Analog Elektronik

YARIİLETKENLERİN TANITILMASI

Konular: 1.1 Atomik Yapı 1.2 Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan 1.3 Yarıiletkenlerde İletkenlik 1.4 N Tipi ve P tipi Yarıiletkenler 1.5 PN Bitişimi (eklemi) ve Diyot 1.6 PN Bitişiminin Önbeslemesi

Amaçlar: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• Maddenin temel atomik yapısı • Atom numarası ve ağırlığı, elektron kabukları ve yörüngeler, Valans elektronları,

iyonizasyon • Yarıiletken, iletken ve yalıtkan. Enerji bandları, Silisylum ve germanyum • Yarıiletkenlerde iletkenlik, elektronlar ve boşluklarda iletkenlik, • N tipi ve P tipi maddenin oluşturulması; Katkı işlemi • PN eklemi ve temel işlevleri • PN ekleminin önbeslenmesi • Diyot karakteristikleri

BÖLÜM 1

2

Şekil-1.1 Çeşitli elektronik devre elemanlarının genel görünümü

Kullandığımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre elemanı kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanları ise yarıiletken materyaller kullanılarak üretilir. Diyot, transistör, tristör, FET, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu şekil-1.1’de resimlenmiştir.

ANALOG ELEKTRONİK- I Kaplan

3

Elektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için yarıiletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye gereksinim duyarız. Bu bilgiyi ulaşmanın en etkin yolu maddenin temel atomik yapısını incelemekle başlar.

Bu kitap boyunca elektronik devre elemanlarını belirli bir sıra içerisinde tanıyacağız. Bu elemanların tüm özelliklerini inceleyerek cihaz tasarımlarını gerçekleştireceğiz.

1.1 ATOMİK YAPI

Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı belirler. Atomik yapıya bağlı olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılırlar.

Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlarının üretiminde yarıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı üretiminde kullanılan iki temel materyal vardır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur.

İletken, yalıtkan ve yarıiletken maddelerin işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir.

Bu bölümde temel atomik yapıyı inceleyeceğiz. Bölüm sonunda aşağıda belirtilen konular hakkında bilgi edineceksiniz.

• Çekirdek, proton, nötron ve elektron • Atom ağırlığı ve atom numarası • Yörünge • Valans elektronları • İyonisazyon

Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir.

Klasik bohr modeline göre atom, şekil-1.1’de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron’dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Çekirdek artı yüklüdür. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler.


4

Elektron

Proton

Nötron

Şekil-1.1 Bohr modeline göre atom.

Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil-1.2.a’da gösterildiği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil-1.2.b’de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise; iki proton ve iki nötron bulunmaktadır.

+

-

1 Protonlu çekirdek

-

2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek

-

+

+

Çekirdek yörüngesinde1 elekton

Çekirdek yörüngesinde2 elekton

a) Hidrojen Atomu b) Helyum Atomu

Şekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları

Atom Numarası ve Ağırlığı Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1’dir ve atom ağırlığı da 1’dir. Helyumun atom numarası 2’dir ve atom ağırlığı ise 4’ tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir.


5

Elektron Kabukları ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler.

Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür.

Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk k ‘dır. k ve l kabukları şekil-1.4 ‘de gösterilmiştir.

enerji seviyesi

W6W5W4W3

W2W11. Kabuk

2. Kabuk

Çekirdek

W= Enerjir = Çekirdekten uzaklık

k

l

Bu elektron, en düşükenerjiye sahiptir.

Bu elektron, en yüksekenerjiye sahiptir.

r1r2

r3

r4

r5r6

Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri.

Valans Elektronları

Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar.

Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa “kovelant bağ” denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise “valans elektron” adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar.


6

İyonizasyon Bir atom, ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir.

Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimleri artar. Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir.

Bir atom, pozitif şarjın aşırı artması (protonların elektronlardan daha fazla olması) durumunda nötr değere ulaşmaya çalışır. Bu amaçla atom, valans elektronlarını harekete geçirir. Valans elektronunu kaybetme işlemi “İYONİZASYON” olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H’dır. Hidrojenin valans elektronları kaybedildiğinde pozitif iyon adını alır ve H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan valans elektronları “serbest elektron” olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde (elektronların prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H- olarak gösterilirler.

1.2 YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN

Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır. Bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalışacağız.

Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konularda ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• Atomik yapının özü • Bakır, silisyum, germanyum ve karbon v.b maddelerin atomik yapıları • İletkenler • Yarıiletkenler • İletken ve yarıiletken arasındaki farklar • Silisyum ve germanyum yarıiletken malzemelerin farklılıkları

Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir.

İletken Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örneğin bakır, altın, gümüş v.b ….


7

Yalıtkan

Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yalıtkan maddelere örnek olarak bakalit, ebonit v.b ametalleri sayabiliriz. Yarıiletken

Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar.

Enerji Bandı

Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları şekil-1.4’de verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı adeta birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil-1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir.

İletim Bandı

Valans Band

İletim Bandı

Valans Band

İletim BandıValans Band

Enerji Enerji Enerji

Enerji Aralığı

Enerji Aralığı

0 0 0a) Yalıtkan a) Yarıiletken a) İletken

Şekil-1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Şekil-1.5‘de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır.


8

+14

+32

a) Silikon Atomu b) Germanyum Atomu

En dış yörüngede 4 valanselektronu bulunur.

Şekil-1.4 Silisyum ve germanyum atomları.

Kovelant Bağ Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir.

Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil-1.5 saf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır.

Si

-

-

-

-- - -

-

-

-

-

-

-

-

-

--- - - -

-

--

- -

-

-

-- -

-

-

--

--

-

--

-

-

-

-

- - - -

SiSiSi

Si Si Si Si

SiSiSiSi

Kovelant Bağlar

Valans Elektronlar

Şekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları.


9

1.3 YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK

Malzemenin elektrik akımını nasıl ilettiği, elektrik devrelerinin nasıl çalıştığının anlaşılması bakımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mantığını bilmeden diyot veya transistör gibi yarıiletken devre elemanlarının çalışmasını anlayamazsınız.

Bu bölümde iletkenliğin nasıl meydana geldiğini ve bazı malzemelerin diğerlerinden niye daha iletken olduğunu, yarıiletken malzemelerde iletkenliğin nasıl sağlandığını öğreneceksiniz.

Bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum şekil-1.6‘da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir.

Çekirdek 0

1. Band ( k kabuğu)

2. Band ( l kabuğu)

Valans Band

İletim Bandı

Enerji Aralıkları

Enerji Aralıkları

Enerji Aralıkları

Enerji

Şekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı.

Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil-1.7.a‘da enerji diyagramında, şekil-1.7.b‘de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara “delik=boşluk” veya “hole” denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjile-rini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey eski haline döner.


10

Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böyle-ce valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar.

Valans Band

İletim Bandı

Enerji Aralıkları

Enerji

Delik

SerbestElektron

IsıEnerjisi

a) Enerji Diyagramı

Isı

Enerjisi

SerbestElektron

Delik

Si

Si

b) Bağ Diyagramı Şekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması.

Elektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil-1.8 üzerinde gösterilmiştir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir.

Si

Si

Si

Si Si Si

SiSiSi

SiSi SiSi

Si

Si

+V

Şekil-1.8 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket, silisyum içinde bir elektron akışına neden olur.

Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil-1-9‘da gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır.


11

Şekil-1.9 Serbest elektronların sıcaklık oluşturması ile meydana gelen hareket silisyum içinde bir

elektron akışına neden olur.

1.4 N-TİPİ VE P-TİPİ YARI İLETKENLER

Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır.

Bu bölümü bitirdiğinizde; • Katkı (doping) işlemini • N-tipi yarıiletken maddenin yapısını • P-tipi yarıiletken maddenin yapısını • Çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarını

Ayrıntılı olarak öğreneceksiniz.

Katkı İşlemi (Doping)

Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme “doping” denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde oluşur.


12

N-Tipi Yarıiletken

Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu şekil-1.10’da gösterilmiştir.

Fosfor atomunun 4 valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor’un 1 valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır. Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik, elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz.

Fb atomununserbest elektronu

Si

-

-

-

-- - -

-

-

-

-

-

-

-

-

--- - - -

-

--

- -

-

-

-- -

-

-

--

--

-

--

-

-

-

-

- - - -

SiSiSi

Si Si Fb Si

SiSiSiSi

Kovelant Bağ

-

Şekil-1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması.

Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine N-tipi yarıiletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcıları diye adlandırılır. Böylece N-tipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır. Buna rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. Bu boşluklar 5-değerli katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. N-tipi malzemede boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır.

