4. Deney Föyü ()

EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------TRANZİSTÖRLERİN ÇALIŞMASI VE KARAKTERİSTİKLERİ
Bu bölümde iki kutuplu (bipolar) tranzistörlerin çalışma esasları incelenecektir.
Temel kavramlar
PNP ve NPN olmak üzere iki çeşit BJT tranzistör vardır. Bunlar, iki adet diyotun
birleştirilmesine benzerler. Orta katman baz (base) olmak üzere diğer iki ucunda emetör
(emitter) ve kolektör (collector) olarak adlandırılan katmanlar vardır. Bu katmanlar bir
iletken uç ile dışarı çıkarılır ve paketlenir. Şekil 1'de bu tranzistörlerin sembolik gösterimleri
gösterilmiştir. Şekil 2‟de ise terminal bacaklarının isimlendirilmesine örnek bir tranzistörün
(BC547) dış görünüşü ile birlikte terminal uçlarının dizilimi verilmiştir.
Şekil 1: NPN ve PNP tranzistörlerde P, N katmanları ve terminaller
Şekil 2: Örnek bir tranzistörün (BC547), fiziksel görünümü ve uçlarının gösterimi
(Not: VBE gerilimi, “Baz” ve “Emetör” arası gerilimi ifade eder. Baz terminali „+‟ kutbu ifade
eder. VB ise, baz gerilimini ifade eder.)
Kazanç 𝛂𝐃𝐂
Doğru polarizasyon altında, kolektördeki akım emetördeki akıma hemen hemen eşittir.
Emetör ve kolektör arasındaki ilişkiyi gösteren
tanımlanır:
αDC =
αDC
kazanç değeri aşağıdaki gibi
IC
IE
Bu değer birçok durumda yaklaşık olarak 1‟e eşittir.
1
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ortak emetör devresi ve kutuplanması şekil 3‟de gösterilmiştir.
Şekil 3: Örnek bir ortak emetör devresi
Kazanç 𝛃𝐃𝐂
Bu kazanç şu şekilde ifade edilir:
βDC =
IC
IB
Bunun değer bazen 1000 değerine kadar yükselse bile, genellikle 50 ile 300 arasındadır.
H-parametreleri modelinde hfe olarak ifade edilir.
𝛂𝐃𝐂
ile 𝛃𝐃𝐂 arasındaki ilişki
Kirchhoff kanunları ve basit birkaç işlem yardımı ile parametreler arasındaki ilişki
belirlenebilir. Bu işlem adımları aşağıda belirtilmiştir.
𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶
𝐼𝐸 𝐼𝐵 𝐼𝐶
= +
𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝐼𝐶
1
1
=
+1
𝛼𝐷𝐶 𝛽𝐷𝐶
𝛽𝐷𝐶 =
𝛼𝐷𝐶
1 − 𝛼𝐷𝐶
2
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tranzistörlerin Karakteristikleri
Bir tranzistörün çalışmasını anlamanın bir yolu da, tranzistörün akım - gerilim grafiklerini
incelemektir. Baz terminalinin hesaba katılmasından dolayı, tranzistörlerin I-V grafikleri
diyotlara göre daha karmaşık olur.
Kolektör (Collector) Eğrileri
Şekil 4(a)'daki gibi bir ortak emetörlü tranzistör devresinden kolektör eğrilerine ilişkin
bilgiler elde edilebilir. Örneğin Şekil 4(b)'de görüldüğü üzere, IB=10μA değerine
ayarlanarak, VCC değeri değiştirilir. Buna karşın IC ve VCE değerleri ölçülür. Ölçümlerin
grafiğe aktarılması durumunda, Şekil 4(b)'deki grafik elde edilir. Bu grafikte tranzistörün
nasıl çalıştığı görülmektedir. VCE sıfıra çok yakın bir değer ile 1V arasında iken, kolektör
akımı büyük eğimli bir artış göstererek artar ve sonra hemen hemen sabit kalır. Bunu
kolektör olan diyotun ters polarizasyon durumu olarak düşünebiliriz. Ters kutuplanmış bir
diyotun delinme gerilimi yaklaşık 0.7V dir. Bu değere ulaşıldığında, tüm elektronların akışı
kolektör üzerinden olur.
