5-BJT`li kutuplama devreleri

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#5
BJT'li Kutuplama Devreleri
Doç. Dr. Mutlu AVCI
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2016
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
DENEY 5
BJT'li Kutuplama Devreleri
1. Amaç
Bu deneyin amacı farklı BJT öngerilimleme devre yapılarının incelenmesi ve bu devrelerin DC çalışma
noktasının akım ve gerilim değerlerinin belirlenmesidir.
2. Temel Bilgiler
Transistörler anahtarlama ve kuvvetlendirme devrelerinde kullanılan temel devre elemanlarıdır.
Transistörlerin yükselteç ve işaret işleme uygulamalarında kullanılabilmesi için en önemli hususlardan
birisi DC çalışma noktasına (sükûnet (quiescent) noktası) devre girişinde uygulanan AC küçük
işaretten bağımsız olarak öngerilimlenmesidir. BJT’li bir devreyi öngerilimlemenin amacı, transistörü
girişine uygulanacak küçük işareti işlemek üzere istenen bölgede çalışır duruma getirmektir. BJT’li
devrelerde Q çalışma noktası, ön gerilimleme topolojisine göre yükün bağlandığı yani çıkış alınan
uçların ortak referans uca göre gerilim ve akımı arasındaki yük hattı üzerinde yer alan bir noktadır.
Aşağıda farklı devre yapıları için öngerilimleme devreleri verilmiş olup 𝐼𝐶 akımı ve 𝑉𝐶𝐸 gerilimine bağlı
olarak transistörün çalışma durumunun tayin edilmesi amacıyla DC analizi yapılmıştır. Öngerilimleme
devrelerinin DC analizi öngerilimleme tipinden bağımsız olarak birbirine benzer.
1. Ortak Emiterli Devreler
a. Sabit Öngerilimlemeli Yapı
Şekil 1'de gösterilen devre en basit DC öngerilimleme devresidir. Devrede NPN transistör
kullanılmıştır ve tüm akım-gerilim yönleri ters çevrilerek PNP transistör için de benzer analiz
yapılabilir.
VCC
RB
RC
Şekil 1
𝑉𝐶𝐶 kaynak gerilimi ve 𝑉𝐵𝐸 sabit olduğu için 𝑅𝐵 baz direncinin seçimi çalışma noktasındaki baz akımını
belirleyecektir. Burada 𝐼𝐵 ;
𝐼𝐵 =
𝑉𝐶𝐸 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
denklemi ile belirlenir. Kollektör akımı 𝐼𝐵 ’ye bağlı olarak;
𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵
şeklinde yazılır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta 𝑅𝐶 direncinin 𝐼𝐶 kollektör akımını
etkilememesidir. 𝑅𝐶 direnci kollektör-emiter arası gerilim 𝑉𝐶𝐸 ’yi belirler. Devreye KVL uygulanırsa şu
sonuçlar elde edilir:
𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸
Burada 𝑉𝐸 = 0 olduğundan;
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶
elde edilir.
b. Sabit Öngerilimlemeli Emiter Dirençli Yapı
Şekil 2’deki DC öngerilimleme devresinde Şekil 1’deki devreye göre daha kararlı olması açısından bir
emiter direnci eklenmiştir. Bu kararlılık, sıcaklık ve transistör betası gibi dış koşullar değiştiği zaman
DC öngerilimleme akımları ve gerilimlerinin sabitlenen ilk değere yakın değerlerde kalmasını sağlar.
Şekil 2’deki devreye Kirchoff gerilim yasası uygulanırsa aşağıdaki denklemler elde edilmiş olur.
VCC
RB
RC
RE
Şekil 2
𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0
𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 ise;
𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − (𝛽 + 1)𝐼𝐵 𝑅𝐸 = 0
elde edilir. Terimler bir araya getirilirse;
−𝐼𝐵 (𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸 ) + 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 = 0
𝐼𝐵 (𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸 ) − 𝑉𝐶𝐶 + 𝑉𝐵𝐸 = 0
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
𝐼𝐵 (𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸 ) = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸
elde edilir. 𝐼𝐵 için çözüm yapılırsa;
𝐼𝐵 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸
bulunur. Devreye yeniden Kirchoff gerilim yasası uygulandığında;
𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0
bulunur. Terimler bir araya getirilirse;
𝑉𝐶𝐸 − 𝑉𝐶𝐶 + 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) = 0
ve
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸
bulunur. Transistörün emiteri ile toprak arasındaki gerilim ifadesi;
𝑉𝐸 = 𝐼𝐸 𝑅𝐸
şeklindedir. Buradan;
𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 + 𝑉𝐸
veya
𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶
elde edilir.