P-Tipi Yarıiletken

Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. Buna “boşluk” veya “delik=hole” denir.

Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile P-tipi malzemede çoğunluk akım taşıcıları boşluklardır. Elektronlar ise P tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda oluşmuştur. Bunlar ısı ile oluşan boşluk çifti esnasında meydana gelmiştir. Bu serbest elektronlar, silisyuma yapılan katkı esnasında oluşturulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır.


13

B atomundanoluşan delik (hole)

Si

-

-

-

-- - -

-

-

-

-

-

-

-

-

--- - - -

-

--

-

-

-

-- -

-

-

--

--

-

--

-

-

-

-

- - - -

SiSiSi

Si Si B Si

SiSiSiSi

Kovelant Bağ

Şekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 bağlı katkı atomu. Bohr katkı atomu merkezde

gösterilmiştir.

1.5 PN BİRLEŞİMİ

Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi (junction) veya PN eklemi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır.

Bu bölümü bitirdiğinizde;

• PN bitişiminin özelliklerini • Deplasyon katmanı ve işlevini

ayrıntılı olarak öğreneceksiniz.

Şekil-1.12.(a)‘da yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine “yarı iletken diyot” denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım taşıyıcıcısı olarak görev yaparlar ve “çoğunluk akım taşıyıcısı” olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” adı verilir.

P TİPİ MADDE N TİPİ MADDE

Delik (hole)

Elektron

N TİPİMADDE

pn bitişimi

P TİPİMADDE

Şekil-1.12.a ve b Basit bir PN yapısının oluşumu.

Çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir.


14

P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “çoğunluk akım taşıyıcıları” denir. Bu bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” denir. Bu durum şekil-1.12.(b)‘de gösterilmiştir. PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur.

Deplasyon Katmanı ve İşlevi

P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı meydana gelmişti. Elektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir.

P ve N maddesi şekil-1.13.a’da görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. Birleşim olduğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşluk=delik) birleşirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise, N maddesine gelip elektronlarla birleşirler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmış olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter. Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler. Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında “gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) oluşur.

Bu durum şekil-1.13.b’de resmedilmiştir. İletim dengesi sağlandığında deplesyon katı, P-N birleşiminde iletim elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler.

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

Engel PotansiyeliP TİPİ MADDE N TİPİ MADDE

Delik (hole)

Elektron

P TİPİ MADDE N TİPİ MADDE

pn bitişimi

-

DeplasyonBölgesi

Şekil-1.13.a ve b PN birleşiminin denge iletimi. Elektron boşluk çiftinin oluşturduğu sıcaklıkla, N bölgesindeki birkaç boşluğun azınlık taşıyıcılarının meydana getirilmesi.

Şekil-1.13.b’de PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 250 C’de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 10C’lik artış, diyot öngeriliminin yaklaşık 2.3mV azalmasına neden olur.

Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.


15

1.6 PN BİRLEŞİMİNİN POLARMALANMASI

İleri Yönde Polarma (Forward Bias)

İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birleşiminden akım akmasını sağlayacak şekilde yapılan polarmadır. Şekil-1.14‘de bir diyoda ileri yönde polarma sağlayacak bağlantı görülmektedir.

p

n

R

+ -Vpolarma

Şekil-1.14 İleri yönde polarma bağlantısı. R, direnci akım sınırlamak amacıyla kullanılmıştır.

İleri yönde polarma şöyle çalışır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) bağlanmıştır. Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birleşim bölgesine doğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birleşim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ulaşınca; N bölgesindeki elektronların ve P bölgesindeki oyukların engel bölgesini aşmasını sağlar.

N bölgesinden ayrılan elektronlara karşılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda elektron girmesini sağlar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi (çoğunluk akım taşıyıcıları) eklem bölgesine doğrudur.

Karşıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde boşluklar ile birleşirler. Valans elektronları boşluklara taşınır ve boşluklar ise pozitif anot bölgesine taşınır. Valans

PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN bitişimi elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır.

PN birleşimine elektronik biliminde “diyot” adı verilmektedir. Diyot veya diğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte “Polarma” veya “bias” adı verilmektedir.

PN birleşimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır. Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” diğeri ise “ters yönde polarma” dır. İleri veya ters yönde polarma, tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir.


• İleri yönde polarma (forward bias) • Ters yönde polarma (reverse bias)

Kavramlarını öğreneceksiniz.


16

elektronlarının boşluklarla birleşme işlemi PN uçlarına voltaj uygulandığı sürece devam eder ve devamlı bir “akım” meydana gelir. Bu durum şekil-1.15’de resmedilmiştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron akışı görülmektedir.

R

+ -Vpolarma

VD

Elektron akımıboşluk akımı

N TİPİP TİPİ

Şekil-1.15: PN birleşimli diyot ‘ta elektron akışı.

İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi

PN birleşiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu değere ulaştığında, PN birleşiminde iletim başlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akışı devam eder. Bu akıma ileri yön akımı If denir. If akımı P ve N bölgesinin direncine bağlı olarak çok az değişir. Bu bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir gerilim kaybına sebep olur. Ters Polarma (Revrese Bias)

Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine bağlanmıştır. Bu durum şekil-1.16‘da gösterilmiştir. Ters polarmada PN birleşiminden akım akmaz. Bataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki boşlukları kendine doğru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine doğru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yalıtkan katman genişler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar oluşturulur.

p

n

+-Vpolarma

Şekil-1.16 Ters Polarma bağlantısı.


17

Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas gerilimine eşit oluncaya kadar genişler. Bu noktada boşlukların ve elektronların hareketi durur. Birleşimden çoğunluk akım taşıyıcılarının harekete başlaması (transient ) akımı diye adlandırılır. Bu ise ters kutuplama yapıldığında çok kısa bir anda akan bir akımdır.

+-Vpolarma

EngelKatmanı

N TİPİP TİPİ- +

-

----

---

--- +

+ +++++++

++

Şekil-1.17 Ters polarmada oluşan engel katmanı

Diyot ters kutuplandığında engel katmanının yalıtkanlığı artacak ve her iki taraftaki iyonlar şarj olacaktır. Bu durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça engel katmanı genişler. Bu arada kapasitans’da artacaktır. Bu durum, deplesyon katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sağlar.

Azınlık Akımı

Şimdiye kadar öğrendiğimize göre; diyoda ters gerilim uygulandığında çoğunluk akım çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut olacaktır. Bu ters akım germanyumda, silisyum‘a göre daha fazladır. Bu akım silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile oluşan elektron boşluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulanırken bazı elektronlar PN birleşimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda birleşimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına bağlıdır dolayısı ile ısının artması ters akımı da artıracaktır. Ters Yönde Kırılma

Eğer dışarıdan uygulanan ters polarma gerilimi aşırı derecede artırılırsa çığ kırılması meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcıları olan iletkenlik bandı elektronlar dışarıdan uygulanan ters gerilim kaynağının etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronları iletkenlik bandına doğru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının hızla çoğalması olayı, çığ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Çoğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalışacak yönde yapılmışlardır. Bunlara “Zener Diyot” adı verilir.


18

1.7 DİYOT

Önceki bölümlerde oluşturulan PN birleşimine elektronik endüstrisinde “diyot” adı verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini oluşturan en basit aktif devre elemanıdır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine bağlı olarak farklı akım ve gerilim değerlerinde çalışabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmışlardır.

Bu bölümde diyodun nasıl çalıştığını, akım-gerilim karakteristiklerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bu bölümde sıra ile;

• Diyot sembolünü • İdeal diyot modelini • Pratik diyot modelini • Diyot’un polarmalandırılmasnıı, • Diyot’un V-I karakteristiğini • Diyot direncini • Diyotlarda yük doğrusu ve çalışma karakteristiğini • Diyodun sıcaklıkla ilişkisini

Öğreneceksiniz. Bu bölümde öğreneceğiniz temel çalışma prensipleri, ileriki bölümlerde diyotlarla yapacağınız uygulama ve tasarımlara sizleri hazırlayacaktır.

PN Bitişimi ve Diyot Bir önceki bölümde oluşturulan P ve N maddesinin birleştirilmesi, Diyot adı verilen yarıiletken devre elemanını meydana getirir. P ve N maddesinin birleştirilmesi işlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yapılabilir. Bu nedenle diyotlara “nokta temaslı diyot” veya “yüzey bitişimli diyot” adı da verilebilir. Her iki tip diyodun özellikleri ve çalışma karakteristikleri aynıdır. Dolayısı ile bu olay üreticileri ilgilendirir. Bizim bu konuyla ilgilenmemize gerek yoktur. Şekil-1.19’da elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların kılıf tipleri ve terminal isimleri verilmiştir.

