Alfa ( α ) akım kazancı

ELT201 Elektronik II Dersi
1.Hafta
Transistörlü Yükselteçler 1
İçerik
Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Transistörlü Yükseltme İşleminin Gerçekleştirilmesi
Transistörün Anahtarlama Elemanı Olarak Çalışması
Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı
Geçirgeç veya transistör girişine uygulanan sinyali yükselterek
gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama
elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre
elemanıdır.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı
BJT (Bipolar Junction Transistor) çift birleşim yüzeyli
transistördür. İki N maddesi, bir P maddesi (NPN) ya da iki P
maddesi, bir N maddesi (PNP) birleşiminden oluşur. Transistör
üç kutuplu bir devre elemanıdır. Devre sembolü üzerinde orta
kutup beyz (B), okun olduğu kutup emiter (E), diğer kutup
kollektör (C) olarak adlandırılır. Beyz akımının şiddetine göre
kollektör ve emiter akımları ayarlanır. Bu ayar oranı kazanç
faktörüne göre değişir. Transistörler elektronik cihazların temel
yapı taşlarındandır. Günlük hayatta kullanılan elektronik
cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör
bulunabilir.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Transistörün görevini yapabilmesi için uçlarına uygun yön ve
değerde DC gerilim verilmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime
“transistörün polarma gerilimi”, işleme de “transistörün
polarmalandırılması” denir.
Bir transistörün aktif yükseltme işlemini yapabilmesi için; beyzemiter
arası
doğru,
beyz-kollektör
arası
ters
polarmalandırılmalıdır. Diğer bir deyişle, eğer transistör PNP
tipinde ise beyzi emitere göre negatif, kollektöre göre ise pozitif
bir voltaj değerinde olmalıdır. Aynı şekilde NPN transistör için
ise, beyzi emitere göre pozitif, kollektöre göre ise negatif bir
voltaj değerinde olmalıdır. Bu kurala “transistörün aktif çalışma
şartı” da denir.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.2 : (a) PNP tipi transistörün doğru polarmalandırılması
(b) NPN tipi transistörün doğru polarmalandırılması
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Bu açıklamalardan sonra bir transistörün çalışması, Şekil
1.2a`daki PNP tipi transistör göz önüne alınarak anlatılacaktır.
NPN tipi transistörün çalışması ise, elektron ve oyukların rolleri
karşılıklı olarak yer değiştirildiğinde PNP transistör ile aynı
olmaktadır.
Şekil 1.2a`daki PNP transistörü beyz-kollektör öngerilimlemesi
olmadan Şekil 1.3a`da yeniden çizilmiştir. Bu durumda
boşaltılmış bölgenin genişliği uygulanan öngerilimleme
nedeniyle azalmıştır ve dolayısıyla P tipi malzemeden N tipi
malzemeye büyük bir çoğunluk taşıyıcı akışı olacaktır. Şekil
1.3b`de ise beyz-emiter öngerilimlemesi olmadan Şekil
1.2a`daki PNP transistörün yeniden çizilmiş hali görülmektedir.
Bu durumda çoğunluk taşıyıcılarının akışı sıfırlanıp, yalnızca
azınlık taşıyıcı akışı olacaktır.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.3 : (a) PNP transistörün ileri öngelimli jonksiyonu
(b) PNP transistörün ters öngelimli jonksiyonu
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.4`de her iki öngerilimleme potansiyeli bir PNP
transistörüne uygulanmıştır. Burada görüldüğü gibi, çok sayıda
çoğunluk taşıyıcısı, ileri öngerilimli PN jonksiyonunu difüzyon
yoluyla aşarak N tipi malzemeye ulaşmaktadır. Bu taşıyıcıların
doğrudan IB beyz akımına mı katkıda bulundukları yoksa
doğrudan P tipi malzemeye mi geçtikleri sorusu gündeme
gelmektedir. Arada kalan N tipi malzeme, çok ince ve iletkenliği
düşük olduğu için çok az sayıda taşıyıcı, yüksek dirence sahip bu
yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak mA
düzeyindeki beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarında görülen
mA düzeylerine oranla çok küçüktür.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.4 : Bir PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının
akışı
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekilde gösterildiği gibi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli
jonksiyon üzerinden difüzyon yoluyla kollektörün ucuna bağlı P
tipi malzemeye geçeceklerdir. Ters öngerlilimli jonksiyona
enjekte edilen çoğunluk taşıyıcılarının N tipi malzemede azınlık
taşıyıcısı olarak görünmesi, çoğunluk taşıyıcılarının ters
öngerilimli jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerini
sağlamaktadır.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.4`deki transistör tek bir düğüm olarak kabul edilerek
Kirchhoff akım yasası uygulanırsa;
(1.1)
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Ancak kollektör akımı çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları olmak
üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Azınlık akım bileşenine kaçak
akım denir ICO sembolüyle gösterilir. (emiter ucu açıkken akan IC
akımı). Bu nedenle kollektör akımı eşitlik 1.2 ile belirlenir.
(1.2)
Genel amaçlı transistörlerde, IC mA düzeyindeyken, ICO µA veya nA
düzeyindedir. Ters öngerilimlenmiş diyotlardaki IS akımında olduğu
gibi, Ico akımı da sıcaklığa karşı duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına
sahip uygulamalar söz konusu olduğunda dikkatle incelenmelidir.
