yarı iletken diyotlar - SABİS

TC
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELM201
ELEKTRONİK-I DERSİ
LABORATUAR FÖYÜ
DENEYİ YAPTIRAN:
DENEYİN ADI:
DENEY NO:
DENEYİ YAPANIN
ADI ve SOYADI:
SINIFI:
OKUL NO:
DENEY GRUP NO:
DENEY TARİHİ
RAPOR TESLİM TARİHİ
KONTROL
DEĞERLENDİRME
Ön Çalışma
(%20)
Deney
Sonuçları
(%20)
Sözlü
(%20)
Deney
Performansı
(%20)
Deney
Raporu
(%20)
TOPLAM
Elektronik Dersi Deney Föyleri
DENEY 8 :
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
TRANSİSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK KULLANILMASI
AMAÇ: Birleşim yüzeyli transistörün yükselteç olarak kullanılmasının incelenmesi.
TEORİ: Bilindiği gibi birleşim yüzeyli transistörün normal çalışmasını(yükseltme işlemi) yürütebilmesi için
DC polarma devrelerine ihtiyaç vardı. Bu konu ile ilgili teori ve deneyleri bir önceki haftada görmüş ve
uygulamıştık. Burada artık transistörün DC olarak polarmalandırıldığı farz edilerek, onun AC sinyal
yükseltmede nasıl kullanıldığı, karakteristik özellikleri, kazanç hesapları ve dışarıdan bağlanan elemanların bu
kazançlara olan etkisi incelenecektir.
Transistörün en fazla kullanıldığı alanların başında, onun yükselteç olarak kullanılması gelmektedir.
Yükseltmeden amaç, girişe verilen AC bir sinyalin, genlik, akım veya güç yönünden çıkıştan
arttırılarak(yükseltilerek) alınmasıdır. Bu işlemler yapılırken giriş sinyalinin genel dalga şekli ve frekansı, çıkışta
sabit kalmalıdır. İdealde girişin tüm frekans aralığı için, çıkıştan alınan sinyalin yükseltme oranının sabit kalması
istenir. Pratikte bu mümkün olmadığı için, dizayn edilen devrenin çalışma şartlarının çok iyi belirlenmesi
gereklidir. Buna görede, devre uygun amaca yönelik olarak, uygun şartlarda çalıştırılmalıdır. Genelde
transistörlü yükselteç devreleri Küçük ve Büyük sinyal yükselteçleri olarak iki kısma ayrılırlar. Bu iki tip
yükselteçleri ayıran kesin çizgiler olmamasına rağmen, kullanılan sinyaller ve bunların özellikleri, yükseltecin
hangi tipte olduğu konusunda bize yardımcı olur. Örneğin transistörün çalışma noktası, karakteristik eğrisi
üzerinde bulunan yük eğrisinin orta noktasında seçilmiş ise, bu yükselteç küçük sinyal yükselteci olarak
adlandırılabilir. Biz burada öncelikli olarak transistörlü yükselteçlerin küçük sinyal analizi konusu üzerinde
duracağız. Bu konuda, daha önce dizayn edilen ve analizi yapılan DC polarma devrelerinden yararlanacağız.
Bilindiği gibi transistörler çok farklı yapıda polarma devrelerine sahip olabilirler, buların bir çoğu transistörün
yükselteç olarak kullanılmasında etkindirler. Biz burada her bir polarma devresi için ayrı analiz yerine,
bunlardan en çok kullanılan Gerilim Bölücü Dirençler Kullanılarak yapılan DC polarma devresi üzerinde küçük
sinyal uygulamasını inceleyeceğiz.
Küçük sinyal analizinde temel olarak iki ana analiz yöntemi vardır. Bunlardan birincisi transistörün re
modelinin, diğeride hibrit(melez) modelinin kullanıldığı analiz yöntemidir. Her iki analiz metodunda
benzerlikler olduğu gibi, birbirleri cinsinden de ifade edilebilmektedir. Burada dünyada her geçen gün daha fazla
kullanım alanı bulan re modeli temel alınacak ve analiz işlemleri bunun üzerine inşa edilecektir.
Gerilim Bölücülü Polarma Devresi Kullanılarak Yapılan Yükseltecin Küçük Sinyal Analizi.
Şekil-1’de görülen yükselteç devresinin, AC eşdeğer devresi Şekil-2’de gösterilmiştir.