Eğrinin eğimi çok küçük olduğundan, VCE gerilimindeki artışa rağmen kolektör akımı,
dikkate değer bir artış göstermez. Bakınız Şekil 4(b).
Delinme
noktası
Şekil 4: Kolektör eğrileri
Tranzistörün βDC = 100 olması durumunda, kolektör akımı baz akımının 100 katı olur.
VCE gerilim değeri çok fazla artırılır ise kolektör diyotu delinir ve tranzistör beklenen işlevini
yerine getiremez. Bir tranzistördeki maksimum gerilim değişimi, kolektör - emetör
terminallerinin gerilim değişimi kadardır. Şekil 4(c)'de görüldüğü üzere; VCE gerilimi, 1 V ile
delinme gerilimi arasında değişebilir. Bu aktif çalışma aralığında tutulduğu sürece
tranzistör kontrollü akım kaynağı olarak görev yapar. Bu aralık dışında tutulduğunda
tranzistör görev yapamaz.
IB=20μA durumunda IC-VCE grafiği Şekil 4(c)'deki gibi elde edilir. Bu eğri, Şekil 4(b) ile
benzerdir. Bir farkla ki, dirsek noktası üzerinde kolektör akımı IC=2 mA dir.
3
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------IB akımının farklı değerleri için söz konusu eğrilerin çizilmesi durumunda, Şekil 5'de
gösterildiği şekilde elde edilir. βDC = 100 olan bir tranzistör kullandığımızı söylediğimize
göre, normal gerilim bölgesi içindeki her nokta için kolektör akımı baz akımı değerinin 100
katı olur. DC gerilim ve akım değerleri ile çizildiğinden bunlara çoğu zaman statik kolektör
eğrileri denir.
Şekil 5: Farklı IB değerleri için karakteristik eğrilerin gösterimi
Baz akımının sıfır olduğu eğri dikkate alınır ise, kolektör diyotundan gelen sızıntı akımı
nedeniyle kolektörde ufak bir akım gözlemlenir. Silikon tranzistörlerde bu sızıntı akımı çok
küçük olduğundan, pratikte dikkate alınmaz.
Bu grafiklerden akımların büyük olması durumunda delinme geriliminin küçüldüğünü de
dikkate almamız gerektiği anlaşılmaktadır. Uygulamalarda tranzistörün her şart altında
delinmeden çalışmasını sağlamak önemli bir noktadır.
Baz (Base) Eğrileri
Şekil 6(a)‟da baz-emetör gerilimine karşı baz akımı grafiği görülmektedir. Tranzistörde
baz-emetör bölümü bir diyot olduğundan elde edeceğimiz grafiğin bir diyot eğrisine
benzeyeceğini tahmin etmek güç olmayacaktır. Gözlemler de bu durumu
desteklemektedir. Tranzistör içinde diyottan başka değişkenlerin de bulunduğunu
unutulmamalıdır. Yüksek kolektör gerilimi bunun daha fazla elektron almasına neden olur
ki, bu baz akımının azalmasına neden olur. Bu durum Şekil 6(b)'de görülmektedir. Verilen
bir VBE için yüksek değerlikli bir VCE geriliminde baz akımının çok az miktarda azaldığı
görülebilmektedir.
Şekil 6: Baz eğrileri
4
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Akım Kazanç Eğrileri
Tranzistörün akım kazancı olarak da tanımlanan βDC değeri büyük değişim gösterebilir. βDC
değerinin tipik değişimi şekil 7'de gösterilmiştir. Sabit bir sıcaklıkta, kolektör akımının artışı
ile βDC maksimum değere ulaşır. IC akımı daha fazla artırılır ise βDC azalmaya başlar.
