; girişinden uygulanan işaretleri yükselterek çıkışına aktarmak üzere tasarlanmış bir devredir. Transistör, yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyar. Transistöre uygulanan polarma gerilimleri çıkış karakteristiği üzerinde transistörün çalışma noktasını belirler. Transistörün sahip olduğu polarma akım ve gerilim değerini gösteren bu nokta “çalışma noktası” ya da “Q noktası” olarak adlandırılır. Şekil-5.1’de bir transistörün çıkış karakteristiği üzerinde çeşitli çalışma noktası örnekleri verilmiştir. Örneğin dc polarma gerilimleri uygulanmasa idi transistörün çalışma noktası Q1 olurdu. Bu durumda transistör tümüyle kapalı olur ve girişinden uygulanan işaretleri yükseltmez idi. IC (mA) Q3 IC2 Q2 IC3 Q4 IC4 Q1 VCE (V) VCE 2 VCE 3 VCE 4 Şekil-5.1 Transistör için eşitli çalışma noktası örnekleri Transistöre polarma gerilimleri uygulandığında ise çalışma noktaları şekil üzerinde belirtilen Q2, Q3 ve Q4 noktalardan birinde olabilirdi. Bu çalışma noktalarında transistör doğal olarak yükselteç olarak çalışacaktır. Dolayısıyla girişinden uygulanan işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Transistör çıkışından alınan işaret de nispeten bozulma olmayacaktır. Bu durum şekil-5.2 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Örneğin şekil5.2.a’da transistörün çalışma noktası uygun seçilmiş ve lineer bir yükseltme sağlanmıştır. Ancak çalışma noktasının uygun seçilmemesi durumunda ise çıkış işaretinde kırpılmalar oluşmaktadır. Bu durum şekil-5.2.b ve c üzerinde gösterilmiştir. 127 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan A A a) Lineer Çalışma A b) Çıkış gerilimi kesim sınırında kırpılmış c) Çıkış gerilimi doyum sınırında kırpılmış Şekil-5.2 Bir yükselteç devresinin lineer ve nanlineer çalışmasına örnekler DC Yük Hattı Transistörlü yükselteç devrelerinde çalışma noktasının ve dc yük hattının önemini göstermek amacı ile şekil-5.3.a’da görülen devreden yararlanılacaktır. Bu devrede transistörün polarma akım ve gerilimleri, VBB ve VCC kaynakları ile ayarlanabilmektedir. Devredeki transistör için kollektör karakteristik eğrileri ise şekil-5.3.b’de verilmiştir. IC (mA) RC 200Ω IC 300µ 60 250µ 50 RB VCC 0-10V 22KΩ VBB 0-5V βDC =200 200µ 40 30 150µ 20 100µ 10 50µ 1 Şekil-5.3 2 3 4 5 6 7 8 9 10 VCE (V) Ayarlanabilen kaynaklarla dc polarma ve transistörün karakteristik eğrisi DC polarmanın etkisini ve önemini anlamak amacı ile şekil-5.3’deki devrede IB akımını farklı değerlere ayarlayalım. Ayarladığımız her bir IB akımı değerine karşılık transistörün IC ve VCE değerlerinin nasıl değiştiğini inceleyelim. İlk olarak VBB kaynağını ayarlayarak IB değerini 100µA yapalım. Bu durumda transistörün kollektör akım IC; I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 100 µA = 20mA olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü VCE; VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 10V − ( 20mA ⋅ 200Ω ) = 6V olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.a da transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q1 olacaktır. 128 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Transistörün beyz akımının IB=150µA yapılması durumunda ise kollektör akımı; I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 150 µA = 30mA olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü VCE; VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 10V − ( 30mA ⋅ 200Ω) = 4V olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.b de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q2 olacaktır. Son olarak IB akımını 200µA yapalım bu durumda transistörün çalışma noktasını bulalım. I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 200 µA = 40mA VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 10V − ( 40mA ⋅ 200Ω ) = 2V olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.c de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q3 olacaktır. Her IB akımı değerine bağlı olarak transistörün çalışma bölgesindeki değişimler şekil-5.4 üzerinde toplu olarak verilmiştir. 129 ANALOG ELEKTRONİK- I RC 200Ω Kaplan 60 IC =20mA IC (mA) 50 I B=100µA 40 VCC 22KΩ 30 Q1 20 VBB 100µ 10 βDC =200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V CE (V) 10 a) IB=100µA değeri için transistörün Q1 çalışma noktası RC 200Ω 60 IC =30mA IC (mA) 50 I B=150µA 40 VCC 22KΩ Q2 30 150µ 20 VBB 10 βDC =200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V CE (V) 10 b) IB=150µA değeri için transistörün Q2 çalışma noktası 60 RC 200Ω IC =40mA IC (mA) 50 I B=200µA Q3 40 VCC 22KΩ 200µ 30 20 VBB 10 βDC =200 1 2 3 4 5 6 7 8 9 V CE (V) 10 c) IB=200µA değeri için transistörün Q3 çalışma noktası Şekil-5.4 Çeşitli IB akımı değerlerinde transistörün çalışma noktasının değişimi Şekil-5.4 dikkatlice incelenirse transistörün beyz akımındaki değişim, kollektör akımını değiştirmekte dolayısıyla transistörün kollektör-emiter (VCE) gerilimi de değişmektedir. Örneğin IB akımındaki artma, IC akımını artırmaktadır. Buna bağlı olarak VCE gerilimi azaltmaktadır. Bu durumda VBB geriliminin ayarlanması ile IB değeri ayarlanmaktadır. IB’nin ayarlanması ise transistörün DC çalışma noktasını düzgün bir hat üzerinde hareket ettirmektedir. Şekil-5.4’de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen ve Q1, Q2 ve Q3 ile belirtilen çalışma noktalarının birleştirilmesi ile bir doğru elde edilir. Bu doğru “dc yük hattı” olarak adlandırılır. Şekil-5.5’de dc yük hattı karakteristik üzerinde gösterilmiştir. 