Gerekli önem verilmezse yüksek sıcaklıklarda sistemin kararlığını
önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Yapım tekniklerinde sağlanan
ilerlemelerle Ico düzeyleri, etkilerinin ihmal edilebileceği noktalara
kadar düşürülmüştür.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.2`de NPN ve PNP transistörleri için görülen devre, beyzin hem giriş
(emiter) hem de çıkış (kollektör) uçlarında ortak olması nedeniyle ortak
beyzli devre olarak anılmaktadır. Ortak beyzli devrede sabit VCB değerleri için
IC`deki küçük bir değişmenin IE deki küçük bir değişime olan oranı ortak
beyzli kısa devre yükseltme faktörü olarak tanımlanmakta ve α (alfa)
sembolüyle gösterilmektedir.
(1.3)
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Tipik α değerleri, 0.90 ile 0.998 arasında değişmektedir. Pratik
uygulamaların çoğunda değeri aşağıdaki formülle belirlenebilir:
(1.4)
Burada IC ve IE sırasıyla, transistör karakteristiği üzerinde
bulunan, belli bir noktadaki emiter ve kollektör akım
değerleridir.
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Denklem (1.3) ve (1.4), transistör karakteristikleri veya devre
koşullarından α değerini bulmak için kullanılır. Ancak α değeri,
sadece Şekil 1.4`ün P tipi emiter ucundan çıkıp kollektör ucuna
ulaşan oyukların (çoğunluk taşıyıcılarının) yüzdesini gösteren bir
ölçüdür. Bu nedenle IC akımı aşağıdaki formülle ifade edilebilir.
(1.4)
Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması
Şekil 1.5 : Bir NPN transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı
Akım Kazançlarının Bulunması
Transistörlü Yükseltme İşleminin Gerçekleştirilmesi
Akım Kazançlarının Bulunması
Transistörler de çıkış akımının giriş akımına oranına akım
kazancı denir. Çıkış akımı daima kolektör akımıdır. Giriş akımı,
transistör bağlantı şekline göre emiter veya beyz akımı olabilir.
Çıkış gerilimi ise sabittir. Transistörün bağlantı şekline göre akım
kazancı farklı isimler alır.
Alfa ( α ) akım kazancı
Ortak beyz bağlantılı yükselteç devrelerinde, kolektör –
beyz gerilimi sabit kalmak şartı ile kolektör akımının emiter
akımına oranına alfa akım kazancı denir.
α=IC / IE
Akım Kazançlarının Bulunması
α akım kazancı hiçbir zaman 1’ den büyük olamaz. Fakat
mümkün olduğu kadar Alfa akım kazancının 1’e yakın olması
istenir. Bunun için kolektör akımı ile emiter akımı birbirine yakın
değerlerde olmalıdır. Bu amaçla beyz kalınlığı çok ince ( 10- 20
mikron ) tutulur.
Alfa akım kazancı yüzey temaslı transistörlerde 0,95 0,98 arasında değişir. Alfa akım kazancının 1’den küçük olması,
devrenin yükseltme yapmayacağını düşündürebilir. Ama beyzi
şase yükselteçlerde, akım yükseltmesi değil, gerilim yükseltmesi
yapar. Αlfa akım kazancı emiterdeki elektronların kolektöre
geçen kısmını ifade eder.
Akım Kazançlarının Bulunması
Şekil : Alfa, beta akım kazancının bulunması deneyi
Akım Kazançlarının Bulunması
Örnek: Bir transistörün ortak beyzli bağlantısında
emiterden geçen akım 6 mA, beyzden geçen akım 0,6 mA ve
kolektör akımı 5,4 mA’dir. Buna göre alfa akım kazancını
bulunuz;
α= IC / IE = 5,4 / 6 = 0,9
Akım Kazançlarının Bulunması
Transistörlerde β (beta) akım kazancı
Emiteri şase yükselteçlerde, kolektör akımının (IC ) beyz
akımına (IB) oranına denir. β akım kazancı bazı yerlerde hFE
olarak ifade edilir. β >1’tür.
hFE =β=IC / IB
Akım Kazançlarının Bulunması
Örnek:
Bir transistörün ortak emiterli bağlantısında emiter
akımı 100 mA, beyz akımı 1 mA’dır. Beta akım kazancını
bulunuz.
hFE =β
=IC / IB
=100/1
=100
Akım Kazançlarının Bulunması
α’nın β Cinsinden İfadesi:
α = IC / IE dir. IE yerine, IE = IB + IC α ; formülünde yerine
konulduğunda α akım kazancı β akım kazancı cinsinden
bulunmuş olur.
Akım Kazançlarının Bulunması
Formülünde IE = IC + IB dir ve bu eşitlik α formülünde yerine
konulduğunda;
IC/ IB yerine, β yazarak α akım kazancı β akım kazancı
cinsinden bulunmuş olur.
Akım Kazançlarının Bulunması
β nın α cinsinden ifadesi
Elde edilen α akım kazanç formülünden faydalanarak β
akım kazancı elde edilebilir.
IC/ IE yerine α yazarak β akım kazancını α cinsinden
bulunmuş olur.
Akım Kazançlarının Bulunması
Örnek:
Alfa akım kazancı 0,99 olan bir transistörün β akım
kazancını bulunuz.
Akım Kazançlarının Bulunması
Örnek:
β akım kazancı 49 olan bir transistörün alfa akım
kazancını bulunuz.
Dinlediğiniz için;