+Vcc
R1
RC
C0
Q1
Ci
β
r0
Vİ
R2
Vo
RE
CB
Şekil-1: Transistörlü yükselteç devresi
Transistör re modeli
b
+
Zi
Vi
R1
R2
c
Ib
βre
-
+
βIb
ro
RC Vo
e
Şekil-2 : Transistörlü Yükseltecin Küçük Sinyal re Modeli
2
-
Zo
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Şekil-2’den görüldüğü gibi, devrenin giriş empedansı,
Z i = R1 // R2 // β re ,
çıkış empedansı,
Z o = RC // ro ,
voltaj kazancı ,
AV =
Vo
R // r
=− C o ,
Vi
re
ve akım kazancı ,
Ai =
β ( R1 // R2 )ro
io
=
ii (ro + RC )[( R1 // R2 ) + βre ]
olarak bulunabilir.
Eğer Şekil-1’de görülen devrede kullanılan CB kondansatörü kullanılmasa idi, bu kez devrenin küçük sinyal
modeli Şekil-3’te görüldüğü gibi olacaktı.
Transistör re modeli
b
+
R1
βre
R2
βIb
Vi
Zi
c
Ib
ro
RC
Vo
e
Zb
+
Zo
RE
-
-
Şekil-3 : CB Kondansatörü Kullanılmadığı Durumda Yükseltecin Küçük Sinyal Modeli
Bu durumda devrenin giriş, çıkış empedansları ile Akım ve Voltaj kazançları,
⎡ ( β + 1) + RC / ro ⎤
Z b = β re + ⎢
⎥ RE
⎣1 + ( RC + RE ) / ro ⎦
olmak üzere,
Z i = R1 // R2 // Z b ,
⎡
β (ro + re ) ⎤
Z o = RC // ⎢ro +
⎥ ,
1 + ( β re RE ) ⎦
⎣
β RC ⎡
AV =
re ⎤ RC
⎢1 + ⎥ +
⎣ ro ⎦ ro
R
1+ C
ro
Zb
Vo
=−
Vi
3
,
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
Ai =
io
Z
= − AV i
ii
RC
olarak bulunabilir.
Eğer, ro >> re ,
( β + 1) ≅ β şartları sağlanıyorsa, yukarıdaki denklemleri
ro ≥ 10( RC + RE ) ve
aşağıdaki şekilde yeniden yazabiliriz.
Z b ≅ β (re + RE )
olmak üzere,
Z i = R1 // R2 // Z b ,
Z o ≅ RC ,
AV =
Ai =
βR
Vo
RC
,
≅− C ≅−
Vi
Zb
re + RE
io
Z
β ( R1 // R2 )
= − AV i ≅
ii
RC ( R1 // R2 ) + Z b
olarak yazılabilir.
Yük ve Kaynak Giriş Dirençlerinin Sistem Kazancına Etkisi
Pratikte yükselteçler kullanılırken, mutlaka giriş sinyalini sağlayan bir kaynağa ve çıkış voltajının kullanılacağı
bir yüke ihtiyaç vardır. Örneğin giriş sinyal kaynağı olarak, bir mikrofonun çıkışı veya herhangi bir sensör çıkışı,
çıkış yükü olarak ta bir hoparlör veya başka bir devrenin giriş empedansı kullanılıyor olabilir. Giriş sinyal
kaynağının bir iç direnci vardır ve bu direnç devrenin kazancına etki eder. Yine yük olarak bağlanan elemanın
veya devrenin giriş empedansıda yukarıda bulduğumuz yüksüz kazançlara negatif yönde etki edecektir. Giriş
kaynağı ve yük direnci bağlanmış yükselteç devresi Şekil-4’te görülmektedir. Burada Vs giriş sinyal kaynağı
voltajı, Rs iç direnci(giriş sinyal kaynağının çıkış empedansı), RL ise yük devresinin giriş empedansıdır.