130 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan IC (mA) 60 DOYUM 50 YÜK ÇİZGİSİ Q3 40 200µ Q2 30 150µ Q1 20 100µ KESİM 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 VCE (V) 10 Şekil-5.5 Transistör karakteristiği üzerinde dc yük hattının gösterilişi DC yük hattı x eksenini 10V’da kesmektedir. Bu değer VCE=VCC noktasıdır. Bu noktada transistör kesimdedir çünkü kollektör ve beyz akımları idealde sıfırdır. Gerçekte beyz ve kollektör akımları bu noktada tam sıfır değildir. Çok küçük bir sızıntı akım vardır. Bu nedenle bu kesim noktası gerçekte 10V’dan biraz daha küçüktür. Yine bu örnekte dc yük hattının IC eksenini kestiği değer idealde 50mA’dir. Bu değer ise transistör için doyum noktasıdır. Transistörün doyum noktasında kollektör akımı maksimumdur. Çünkü bu noktada VCE=0’dır. Kollektör akımı; IC = VCC RC değerinde olacaktır ve maksimumdur. Lineer Çalışma Transistörün başlıca 3 çalışma bölgesi olduğu belirtilmişti. Bunlar; kesim, doyum ve aktif bölgelerdir. Transistör aktif bölgede çalışıyorken bütün çalışma noktaları kesim ve doyum bölgeleri arasındadır. Transistör eğer aktif bölgede çalışıyorsa girişine uygulanan işareti (sinyali) lineer olarak yükseltir. Lineer yükseltme işlemini incelemek amacıyla şekil-5.6.a’ da verilen devreden yararlanılacaktır. Başlangıçta devre girişine VS işaretinin uygulanmadığını düşünelim. Devrede beyz akımının IB=150µA ve kollektör akımının ise 30mA olduğunu kabul edelim. Bu durumda transistörün çalışma noktası VCE=4V olacaktır. Bu nokta şekil-5.6.b’de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen Q çalışma noktasıdır. Devre girişine VS kaynağından tepe değeri 50µA olan bir sinüs işareti uygulandığını varsayalım. Önce VS işaretinin pozitif saykılı geldiğini kabul edelim. Bu işaret; VBB kaynağı ile aynı yönde etki edecek ve beyz akımının yükselmesine neden olacaktır. Giriş işareti VS, pozitif tepe değerine ulaştığında beyz akımıda maksimum oranda yükselecektir. Bu anda IB=150+50=200µA olacaktır. Bu değer şekil-5.6.b’de karakteristikte “A” noktası olarak işaretlenmiştir. Buna karşılık kollektör akımı 40mA değerine yükselecek, kollektör-emiter gerilimi ise 2V değerine düşecektir. Bu aşamadaki çalışmaya dikkat edilirse transistörün çalışma noktası A noktasına kaymıştır. Burada giriş işaretinde toplam 50µA’lik bir değişim vardır. Çıkış kollektör akımında ise 10mA’lik bir değişim söz konusudur. Dolayısıyla giriş işaretinin pozitif saykılı 200 kat yükseltilmiştir. 131 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Giriş işaretinin negatif saykılında ise; bu işaret beyz akımını dolayısıyla kollektör akımını azaltacaktır. Transistör şekil-5.6.b’de karakteristik üzerinde gösterilen ve “B” olarak adlandırılan çalışma noktasına kayacaktır. Bu çalışma noktasında; IB=100µA, IC=20mA ve VCE=6V değerine ulaşacaktır. Aynı şekilde dikkat edilirse giriş işaretinin 200 kat yükseltildiği görülecektir. V CC=+10V IC (mA) IC RC 200Ω I CQ RB 40 IB A 200µ Q 30 150µ B 20 100µ 20KΩ VS 2 4 6.7V 6 VCE (V) VCE VBB β DC=200 VCEQ a) Ayarlı kaynaklarla transistörlü polarma devresi b) Yük hattı üzerinde sinyal davranışı Şekil-5.6 Transistörlü yükselteç devresi ve yük hattı üzerinde sinyal davranışları Buraya kadar anlatılanlardan da anlaşılacağı gibi, devre girişinde ac giriş işareti yokken, transistör Q çalışma noktasında (sükunet noktası) kalmaktadır. Girişe bir sinyal gelmesi durumunda ise çalışma noktası bu sinyalin yönüne bağlı olarak aşağıya veya yukarıya kaymaktadır. Giriş işareti yükseltme işleminde Q noktasının etrafında salınmaktadır. Transistörün kesim veya doyum noktalarına ulaşmamaktadır. Çıkışta elde edilen işaret, giriş işaretinin yükseltilmiş bir formudur. Çıkış işaretinin dalga biçiminde herhangi bir bozulma yoktur. Bundan dolayı bu işleyişe “Lineer Çalışma” denir. Çıkışın Bozulması (Distorsiyon) Transistörle gerçekleştirilen yükselteçlerde; çıkıştan elde edilen yükseltilmiş işaretin giriş işareti ile aynı dalga formunda olması istenir. Çıkış işaretinde her hangi bir bozulma olması istenmez. Çıkış işaretinde oluşan veya oluşabilecek bozulmaya ise “distorsiyon” adı verilir. Yükselteç devrelerinde bir çok nedenden dolayı distorsiyon oluşabilir. Şekil5.7’de transistör devresinde oluşabilecek distorsiyonlar çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. 132 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan IC (mA) I B Q IC (mA) IB Q Doyum I CQ Q V CE (V) 0 ICQ Q 0 V CC VCC VCE (V) Kesim Doyum Kesim VCEQ VCEQ a) Çalışma bölgesi doyuma sürülmüş b) Çalışma bölgesi kesime sürülmüş IC (mA) I B Q Doyum Q I CQ 0 Kesim V CC VCE (V) Doyum VCEQ Kesim c) Çalışma bölgesi kesime-doyuma sürülmüş Şekil-5.7 Transistörlü yükselteç devresinde oluşan bozulmalar (distorsiyon) Şekil-5.7’de verilen her 3 karakteristikte de distorsiyon vardır. Şekil-5.7.a’da transistörün çalışma bölgesi doyum bölgesine yakın ayarlanmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin bir kısmında transistör doyum bölgesinde çalıştığı için çıkış işareti kırpılmıştır. Şekil-5.7.b’de ise transistör kesim bölgesine yakın çalıştırılmış ve çıkış işaretinin bir kısmı kırpılmıştır. Şekil-5.7.c’de ise transistör aktif bölgenin tam ortasında çalıştırılmıştır. Fakat giriş işaretinin aşırı yüksek olması transistör çalışma bölgesinin kesim ve doyuma kaymasına neden olmuştur. Bu durumda çıkış işaretinin her iki saykılında da kırpmalar oluşmuştur. Örnek: 5.1 Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını ve lineer çalışma için girişe uygulanabilecek işaretin maksimum genliğini belirleyiniz? 133 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan RC 220Ω IC RB 33KΩ VCC 20V VS VBB 12V Çözüm β DC =100 Önce transistörün Q çalışma noktasını bulalım. Q noktası IC ve VCE değerleriyle belirlendiğine göre IC’yi bulmak için önce IB’yi buluruz. IB = VBB − VBE 12 − 0.7 = = 342.42 µA RB 33KΩ I C = β ⋅ I B = (100 )( 342.42 µA) = 34.242 mA Buradan transistörün çalışma noktasındaki VCE değerini buluruz. Kirşof’un gerilim yasasından; VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 20V − (7.533V ) = 12.467V çalışma noktası değerleri olarak bulunur. VCE=VCC-ICRC denklemi kullanılarak transistörün kesim anındaki VCE ve IC(KES) değerleri belirlenir. Transistör kesim de iken kollektör akımı IC=0’dır. Dolayısıyla; VCE = VCC = 20V değerine eşit olur. Transistörün doyum noktasındaki değerlerini bulalım. Doyum anında VCE=0V olacağına göre IC akımı; I C ( DOY ) = VCC 20 = = 90.90mA RC 220Ω Bulunan bu değerlere göre transistörün dc yük hattı aşağıda gösterildiği gibi olacaktır. . 