Tranzistörün türüne bağlı olarak βDC deki değişim, olağan tranzistör akım değişimi içinde
3:1 oranına kadar olabilir.
Şekil 7‟de görüldüğü üzere, çevre sıcaklığındaki değişimin βDC üzerinde etkisi
vardır. Verilen bir kolektör akımı için sıcaklığın artması, βDC değerini artırır. Geniş bir
sıcaklık aralığında, tranzistörün türüne bağlı olarak βDC deki değişim, yaklaşık 3:1 oranı
kadar olabilir.
Dolayısıyla, hem sıcaklık hem de kolektör akımının önemli ölçüde değişimi
durumunda, βDC deki değişim 9:1 oranında olabilir.
Şekil 7: Akım kazanç eğrisi
Kesme ve Delinme
Şekil 5'de IB=0 olarak gösterilen eğri, şekil 8'de yinelenmiştir. IB=0 olması, baz terminalinin
açık devre olması ile aynı anlamdadır. Baz devresinin açık olması halinde, kolektörden
geçen akım ICEO ile gösterilir. Burada “CEO” harfleri, "baz devresi açık, kolektörden
emetöre" anlamında kullanılır.
Şekil 8: IB=0 durumunun incelenmesi
Yeteri kadar büyük bir kolektör gerilimi ile BVCEO ile gösterilen delinme gerilimine
ulaşılabilir (Şekil 8). Tranzistörün normal çalışabilmesi için VCE geriliminin BVCEO
geriliminden küçük olması gerekir. Tranzistörlerin maksimum spesifikasyonlarını belirten
teknik bilgilerin kapsamında BVCEO bilgisi yer alır. Tranzistörlerin türüne bağlı olarak,
delinme gerilimi 20 volttan küçük veya 200 volttan büyük olabilir.
5
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Genel bir kural olarak, yüksek emniyet payı bırakmak amacıyla, tranzistör tasarımında VCE
geriliminin değeri, BVCEO değerinin oldukça altında tutulur. Devre tasarımında maksimum
nominal çalışma sınır değerlerinde çalışmaya zorlanan bir tranzistörün kullanılma ömrü
kısalır.
Kolektör Doyma Gerilimi
Şekil 9, kolektör eğrilerinden birini göstermekle beraber, aşağıdaki açıklamalar herhangi
bir kolektör eğrisi için de geçerlidir. Eğrinin ilk bölümü doyma bölgesi olup, orijin ile dirsek
arasında bütün eğrileri kapsar. Yatay düz bölüm, tranzistörün kontrollü akım kaynağı
olarak görev yaptığı aktif çalışma bölgesidir. Son bölüm, delinme veya bozulma bölgesidir.
Bu bölgeden her zaman kaçınılması gerekir.
Doyma bölgesinde kolektör diyotu doğru polarizasyondadır ve tranzistör normal
fonksiyonunu kaybeder, akım kaynağı yerine küçük bir direnç gibi görev yapar. Baz
akımında ek bir artış kolektör akımında ek bir atış sağlamaya yetmez. Doyma bölgesinde
kolektör-emetör gerilimi mevcut kolektör akımının değerine bağlı olarak, genellikle bir
voltun birkaç onda biridir.
Şekil 9: Doyma, aktif ve delinme bölgeleri ile kolektör eğrisi
Tranzistörün aktif bölgede çalışması için kolektör diyotunun ters polarizasyonda olması
gerekir. Bunun için yaklaşık 1 volttan biraz fazla bir gerilim yeterlidir.
BJT Tranzistörlerin Karakteristik Değerleri
Küçük işaret tranzistörleri ½ W değerinden daha az enerji harcarlar.
VCEO : baz devresi açık kolektör-emetör gerilimi
VCBO : emetör devresi açık baz-kolektör gerilimi
VEBO : kolektör devresi açık baz-emetör gerilimi
IC : kolektörün maksimum DC nominal (anma) akımıdır.