Şekil-1.19 Diyot’larda kılıf tipleri ve terminal isimleri


19

Elektronik biliminde her devre elemanı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir takım uluslararası kurallara göre yapılmaktadır. Şekil-1.20’de diyot’un temel yapısı ve şematik diyot sembolleri verilmiştir.

Anot

Katod

Anot

Katod

N

P

Katod

Anot

Şekil-1.20 Diyot’un yapısı ve şematik diyot sembolleri

Şekil-1.20’de görüldüğü gibi diyot 2 terminalli aktif bir devre elemanıdır. Terminallerine işlevlerinden dolayı “anot” ve “katod” ismi verilmiştir. Anot terminalini P tipi madde, katod terminalini ise N tipi madde oluşturur.

Bu bölümde genel amaçlı doğrultmaç diyotlarını ayrıntıları ile inceleyeceğiz. Elektronik endüstrisinde farklı amaçlar için tasarlanmış, işlevleri ve özellikleri farklılıklar gösteren diyotlarda vardır. Bu diyotlar, özel tip diyotlardır. İleriki bölümlerde incelenecektir.

İdeal Diyot Modeli İdeal diyodu tek yönlü bir anahtar gibi düşünebiliriz. Anot terminaline göre; katot terminaline negatif bir gerilim uygulanan diyot, doğru (ileri) yönde polarmalandırılmış olur. Diyot, doğru yönde polarmalandığında kapalı bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin verir. Direnci minimumdur. Bu durum şekil-1.21..a’da görülmektedir.

Anot terminaline göre; katot terminaline pozitif bir gerilim uygulanan diyot ters yönde polarmalandırılmış olur. İdeal diyot ters yönde polarmalandırıldığında, açık bir anahtar gibi davranır. Üzerinden akım akmasına izin vermez ve direnci sonsuzdur.

Bu durum şekil-1.21.b’de gösterilmiştir. İdeal bir diyot’un Akım-gerilim karakteristiği ise şekil-1.21.c’de verilmiştir.

+VDD R

İdeal Diyot

VF=0V

IF=V /RDD

a) Dogru Polarma

rV Vf

If

Irc) V-I Karakteristiği

+VDD R

İdeal Diyot

Vr

Ir=0

b) Ters Polarma Şekil-1.21 İdeal diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları


20

Pratik Diyot Modeli Pratik kullanımda diyot, ideal modelden farklı davranışlar sergiler. Örneğin; doğru polarma altında kapalı bir anahtar gibi kısa devre değildir. Bir miktar direnci vardır. Bu nedenle üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir ve VF veya VD sembolize edilir. Bu gerilim değeri; silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Gerçek bir diyot’un doğru polarma altında modellemesi şekil-1.22..a’da verilmiştir.

Ters yönde polarmada ise, açık bir anahtar gibi direnci sonsuz değildir. Bu nedenle üzerinden çok küçük bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir ve IR ile sembolize edilir. Sızıntı akımı çok küçük olduğundan pek çok uygulamada ihmal edilebilir.

Gerçek bir silisyum diyodun V-I karakteristiği ise şekil-1.22.c’de verilmiştir. Örneğin; şekil-1.22.a’da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım değeri IF;

RVVI DDD

F−

=

olarak belirlenir.

+VDD R

V

I

a) Dogru Polarma b) Ters Polarma

f

f

+

+VDD R

V

I

r

r

+

+dr0.7

Srr

S

rV V f

r

f

I

I

c) V-I Karakteristiği Şekil-1.22 Pratik bir diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları

1.8 DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ

Diyot karakteristiği; diyoda uygulanan polarma gerilimi ve akımlarına bağlı olarak diyodun davranışını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli karakteristikleri kullanıcıya sunarlar.

Bu bölümde; • Diyot’un V-I karakteristiğini • Diyot direncini • Yük doğrusu ve çalışma noktasını • Diyot karakteristiğinin sıcaklıkla ilişkisini

ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.


21

Diyot’un V-I karakteristiği Diyot’un V-I karakteristiği; diyot uçlarına uygulanan gerilimle, diyot üzerinden geçen akım arasındaki ilişkiyi gösterir. Diyot; doğru ve ters polarma altında farklı davranışlar sergiler. Genel kullanım amaçlı silisyum diyodun doğru ve ters polarmalar altındaki V-I karakteristiği şekil-1.23’de verilmiştir. Şekil-1.23 üzerinde diyodun V-I karakteristiğini çıkarmak için gerekli devre bağlantıları görülmektedir.

Diyot, doğru polarmada iletimdedir. Ancak iletime başlama noktası VD olarak işaretlenmiştir. Bu değerden sonra diyot üzerinden akan ileri yön IF akımı artarken, diyot üzerine düşen gerilim yaklaşık olarak sabit kalmaktadır. Bu gerilim diyot öngerilimi olarak adlandırılır. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot’da yaklaşık olarak 0.7V civarındadır.

Ters polarma altında ise; diyot üzerinden geçen akım miktarı çok küçüktür. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı, silisyum bir diyot’da birkaç nA seviyesinde, germanyum bir diyot’da ise birkaç µA seviyesindedir. Ters polarma altında diyot, belirli bir gerilim değerinden sonra iletime geçer. Üzerinden akan akım miktarı yükselir. Ters polarma altında diyot’u kırılıp iletime geçmesine neden olan bu gerilime “kırılma gerilimi” denir. Bu durum şekil-1.23 üzerinde gösterilmiştir.

)V(Vf

)mA(If

)V(Vr

)A(Ir µ

Sızıntı akımıKırılma noktası

VDD R

Dogru Polarma

f+

I f

V

+

VDD R

Ters Polarma

r+

I r

V

+

VF=0.7V

Şekil-1.23 Silisyum diyot’un V-I karakteristiği

Diyot; kırılma geriliminde iletime geçmekte ve üzerinden akım akmasına izin vermektedir. Şekil-1.23’deki grafik dikkatlice incelenirse, diyot üzerinden akan akım arttığı halde, gerilim sabit kaldığı gözlenmektedir. Bu durum önemlidir. Üretici firmalar, bu durumu dikkate alarak farklı değerlerde kırılma gerilimine sahip diyotlar geliştirip, tüketime sunmuşlardır. Bu tür diyotlara “zener diyot” adı verilir. Zener diyotlar, ileri bölümlerde ayrıntılı olarak incelenecektir.


22

Şekil-1.23’de verilen diyot karakteristiğinde; diyot’un kırılıp akım akıtmaya başlaması, aşağıda verilen eşitlik ile açıklanabilir.

)e(II kTqV

10 −= η

Bu formülde; I : Diyot akımını I0 : Ters polarmada sızıntı akımını V : Diyot uçlarına uygulanan polarma gerilimini Q : Elektron şarj miktarını (Coulomb olarak) T : pn birleşim sıcaklığını (K cinsinden) K : Boltzman sabitini ŋ : Metale bağımlı bir sabite (Ge:1, Si=2)

Silisyum ve germanyum diyotların akım-gerilim karakteristik eğrileri şekil-1.24’de birlikte verilmiştir. Görüldüğü gibi germanyum diyotların sızıntı akımı çok daha büyüktür. Bu nedenle günümüzde silisyum diyotlar özellikle tercih edilir. Germanyum diyotlar, ise öngerilimlerinin küçük olmaları nedeniyle (0.2-0.3V) özellikle alçak güçlü yüksek frekans devrelerinde kırpıcı olarak kullanılmaktadırlar.

)A(Ir µ

)V(Vf)V(Vr

)mA(If

2µA

4µA

6µA

5

15

10

20

25

30

0.70.50.3

Si

Si

Ge

Ge

rI (si)=10nA

Şekil-1.24 Silisyum ve germanyum diyot karakteristiklerinin karşılaştırılması

Diyot Direnci

Diyot’un elektriksel olarak direnci; diyot uçlarındaki gerilimle diyot üzerinden geçen akımın oranına göre tayin edilir. Diyot direnci, karakteristiğinde görüldüğü gibi doğrusal değildir. Doğru polarma altında ve iletim halindeyken, direnci minimum 10Ω civarındadır. Ters polarma altında ve kesimdeyken ise 10MΩ-100MΩ arasındadır. Diyodun doğru akım altında gösterdiği direnç değerine “statik direnç” denir. Statik direnç (rs) aşağıdaki gibi formüle edilir.


23

D

DS I

Vstatikr =)(

Alternatif akım altında gösterdiği direnç değerine “dinamik direnç” denir. Dinamik direnç (rD) aşağıdaki gibi formüle edilir.

IVdinamikrD ∆

∆=)(

Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği kullanılır. Şekil-1.25’de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristiği verilmiştir.

.