134 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan IC (mA) Doyum 90.90 Q 34.24 Kesim 0 Çözüm 12.46 VCE (V) Bulunan bu değerler kullanılarak lineer çalışma için girişten uygulanacak VS işaretinin maksimum genliği belirlenebilir. Bu amaçla önce Q noktasının yeri yorumlanmalıdır. Çünkü Q noktası hangi sınıra (kesim/doyum) yakınsa kırpılma önce o bölgede gerçekleşecektir. Dolayısıyla aranan değerde yakın olduğu bölgenin değeri ile Q noktası arasındaki mesafeden hareketle belirlenecektir. Q noktasının kesim sınırı ile arasındaki mesafe 34.24mA, doyum sınırı ile arasındaki mesafe ise (90.90-34.24)=55.76mA’dir. Buradan görülmektedir ki Q çalışma noktası kesim bölgesine daha yakındır. Dolayısıyla lineer çalışma için giriş sinyali; çıkışta maksimum 34.24mA’lik kollektör akımı sağlayacak şekilde olmalıdır. O halde lineer bir çalışma için kollektör akımının genliği; I CP = 34.24mA olmalıdır. Transistör için DC akım kazancı değeri (βDC) bilindiğine göre giriş beyz akımının maksimum değeri; IB = I CMax 34.24 = = 342.42 µA β 100 olmalıdır. 5.2 BEYZ POLARMASI Bipolar transistörün yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyduğu belirtilmişti. Önceki birkaç bölümde transistörün gereksinim duyduğu polarma kaynakları ve çalışma karakteristikleri verilmişti. Tüm çalışmalarda transistörün çalışma bölgesinin ayarlanması için iki ayrı dc gerilim kaynağı kullanmıştı. Bu; pratik bir çözüm değildir. Tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak yapılan birkaç polarma yöntemi vardır. Bu bölümde tek bir dc gerilim kaynağı kullanarak yapılan beyz polarması adı verilen yöntemi tüm boyutları ile inceleyeceğiz. 135 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Önceki bölümlerde ele alınan polarma devrelerinde iki ayrı dc besleme gerilimi kullanılmıştı. Bu devrelerde transistörün beyz polarması VBB ile tanımlanan ayrı bir güç kaynağından sağlanmıştı. Transistörlü yükselteçlerin dc polarma gerilimlerini sağlamada pratik bir çözüm tek besleme kaynağı kullanmaktır. Şekil-5.8.a’da tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak gerçekleştirilmiş devre modeli verilmiştir. Bu tür polarma işlemine beyz polarması adı verilmektedir. +VCC RC RC VCC RB RB + VB E _ a) Beyz polarmas ı b) Basit gösterimi Şekil-5.8.a ve b Beyz polarması ve eşdeğer gösterimi Devre dikkatlice incelenirse; transistörün beyz polarması için ayrı bir dc kaynak kullanılmamıştır. Transistörün beyz polarması RB direnci kullanılarak VCC gerilim kaynağından alınmıştır. Bu yöntem pratiktir ve avantaj sağlar. Transistörlü polarma devrelerinde pratiklik kazanmak ve devre analizi bilgilerimizi gözden geçirelim. Bu amaçla devre üzerinde oluşan polarma akım ve gerilimlerinin olası eşitlikleri ve yönleri şekil-5.9 üzerinde yeniden verilmiştir. +VCC VRB RB RC IB VCC IC VRC VCC IB + VBE _ VBE VCE IE Şekil-5.9 Beyz polarmasında polarma akım ve gerilimleri 136 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devrenin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9’da gösterildiği gibi VCC-beyz-emiter çevresinden; VCC = I B ⋅ R B + V BE yazılabilir. Denklemden beyz akımı çekilirse, IB = VCC − V BE RB elde edilir. Beyz akımının bulunması ile devredeki diğer tüm polarma akım ve gerilimleri bulunabilir. IC = β ⋅ I B VCE = VCC − I C ⋅ RC VCE = VCC − ( β ⋅ I B ) ⋅ RC Bu devrede dc yük hattı sınırlarını bulmak için, doyum sınırında VCE=0V olduğu kabul edilerek (ideal durum), I C ( DOYUM ) = VCC RC yük hattının diğer noktasını ise transistör kesimde iken IC=0 kabul ederek, VCE = VCC olarak belirleriz. Örnek: 5.2 +VCC=+12V RC 2.2KΩ RB 620KΩ + VBE _ 137 Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını belirleyiniz? ANALOG ELEKTRONİK- I IB = Kaplan VCC − VBE 12 − 0.7 11.03 = = = 0.017 mA = 17 µA RB 620 KΩ 620 KΩ I C = β ⋅ I B = (100) ⋅ (17 µA) = 1700µA = 1.7 mA VCE = VCC − I C ⋅ RC = 12V − (1.7 mA ⋅ 2.2 KΩ) = 8.26V Çözüm: polarma akım ve gerilim değerleri olarak bulunur. Transistörün çalışma noktası gerilimi ise 8.26V’dur. Yük hattını çizmek için transistörün kesim ve doyum noktalarındaki değerleri bulalım. Kesim anında IC=0’dır. Dolayısıyla kolektör-emiter gerilim düşümü VCE; VCE = VCC = 12V olarak belirlenir. Doyum gerilimi ise, doyum anında VCE=0V alınarak; I C ( DOYUM ) = VCC 12 = = 5.45mA RC 2.2 KΩ olarak bulunur. Dc yük üzerinde çalışma noktası, aşağıda görüldüğü gibi kesim bölgesine yakın bir yerdedir. I C (mA) Doyum 5.45 Q 1.70 Kesim 0 8.26 12 VCE (V) Q Çalışma noktasına βDC etkisi ve kararlılık Transistörün akım kazancını βDC değeri belirler. Bu değer her bir transistör için üretici tarafından verilir. Günümüz teknolojisinde üretimi yapılan aynı tip transistörlerin βDC değerlerinde farklılık olabilir. Üreticiler genellikle ortalama bir değer verirler. βDC değerini etkileyen diğer önemli bir faktör ise ısıdır. Çalışma ortamı ısısına bağlı olarak bu değer değişir. Örneğin 250C’de 100 olan βDC, 750C’de 150 olabilir. Bu durum transistörün kollektör akımını dolayısıyla kolektör-emiter gerilimini etkiler. Bu etkileşim sonucunda transistörün Q çalışma noktası ortam ısısına bağlı olarak değişecektir. Transistör çalışma noktasının βDC değerine bağlı olarak kayması istenmeyen bir durumdur. Çünkü distorsiyona neden olur. Bu durumu basit bir örnekle açılayalım. 