c. Gerilim Bölücülü Öngerilimlemeli Yapı
Sabit öngerilimlemeli devre yapısında kollektörün akım ve gerilimi transistörün akım kazancı β'ya
bağlı olarak değişmektedir. Ancak transistörlerde β akım kazancı sıcaklığa çok duyarlıdır ve sıcaklık
değişimiyle değeri değişmektedir. Değişkenlik gösteren β değeri transistörlü devreler için istenen bir
durum değildir. Bu nedenle BJT'li devrenin transistör betasına daha az bağımlı olduğu devrelere
ihtiyaç vardır. Şekil 3'teki gerilim bölücülü öngerilimleme devresinde kollektör akım ve gerilim
seviyeleri β değerine daha az bağımlıdır. 𝐼𝐵𝑄 değeri β ile değişecektir fakat 𝐼𝐶𝑄 ve 𝑉𝐶𝐸𝑄 ile tanımlanan
çalışma noktasının uygun parametrelerin seçimiyle sabit kalması sağlanabilir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
VCC
VCC
R1
RC
R2
RE
VCC
R1
RC
R2
RE
Şekil 3
Şekil 3'teki devrenin DC analizini Thevenin eşdeğer devresi üzerinden yapmak gerekir. Bunun için
devrenin giriş katı Şekil 4'te yeniden çizilmiştir.
VCC
R1
𝑅𝑇𝐻
R2
𝑉𝑇𝐻
Şekil 4
Bu devrenin Thevenin direnci;
𝑅𝑇𝐻 = 𝑅1 ǁ𝑅2
Thevenin gerilimi ise;
𝑉𝑇𝐻 = 𝑉𝑅2 =
𝑅2 𝑉𝐶𝐶
𝑅1 + 𝑅2
şeklinde bulunur. Böylece Thevenin devresi Şekil 5'teki gibi yeniden çizilebilir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
𝑉𝑇𝐻
Şekil 5
Şekil 5'teki devreye Kirchoff gerilim yasası uygulanırsa;
𝐸𝑇𝐻 = 𝐼𝐵 𝑅𝑇𝐻 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0
yazılır ve 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 alınırsa;
𝐼𝐵 =
𝐸𝑇𝐻 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝑇𝐻 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸
bulunur. Buradan;
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 )
bulunabilir.
d. Kendini Besleyen Öngerilimlemeli Yapı
Şekil 6'da gösterildiği gibi kollektörden baza bir geribesleme yolu oluşturarak daha yüksek bir
kararlılık seviyesine ulaşılabilir. Q çalışma noktası β'dan tamamen bağımsız olmasa da, betadaki ve
sıcaklıktaki değişimlere karşı duyarlılık sabit öngerilimlemeli yapılara göre daha düşüktür.
VCC
RC
𝐼𝐶′
RB
RE
Şekil 6
Şekil 6'daki devreye Kirchoff gerilim yasası uygulanırsa;
𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶′ 𝑅𝐶 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0
elde edilir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta 𝑅𝐶 üzerinden geçen akımın 𝐼𝐶 değil 𝐼𝐶′ olmasıdır.
𝐼𝐶′ = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵 = 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 dir. Bu nedenle;
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
𝑉𝐶𝐶 − (𝛽 + 1)𝐼𝐵 𝑅𝐶 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − (𝛽 + 1)𝐼𝐵 𝑅𝐸 = 0
yazılabilir. Burada 𝐼𝐵 için çözüm yapılırsa;
𝐼𝐵 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 )
sonucuna ulaşılır. Aynı zamanda;
𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶′ 𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0
döngüsü yazılır ve 𝐼𝐶′ = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 = 𝐼𝐸 olduğundan;
𝐼𝐸 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) + 𝑉𝐶𝐸 − 𝑉𝐶𝐶 = 0
ve
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐸 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 )
elde edilir.
2. Ortak Kollektörlü Öngerilimleme
Daha önce gösterilen öngerilimlemeli devre yapılarında çıkış gerilimi tipik olarak BJT'nin kollektör
bacağından alınmıştır. Şekil 7'de de gösterildiği gibi ortak kollektörlü öngerilimlemeli deve yapısında
çıkış gerilimi BJT'nin emiter ucundan alınır.
0
RB
0
RE
VEE
Şekil 7
Şekil 7'deki devrenin giriş atına Kirchoff gerilim yasası uygulanırsa;
−𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐸𝐸 = 0
burada 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 kullanılırsa;
𝐼𝐵 𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝐼𝐵 𝑅𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸
yazılır ve böylece,
𝐼𝐵 =
𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸
elde edilir. Devrenin çıkış katına da ayrıca Kirchoff gerilim yasası uygulandığında;
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
−𝑉𝐶𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐸𝐸 = 0
ve
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸
elde edilmiş olur.