IF(mA)

VF (v)

Q1

Q2

Q3

V1 V2 V3

I1

I2

I3

Şekil-1.25 Statik ve Dinamik diyot dirençlerinin belirlenmesi

Statik ve dinamik diyot dirençlerinin belirlenip formüle edilmesinde şekil-1.25’de görülen diyot karakteristiğinden yararlanılır. Şekilde görülen karakteristikte değişim noktaları Q1, Q2 ve Q3 olarak işaretlenmiştir. Örneğin Q1 ve Q2 noktalarında diyot’un statik direnci;

1

11 )(

IV

QrS =

2

22 )(

IV

QrS =

olarak bulunur. Diyot’un dinamik direnci ise, akım ve gerilimin değişmesi ile oluşan direnç değeridir. Örneğin Q2 noktasındaki dinamik direnç değerini bulmak istersek, Q2 noktasındaki değişimin (Q1 .. Q3 değişimi gibi) küçük bir değişimini almamız gerekir.

13

13

IIVV

IVrD −

−=

∆∆

=

Elde edilen bu eşitlik ters polarmada da kullanılabilir.

Yük Doğrusu ve Çalışma Noktası

Diyot, direnç ve DC kaynaktan oluşan basit bir devre şekil-1.26.’da verilmiştir. Devrede diyot doğru yönde polarmalandırılmıştır.

IF(mA)

V(v)

Q

VFVDD

R

IF

VD

VDD REgim 1

−=

RVDD


24

Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı;

RV

I DDF =

olacağı açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldığında ise; devreden akacak I akımı miktarına bağlı olarak diyot uçlarında VD ile belirlenen bir diyot öngerilimi oluışacaktır. Bu gerilim değeri lineer değildir. Bu gerilim değerinin;

RIVV FDDF ⋅−=

olacağı açıktır. Ayrıca devreden akan akacak olan ID akımı değerinin VDD gerilimine bağlı olarak da çeşitli değerler alacağı açıktır. Çeşitli VDD değerleri veya IF değerleri için, diyot ön gerilimi VD’nin alabileceği değerler diyot karakteristiği kullanılarak bulunabilir. VDD geriliminin çeşitli değerleri için devreden akacak olan IF akım değerleri bulunup karakteristik üzerinde işaretlenir ve kesişim noktaları birleştirilirse şekil-1.26’da görülen eğri elde dilir. Bu eğriye yük doğrusu denilir.

Yük doğrusu çizimi için;

IF=0 için VF=VDD (Diyot yalıtkan) VF=0 için IF=VDD/R (Diyot iletken)

Bulunan bu değerler karakteristik üzerindeki koordinatlara işaretlenir. İşaretlenen noktalar karakteristik üzerinde birleştirilirse yük doğrusu çizilmiş olur. Bu durum şekil-1.26 üzerinde gösterilmiştir. Diyot karakteristik eğrisinin yük çizgisini kestiği nokta Q çalışma noktası olarak bilinir. Yük çizgisinin eğimi ise -1/R’dir.

Şekil-1.26’da verilen devreye bağlı olarak yük doğrusu bir defa çıkarıldıktan sonra VDD’nin herhangi bir değeri için akacak akım miktarı ve buna bağlı olarak R direnci uçlarında oluşabilecek gerilim değeri kolaylıkla bulunabilir. Yük doğrusu ve çalışma noktasının tayini; diyot’u özellikle hassas kullanımlarda duyarlı ve pratik çalışma sağlar.

Sıcaklık Etkisi

Diyot karakteristiği ile ilgili bir diğer faktör ise sıcaklıktır. Üretici firmalar diyodun karakteristik değerlerini genellikle 250C oda sıcaklığı için verirler. Diyot’un çalışma ortamı ısısı, oda sıcaklığından farklı değerlerde ise diyot öngeriliminde ve sızıntı akımında bir miktar değişime neden olur.

• Diyot öngerilimi VF; her 10C’lik ısı artışında yaklaşık 2.3mV civarında azalır. • Diyot sızıntı akımı I0; her 100C’lik ısı artışında yaklaşık iki kat olur.

Diyot’un ısı değişimine karşı gösterdiği duyarlılık oldukça önemlidir. Örneğin bu duyarlılıktan yararlanılarak pek çok endüstriyel ısı ölçümünde ve kontrolünde sensör olarak diyot kullanılır.


25

Örnek:1.1

Çözüm:1.1

a) Şekil-1.27.a’da verilen devre için diyot üzerinden akan ileri yön akımını ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz.

b) Şekil-1.27.b’de verilen devre için ters yön gerilim ve akım değerlerini ideal ve pratik bir silisyum diyot için bulunuz. Diyot ters yön akımı IR=1µA

1KΩ

RA

VDD VF10V

1KΩ

RA

VDD VR10V

(a) (b)

IRIF

Şekil-1.27.a ve b Diyot devreleri

a) İdeal Diyot Modeli; VF=0V

mAK

VR

VIA

DDF 10

110

=Ω

==

VKmARIV AFA 10)1()10( =Ω⋅=⋅=

Pratik Diyot Modeli; VF=0.7V

mAK

VVR

VVIA

FDDF 3.9

17.010

=Ω

−=

−=

VKmARIV AFA 3.9)1()3.9( =Ω⋅=⋅=

b) İdeal Diyot Modeli; IR=0A

VVV DDR 10==

VVRA 0=

Pratik Diyot Modeli; IR=1µA

mVKARIV ARRA 1)1()1( =Ω⋅=⋅= µ

VmVVVVV RADDR 999.9110 =−=−=

c)

d)


26

Örnek: 1.2

Çözüm:

a) Şekil-1.28’de verilen devrede germanyum diyot kullanılmıştır. Diyot’un dayanabileceği maksimum akım değeri 100mA olduğuna göre R direncinin minimum değeri ne olmalıdır? Diyot ve direnç üzerinde harcanan güçleri bulunuz?

b) Aynı devrede verilen diyot karakteristiğini kullanarak diyot’un ac dinamik direncini bulunuz?

IF(mA)

VF(v)0.90.72

R

ID

VDD

50

10

10V

VF=0.3V

Şekil-1.28 Diyot devresi ve V-I karakteristiği

a) DDDD VRIV +⋅=

Ω=−

=−

= 97100

3.010mA

VVI

VVR

D

DDD

Direnç ve diyot üzerinde harcanan güçleri hesaplayalım. WmARIP FR 97.0)97()100()( 22 =Ω⋅=⋅=

mWWVmAVIP DFD 3003.0)3.0()100()()( 2 ==⋅=⋅=

b) İleri yön karakteristiği verilen diyodt’un ac dinamik direnç değeri;

mAV

mAmAVV

IVrD 40

18.0105072.09.0

=−

−=

∆∆

= Ω= 5.4Dr

Diyot Testi

Diyot, sayısal veya analog bir multimetre yardımıyla basitçe test edilebilir. Analog bir multimetre ile ölçme işlemi Ω konumunda yapılır. Sağlam bir diyot’un ileri yön direnci minumum, ters yön direnci ise sonsuz bir değerdir. Test işlemi sonucunda diyot’un anot-katod terminalleri de belirlenebilir.

Şekil-1.29’da diyot’un sayısal bir multimetre yardımıyla nasıl test edileceği gösterilmiştir. Test işlemi sayısal multimetrenin “Diyot” konumunda yapılır. Multimetrenin gösterdiği değer diyot üzerindeki öngerilimidir. Bu gerilim; doğru polarmada silisyum diyotlarda 0.7V civarındadır. Germanyum diyotlarda ise 0.3V civarındadır. Ters polarmada her iki diyot tipinde multimetrenin pil gerilimi (1.2V) görülür.


27

0.70

V

Ω

Off

mA

A

COM VΩ10A mA

10A

Katod Anot

a) Ileri Yönde polarma b) Ters Yönde polarmaDiyot Saglam Diyot Saglam Diyot Bozuk (açik devre)

c) Ileri Yönde polarma d) Ileri Yönde polarmaDiyot Bozuk (kisa devre)

1.20

V

Ω

Off

mA

A

COM VΩ10A mA

10A

KatodAnot

1.20

V

Ω

Off

mA

A

COM VΩ10A mA

10A

Katod Anot

0.00

V

Ω

Off

mA

A

COM VΩ10A mA

10A

Katod Anot

Şekil-1.25 Sayısal multimetre ile diyot testi

1.9 BÖLÜM ÖZETi

• Doğadaki tüm maddeler atomlardan oluşur. Klasik bohr modeline göre atom 3 temel parçacıktan oluşur. Proton, nötron ve elektron.

• Atomik yapıda nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar. Protonlar pozitif yüklüdür. Nötronlar ise yüksüzdür.