138 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.3 VCC =+12V RC 620Ω RB 100KΩ Kaplan Şekil-5.10’da verilen beyz polarmalı devrenin çalışma ortamı ısısı 250C ile 500C arasında değeri değişmektedir. Transistörün βDC 250C=100, 500C=150 olmaktadır. Bu koşullar altında transistörün Q çalışma bölgesinde davranışını (IC, VCE) analiz ediniz. Sıcaklıktaki değişimin devreye etkilerini belirleyiniz. Şekil-5.10 Çözüm Önce 250C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden; VCC = VCE + ( I C ⋅ RC ) VCC = VCE + [( β ⋅ I B ) ⋅ RC ] veya yine devreden; VCC = V RB + V BE VCC = I B ⋅ R B + V BE eşitliklerini yazabiliriz. Bize IC akımı gerekmektedir. Yukarıdaki eşitlikte IB değerini IC cinsinden ifade edelim. VCC = IC β DC + V BE Bulunan bu eşitilkten IC’yi çekelim ve değerini hesaplayalım. V − V BE 12 − 0.7 11.03 I C = β DC CC = 100 ⋅ = 11.3mA = 100 ⋅ RB 100 KΩ 100 KΩ Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım. VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (11.3mA ⋅ 620Ω) = 5V Şimdi 500C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden; V − V BE 12 − 0.7 11.03 I C = β DC CC = 150 ⋅ = 17 mA = 150 ⋅ RB 100 KΩ 100 KΩ Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım. VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (17mA ⋅ 620Ω) = 1.46V Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. 139 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (17mA ⋅ 620Ω) = 1.46V Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. %∆I C = I C ( 750 ) − I C ( 250 ) I C ( 250 ) ⋅ %100 = 17 mA − 11.3mA ⋅ %100 ≅ %50 ( Artma) 11.3mA Neticede sıcaklık artışıyla oluşan βDC değerindeki değişim IC akımında %50 oranında bir artışa neden olmaktadır. Aynı şekilde transistörün çalışma noktasında oluşan değişim oranını hesaplayalım. %∆VCE = VCE ( 750 ) − VCE ( 250 ) VCE ( 250 ) ⋅ %100 = 1.46V − 5V ⋅ %100 ≅ −%70 ( Azalma) 5V görüldüğü gibi ısı değişimi transistörün çalışma bölgesini de kaydırmaktadır. Yorum: Isıl veya çeşitli etkenlerden dolayı βDC değerinin değişmesi transistörün çalışma noktasını aşırı ölçüde etkilemektedir. Bu durum lineer çalışmayı etkiler ve kararlı bir çalışma oluşturulmasını engeller. Transistörün çalışma bölgesinin kayması istenmeyen bir durumdur. Transistörün çalışma bölgesinin kararlı olması ve kaymaması için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Örneğin emiter dirençli beyz polarması βDC değişimlerinden aşırı etkilenmez. Emiter dirençli beyz polarması Transistörlü polarma devrelerinde kararlı çalışmayı sağlamak amacıyla beyz polarmasının geliştirilmiş halidir. Beyz polarmasından daha avantajlıdır. Bu polarma tipinde de tek bir dc besleme kaynağı kullanılır. Tipik bir emiter dirençli beyz polarma devresi şekil-5.11’de verilmiştir. Devre beyz polarma devresinden daha kararlı bir çalışma sağlamak için geliştirilmiştir. Devrenin emiterinde kullanılan RE direnci transistörün daha kararlı çalışmasını sağlar. +VCC RB +VCC RC VRB =IB R B RB RC IC IB VRC=IC RC VCE + VBE _ VB =VB E +VRE RE RE IE V RE =IE RE Şekil-5.11 Emiter dirençli Beyz polarması ve polarma akım ve gerilimleri 140 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Devreyi analiz etmek için beyz-emiter ve kollektör-emiter çevrelerini ayrı ayrı ele alalım. nin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9’da gösterildiği gibi VCC-beyz-emiter çevresinden; VCC = I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E denklemi elde edilir. IE akımını IB cinsinden ifade edelim. I E = I C + I B ⇒ I E = ( β ⋅ I B ) + I B ⇒ I E = I B ( β + 1) VCC = I B ⋅ R B + V BE + ( β + 1) I B ⋅ R E Bu denklem beyz akımı (IB) çekilirse; IB = VCC − V BE R B + ( β + 1) ⋅ R E değeri elde edilir. Artık beyz akımı kullanılarak kolektör ve emiter akımları belirlenebilir. Transiströrün kolektör-emiter gerilimini (VCE) bulmak için kolektör-emiter çevresinden yararlanalım. VCC = I C ⋅ RC + VCE + I E ⋅ R E Buradan VCE gerilimini çekelim. VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E olarak bulunur. Örnek: 5.4 β DC=100 VB E=0.7V Çözüm a. a) Şekilde verilen devrede oda sıcaklığında çalıştırılmaktadır (250C) transistörün polarma akım ve gerilim değerlerini bulunuz? RC 1KΩ RB 470KΩ b) Aynı devrede transistörün βDC değeri 750C ısı altında 150 olsaydı polarma akım ve gerilimlerindeki değişimi hesaplayarak yorumlayınız. RE 470Ω 250C oda sıcaklığında, βDC=100 için gerekli analizleri yapalım. Beyzemiter çevresinden beyz akımı (IB); IB = VCC − V BE 12V − 0.7V 11.3 = = 0.021mA = 21µA = R B + ( β + 1) ⋅ R E 470 KΩ + (101) ⋅ 470Ω 517470 elde edilir. Buradan kolektör ve emiter akımları buluruz. 141 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I C = β ⋅ I B = 100 ⋅ 0.021mA = 2.1mA I E = ( β + 1) ⋅ I B veya I E = I C + I B = 2.1mA + 0.021mA = 2.12mA değerleri elde edilir. Buradan transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE; VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E ⇒ VCE = 12 − (2.1mA ⋅ 1KΩ) − (2.12mA ⋅ 470Ω) VCE = 8.9V b. 750C oda sıcaklığında, βDC=150 için gerekli analizleri yapalım. Beyz-emiter çevresinden beyz akımı (IB); IB = VCC − V BE 12V − 0.7V 11.3 = = 0.020mA = 20 µA = R B + ( β + 1) ⋅ R E 470 KΩ + (151) ⋅ 470Ω 517470 I C = β ⋅ I B = 150 ⋅ 0.020mA = 3mA I E = ( β + 1) ⋅ I B veya I E = I C + I B = 3mA + 0.020mA = 3.02mA VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E ⇒ VCE = 12 − (3mA ⋅ 1KΩ) − (3.02mA ⋅ 470Ω) VCE = 7.5V Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. %∆I C = I C ( 750 ) − I C ( 250 ) %∆VCE = I C ( 250 ) ⋅ %100 = VCE ( 750 ) − VCE ( 250 ) VCE ( 250 ) 3.02mA − 2.12mA ⋅ %100 ≅ %42 ( Artma) 2.12mA ⋅ %100 = 7.5V − 8.9V ⋅ %100 ≅ −%15 ( Azalma ) 8.9V Yorum: Örnek 5.3’de verilen polarma devresi βDC değişiminden çok fazla etkilenmekte ve çalışma noktası %70 oranında kaymakta idi. Yukarıda verilen emiter dirençli polarma devresinde ise βDC değişiminden etkilenme oranı (%15) çok azdır. Dolayısıyla emiter dirençli beyz polarma devresinin kararlılığı daha iyidir. 