yarı iletken diyotlar - SABİS

TC
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELM202
ELEKTRONİK-II DERSİ
LABORATUAR FÖYÜ
DENEYİ YAPTIRAN:
DENEYİN ADI:
DENEY NO:
DENEYİ YAPANIN
ADI ve SOYADI:
SINIFI:
OKUL NO:
DENEY GRUP NO:
DENEY TARİHİ
RAPOR TESLİM TARİHİ
KONTROL
DEĞERLENDİRME
Ön Çalışma
(%20)
Deney
Sonuçları
(%20)
Deney No:
13
Sözlü
(%20)
Deney
Performansı
(%20)
Deney
Raporu
(%20)
Program Çıktıları
1, 2, 3, 4, 5
TOPLAM
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
DENEY 13 : BJT’Lİ B SINIFI ÇALIŞAN GÜÇ YÜKSELTEÇLERİ
AMAÇ: Birleşim yüzeyli transistörlerle yapılan ve B sınıfı çalışan güç yükselteçlerini tanımak,
çalışma prensibini öğrenmek ve çıkış gücünü bulmak.
TEORİ:
Yükselteçleri; kullanım amaçlarına veya işlevlerine göre küçük sinyal(gerilim)
yükselteçleri ve büyük sinyal (güç) yükselteçleri olarak sınıflandırılırlar. Küçük sinyal yükselteçleri
girişlerindeki AC sinyali genlik olarak yükselten devrelere verilen isimdir. Diğer taraftan büyük sinyal
veya güç yükselteçlerinde ise amaç, girişlerindeki sinyalin gücünü arttırmaktır. Bu yüzden güç
yükselteçleri genellikle ardışıl(kaskat) bağlı devrelerde çıkışa en yakın kat olarak görev yapar ve yüke
güç transfer ederler. Bir yükselteç tasarımında ana faktörler, doğrusallık(doğrusallığın azalması
bozulma yani gürültüyü arttırır), verim, çıkış gücü ve kazanç’tır. Genellikle bu faktörler arasında bir
ilişki vardır. Örneğin bir yükseltecin doğrusallığının artması, verimini azaltacaktır.
Küçük-sinyal (gerilim) yükselteçlerinde dikkate alınması gereken temel faktör genellikle doğrusallık
ve kazançtır. Giriş dönüştürücüsünden(transdüserinden) gelen sinyalin gerilim ve akımı genellikle
küçük olduğundan, güç kapasitesi ve güç verimliliği pek önemli değildir. Bir büyük-sinyal
yükseltecinin, verimli çalışması ve tipik olarak birkaç Watt’tan yüzlerce Watt’a kadar gücü
kaldırabilme kapasitesine sahip olması gerekir.
Dengeleme, çalışmaya hazır hâle getirme anlamına gelen polarma işlemi, yükseltecin girişine AC
özellikli sinyal uygulanmadan önce DC besleme kullanılarak transistörün istenilen noktada
çalıştırılması amacıyla yapılır. Girişe AC özellikli sinyaller uygulanmadan önce yükselteç devresinin
çektiği akımlara boşta çalışma veya sükûnet akımları adı verilir.
Transistörlerin beyzine uygulanan polarma akımının değerine göre kollektörden emitere geçirdikleri
akımın değeri değişmektedir. Polarma akımından dolayı ortaya çıkan çalışma şekilleri ve çıkıştan
alınan sinyallerin durumu dikkate alınarak güç yükselteçleri A, B, AB, C sınıfı çalışma biçiminde
gruplandırılmıştır. Bu sınıfların haricinde büyük güçlü kuvvetlendiriciler için, yapılan çalışmalar
sonucu yükün yapısını ve kullanım şeklini değiştirerek D, E, F ve S sınıfı çalışan kuvvetlendiriciler
geliştirilirken, bunun dışında DC kaynağın/kaynakların ihtiyaç anında anahtarlanma veya tetiklenme
yöntemiyle kontrollü bir şekilde devreye alınması prensibine dayanan G ve H sınıfı kuvvetlendiriciler
de geliştirilmiştir.