PD: Tranzistörün maksimum nominal gücüdür.
Tranzistörün harcadığı güç aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:
PD = VCE ∙ IC
6
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Bir tranzistörün uzun ömürlü olması; tasarımının iyi olması yanı sıra, delinme gerilimi ile
nominal çalışma gerilim arasında gerekli emniyet katsayısının sağlanmasına bağlıdır. Bu
katsayı çoğu zaman 2 veya üzerindedir. Örneğin maksimum nominal gücü 300mW olan bir
tranzistörde, bu katsayı 2 ise enerji harcaması 150mW altında olmalıdır.
DC Yük Doğruları
Kolektör eğrileri üzerine bir yük doğrusu çizerek, bir tranzistörün çalışma alanı ile çalışma
özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinilebilir. Şekil 10(a)‟da, VCC besleme gerilimi RC
direnci üzerinden kolektörü ters yönde polarize eder. Bu direnç üzerindeki gerilim VCC−VEC
değerine eşit olur. Buna göre RC den geçen akım:
𝐼𝐶 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸
𝑅𝐶
olur. Bu denklem, yük doğrusunun denklemidir.
Örnek:
Besleme geriliminin 10V, RC = 5 kΩ olduğunu varsayalım. Yük doğrusunun denklemi
aşağıdaki şekilde yazılabilir.
𝐼𝐶 =
10 − 𝑉𝐶𝐸
5000
VCE = 0 ise yük doğrusunun üst sınırı IC =0.002V = 2 mV,
IC = 0 ise yük doğrusunun alt sınırı VCE = 10 V olarak bulunur.
Yük doğrusunun üst sınırını bulmanın diğer bir yolu ise, Şekil 10(a)'daki tranzistörün
kolektör-emetör bacaklarının kısa devre yapıldığını varsayarak, kolektör akımını
hesaplamaktır. Bu durumda kolektör akımı VCC/ RC olarak elde edilir. Yük doğrusunun alt
sınırını bulmak için ise, kolektör-emetör terminallerinin açık olduğu varsayarak, kolektöremetör geriliminin hesabı yapılır. Bu durumda hesaplanacak gerilim, VBC gerilimine eşittir.
Şekil 10:Tranzistörün yük doğrusu ve çalışma noktası
7
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Kesme ve Doyma noktası
Yük doğrusunun IB = 0 eğrisini kestiği yere kesme noktası denir. Bu noktada baz akımı
sıfır olup kolektör akımı aşırı derecede küçük kalır (ICEO ile gösterilen sızıntı akımı). Kesme
noktasında emetör diyotu doğru polarizasyondan çıkar ve tranzistör normal çalışma
fonksiyonunu kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile kolektör-emetör gerilimi yük doğrusunun alt
sınır değerine eşitlenir. Yani,
VCE ≈ VCC
Yük doğrusunun IB = IB(doy) eğrisi ile kesiştiği noktaya doyma noktası denir. Bu noktada baz
akımı IB(doy) değerine eşittir. Kolektör akımı ise maksimum değerdedir. Doyma sırasında
kolektör diyotu ters polarizasyondan çıkar, tranzistör normal çalışma fonksiyonunu yine
kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile doyma anındaki kolektör akımını yük doğrusunun üst
sınır değerine eşitlenir. Diğer bir değişle,
𝑉𝐶𝐶
𝐼𝐶(𝑑𝑜𝑦 ) ≈
𝑅𝐶
olur. Şekil 10(b)‟deki IB(doy) terimi, doyma meydana gelmesi için gerekli baz akımını temsil
eder. Baz akımı, IB(doy) akımından küçük ise tranzistör aktif çalışma bölgesinde kesme ve
doyma noktaları arasındaki bir noktada, normal çalışma fonksiyonunu gösterir. Baz akımı
IB(doy) akımından büyük ise, kolektör akımı mümkün olan maksimum değere (yaklaşık
olarak VCC/RC değerine) eşit olur. Grafiksel olarak bu durum Şekil 10(b)'de görüldüğü
üzere, IB(doy) akımından büyük her baz akımı, eğrisinin yük doğrusu ile kesişmesinde aynı
doyma noktası bulunacaktır.