142 ANALOG ELEKTRONİK- I 5.3 Kaplan EMİTER POLARMASI Emiter polarması transistörün kararlı çalıştırılması için geliştirilmiş bir diğer polarma metodudur. Bu polarma tipinde pozitif ve negatif olmak üzere iki ayrı besleme gerilimi kullanılır. Bu nedenle bu polarma tipi kimi kaynaklarda simetrik polarma olarak adlandırılmaktadır. Tipik bir emiter polarma devresi şekil-5.12.a’da verilmiştir. Görüldüğü gibi devrede iki ayrı gerilim kaynağı kullanılmıştır. VCC ve VEE olarak adlandırılan bu kaynaklar transistörün polarma akım ve gerilimlerini sağlarlar. Bu devrede beyz gerilimi yaklaşık 0V’dur. Aynı devrenin basitleştirilmiş çizimi ise şekil-5.12.b’de verilmiştir. +VCC IC + +VCC RC RC RB RB + IB VBE IE + VB RE RE VE VC VEE -VE E a) Emiter polarmalandırma devresi b) Emiter polarmalandırılmasının basitleştirilmiş çizim Şekil-5.12.a ve b Emiter polarmalı transistor devresi ve basitleştirilmiş çizimi Devrede beyz gerilimi şase potansiyelindedir ve yaklaşık 0V civarındadır. Transistörün emiterini –VEE kaynağı beyze göre daha düşük potansiyelde tutarak, beyz-emiter jonksiyonunu iletim yönünde etkiler. Devrede analizini çevre denklemlerini kullanarak yapalım. Devrenin analizinde iki farklı yöntem (yaklaşım) kullanabiliriz. Birinci yaklaşım beyz gerilimini, dolayısıyla da beyz akımını sıfır kabul ederek ihmal etmektir. İkinci yaklaşım ise beyz akımını da hesaba katmaktır. 143 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I. Yaklaşım: Beyz akımını yaklaşık sıfır kabul edelim. VB=0V VE=-VEE IE = VE − VEE RE IC=IE VC = VCC − I C ⋅ RC VCE = VC − VE II. Yaklaşım: Beyz akımının varlığını kabul edip devrenin analizini yapalım. −VEE = I B ⋅ R B + VBE + I E ⋅ RC Yukarıdaki denklemde beyz akımı yerine; I B = IE eşitliğini yazarsak; β+1 I − VEE = E ⋅ R B + VBE + I E ⋅ R E β + 1 bu denklemde gerekli IE akımını çekersek; IE = Devrede eğer , R E = −VEE − VBE R RE + B β+1 RB ise yukarıdaki eşitlik yeniden düzenlenebilir. Bu durumda; β+1 IE = −VEE − VBE RE devrede VEE>>VBE olması durumunda bir basitleştirme daha yapabiliriz. Bu durumda eşitlik; IE = −VEE RE olarak yazılabilir. Bu eşitlik bize emiterli polarma devresinin βDC ve VBE değerlerinden ve değişimlerinden bağımsız olduğunu gösterir. Bu durum, transistörün Q çalışma noktasının kararlı olduğu anlamına gelir. Görüldüğü gibi emiterli polarma devresi oldukça kararlıdır. Emiterli polarma devresinde transistörün kollektör-emiter gerilimini doyum anında yaklaşık sıfır VCE=0 kabul edersek kollektör akımını; I C ( DOYUM ) = 144 VCC − VEE RC + R E ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan belirleriz. Transistörün kesim anında ise kollektör akımını yaklaşık sıfır kabul ederek kollektör-emiter arasındaki toplam gerilim bulunur. Bu değer; VCE = VCC − VEE Örnek: 5.5 +VCC =12V Yandaki emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerlerini bulunuz. Hesaplamalarda beyz akımını ihmal ediniz. RC 1KΩ RB 47KΩ VB RE VE 5.6KΩ VC -VE E -12V Çözüm Devrede VB gerilimini yaklaşık olarak sıfır kabul edersek; VE = −VBE = 0.7V IE = VEE − VEE −0.7V − ( −12V ) = RE 5.6KΩ IE = 11.3V = 2.01mA 5.6KΩ I C ≅ I E = 2.01mA VC = VCC − I C ⋅ RC = 12 − ( 2.01mA ⋅ 1KΩ) = 10V VCE = VC − ( −VE ) = 10V − ( −0.7V ) = 11.7V Emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerleri elde edilmiştir. DC yük hattı değerlerini bulalım. Doyum anında VCE=0V kabul edersek; I C ( DOYUM ) = VCC − VEE 12V − ( −12V ) 24V = = = 3.36mA RC + R E 1KΩ + 5.6KΩ 6.6KΩ bulunur. Transistör kesimdeyken ise IC=0 kabul edersek; VCE = VCC − VEE = 12V − ( −12V ) = 24V 145 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan değerlerini elde ederiz. Bulunan bu değerler kullanılarak karakteristikte yük doğrusu aşağıdaki gibi çizilir. I C (mA) 3.36 Q 2.01 0 Örnek: 5.6 8.26 24 VCE (V) +VCC =15V Yanda verilen devrede VBE geriliminin 0.7V’dan 0.6V’a düşmesi ve βDC değerinin 100’den 150’ye çıkması durumunda çalışma noktasında meydana gelecek değişimleri analiz ediniz. RC 2.2KΩ RB 15KΩ VB RE V 8.2KΩ E VC -VE E -15V Çözüm βDC=100 ve VBE=0.7 olması durumunda gerekli analizleri yapalım. IE = −( −15V ) − 0.7V −VEE − VBE 14.3V = = = 1.71mA RB 15KΩ 8 .34KΩ 8.2 KΩ + RE + 100 + 1 β+1 I C ≅ I E = 1.71mA VC = VCC − I C ⋅ RC = 15 − (1.71mA ⋅ 2.2KΩ) = 11.23V VE = VEE + I E ⋅ R E = −15V + (1.71mA ⋅ 8.2KΩ) = −0.98V VCE = VC − VE = 11.23V − ( −0.98V ) = 10.25V 146 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan βDC=150 ve VBE=0.6 olması durumunda gerekli analizleri yapalım. IE = −( −15V ) − 0.6V −VEE − VBE 14.4V = = = 1.72 mA R 15KΩ 8.34KΩ 8.2 KΩ + RE + B 100 + 1 β+1 I C ≅ I E = 1.72 mA VC = VCC − I C ⋅ RC = 15 − (1.72 mA ⋅ 2.2 KΩ) = 11.21V VE = VEE + I E ⋅ R E = −15V + (1.72mA ⋅ 8.2KΩ) = −0.896V VCE = VC − VE = 11.21V − ( −0.896V ) = 10.31V Bulunan bu değerleri kullanarak; kolektör akımı (IC) ve kollektör-emiter gerilimi (VCE) değişim yüzdelerini bulalım. %∆ I C = %∆VCE = I C ( β = 150 0 ) − I C ( β = 100 ) I C ( β = 100 ) ⋅ %100 = VCE ( β =150 ) − VCE β = 100 ) VCE ( β = 100 ) 1.72 mA − 1.71mA ⋅ %100 ≅ %0.5 ( Artma) 1.71mA ⋅ %100 = 10.31V − 10.25V ⋅ %100 ≅ %0.50 ( Artma) 10.25 Yorum: Sonuçlardan da görüldüğü gibi ısıl ve çeşitli nedenlerden dolayı βDC ve VBE değerlerindeki değişim transistörün çalışma noktası değerlerini çok az miktarda etkilemektedir. Bu nedenle emiterli polarma devresinin kararlı yüksektir ve βDC’den bağımsızdır diyebiliriz. 