• Elektronlar, çekirdekten uzakta belirli yörüngelerde bulunurlar ve negatif yüklüdürler. Yörüngedeki elektronlar atom ağırlığı ve numarasına bağlı olarak belirli sayılardadırlar.

• Atomun yörüngeleri K-L-M-N olarak adlandırılırlar. Bir atomun son yörüngesindeki elektron miktarı 8’den fazla olamaz.

• Atomun son yörüngesindeki elektronlar “valans elektron” olarak adlandırılırlar. Valans elektronlar maddenin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak tanımlanmasında etkindirler.

• Yarıiletken materyaller 4 adet valans elektrona sahiptir. Elektronik endüstrisinde yarıiletken devre elemanlarının üretiminde silisyum ve germanyum elementleri kullanılır.

• Silisyum veya germanyum elementlerine katkı maddeleri eklenerek P ve N tipi maddeler oluşturulur. P ve N tipi maddeler ise elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılırlar.

• P ve N tipi maddelerin birleşimi diyot’u oluşturur. Birleşim işlemi bir noktada yapılabildiği gibi yüzey boyunca da yapılabilir. Bu nedenle diyotlar genellikle yüzey birleşimli veya nokta temaslı olarak imal edilirler. Her iki tip diyot’unda temel özellikleri aynıdır.


28

• Diyot elektronik endüstrisinin en temel devre elemanlarından biridir. İki adet terminale sahiptir. N tipi maddeden oluşan terminale Katot, P tipi maddeden oluşan terminale Anot ismi verilir.

• Diyot iki temel çalışma biçimine sahiptir. Bunlar İletim ve kesim modunda çalışmadır.

• Diyot’un anoduna; kataduna nazaran daha pozitif bir gerilim uygulanırsa diyot iletim bölgesinde çalışır ve iletkendir. Diyot’un anoduna; kataduna nazaran daha negatif bir gerilim uygulanırsa diyot kesim bölgesinde çalışır yalıtkandır.

• İletim bölgesinde çalışan bir diyot üzerinde bir miktar gerilim düşümü oluşur. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi silisyum bir diyot üzerinde yaklaşık 0.7V, Germanyum bir diyot üzerinde ise yaklaşık 0.3V civarındadır.

• Diyot öngerilimi bir miktar diyot’un çalışma ortamı ısısına bağımlıdır. Diyot öngerilimi 10C sıcaklık artmasına karşın yaklaşık 2.3mV azalır.

• Kesim bölgesinde çalışan bir diyot, pratik olarak açık devre (direnci sonsuz) değildir. Üzerinden çok küçük bir bir miktar akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Bu değer nA ile µA’ler mertebesindedir.

• Sızıntı akım değeri germanyum diyotlarda silisyum diyotlardan bir miktar daha fazladır.Sızıntı akımı diyot’un çalışma ısısından etkilenir. Örneğin her 100C sıcaklık artışında sızıntı akımı yaklaşık iki kat olur.

• Analog veya sayısal bir ohmmetre kullanılarak diyotların sağlamlık testi yapılabilir. Test işlemi sonucunda ayrıca diyot’un anot ve katot terminalleri belirlenebilir.


Diyot Uygulamaları

Konular: 2.1 Yarım-Dalga Doğrultmaç 2.2 Tam-Dalga Doğrultmaç 2.3 Filtre Devreleri 2.4 Kırpıcı ve Sınırlayıcı Devreler 2.5 Gerilim Kenetleyici ve Gerilim Çoklayıcılar 2.6 Diyot Veri Sayfaları

Amaçlar: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• Yarım dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi • Tam dalga doğrultmaç devresinin çalışması ve analizi • Doğrultmaçlarda filtreleme ve filtre devreleri • Diyotlarla gerçekleştirilen kırpıcı ve sınırlayıcı devrelerin analizi • Diyot veri sayfalarının incelenmesi ve çeşitli karakteristikler • Diyot devrelerinin kısa analizleri ve yorumlar

BÖLÜM 2

30

2.1 YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ

Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir DC güç kaynağına (DC power supply) gereksinim duyarlar. Bu gerilimi elde etmenin en pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi Doğrultmaç (redresör) olarak adlandırılan cihazlarla gerçekleştirilir.

Doğrultmaç veya DC Güç kaynağı (DC power supply) denilen cihazlar, basitten karmaşığa doğru birkaç farklı yöntemle tasarlanabilir. Bu bölümde en temel doğrultmaç işlemi olan yarım dalga doğrultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve çalışmasını inceleyeceğiz.

Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Temel bir güç kaynağı sistemi • Transformatörler ve işlevleri • Yarım dalga doğrultmaç devresi • Rıpıl faktörü

Temel DC Güç Kaynağı (Power Supply)

Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, bilgisayar v.b gibi) çalışmak için bir DC enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. Bu oldukça pahalı bir çözümdür. DC enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir şebekesinden alınan AC gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan AC formdaki sinüsoydal gerilim, DC gerilime dönüştürülür. Dönüştürme işlemi için DC güç kaynakları kullanılır.

Temel bir DC güç kaynağının blok şeması şekil-2.1’de görülmektedir. Sistem; doğrultucu (rectifier), Filtre (filter) ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır. Sistem girişine uygulanan ac gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş dc gerilim olarak alınmaktadır.

Transformatör DoğrultmaçDevresi

FiltreDevresi

RegülatörDevresi

VgirişAC RL

Şekil-2.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi

Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transfor-matör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüştürülür. Transformatör, dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen AC gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur.


31

Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör) devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da olsa AC bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile inceleyelim.

Transformatörler Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur. Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. Bu sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan AC gerilim, sekonder sargısından alınır.

Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir AC gerilim değerine dönüştürülmesinde transformatörler kullanılır. Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. Bu durum, güvenlik için önemli bir avantajdır.

Sekonder sargısından alınan AC işaretin, gücü ve gerilim değeri tamamen kullanılan transformatörün sarım sayılarına ve karkas çapına bağıdır. Üreticiler ihtiyaca uygun olarak çok farklı tip ve modelde transformatör üretimi yaparlar. Şekil-2.2’de örnek olarak bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir.

Şekil-2.2 Farklı model ve tipte transformatörler

Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220Vrms/50Hz, sekonderler sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil-2.3'de farklı sargılara sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir.


32

a) Transformatör b) Orta uçlu Transformatör c) Çok uçlu Transformatör

220Vrms50Hz

Sekonder

Primer24V

36V

12V

0V

PrimerSargısı

SekonderSargısı

220Vrms50Hz

12Vrms50Hz

24V220Vrms50Hz

12V

12V

Şekil-2.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç bağlantıları

Üç uçlu transformatörler doğrultucu tasarımında tasarruf sağlarlar. Transformatör seçiminde; primer ve sekonder gerilimleri ile birlikte transfomatörün gücüne de dikkat edilmelidir. Güç kaynağında kullanılacak transformatörün toplam gücü; trafo üzerinde ve diğer devre elemanlarında harcanan güç ile yükte harcanan gücün toplamı kadardır. Transformatör her durumda istenen akımı vermelidir. Fakat bir transformatörden uzun süre yüksek akım çekilirse, çekirdeğin doyma bölgesine girme tehlikesi vardır. Bu nedenle transformatör hem harcanacak güce, hem de çıkış akımına göre töleranslı seçilmelidir. Yarım Dalga Doğrultmaç

Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmek için en basit yöntem yarım dalga doğrultmaç devresi kullanmaktır. Tipik bir yarım dalga doğrultmaç devresi şekil-2.4’de verilmiştir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms değere sahip AC gerilim bir transformatör yardımıyla 12Vrms değerine düşürülmüştür.

RLDiyot12Vrms

50Hz220Vrms

50Hz

Şekil-2.4 Yarım Dalga Doğrultmaç Devresi

Devrenin çalışmasını ayrıntılı olarak incelemek üzere şekil-2.5’den yararlanılacaktır. Yarım dalga doğrultmaç devresine uygulanan giriş işareti sinüsoydaldır ve zamana bağlı olarak yön değiştirmektedir. Devrede kullanılan diyodu ideal bir diyot olarak düşünelim. Giriş işaretinin pozitif alternansında; diyot doğru polarmalanmıştır. Dolayısıyla iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. pozitif alternans yük üzerinde oluşur. Bu durum şekil-2.5.a üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

V

t0

Giriş

Diyot İletimde

RL

-+

12Vrms50Hz

+

V

t0

Çıkış

Şekil-2.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması


33

Giriş işaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyodun anoduna negatif alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş işaretinin negatif alternansında diyot yalıtımdadır. Çünkü diyot ters yönde polarmalanmıştır. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Açık devredir. RL direnci üzerinden alınan çıkış işareti 0V olur. Bu durum şekil-2.5.b üzerinde gösterilmiştir.

t

+

-

0

V

t

Çıkış

I=0A

Diyot kesimde

RL

+-

12Vrms50Hz

V

0

Giriş

Şekil-2.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması

Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil-2.6’da ayrıntılı olarak verilmiştir. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaret artık AC bir işaret değildir. Çünkü çıkış işareti, negatif alternansları içermez. Doğrultmaç çıkışından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Çıkış işareti bu nedenle DC işarete de benzememektedir dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yakın bir işaret alınmalıdır.