Maksimum değişim
DC yük doğrusu, bir tranzistörün maksimum çıkış sınırını da (aktif gerilim sınırı VCE)
gösterir. Şekil 10(b)‟de görüldüğü gibi tranzistörün maksimum çıkış gerilimi 0 ile yaklaşık
VCC arasında değişir. Diğer bir deyişle, tranzistör akım verme özelliğini kaybettiği kesme ve
doyma noktaları hariç, DC yük doğrusunun izdüşümü boyunca bir akım kaynağı görevi
yapar.
8
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------UYGULAMA
Tranzistörle Çalışma
Deneyin Yapılışı:
1) Multimetrelerden birini DC ampermetre yapıp, A kademesine getirin ve A1 olarak
kullanın. Diğer multimetreyi de DC ampermetre yapıp, mA kademesine getirin ve A2
olarak kullanın.
2) İki çıkışlı ayarlı DC kaynağı “INDEP (iki çıkış bağımsız çalışmaz)” olarak ayarlayın.
Bunun için seçim düğmelerinin ikisi de basılı olmamalı.1 nolu çıkışı (soldaki) Vs1
olarak, 2 nolu çıkışı (sağdaki) Vs2 olarak kullanın.
3) Şekil 11‟deki devreyi kurunuz.
4) Ayarlı DC kaynağı voltaj ayarlarını minimum değere getirerek devreye enerji veriniz.
Şekil 11:Deney düzeneği
9
EEMB309 Elektronik II – Lab
Deney No: 4 (Tranzistörlerin Çalışması ve Karakteristikleri)
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------Tranzistörün IC – VCE Karakteristiğinin Çıkarılması
5) Ayarlı DC kaynaktan Vs2 gerilimini (VCE) gerilimini yavaş yavaş arttırarak, VCE
gerilimini Tablo 1‟de verilen 1V değerine getiriniz.
6) Vs2 gerilimini çok yavaş arttırarak A1 den IB=20A değerine gelene kadar arttırınız.
7) Buna karşılık gelen IC akımını ölçünüz ve Tablo 1 e kaydediniz.
8) Vs2 gerilimini arttırarak IB=40A ve IB=60A için IC ölçümlerini tekrarlayıp Tablo 1'e
kaydediniz.
9) 5,6,7,8 adımlarını Tablo 1 deki diğer VCE değerleri için de tekrarlayıp ölçüm işlemini
tamamlayınız.
10) Tablo 1'de bulduğunuz değerler için βDC = IC / IB değerlerini hesaplayarak Tablo 2 ye
yazınız.
11) Tablo1'deki değerleri kullanarak milimetrik kağıt üzerinde kolektör akımı eğrilerini
çiziniz.
(Şekil 5'de görülen değişime benzer bir grafik elde edilecektir. Çizimi VCE=1V dan
başlatınız. VCE =0-1V arası ölçülmemiştir.)
Ölçüm Sonuçları:
Tablo 1:Çeşitli IB baz akımı ve VCE gerilimlerine karşı, IC kolektör akımı ölçümler
IC, Kolektör akımı (mA)
VCE = 1 V
VCE = 3 V
VCE = 6 V
VCE = 9 V
IB = 0 μA
IB = 20 μA
IB = 40 μA
IB = 60 μA
Tablo 2: Çeşitli IB baz akımı ve VCE gerilimlerine karşı, βDC kazancı
βDC = IC / IB kazancı
VCE = 1 V
VCE = 3 V
VCE = 6 V
VCE = 9 V
IB = 20 μA
IB = 40 μA
IB = 60 μA
10