5.4 GERİLİM BÖLÜCÜLÜ POLARMA Gerilim bölücülü polarma devresi, Lineer çalışmada sıkça tercih edilen en popüler polarma metodudur. Gerilim bölme işlemi dirençlerle gerçekleştirilir. Bu polarma tipi transistörün son derece kararlı çalışmasını sağlar ve βDC’den bağımsızdır. Bu tip polarma devresinde tek bir besleme geriliminin kullanılması ise diğer bir avantajdır. Özellikle lineer yükselteç devrelerinin tasarımlarında gerilim bölücülü polarma devreleri kullanılır. 147 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Önceki bölümlerde incelediğimiz polarma devrelerinde çalışma noktası βDC yükseltme faktörüne aşırı derecede bağımlı idi. Β’ya bağımlılık yükselteç devrelerinde bir takım sorunlar yaratır. Örneğin aynı firma tarafından üretilen aynı tip transistörlerin β değerleri farklılıklar içerir. Ayrıca β ısı değişiminden de etkilenmektedir. Bu durum transistörün kararlı çalışmasını engelleyerek çalışma noktasının istenmeyen bölgelere kaymasına neden olur. Çalışma noktasının önemi önceki konularda açıklanmıştı. Transistörlerde kararlı bir çalışma için gerilim bölücülü polarma devreleri geliştirilmiştir. Tipik bir gerilim bölücülü polarma devresi şekil-5.13.a’da verilmiştir. Görüldüğü gibi devre tek bir gerilim kaynağından (VCC) beslenmiştir. Devrede transistörün beyz akımı R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanmaktadır. Devrenin kararlılığı çok yüksektir. Transistörün çalışma bölgesi değerleri βDC’nin değişiminden etkilenmez. Bu nedenle bu tür polarma tipine “β’dan bağımsız polarma” adı da verilmektedir. Şekil-5.13.b’de ise polarma devresinin analizini kolaylaştırmak amacı ile polarma akım ve gerilimleri devre üzerinde gösterilmiştir. +VCC R1 RC IC R1 V R1 =I1 .R1 RC V RC=IC.RC I1 IB V CC R2 V R2 =I2.R2 RE R2 I2 V CE=V CC-V RC-V RE VB IE RE V RE=IE.RE Şekil-5.13.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve polarma akımı-gerilimi ilişkileri Devrenin çözümü için çeşitli yöntemler uygulanabilir. İki temel yöntem vardır. Birinci yöntem devrede beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük ise uygulanır. Bu yöntemde I1 akımının tamamının I2 olarak yoluna devam ettiği varsayılarak çözüm üretilir. İkinci yöntemde ise devre analizi beyz akımı dikkate alınarak yapılır. Çözüm tekniğinde theve’nin teoreminden yararlanılır. Yöntem 1: Bu yöntemde beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük kabul edilir. R1 direncinden akan akımın R2 direncinden de aktığı kabul edilir. Çünkü transistörün giriş direnci Rin R2 direncinden çok büyük olduğu kabul edilir (Rin>>R2). Yapılan kabuller neticesinde polarma devresinin eşdeğeri şekil-5.14.b’de verilen hale gelir. Eşdeğer devrede; R1 ve R2 dirençlerinin birleştiği noktada elde edilen gerilim, transistörün beyz polarma gerilimi olacaktır. 148 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan +VCC R1 +VCC I1 RC IB Rin >>R2 I1 =I 2>>I B R2 R1 İSE I2 R2 Rin RE Şekil-5.14.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve eşdeğer gösterimi Transistörün beyz’inde elde edilen VB geriliminin değeri; VB = R2 ⋅ VCC R1 + R2 olarak bulunur. Beyz gerilimi; beyz noktası ile şase arasındaki gerilim olduğundan yazılacak çevre denkleminden; V B = V BE + I E ⋅ R E Buradan IE akımını çekersek; IE = V B − V BE RE devrede IB çok küçük olduğundan IE=IC kabul edebiliriz. Dolayısıyla; VC = VCC + I C ⋅ RC transistörün çalışma noktası ise; VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E olarak elde edilir. Dikkat ederseniz yaptığımız analizlerde transistörün βDC değerini hiç kullanmadık. Beyz akımı R1, R2 dirençlerine bağımlı kılınmıştır. Emiter gerilimi ise yaklaşık olarak beyz gerilimine bağımlıdır. Emiter direnci RE, emiter ve kolektör akımını kontrol etmektedir. Son olarak RC direnci kolektör gerilimini dolayısıyla kolektör-emiter gerilimi VCE’yi kontrol etmektedir. 149 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.7 Kaplan +VCC =20V Yandaki devrede polarma akım ve gerilimi değerlerini bulunuz. βDC=100 VBE=0.7V RC 5K6 R1 100KΩ R2 10KΩ RE 1KΩ Çözüm VB = R2 10KΩ ⋅ VCC = ⋅ 20V = 1.82V 100KΩ + 10KΩ R1 + R2 V − VBE 1.82 − 0.7 = = 1.12 mA IE = B RE 1KΩ I E ≅ IC VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.12 mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.12mA ⋅ 1KΩ) VCE = 20 − 6.27V − 1.11V = 20 − 7.38 = 12.6V Yöntem 2: Gerilim bölücülü polarma devresinde bir diğer yöntem ise Theve’nin teoremini kullanmaktır. Bu yöntem tam çözüm sunar. Hiçbir kabul içermez. Devrenin girişinde (beyz) theve’nin teoremi uygularsak polarma devresi şekil-5.15.b’de verilen basit forma dönüşür. R1 +VCC +VCC RC RC R TH A R2 IB VTH RE a) Gerilim bölücülü polarma devresi RE b) Theve’nin eşdeğer devresi Şekil-5.15 Gerilim bölücülü polarma devresi ve Theve’nin eşdeğeri 150 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Theve’nin eşdeğer gerilimi olan VTH değerini bulmak için devre girişini A noktasından ayıralım (Transistörü bağımlı akım kaynağı gibi düşünebiliriz). Bu durumda devremiz şekil-5.16.a’da verilen forma dönüşür. VTH gerilimi ise A noktasında elde edilecek gerilim değeridir. VCC ⋅ R2 VTH = R1 + R2 Theve’nin eşdeğer direnç değeri RTH’ı ise; VCC gerilim kaynağı kısa devre edilerek bulunur. Bu değer A noktasından görülen direnç değeridir ve R1 ve R2 dirençleri paralel duruma geçmiştir. Bu durum şekil-5.16.b’de gösterilmiştir. RTH = R 1 // R 2 = R1 ⋅ R2 R1 + R2 +VCC R1 R1 VTH RTH R2 R2 a) Thevenin e şdeğer gerilimi b) Thevenin e şdeğer direnci Şekil-5.16 Thevenin eşdeğer gerilimi (VTH) ve Eşdeğer direncinin (RTH) bulunması Theve’nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulduktan sonra şekil-5.15.b’de verilen eşdeğer devreden çözüme devam edelim. IB akımını bulmak için devre girişi için çevre denklemini yazalım. VTH = I B ⋅ RTH + VBE + I E ⋅ R E Devrede IB ve IE olmak üzere iki bilinmeyen var. O halde IE akımını IB cinsinden ifade edelim. IE=IB(β+1)’dir. Denklemde yerine koyalım. VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1) ⋅ I B ⋅ R E Buradan gerekli olan IB akımını çekelim. IB = VTH − VBE RTH + ( β + 1) ⋅ R E olarak bulunur. Bulanan bu değerden IE, IC ve VCE değerleri sırayla elde edilir. 