V

t0

VTepe

Şekil-2.6 Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkış dalga biçimleri

Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaretin DC değeri önemlidir. Bu değeri ölçmek için çıkış yüküne (RL) paralel bir DC voltmetre bağladığımızda şekil-2.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;

VVVTepe 17122 ≅⋅=

civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-2.7 üzerinde gösterelim.

=V

V

t

0

VTepe

T

Vort DC

Şekil-2.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri


34

Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri;

voltVVVV t

DCOrt 4.514.3

17==

Π==

olarak bulunur. Yukarıda belirtilen değerler gerçekte ideal bir diyot içindir. Pratikte 1N4007 tip kodlu silisyum bir diyot kullandığımızı düşünelim. Bu durumda çıkış işaretinin dalga biçimi ve alacağı değerleri bulalım.

RL

V

t0

Giriş-+

12Vrms50Hz

+

t0DC

tVT=17-0.7

V =5.19

V =0.7vF

Şekil-2.8 Pratik Yarım Dalga doğrultmaç devresi

Çıkış işaretinin alacağı tepe değer;

VTepe=17V-0.7V=16.3Volt

Dolayısı ile çıkışa bağlanacak DC voltmetrede okunacak ortalama değer (veya DC değer);

voltVVVV t

DCOrt 19.514.33.16

==Π

==

olarak elde edilir.

2.2 TAM DALGA DOĞRULTMAÇ

Basit ve ekonomik DC güç kaynaklarının yapımında yarımdalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç kaynaklarının yapımında ise tam dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Tam dalga doğrultmaç devresi çıkışında dc gerilime daha yakın bir değer alınır. Tam dalga doğrultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayrı tipte tasarlanabilir.

Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz.

• Yarımdalga doğrultmaç ile tam dalga doğrultmaç arasındaki farklar. • Tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi • Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin analizi • Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinin analizi


35

Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüsoydal işaretin sadece tek bir alternansında doğrultma işlemi yapılıyor, diğer alternans ise kullanılmıyordu. Dolayısıyla yarımdalga doğrultmacın çıkışından alınan gerilimin ortalama değeri oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm değildir.

Tamdalga doğrultmaç devresinde ise doğrultma işlemi, şebekenin her iki alternansında gerçekleştirilir. Dolayısıyla çıkış gerilimi daha büyük değerdedir ve DC’ye daha yakındır. Bu durum şekil-2.9 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

YARIMDALGADOĞRULTMAÇ

DEVRESİ

Vgiriş Vçıkış

t

t

00

V

V

V

tt

TAMDALGADOĞRULTMAÇ

DEVRESİ

Vgiriş Vçıkış

t

t

00

V

V

V

tt

Şekil-2.9 Yarım dalga ve tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri

Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül yardımıyla bulunur.

Π== t

DCOrtalamaV

VV2

örneğin tamdalga doğrultmaç girişine 17V tepe değerine sahip sinüsoydal bir işaret uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer;

voltVVV DCOrtalama 8.1014.3

)17(2=

⋅==

olarak elde edilir. Bu durum bize tamdalga doğrultmaç devresinin daha avantajlı olduğunu kanıtlar.

Tamdalga Doğrultmaç Devresi Tamdalga doğrultmaç devresi şekil-2.10’da görülmektedir. Bu devre, orta uçlu bir transformatör ve 2 adet diyot ile gerçekleştirilmiştir. Transformatörün primer sargılarına uygulanan şebeke gerilimi, transformatörün sekonder sargılarında tekrar elde edilmiştir. Sekenderde elde edilen geriliminin değeri transformatör dönüştürme oranına bağlıdır.

Transformatörün sekonder sargısı şekilde görüldüğü gibi üç uçludur ve orta ucu referans olarak alınmıştır. Sekonder sargısının orta ucu referans (şase) olarak alındığında sekonder sargıları üzerinde oluşan gerilimin dalga biçimleri ve yönleri şekil-2.10 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.


36

D2

D1+

_RL

Vgiriş

0

0 t

t

0

Vsek/2

Vsek/2

VÇIKIŞ

Şekil-2.10 Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresi

Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin incelenmesi için en iyi yöntem şebeke geriliminin her bir alternansı için devreyi analiz etmektir. Orta uç referans olarak alınırsa, sekonder gerilimi iki ayrı değere (Vsek/2) dönüştürülmüştür. Örneğin; Vgiriş işaretinin pozitif alternansında, transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif bir gerilim oluşacaktır.

Bu durumda, D1 diyodu doğru polarmalandırılmış olur. Akım devresini; trafonun üst ucu, D1 diyodu ve RL yük direnci üzerinden transformatörün orta ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde şekil-2.11’de belirtilen yönde pozitif alternans oluşur. Akım yönü ve akımın izlediği yol şekil üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

D1

-

+

_RL

+

+

-

Vgiriş

0

0

VÇIKIŞ

t

t

+ -

kesim

D2

Şekil-2.11 Pozitif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu

Şebekenin negatif alernansında; transformatörün sekonder sargılarında oluşan gerilim düşümü bir önceki durumun tam tersidir. Bu durumda şaseye göre; sekonder sargılarının üst ucunda negatif alternans, alt ucunda ise pozitif alternans oluşur. Bu durum şekil-2.12 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu durumda D2 diyodu iletken, D1 diyodu ise yalıtkandır. Akım devresini trafonun orta ucundan başlayarak D2 üzerinden ve RL yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-2.12’de belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim düşümleri şekil üzerinde gösterilmiştir.


37

D1

-

+

_RL

+

+

-Vgiriş

0

0

VÇIKIŞ

t

t

+ -

kesim

D2

Şekil-2.12 Negatif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu

Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimini tekrar ele alıp inceleyelim. Devrede kullanılan transformatörün sekonder sargılarının 2x12Vrms değere sahip olduğunu kabul edelim. Bu durumda transformatörün sekonder sargısında elde edilen işaretin tepe değeri;

voltVVV rmsTepe 171241.12 =⋅⇒⋅=

olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullanılacaktır. Bu nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe değeri;

voltVVTepe 3.167.017 =−=

olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur.

voltVV

V DTepeOrtalama 3.10

14.3)7.017(2)(2

=−

=Π

−=

çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-2.13 üzerinde gösterilmiştir. Vçıkış

t

VTepe=16.3V

VOrt=10.3V

0 Şekil-2.13 Çıkış dalga biçiminin analizi

Köprü Tipi Tamdalga Doğrultmaç

Tamdalga doğrultmaç devresi tasarımında diğer bir alternatif ise köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresidir. Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresi 4 adet diyot kullanılarak gerçekleştirilir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms/50Hz değere sahip sinüsoydal gerilim bir transformatör kullanılarak istenilen değere dönüştürülür. Transformatörün sekonderinden alınan gerilim doğrultularak çıkıştaki yük (RL) üzerine aktarılır. Doğrultma işleminin nasıl yapıldığı şekil-2.14 ve şekil-2.15 yardımıyla


38

anlatılacaktır. Şehir şebekesinin pozitif alternansında; transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif alternans oluşur. D1 ve D2 diyodu doğru yönde polarmalandığı için akım devresini D1 diyodu, RL yük direnci ve D2 diyodundan geçerek transformatörün alt ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ve akım yönü şekil-2.14’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

~~

~

+-

D1

D2D4

D3+

-

+

-

Vgiriş V Çıkış

+

_

RL

t

Şekil-2.14 Pozitif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı

Şebekenin negatif alternansında; bu defa transformatörün alt ucuna pozitif alternans oluşacaktır. Bu durumda D3 ve D4 diyotları doğru yönde polarmalanır ve iletime geçerler. Akım devresini; D4 diyodu, RL yük direnci ve D3 diyodu üzerinden geçerek transformatörün üst ucunda tamamlar ve RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil-2.15 üzerinde gösterilmiştir.