A sınıfı yükseltecin genel çalışma prensibi, transistörün giriş sinyalinin tamamında yani 360°'lik
kısmında iletimde olması yani giriş sinyalinin tamamının çıkışta yükseltilmesi prensibine dayanır.
Transistörün, giriş sinyalinin tamamında iletimde kalabilmesi için(doyuma ve kesime gitmeden)
transistörün çalışma noktasının (Q), yük doğrusunun tam ortasında seçilmesine özen gösterilir. A sınıfı
yükselteç çalışmasında, kuvvetlendiricinin girişine herhangi bir AC işaret uygulanmasa bile
kutuplamadan dolayı kuvvetlendiricinin sürekli DC güç tüketiyor olmasına ve buna bağlı olarak
veriminin düşük olacağına dikkat edilmelidir. Düşük verimine rağmen A sınıfı yükselteç, diğer
sınıflara göre daha yüksek doğrusallığa(gürültü oranı düşük) ve daha az verimliliğe sahiptir. Bu
yüzden A sınıfı çalışan yükselteçler verimin çok önemli olmadığı fakat gürültü(bozulma)
istenmeyen yerlerde tercih edilirler. Diğer taraftan güç yükselteçlerinde verimin büyük olmasının
istendiği yerlerde vardır, örneğin çıkış katlarının maksimum derecede gücü yüke aktarması ve kendi
üzerinde harcamaması tercih edilir. Zira büyük güç çeken yüklerin ihtiyaç duyduğu bu gücü verecek
yükselteç eğer kendi üzerinde büyük bir güç harcar ise bu durumda aşırı derecede ısınır ve hasar görür.
İşte bu duruma çözüm olarak transistörün çalışma noktasının kesimde seçilmesi öngörülmüş ve
böylece girişlerinde bir AC sinyal yok iken transistörün(kesimde olduğundan) güç harcaması
önlenmiştir. Böylece verimde artmıştır.
Bu durumda yani transistörün boşta çalışma noktasının kesimde seçilmesi durumunda çalışmaya ise B
sınıfı çalışma denmektedir. Bu durumda transistörün girişinde herhangi bir AC sinyal yok ise yani
transistör boşta çalışıyorsa, çalışma noktası kesimde olduğundan dolayı transistör akımları sıfır
olacaktır yani transistör güç harcamayacaktır. Bunun sonucu olarak B sınıfı çalışmada verimin A
sınıfına göre daha büyük olmasını bekleyebiliriz. Diğer taraftan verimin yüksek olması yanında B
2
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
sınıfı çalışmada istenmeyen bir durum söz konusudur. Bu durum giriş sinyalinin(AC) çıkışta
bozulması veya gürültü dediğimiz durumdur. Şimdi bu durumu aşağıdaki şekil üzerinde inceleyelim.
Şekildeki VB gerilim değerini yaklaşık olarak şu şekilde bulabiliriz;
VB 
VCC
12,6V
R2 
1K  0,7V
R1  R2
17 K  1K
Aynı şekilde RE direnci uçlarında düşen VE gerilimini ise;
VE  VB  VBE  0,7V  0,7V  0V
olarak buluruz. Buradan IE akımını;
IE 
VE
0V

 0 mA
RE 1K
olarak buluruz. Görüldüğü gibi boşta yani girişinde bir AC sinyal olmadığında bu transistör
kesimdedir yani akımları sıfırdır(IB= 0 mA, IC= 0 mA). Bu durumda boşta çalışmada transistör güç
harcaması;
PD  VCE I C  12,6Vx0mA  0W
eşitliği gereği sıfır olmaktadır, yani transistör güç harcamamaktadır(verim yüksek).