151 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.8 Kaplan Aşağıda verilen devrenin analizini yapınız. Çözüm için Theve’nin teoremini kullanınız. βDC=100, VBE=0.7V. Not: Aynı devre örnek 5.7’de farklı bir yöntem kullanılarak çözülmüştü. +VCC =20V +VCC=20V RC 5.6KΩ RC 5.6KΩ R1 100KΩ R TH IB R2 10KΩ Çözüm RE 1KΩ V TH VB E IE RE 1KΩ Çözüm için ilk adım thevenin eşdeğer devresini çizmektir. Eşdeğer devre yukarıda çizilmiştir. Önce theve’nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulalım. VTH = VCC 20 ⋅ R2 = ⋅ 10KΩ = 1.82V R1 + R2 100KΩ + 10KΩ RTH = R 1 // R 2 = R1 ⋅ R2 100KΩ ⋅ 10KΩ = = 9.09KΩ R 1 + R 2 100KΩ + 10KΩ Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım. VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1)I B ⋅ R E IB = Yorum VTH − VBE 1.82V − 0.7V 1.12V = = = 10 µA RTH + ( β + 1) ⋅ R E 9.09KΩ + (101) ⋅ 1KΩ 110KΩ I E = ( β + 1) ⋅ I B = 101 ⋅ 10 µA = 1.02 mA I C = I E − I B = 1.02 mA − 0.01mA = 1.01mA VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.01mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.02 mA ⋅ 1KΩ) VCE = 20V − ( 5.65V ) − (1.02V ) = 20V − 6.67V = 13.33V Elde edilen bu sonuç örnek:5.7’de bulunan değerler ile karşılaştırıldığında aralarında yaklaşık %3-%4 civarında fark olduğu görülür. Dolayısıyla yaklaşık çözüm ile tam çözüm arasında çok küçük bir fark vardır. Bu fark kimi zaman ihmal edilebilir. 152 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.9 Kaplan Örnek 5.8’de verilen polarma devresinde transistörün βDC değeri yüzde yüz artarak 200 olmuştur. Polarma akım ve gerilimlerini bulunuz? Not: Polarma devresi ve theve’nin eşdeğeri aşağıda yeniden verilmiştir. +VC C =20V +VC C=20V RC 5.6KΩ RC 5.6KΩ R1 100KΩ R TH IB R2 10KΩ VTH = Çözüm VTH = VB E V TH RE 1KΩ IE RE 1KΩ VCC ⋅ R2 R1 + R2 20 ⋅ 10 KΩ = 1.82V 100 KΩ + 10 KΩ RTH = R1 // R2 = RTH = R1 ⋅ R2 R1 + R2 100 KΩ ⋅ 10 KΩ = 9.09 KΩ 100 KΩ + 10 KΩ Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım. VTH = I B ⋅ RTH + V BE + I E ⋅ R E Denklemde IB ve IE olmak üzere iki adet bilinmeyen var. O halde IE akımını IB cinsinden yazalım. IE=IB (β+1) denklemde yerleştirilirse; VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1)I B ⋅ R E Analiz için gerekli olan IB akımını çekelim. IB = VTH − VBE 1.82V − 0.7V 1.12V = = = 5.3 µA RTH + ( β + 1) ⋅ R E 9.09KΩ + ( 201) ⋅ 1KΩ 210KΩ Polarma devresinde diğer akım ve gerilim değerlerini bulalım. I E = ( β + 1) ⋅ I B = 201 ⋅ 5.33 µA = 1.072 mA I C = I E − I B = 1.072 mA − 0.005mA = 1.067 mA Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE; VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.067 mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.07 mA ⋅ 1KΩ) VCE = 20V − ( 5.97V ) − (1.07V ) = 20V − 6.67V = 13V Yorum: Görüldüğü gibi βDC değerinin %100 oranında değişmesi devrenin çalışma bölgesini pek etkilememiştir. Devre çalışma değerlerinde kararlı kalmaktadır. Bu durum gerilim bölücülü polarma devresinin son derece kararlı çalıştığını göstermektedir. 153 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.10 Kaplan Aşağıda şekil-5.17.a’da verilen yükselteç devresinde transistörün aktif bölgenin ortasında çalışması isteniyor. Gerekli çalışma koşulunun sağlanması için R1 direncinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? +VCC =12V R1 RC 2.2KΩ +VCC =12V C2 C1 10µF R1 RC 2.2KΩ V0 10µF Vi R2 22KΩ RE 470Ω R2 22KΩ CE 47µF a) Yükselteç devresi RE 470Ω b) DC analiz için eşdeğeri Şekil-5.17. a ve b Yükselteç devresi ve dc analizi Çözüm Şekil-5.17.a’da komple bir yükselteç devresi verilmiştir. Yükselteç girişine uygulanan Vi işareti; yükselteç tarafından kuvvetlendirilecek ve yükselteç çıkışından Vo olarak alınacaktır. Yükseltecin lineer çalışabilmesi için dc polarma gerilimleri ve akımları iyi ayarlanmalıdır. Kısaca önce dc analiz gerekir. DC analiz için devrenin dc eşdeğeri çizilir. Eşdeğer devre için; devredeki ac kaynaklar kısa devre ve kondansatörler açık devre kabul edilir. Bu durumda devremiz şekil-5.17.b’de verilen hale dönüşür. Yükselteç devresi aktif bölgenin tam ortasında çalışması isteniyor. O halde transistörün kesim ve doyuma gitmeden ikisinin ortasında çalışması gerekir. Transistörün aktif bölgedeki çalışma gerilimi değerini bulmak için kesim ve doyum noktalarını belirleyip ikisinin tam ortasını almalıyız. O halde; Transistör kesim noktasında iken IC=0’dır. Bu durumda Q çalışma noktası gerilimi VCQ maksimum olacaktır ve değeri; VCQ (max) = VCC besleme gerilimine eşittir. Transistör doyum’da iken kollektör-emiter arası kısa devre olur ve minimumdur. IC akımı ise maksimumdur. Bu durumda transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCQ(min) ise; VCQ (min) = VCC ⋅ RE R E + RC değerine eşit olacaktır. Bizim amacımız kesim ve doyum noktalarına gitmeden ikisinin tam ortasında çalışmaktır. O halde aktif bölgenin ortasında çalışmak için; 154 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan VCQ = VCQ (max) + VCQ (min) 2 = VCC 2 RE 1 + R E + RC olmalıdır. Buradan transistörün aktif bölgenin ortasında çalışabilmesi için gerekli olan VCQ değerini bulalım. VCQ = VCC R E 12 470Ω = 7.05V 1 + = 1 + 2 R E + RC 2 470Ω + 2.2 KΩ Bu durumda R1 direncini VCQ gerilimini 7.05V yapacak şekilde seçmeliyiz. R1 direncini bulamak için R1 üzerinde oluşan akım ve gerilimi bulmalıyız. Önce IC akımını bulalım. I CQ = I BQ = VCC − VCQ RC I CQ = β = 12 − 7.05 = 2.25mA 2.2 KΩ 2.25mA = 0.01125mA = 11.25µA 200 Analiz kolaylığı için devreyi yeniden çizelim. +VCC =12V V R1 IR1 RC 2.2KΩ R1 ICQ V RC VCE Q IBQ VR2 R2 22KΩ IR2 VCQ RE 470Ω IE Q VRE Devreden VR2 geriliminin; VR2=VCC-VR1 veya VR2=VBE+VRE değerine eşit olacaktır. Buradan; V R 2 = V BE + I B ( β + 1) ⋅ R E = 0.7V + 11.25µA ⋅ (201) ⋅ 470Ω = 1.76V Buradan I2 akımını bulabiliriz. I2 = V R 2 1.76V = = 0.080mA = 80µA R2 22 KΩ VR1 değerini bulalım. Devreden VR1=VCC-VR2 olarak görülmektedir. V R1 = VCC − V R 2 = 12V − 1.76V = 10.24V 155 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan I1 akımını bulmak için devreden; I1=I2-IB olduğu görülür. I 1 = I 2 − I B = 80 µA − 11.25µA = 68.75µA Bulunan bu değerleri kullanarak R1’in olması gereken değerini bulabiliriz. R1 = V R1 10.24V = = 148.9 KΩ I1 68.75µA Olarak bulunur. Şu halde şekil-5.17’de verilen yükselteç devresinde transistörün aktif bölgenin ortasında çalışabilmesi için gerekli R1 direnci 149KΩ olarak bulunmuştur. 