+Vcc
R1
RC
C0
Ci
Rs
Q1
+
+
Vs
Vİ
R2
RE
+ Vo
β
r0
CB
RL
Zo
Zi
Şekil-4 : Giriş sinyal kaynağı ve yük direnci bağlanmış yükselteç devresi
Şekil-4’te görülen yükselteç devresi için voltaj ve akım kazançlarını tekrar yazarsak,
AV =
AVs =
Ai = Ais =
RL AVNL
Vo
=
Vi RL + Z o
Vo
Zi
RL
=
AV
Vs Z i + Rs RL + Z o NL
io io
Z
R + Zi
= = − Av i = − AVs s
ii i s
RL
RL
4
Elektronik Dersi Deney Föyleri
olarak bulunur. Burada,
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
AVNL , Zi ve Zo sırası ile Şekil-2 ve Şekil-3 için bulunan yüksüz voltaj kazancı, giriş
empedansı ve çıkış empedansıdır. AV , Şekil-4’te görülen devrenin yüklü girişten çıkışa voltaj kazancı, AVs aynı
devre için yüklü sinyal kaynağından çıkışa olan voltaj kazancı ve Ai=Ais ise girişe bağlanan kaynaktan yüke
olan akım kazancını verir. Bütün bu değerler devrenin kazancının frekans değişiminden etkilenmediği orta
frekans bandı için geçerlidir.
İŞLEM BASAMAKLARI
Not: İşlem basamaklarında yapacağınız voltaj ölçümlerini osilaskop ile yapınız. Osilaskopta voltaj ölçümü
yaparken bütün voltaj değerlerini tepeden-tepeye(peak to peak) voltaj değerleri olarak alınız.
1- Şekil-5’te görülen yükselteç devresini kullanarak aşağıdaki değerleri hesaplayınız.
+Vcc=+12 V
R1
RC
270K
4K7
C0 6.8 μF
+ Vo
β=200
r0 =40 K
Ci
6.8 μF
+
+
Vs
Vİ
BC108B
R2
RE
82K
1K
-
CB
10 μF
Zo
Zi
Şekil-5 : Yükselteç devresi
Zi= …………….
Zo= ………………
AVNL = …………………
Ai = ………………….
2- Şimdi 1. basamakta hesapladığınız değerleri deney yolu ile bulmaya çalışalım. Bunun için devreyi
deney seti üzerine kurarak, girişine sinyal jeneratörünü bağlayınız. Başlangıçta sinyal jeneratörünün
dalga şeklini sinüs seçerek, giriş genliğini sıfır yapınız.
3- Sinyal jeneratörü çıkışı ile yükselteç devresi girişine Şekil-6’da görüldüğü gibi seri bir potansiyometre
bağlayınız.
250 Ω
+
Vs
V2
V1
Yükselteç
dev resi
Şekil-6 : Giriş Empedansının Ölçülmesi
4- Bundan sonra devreye güç uygulayarak, sinyal jeneratörünün çıkışını(V1) 1 KHz , 100 mV seviyesine
ayarlayınız. Potansiyometreyi ayarlayarak Şekil-6’da görülen V2 gerilimini V2=V1/2 seviyesine
gelinceye kadar ayarlayınız. Bu noktada devreye uyguladığınız gücü kesip, potansiyometreyi devreden
çıkartarak dijital ohmmetre ile değerini ölçünüz. Ölçtüğünüz bu değer devrenin giriş empedansına eşit
olmalıdır. Değeri aşağıya kaydediniz
Zi = …………………….. (ölçülen)
5- Yükselteç devresinin çıkış empedansını ölçmek için Şekil-7’de görülen devreyi kurunuz. Burada
yükselteç 1. basamakta kullandığınız devre olacaktır.
5
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
6.8 μF
Yükselteç
dev resi
Vs
S
Vo
RL= 5K
Şekil-7 : Çıkış Empedansının ölçülmesi
6- Girişe bağladığınız sinyal jeneratörünün çıkışını yaklaşık 1 KHz, 100 mV sinüs dalga değerine
getiriniz. Devreye güç uygulayarak S anahtarını açınız. S açık iken Vo gerilimini ölçerek(osilaskop ile)
aşağıya yüksüz Vo olarak kaydediniz. Bundan sonra S anahtarını kapatarak potansiyometreyi
ayarlayınız ve Vo’ın yüklü değerinin, yüksüz değerinin yarısına düşmesini sağlayınız. Bu durumdaki
yüklü Vo değerini aşağıya kaydediniz. Devreye uyguladığınız gücü keserek, potansiyometreyi devreden
çıkartınız ve dijital ohmmetre ile değerini ölçünüz. Bulduğunuz değer yükselteç devresinin çıkış
empedansına eşit olmalıdır. Değeri aşağıya kaydediniz.
Vo(Yüksüz) = ………………. Vo(Yüklü) = ………………….