~~

~

+-

D1

D2 D4

D3

+

-

+

-

Vgiriş VÇıkış

+

_

RL

t

Şekil-2.15 Negatif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı

Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin aldığı DC değer hesaplanmalıdır. Örneğin transformatörün sekonder gerilimi 12Vrms (etkin) değere sahip ise bu gerilimin tepe değeri;

voltVVV rmsTepe 171241.12 =⋅⇒⋅=

değerine eşit olur. Doğrultma işleminde tek bir alternans için iki adet diyot iletken olduğunda diyotlar üzerinde düşen öngerilimler dikkate alındığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimin tepe değeri;


39

voltV

VVVV

TepeÇikis

DDTepeTepeCikis

4.15)7.07.0(17

)(

)(

21)(

=+−=

+−=

değerine sahip olur. Bu durum şekil-2.16 üzerinde gösterilmiştir. Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise;

voltV

VV TepeÇikisDCOrtalama 8.9

14.3)4.15(22 )( ==

Π==

VÇık ış

VTEPE=15.4V

VORT=10.3V

t0V

Şekil-2.16 Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi

2.3 DOĞRULTMAÇ FİLTRELERİ

Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışlarından alınan doğrultmuş sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzaktır. Doğrultucu devrelerin çıkışından alınan bu sinyal, darbelidir ve bir çok ac bileşen barındırır.

Elektronik devre elemanlarının tasarımında ve günlük hayatta kullandığımız DC sinyal ise ideal veya ideale yakın olmalıdır. AC bileşenler ve darbeler barındırmamalıdır. Şehir şebekesinden elde edilen doğrultulmuş sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir.

En ideal filtreleme elemanları kondansatör ve bobinlerdir. Bu bölümde bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz.

• Filtre işleminin önemi ve amaçlarını, • Kondansatör (C) ile gerçekleştirilen kapasitif filtre işlemini • Rıpıl gerilimini ve rıpıl faktörünü • LC filtre • Π ve T tipi filtreler

DC Güç kaynağı tasarımı ve yapımında genellikle 50Hz frekansa sahip şehir şebeke geriliminden yararlanılır. Bu gerilim tamdalga doğrultmaç devreleri yardımıyla doğrultulur. Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim ideal bir DC gerilim olmaktan uzaktır. Çeşitli darbeler barındırır ve 100Hz’lik bir frekansa sahiptir. Bu durum şekil-2.17’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.


40

TamdalgaDoğrultmaç

Devresi

FiltreDevresi0 0

VV V

0t t t

Şekil-2.17 Doğrultmaç Devrelerinde Filtre işlemi

Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim, büyük bir dalgalanmaya sahiptir ve tam bir DC gerilimden uzaktır. Filtre çıkışında ise dalgalanma oranı oldukça azaltılmıştır. Elde edilen işaret DC gerilime çok yakındır. Filtre çıkışında küçük de olsa bir takım dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanma “Rıpıl” olarak adlandırılır. Kaliteli bir doğrultmaç devresinde rıpıl faktörünün minimum değere düşürülmesi gerekmektedir.

Kapasitif Filtre

Doğrultmaç devrelerinde filtrelemenin önemi ve işlevi hakkında yeterli bilgiye ulaştık. Filtreleme işlemi için genellikle kondansatör veya bobin gibi pasif devre elemanlarından faydalanılır. Doğrultmaç devrelerinde, filtreleme işlemi için en çok kullanılan yöntem kapasitif filtre devresidir. Bu filtre işleminde kondansatörlerden yararlanılır.

Kapasitif filtre işleminin nasıl gerçekleştirildiği bir yarım dalga doğrultmaç devresi üzerinde şekil-2.18 yardımıyla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kondansatör ile gerçekleştirilen filtre işlemi şekil-2.18’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Sisteme enerji verildiğinde önce pozitif alternansın geldiğini varsayalım. Bu anda diyot doğru polarmalandığı için iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. Pozitif alternansın ilk yarısı yük üzerinde oluşur. Devredeki kondansatörde aynı anda pozitif alternansın ilk yarı değerine şarj olmuştur. Bu durum şekil-2.18.a üzerinde gösterilmiştir.

+

+ _

+

- 0V0V RL

VT(giriş)-0.7V

VC

VT(giriş)

Vgiriş

+

-t0

Şekil-2.18.a Poizitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj oluyor


41

+_

+

- 0V0V RLVC

Vgiriş

+

-t0 t1

Şekil-2.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine deşarj oluyor.

+

+ _

+

- 0V0V RLVC

Vgiriş

+

-t0 t1 t2 t0 t1 t2

Şekil-2.18.c Yük üzerinde görülen çıkış işaretinin dalga biçimi

Pozitif alternansın ikinci yarısı oluşmaya başladığında diyot yalıtımdadır. Diyot’un katodu anaduna nazaran daha pozitiftir. Çünkü kondansatör giriş geriliminin tepe değerine şarj olmuştur. Kondansatör şarj gerilimini şekil-2.18.b’de belirtildiği gibi yük üzerine boşaltır. Şebekeden negatif alternans geldiğinde ise diyot ters polarma olduğu için yalıtımdadır.

Kondansatörün deşarjı şehir şebekesinin negatif alternansı boyunca devam eder. Şebekenin pozitif alternansı tekrar geldiğinde bir önceki adımda anlatılan işlemler devam eder. Sonuçta çıkış yükü üzerinde oluşan işaret DC’ye oldukça yakındır.

Çıkış işaretindeki dalgalanmaya “rıpıl” denildiğini belirtmiştik. DC güç kaynaklarında rıpıl faktörünün minimum düzeyde olması istenir. Bu amaçla filtreleme işlemi iyi yapılmalıdır. Kondansatörle yapılan filtrreleme işleminde kondansatörün kapasitesi büyük önem taşır. Şekil-2.19’de filtreleme kondansatörünün çıkış işaretine etkisi ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

0VBüyük kapasiteli C Küçük kapasiteli C

Şekil-2.19 Filtre kondansatörü değerlerinin çıkış işareti üzerinde etkileri

Filtreleme işleminin tamdalga doğrultmaç devresinde daha ideal sonuçlar vereceği açıktır. Şekil-2.20’de ise tamdalga doğrultmaç devresinde gerçekleştirilen kapasitif filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi verilmiştir.


42

rıpılrıpıl

Şekil-2.20 Tamdalga doğrultmaç devresinde kapasitif filtreleme işlemi ve rıpıl etkileri

Filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi bir miktar dalgalanma içermektedir. Bu dalgalanmaya rıpıl adı verildiğini daha önce belirtmiştik. Filtrelemenin kalitesini ise “rıpıl faktörü=rp” belirlenmektedir. Rıpıl faktörü yüzde olarak ifade edilir. Rıpıl faktörünün hesaplanmasında şekil-2.21’den yararlanılacaktır.

VDC

Vr(t-t)

Şekil-2.21 Tamdalga doğrultmaçta rıpıl faktörünün bulunması

Rıpıl faktörü=DC

r

VV

Rf =

Formülde kullanılan Vr ifadesi; filtre çıkışından alınan geriliminin tepeden tepeye dalgalanma miktarıdır. VDC ise filtre çıkışından alınan gerilimin ortalama değeridir. Çıkışında yeterli büyüklükte kapasitif filtre tamdalga doğrultmaç devresinde bu iki gerilim için aşağıdaki tanımlamalar.

Tamdalga doğrultmaç devresi için filtre çıkışındaki dalgalanma miktarı Vr, doğrultmaç çıkışından alınan ve filtreye uygulanan giriş işareti tepe değerinin (VT) maksimum %10’u kadar ve bu sınırlar içerisinde ise, Vr ve VDC değerleri aşağıdaki gibi formüle edilebilir.

)(1

inTL

r VCRf

V ⋅

⋅⋅

=

)(211 inT

LDC V

CRfV ⋅

⋅⋅

−=

Formülde kullanılan f değerleri frekans değerini belirtmektedir. Bir tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin frekansının 100Hz, yarım dalga doğrultmaç devresinde ise 50Hz olduğu unutulmamalıdır. Şekil-2.22’de yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devresi çıkışlarında elde edilen filtresiz işaretlerin dalga biçimleri ve şehir şebekesine bağlı olarak peryot ve frekansları tekrar hatırlatılmıştır.


43

⇒= msT 20 HzmsT

fYD 5020

11=

=

=

Yarım dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekans

YDYD

YDTD f

TTf ⋅=

⋅=

= 212

2

Tam dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekansı

HzHzfTD 100502 =⋅=TTD

0

TYD

0

Şekil-2.22 Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinde çıkış işaretinin frekansları

Örnek: 2.1

Çözüm

Aşağıda verilen tamdalga doğrultmaç devresinin analizini yapınız?

D2

D4

D3

D1

24Vrms50Hz

220Vrms50Hz

RL1KΩ

C47µF

Önce transformatörün sekonder geriliminin tepe değerini bulalım. VVV sekT 34)24()414.1()( =⋅=

Doğrultmaç çıkışında elde edilen doğrultulmuş gerilimin değerini bulalım; VVVV inT 6.32)4.134()( =−=

Filtre çıkışından elde edilecek çıkış gerilimi değerini bulalım.