5.5 KOLLEKTÖR-GERİBESLEMELİ POLARMA Transistörlü yükselteç devrelerinin polarmalandırılmasında kullanılan bir diğer yöntem ise kollektör-geribeslemeli devredir. Bu devrenin kararlılığı oldukça yüksektir. Transistörün çalışma bölgesi değerleri βDC değişimlerinden pek fazla etkilenmez. Tipik bir kolektör-geribeslemeli polarma devresi şekil-5.18’de verilmiştir. Devrede negatif geribesleme yapılmıştır. Çünkü beyz ve kollektör gerilimleri arasında 1800 faz farkı vardır. Devre, yapılan geribesleme sayesinde kararlı bir yapıya kavuşmuştur. Çünkü transistörün β’sının neden olduğu etkiler ve değişimler geribesleme ile azaltılmıştır. Kısaca geribesleme sayesinde kararlı bir çalışma sağlanmıştır. +VCC +VCC I C+IB RC RB RC VRC RB IB IC V CE VB E VB E a) Kollektör-geribeslemeli polarma devresi IE b) Polarma akım ve gerilimlerinin gösterimi Şekil-5.18.a ve b Kollektör-geribeslemeli polarma devresi ve polarma değerleri 156 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan Sistemin kararlı çalışması için geribesleme ile yapılan iyileştirilme aşağıda anlatılmıştır. Isı ile β’nın artması transistörün kolektör akımında da bir artışa neden olur. Kolektör akımının artması RC direnci üzerinde oluşan gerilimi de artıracaktır. RC direnci üzerinde oluşan gerilimin (VRC) artması ise transistörün VCE geriliminin azalmasına neden olur. Kolektör gerilimi ise RB direnci üzerinden beyz’i beslemektedir. Bu durumda beyz akımıda azalacaktır. Beyz akımının azalması ise kolektör akımında β değişiminin neden olduğu artmayı engelleyecektir. Sıcaklık etkisiyle β’da dolayısıyla kollektör akımında oluşan artma veya azalma geribesleme ile dengelenmektedir. Bu durum, transistörün çalışma bölgesinin kararlı kalmasını sağlar. Devrenin matematiksel analizini yapalım. Şekil-5.18.b’de verilen devrede beyz-emiter çevresi için gerekli eşitlikler yazılırsa; VCC = I RC ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE olur. Burada IRC akımı, RC direnci üzerinden geçen akımdır ve IRC=IB+IC değerine eşittir. VCC = ( I B + I C ) ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE IB+IC değeri ise IE akımına eşittir. VCC = I E ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE IE akımını IB cinsinden yazarak IE=(β+1)IB yukarıdaki denklemi sadeleştirelim VCC = ( β + 1) ⋅ I B ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE elde edilen bu denklemden IB akımını çekelim. IB = VCC − V BE R B + ( β + 1) ⋅ RC denklemi elde edilir. Devrede çalışma noktası değerlerini bulmak için kollektör-emiter çevresi için gerilimler yazılırsa; VCC = I RC ⋅ RC + VCE IRC=IE’dir. Denklem yeniden düzenlenirse; VCE = VCC − I E ⋅ RC eşitliği elde edilir. Kollektör-geribesleme devresinin çok daha geliştirilmiş bir uygulaması şekil-5.19’da verilmiştir. Kararlılık faktörünü artırmak amacı ile devrede ilave olarak RE direnci kullanılmıştır. Devrenin analizi ise aşağıda ayrıntıları ile verilmiştir. 157 ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan +VCC +VCC I C+IB RC RB RC V RC RB IC IB VCE VB E VBE VB=VB E+IE R E RE IE RE VRE Şekil-5.19.a ve b Kollektör-geribeslemeli emiter dirençli polarma devresi VCC = I RC ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E denklemi elde edilir. Elde edilen denklemde IRC akımı yerine, IRC=IB+IC=(β+1)IB eşitliğini kullanırsak; VCC = ( β + 1) I B ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E denklemi elde edilir. Elde edilen denklemden IB akımını çekelim. IB = VCC − V BE R B + ( β + 1) ⋅ ( RC + R E ) Transistörün çalışma noktasındaki değerleri bulmak için polarma devresinden; VCC = I RC ⋅ RC + VCE + I E ⋅ R E Formüldeki IRC yerine IE kullanırsak IRC=IE; VCE = VCC − I E ( RC + R E ) denklemi elde edilir. 158 ANALOG ELEKTRONİK- I Örnek: 5.11 Kaplan VCC =+12V Yanda verilen kollektör-geribeslemeli polarma devresinde gerekli polarma akım ve gerilimlerini hesaplayınız? RC 2.2KΩ RB βDC=150 VBE=0.7V 100KΩ VBE Çözüm Devrede önce beyz akımını bulalım. IB = VCC − V BE 12V − 0.7V 11.3V = = = 0.026mA = 26 µA R B + ( β + 1) ⋅ RC 100 KΩ + (151) ⋅ 2.2 KΩ 432.2 KΩ I C = β ⋅ I B = 150 ⋅ 26µA = 3900 µA = 3.90mA I E = ( β + 1) ⋅ I B = 151 ⋅ 26 µA = 3926µA = 3.92mA Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise; VCE = VCC − I E ⋅ RC = 12V − (3.92mA ⋅ 2.2 KΩ) = 3.376V olarak bulunur. Devrenin kararlılık faktörünü incelemek amacıyla aynı devrede sıcaklık etkisiyle βDC değerinin 150’den 250’ye çıktığını kabul edelim. Devrenin çalışma noktasına etkisini görelim. IB = VCC − V BE 12V − 0.7V 11.3V = = = 0.017 mA = 17 µA R B + ( β + 1) ⋅ RC 100 KΩ + (251) ⋅ 2.2 KΩ 652.2 KΩ I C = β ⋅ I B = 250 ⋅ 17 µA = 4250µA = 4.25mA I E = ( β + 1) ⋅ I B = 251 ⋅ 17 µA = 4267 µA = 4.26mA Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise; VCE = VCC − I E ⋅ RC = 12V − (4.2mA ⋅ 2.2 KΩ) = 2.76V Yorum Transistörün βDC değerinde yaklaşık %100’lük bir artışa rağmen çalışma bölgesi akım ve gerilimlerindeki değişim yaklaşık %10 civarındadır. Bu durum bize devrenin kararlılık faktörünün iyi olduğunu gösterir. 159