Şimdide aynı devre girişlerine aşağıda görülen AC sinüs sinyalini uyguladığımızı düşünelim;
3
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Bu durumda giriş sinyalinin pozitif alternansında transistör beyz akımı akmaya başlar(NPN
transistörün beyzi pozitif oluyor). Beyz akımına karşılık kollektör ve emiter akımları da akmaya başlar
ve bu durumda çıkış voltajı;
VO  VE  I E RE
Eşitliği gereği pozitif bir değer alır ve yükseltme gerçekleşmiş olur. Diğer taraftan girişin negatif
alternansında transistör beyzi negatif olacağından beyz akımı akmaz(sıfır olur), buna bağlı olarak ta
kollektör ve emiter akımları da sıfırda kalır ve çıkış gerilimi de sıfır olur, yani çıkış olmaz. Bu süre
boyunca transistör kesimde kalmıştır yani çalışmamaktadır(güç harcaması sıfır). Sonuç olarak bu
devre AC girişlerin sadece pozitif alternanslarını yükseltmekte, negatif alternanslarını ise
kırpmaktadır, çıkış voltajının şekli şu şekilde gözükmektedir.
Transistör çıkış karakteristik eğrisi üzerinde ise çıkış gerilimi şu şekilde gözükmektedir.
Buradan görüldüğü gibi bu çalışmada A sınıfı çalışmaya göre çıkış sinyalinin maksimum(tepe) değeri
daha büyük olmaktadır. Çıkış sinyalinin tepe değeri B sınıfı çalışmada teorik olarak besleme
kaynağına(VCC) eşittir. O zaman B sınıfı çalışan yükselteçlerde çıkış işaret gücü A sınıfına göre
çok daha yüksektir diyebiliriz. Diğer taraftan yukarıdaki şekilden de görüldüğü gibi B sınıfı
çalışmada, giriş sinyali yükseltecin çıkışından şekil olarak bozulmuş olarak elde edilmiş
oldu(yarım dalga çıkış verdi). Birçok uygulama için(örneğin ses yükselteçleri) bu durum kabul
edilemez bir durumdur ve bu bir gürültü kaynağıdır. O halde bu soruna bir çözüm bulmak
gerekmektedir. Bu durumda önerilen yöntem şu şekildedir. Madem NPN transistör ile yapılan bu
yükselteç sadece girişin pozitif alternansını yükseltmekte, o halde aynı devreden birde PNP transistörü
ile yaparız ve bu devrede girişin negatif alternanslarını yükseltir. Biz giriş sinyalini bu iki devreye yani
NPN ve PNP transistörlerle yapılan iki devreye aynı anda uygular ve çıkışlarını da toplarsak, o zaman
giriş sinyalinin tüm alternansları yükseltilmiş olur ve bozulmayı da ortadan kaldırmış oluruz. Bu
anlattığımız devrenin prensip şeması aşağıda görülmektedir.
4
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Bu bağlantı şekli özel bir bağlantı şeklidir ve devrenin bir kısmı bir alternans süresince sinyali
yukarıya ittiği, diğer kısmı ise diğer alternans boyunca sinyali aşağıya çektiği için bu tip devrelere
push-pull(it-çek) bağlantılı yükselteç devreleri de denmektedir. Aşağıdaki şekilde bu anlatılanların
uygulandığı B sınıfı çalışan transistörlü bir Push-Pull yükselteç devresi görülmektedir. Devrede NPN
ve PNP transistörler kullanıldığından bu tip devrelere aynı zamanda “Tümler-Simetrik
Yükselteçler” de denir.
Bu devrede çıkış işaretindeki bozulmaları(geçiş bozulmaları) önlemek amacıyla D1 ve D2 diyotları
kullanılmıştır(Bu diyotlar üzerinde düşen 0,7V eşik gerilimleri aynı zamanda transistörlerin beyzemiter arasına da uygulanarak onların çalışabilmeleri için ihtiyaç duydukları eşik gerilim değerlerini
sağlamakta ve böylece transistörler giriş sinyalinin sıfırdan farklı her değeri için çalışarak çıkış
vermekte ve çıkışta oluşabilecek bozulmaları önlemektedirler). B sınıfı push-pull bir yükselteçte iki
transistör (Q1 ve Q2 olmak üzere) bulunur. Giriş sinyalinin pozitif alternansında Q1(NPN) transistörü
iletimde iken Q2(PNP) transistörü yalıtımdadır. Negatif alternansında ise Q2(PNP) iletimde, Q1(NPN)
yalıtımdadır.