3. Ortak Bazlı Öngerilimleme
Ortak baz öngerilimlemeli devre yapısında diğer devre yapılarından farklı olarak uygulanan işaret
BJT'nin emiter bacağına bağıdır ve baz ucu topraklanmıştır. Bu devre yapısı AC uygulamalarda düşük
giriş ve yüksek çıkış empedansı ve yüksek kazanç sağlaması nedeniyle oldukça kullanışlıdır.
RE
RC
VEE
VCC
Şekil 8
Şekil 8'deki devrede BJT'nin sol kısmına Kirchoff gerilim yasası uygulanırsa;
−𝑉𝐸𝐸 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐵𝐸 = 0
ve buradan
𝐼𝐸 =
𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸
𝑅𝐸
bulunur. Devrenin tümüne Kirchoff gerilim yasası uygulandığında;
−𝑉𝐸𝐸 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0
elde edilir ve ifade düzenlendiğinde;
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 + 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶
olarak bulunur.
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011
3. Electronic Devices and Circuit Theory, Boylestad R., Nashelsky L., 2013
MALZEME LİSTESİ:
 Dirençler
: 1k, 1.2k, 2k, 2.2k, 2.4k, 3.9k, 4.7k, 10k, 39k, 100k, 240k, 250k
 BJT
: BC237BP
 Standard deney teçhizatı
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
3. Hazırlık Çalışması
1.
Aşağıdaki devre için 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz ve DC yük hattını çiziniz. (β=50, 𝑉𝐵𝐸 = 0.7)
18V
82k
5.6k
22k
1.2k
2. Aşağıdaki devre için 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz ve DC yük hattını çiziniz. (β=70, 𝑉𝐵𝐸 = 0.7)
13V
3k
150k
500
3. Aşağıda DC yük hattı verilen BJT devresini emiterinde direnç olan gerilim bölücülü öngerilimleme
topolojisine uygun olarak tasarlayınız.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
4. Deney Çalışması
4.1. Sabit Öngerilimlemeli Yapı
1. Şekil 9'daki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
12V
240k
2.2k
Şekil 9
4.2. Sabit Öngerilimlemeli Emiter Dirençli Yapı
1. Şekil 10'daki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
12V
100k
2.2k
1.1k
1k
Şekil 10
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
4.3. Gerilim Bölücülü Öngerilimlemeli Yapı
1. Şekil 11'deki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
12V
39k
10k
3.9k
1.2k
Şekil 11
4.4. Kendini Besleyen Öngerilimlemeli Yapı
1. Şekil 12'deki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
12V
4.7k
250k
1.2k
Şekil 12
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
4.5. Ortak Kollektörlü Öngerilimleme Yapısı
1. Şekil 13'deki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐵 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐵 , 𝐼𝐸 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
0
240k
0
2k
12V
Şekil 13
4.6. Ortak Bazlı Yapı
1. Şekil 14'deki devreyi kurunuz.
2. Kirchoff gerilim yasasını kullanarak 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 değerlerini bulunuz.
3. Bulduğunuz sonuçları devrede ölçülen 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 𝑣𝑒 𝑉𝐶𝐸 değerleri ile karşılaştırınız.
1.2k
2.4k
4V
10V
Şekil 14
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
5. Deney 2 Sonuç Sayfası
5.1. Sabit Öngerilimlemeli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐵 =..............................
𝐼𝐶 =..............................
𝑉𝐶𝐸 =............................
Teorik Hesaplamalar:
5.2. Sabit Öngerilimlemeli Emiter Dirençli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐵 =..............................
𝐼𝐶 =..............................
Teorik Hesaplamalar:
𝐼𝐸 =............................
𝑉𝐶𝐸 =............................
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
5.3. Gerilim Bölücülü Öngerilimlemeli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐵 =..............................
𝐼𝐶 =..............................
𝐼𝐸 =............................
𝑉𝐶𝐸 =............................
Teorik Hesaplamalar:
5.4. Kendini Besleyen Öngerilimlemeli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐵 =..............................
𝐼𝐶 =..............................
Teorik Hesaplamalar:
𝐼𝐸 =............................
𝑉𝐶𝐸 =............................
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
5.5. Ortak Kollektörlü Öngerilimlemeli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐵 =..............................
𝑉𝐶𝐸 =............................
𝐼𝐸 =............................
Teorik Hesaplamalar:
5.6. Ortak Bazlı Öngerilimlemeli Devre
Ölçülen Değerler:
𝐼𝐸 =............................
𝐼𝐶 =..............................
Teorik Hesaplamalar:
𝑉𝐶𝐸 =............................
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab. 1 Deney#5
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
6. Tartışma
1. Transistörün kutuplanması ne demektir ve kutuplama topolojilerinin aralarında ne gibi farklar
vardır?
2. En kararlı transistör kutuplama devresi hangisidir? Nedenleriyle açıklayınız.