Zo (Ölçülen)= ………………………..
7- 1. basamakta kurduğunuz devreye geri dönerek, devrenin girişine bağladığınız sinyal jeneratörünün
dalga şeklini sinüs konumuna getirerek, frekansını yaklaşık 1 KHz, genliğini yaklaşık 100 mV
seviyesine getiriniz. Osilaskobun bir kanalını girişe, diğer kanalını da çıkışa bağlayarak her iki dalga
şeklinide beraberce gözlemleyiniz. Eğer bu durumda çıkış dalga şeklinde bozulmalar(distorsiyon)
oluyorsa, giriş voltajını azaltarak, çıkıştan distorsiyonsuz bir dalga şekli elde ediniz. Bu durumda giriş
ve çıkış voltajlarını osilaskoptan ölçerek aşağıya kaydediniz.
Vi = …………………………
Vo = …………………………
8- Devrenin yüksüz voltaj kazancını 7. basamakta bulduğunuz değerler ile hesaplayarak aşağıya
kaydediniz.
AVNL (ölçülen)= ………………………
9- Yine akım kazancını deney yolu ile bulduğunuz, giriş ve çıkış empedansları ile 8. basamakta
bulduğunuz voltaj kazancını kullanarak hesaplayınız ve aşağıya kaydediniz.
Ai (ölçülen)= ……………………………..
10- Şimdi devrede bulunan CB kondansatörünü kaldırarak, 1 ila 9. basamaklar arasında yaptığınız işlemleri
tekrarlayınız ve sonuçları aşağıya kaydediniz.
Hesaplanan değerler;
Zi= …………….
Zo= ………………
AVNL = …………………
Ai = ………………….
Ölçülen giriş empedansı;
Zi (ölçülen)= ……………………..
Ölçülen çıkış empedansı;
Vo(Yüksüz) = ………………. Vo(Yüklü) = ………………….
Zo (Ölçülen)= ………………………..
Ölçülen giriş ve çıkış voltajları;
Vi = …………………………
Vo = …………………………
Ölçülen(ölçülen giriş- çıkış empedansları ile giriş-çıkış voltajlarından hesaplanan) Voltaj ve Akım kazançları;
AVNL (ölçülen) = ………………………
Ai (ölçülen) = ……………………………..
6
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
11- Analiz bölümünde kullanılmak üzere, Şekil-5’te kullandığınız direnç değerlerini dijital ohmmetre ile
ölçerek aşağıya kaydediniz.
R1 = ………………..
R2 = …………………..
RC = …………………..
RE = ………………………..
12- Kullanılan transistörün β değeri her bir transistör için farklılıklar arz edebileceğinden, kullandığınız
transistörün β değerini dijital Avometre üzerinde bulunan hfe test özelliğini kullanarak ölçünüz ve
değerini aşağıya kaydediniz.
β(ölçülen) = …………………….
Sonuçların Analizi:
1- Yukarıda elde ettiğiniz sonuçlara dayanarak, hesaplanan ve ölçülen devre parametrelerini yorumlayınız.
Bulduğunuz sonuçlar uyuşuyor mu? Eğer arada fark var ise nedenlerini tartışınız.
2- İşlem basamaklarından 11 ve 12’de bulduğunuz değerleri kullanarak aşağıdaki değerleri(teorik olarak)
tekrar hesaplayınız ve sonuçları ölçtüğünüz değerler ile karşılaştırınız. Sonuçların analizi 1. basamakta
karşılaştırdığınız değerle burada bulduğunuz değerler arasında nasıl bir ilişki var? Teori ile pratik arasındaki
uyuşmazlık azalıyor mu?
Yeniden hesaplanan değerler;
Zi= …………….
Zo= ………………
AVNL = …………………
Ai = ………………….
SORULAR
1- Şekil-5‘de kullanılan CB kondansatörünün görevini açıklayınız(AC ve DC’de).
2- İşlem basamaklarından 3 ve 4’ü açıklayınız. Neden devrenin giriş empedansı bağlanan potansiyometrenin
değerine eşit alındı
3- İşlem basamaklarından 5 ve 6’yı açıklayınız. Neden devrenin çıkış empedansı bağlanan potansiyometrenin
değerine eşit alındı.
4- Yükselteç devresi çıkışına bağlanan yük direncinin, devrenin akım ve voltaj kazançlarına olan etkisini
açıklayınız.
7