Bu devrede kullanılan transistörlerin biri NPN diğeri PNP olmasına rağmen, karakteristik özellikleri
aynı olmak zorundadır yani eşlenik transistör olmak zorundadır. Buna göre her iki transistörün
kollektör-emiter arası iç dirençleri eşit olduğuna göre, her bir transistörün kollektör emiter arası boşta
çalışma gerilimleri, besleme kaynağının yarısına eşit olmak zorundadır. Yani;
VCEQ  VCE (max) 
5
VCC
2
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
bununda ortalama değeri;
VCE(ort)  0,318VCE(max)  0,318VCEQ
olur. Her bir transistörden geçebilecek maksimum(tepe) kollektör akım değeri ise;
I C (max) 
VCEQ
RL
bununda ortalama değeri;
I C ( ort )  0,318 I C (max)
olarak bulunur. Buna göre her bir transistörün ısı olarak üzerlerinde harcadıkları güç miktarı(PD);
PD  VCE(ort) I C (ort)  0,318VCE(max) 0,318I C (max)  (0,318) 2 VCE(max) I C (max)
veya;
PD  0,318VCE (max) 0,318I C (max)  0,318VCEQ
0,318VCEQ
RL

(0,318VCEQ ) 2
RL

(0,318VCC 2) 2
RL
olarak bulunur. Yük üzerinden alınabilecek maksimum AC çıkış gücü ise;
PL (max) 
VO2( rms)
RL

(0,707VCEQ ) 2
RL
2
(0,707VCC 2) 2 VCC


RL
8 RL
olarak bulunur. Benzer şekilde DC kaynaktan çekilen toplam güç ise;
PDC  VCC I C (ort)  VCC 0,318I C (max)
olarak bulunur. Buradan verim;
% 
PL (max)
PDC
x100
olarak bulunur.
İŞLEM BASAMAKLARI
Not: İşlem basamaklarında yapacağınız voltaj ölçümlerini osilaskop ile yapınız. Ölçüm sırasında Volt/div ve
Time/div düğmelerini ayarlayarak, ölçülecek sinyali/sinyalleri ekrana sığabilecek en büyük konuma getiriniz.
1- EL-1000 Temel Elektronik Eğitim Setini masa üzerine çıkartınız.
2- EL-1002 modülünü ana üniteye yerleştirin ve E bloğunu bulun. Blok üzerinde aşağıdaki devre
olmalıdır.
6
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
S1
R1
10 K
C2
+12 V
Osilaskop
C1
1000 F
Q1
BD139
820 nF
CH1
CH2
GND
D1
1N4001
S2
Vİ
VO
C4
820 nF
D2
1N4001
S4
S3
R2
220 
Q2
C3
Hp
1000 F
BD140
R3
10 K
S5
-12 V
C5
1000 F
3- S1 ve S5 anahtarlarını kapatarak devreye enerji veriniz.
4- Devrenin girişine(Vİ), 3 Vp-p genliginde ve 1 KHz frekansında bir sinüs sinyali uygulayınız.
5- S4 anahtarını açıp, S2 anahtarını kapatarak Q1 NPN transistörünü devreye alınız. Osilaskopla çıkış dalga
şeklini(VO) ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil üzerine yazınız).
Vo(t)
t (s)
0
6- 5. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir
açıklayınız(nedenlerini tartışınız).
7- Şimdi de S2 anahtarını açıp, S4 anahtarını kapatarak Q2 PNP transistörünü devreye alınız. Osilaskopla
çıkış dalga şeklini ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil üzerine
yazınız).
7
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Vo(t)
t (s)
0
8- 7. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir
açıklayınız(nedenlerini tartışınız).
9- Bu adımda S2 ve S4 anahtarlarının ikisini de kapatarak her iki Q1 ve Q2 transistörünü devreye alınız.
Osilaskopla çıkış dalga şeklini ölçerek aşağıdaki koordinat sistemine çiziniz(gerilim değerlerini şekil
üzerine yazınız).
Vo(t)
t (s)
0
10- 9. adımda elde ettiğiniz dalga şeklini yorumlayınız, beklediğiniz dalga şeklimidir
açıklayınız(nedenlerini tartışınız).
11- S2 ve S4 anahtarları kapalı iken hem giriş sinyalini ve hemde çıkış sinyalini osilaskop ile ölçünüz ve
aşağıya çiziniz. İki sinyal arasında bir fark görüyormusunuz(genlik, frekans veya faz açısından)? Eğer
fark görmüyorsanız nedenlerini ve normalde ne olması gerektiğini tartışınız.
Vİ(t)
t (s)
0
8
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Vo(t)
t (s)
0
12- Şimdi S2 ve S4 kapalı iken giriş sinyalinin genliğini yavaş yavaş arttırınız ve çıkış sinyalinin genliğini
osilaskop ile gözlemleyiniz. Çıkış sinyalinin şekil olarak bozulmaya(distorsiyon-gürültü) başladığı
noktada giriş geriliminin genliğini sabit bırakınız..
13- Bu durumda çıkış dalga şeklinin genliğini ölçünüz(VOp-p(max) ) ve bu değerle, yük direnci(R2) değerini
kullanarak bu yükseltecin verebileceği en büyük gücü(PL(max)) hesaplayınız ve aşağıya kaydediniz.
VOp-p(max) = …………………. Volt
PL(max) = ……………….……. mW (Denysel)
14- 2. adımda verilen devrede kullanılan eleman değerlerini(gerilim, direnç) kullanarak 13. adımda
deneysel yolla bulduğunuz PL(max) değerini teorik olarak yeniden hesaplayınız ve aşağıya kaydediniz.
PL(max) = ……………….……. mW (Teorik)
15- Deneysel yolla ve teorik hesaplama ile bulduğunuz bu iki PL(max) değerini kıyaslayınız, arada bir fark
varmıdır? Varsa nedenlerini tartışınız.
16- Şimdi giriş sinyalinin genliğini 1 Vp-p değerine indirin. Daha sonra S3 anahtarını kapatarak hoparlörden
çıkış sinyalinin oluşturduğu sesi dinleyin.
17- S3 anahtarı kapalı iken giriş sinyalinin genliğini 1 Vp-p değerinden yukarıya doğru yavaş yavaş arttırarak
hoparlörden çıkış sinyalini dinleyiniz ve ne fark ettiğinizi not ediniz. Giriş sinyalinin seviyesini
arttırmaya devam ederek hoparlördeki sesin bozulmasını(gürültü) tesbit ediniz. Sizce bu bozulma neden
oldu tartışınız.
Sonuçların Analizi:
1234-
Bu deney sonucu gördüğünüz deneysel ve teorik çalışma farklarını açıklayınız.
B sınıfı Push-pull çalışan yükselteçde çıkış gücü nasıl arttırılmaktadır? Açıklayınız.
B sınıf çalışmanın avantaj ve dezavantajlarını özetleyiniz.
Deneyde sonucu gördüğünüz distorsiyonları açıklayınız? Bunlar neden olmaktadır ve çözüm önerileriniz
nedir?
SORULAR
1- Push-pull çalışan B sınıf yükselteç devresinde bulunan D1 ve D2 diyotların görevlerini açıklayınız.
2- Yaptığınız deneyde kullanılan devre simetrik kaynak ile beslenmektedir. Acaba aynı devre aynı çıkışlar için
tek bir kaynaktan beslenebilir mi? Bunun için devrede ne gibi değişiklikler yapılmalıdır?
3- Devrede kullanılan C2 ve C4 kondansatörlerinin görevi nedir?
4- Tek bir transistörün B sınıfı çalıştırılması ile elde edilen güç yükselteci acaba pratikte kullanılabilir mi? Eğer
kullanılabilir diyorsanız örnek veriniz.
9