)(211 inT

LDC V

CRfV ⋅

⋅⋅

−=

VFKHz

VDC 6.324711002

11 ⋅

⋅Ω⋅⋅

−=µ

( ) VVDC 6.3210.01 ⋅−=

VVDC 3.29=

Devre çıkışından alınan işaretin tepeden tepeye rıpıl gerilimi Vr;

)(1

inTL

r VCRf

V ⋅

⋅⋅

=


44

VFKHz

Vr 6.32471100

1⋅

⋅Ω⋅

=µ

( ) VVVr 9.66.3221.0 =⋅=

Çıkış geriliminin rıpıl faktörünü bulalım.

DC

r

VV

Rf = 3.299.6

=Rf

Rf=0.23 Rıpıl faktörü genellikle yüzde olarak ifade edilir.

Çıkışında kapasitif filtre kullanılan bir doğrultmaç devresi şekil-2.23’de verilmiştir. Bu devrede S anahtarı kapatıldığı anda; filtre kandansatörü ilk anda yüksüz (boş) olduğu için kısa devre etkisi göstererek aşırı akım çeker. Dolayısıyla devreyi korumak amacı ile kullanılan sigorta (F) atabilir. Ayrıca diyotlar üzerinden geçici bir an içinde olsa yüksek akım geçer. Devrenin ilk açılışında oluşan aşırı akım etkisini minimuma indirmek için genellikle bir akım sınırlama direnci kullanılır. Bu direnç şekil üzerinde RANI olarak tanımlanmıştır. Aşırı akım etkisini minimuma indirmek için kullanılan RANI direncinin değeri önemlidir. Bu direnç diyot üzerinden geçecek tepe akım değerini sınırlamalıdır. Uygulamalarda bu direnç üzerinde bir miktar güç harcaması olacağı dikkate alınmalıdır.

−=

F

sekTANI I

VVR

4.1)(

D2

D4

D3

D1

RL1KΩ

C47µFS

FSigorta

RANI

Şekil-2.23 Tamdalga doğrultmaç devresinde aşırı akımın önlenmesi

LC Filtre

Doğrultmaç devrelerinde rıpıl faktörünü minimuma indirmek için bir diğer alternatif bobin ve kondansatörden oluşan LC filtre devresi kullanmaktır. Şekil-2.22’de LC filtre devresi görülmektedir.

LCFiltre

TamdalgaDoğrultmaç

C

LAC

Giriş RL

Şekil-2.24 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre


45

Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktansı (XL) ve kondansatörün kapasitif reaktansından (XC) yararlanılarak filtre işlemi gerçekleştirilir. Böyle bir filtre devresinde giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri şekil-2.25 üzerinde gösterilmiştir. Çıkış geriliminin alacağı değer ve dalgalılık miktarı aşağıda formüle edilmiştir.

)()( inrCL

Coutr V

XXX

V ⋅

−=

ACGiriş

DoğrultmaçDevresi

XL

XCVr(in) Vr(out)

Şekil-2.25 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre

π ve T Tipi Filt re

LC tipi filtre devreleri geliştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri oluşturulmuştur. Π ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. Rıpıl faktörünün minimuma indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullanılabilir. Şekil-2.23’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmiştir. Л

C2

L

C1Vgiriş çıkışV

? - tipi filtre

L1

C1Vgiriş çıkışV

T - tipi filtre

L2

Şekil-2.23 π ve T tipi filtre devreleri

2.4 KIRPICI DİYOT DEVRELERİ

Elektronik biliminin temel işlevi, elektriksel sinyalleri kontrol etmek ve ihtiyaca göre işlemektir. Pek çok cihaz tasarımında elektriksel bir işareti istenilen seviyede kırpmak veya sınırlandırmak gerekebilir. Belirli bir sinyali kırpma veya sınırlama işlemi için genellikle diyotlardan yararlanılır. Bu bölümde kırpıcı (Limiting) diyot devrelerini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.

Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz.

• Kırpıcı diyot devrelerinin özellikleri ve işlevleri. • Polarmalı kırpıcı devrelerin özellikleri ve analizi


46

Kırpıcı Devreler

Kırpıcı devreler, girişine uygulanan işaretin bir kısmını çıkışana aktarıp, diğer bir kısmını ise kırpan devrelerdir. Örneğin şekil-2.24’de görülen devrede giriş işaretinin pozitif alternansı kırpılıp atılmış, çıkışa sadece negatif alternans verilmiştir.

Devrenin çalışmasını kısaca anlatalım. Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot doğru yönde polarmalanır. Çünkü; anaduna +VT gerilimi, katoduna ise şase (0V) uygulanmıştır. Diyot iletimdedir. Diyot üzerinde 0.7V ön gerilim görülür. Bu gerilim, diyoda paralel bağlanmış RL yük direnci üzerinden alınır.

Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir. Negatif alternans olduğu gibi RL yük direnci üzerinde görülür. Bu durum şekil-2.24’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

Vgiriş 0

VT

R1

RL 0+0.7VVçıkış

+

-VT

Şekil-2.24 Pozitif kırpıcı devre ve çıkış dalga biçimi

Giriş işaretinin sadece negatif alternansının kırpıldığı, negatif kırpıcı devre şekil-2.25’de görülmektedir. Bu devrede; giriş işaretinin negatif alternansı kırpılmış, çıkıştan sadece pozitif alternans alınmıştır.

Devrenin çalışmasını kısaca açıklayalım. Giriş işaretinin pozitif alternansında, diyot ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla kesimdedir. Girişteki pozitif alternans RL yük direnci üzerinde olduğu gibi elde edilir. Giriş işaretinin negatif alternansında ise diyot iletimdedir. Üzerinde sadece 0.7V diyot ön gerilimi elde edilir. Bu gerilim diyoda paralel bağlı RL yük direnci üzerindede oluşacaktır.

V giriş 0

VT

R1

RL 0-0.7V

Vçıkış

+-VT

Şekil-2.25 Negatif kırpıcı devre


47

Her iki kırpıcı devrede çıkıştan alınan işaretin değerini belirlemede R1 ve RL dirençleri etkindir. Çıkış işaretinin alacağı değer yaklaşık olarak;

GirişL

LTepeÇikis V

RRR

V ⋅

+

=1

)(

formülü ile elde edilir.

Örnek: 2.2

Aşağıda verilen kırpıcı devrenin analizini bir tam peryot için yapınız?

+

2.2KΩ

R1=220Ω

RL

20V

-20V

0

Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot açık devredir. Dolayısıyla çıkışta RL yükü üzerindeki gerilim düşümü;

)(1

)(T inTL

Lout V

RRR

V ⋅

+

=

VK

KV out 202.2100

2.2)(T ⋅

Ω+ΩΩ

=

VV out 13.19)(T =

Negatif alternansta ise diyot iletkendir. Dolayısıyla çıkışta -0.7V görülür. Devrenin giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri aşağıda verilmiştir.

20V

-20V

0

19.3V

-0.7V0

Polarmalı Kırpıcılar

Pozitif veya negatif alternansları kırpan kırpıcı devreleri ayrıntılı olarak inceledik. Dikkat ederseniz kırpma işlemi diyot öngerilimi hariç bir tam periyot boyunca gerçekleşiyordu. Bu bölümde çıkış işaretinin pozitif veya negatif alternanslarını istenilen veya belirtilen bir seviyede kırpan devreleri inceleyeceğiz.

Girişinden uygulanan sinüsoydal işaretin pozitif alternansını istenilen bir seviyede kırpan kırpıcı devre şekil-2.26’da görülmektedir. Devre girişine uygulanan sinüsoydal işaretin (Vg) pozitif alternansı, VA geriliminin belirlediği değere bağlı olarak kırpılmaktadır.


48

Vgiriş 0

tV

-Vt

R1

RL0

VA+0.7VVçıkış

+

+VA

Şekil-2.26 Polarmalı pozitif kırpıcı devre

Devre analizini Vg geriliminin pozitif ve negatif alternansları için ayrı ayrı inceleyelim. Girişten uygulanan işaretin pozitif alternansı, diyodun katoduna bağlı VA değerine ulaşana kadar diyot yalıtımdadır. Çünkü diyodun katodu anaduna nazaran pozitiftir. Bu durumda devre çıkışında Vg gerilimi aynen görülür. Girişten uygulanan Vg geriliminin pozitif alternansı VA değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot doğru yönde polarmalanacaktır ve iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiği anda VA gerilimi doğrudan çıkışa aktarılacak ve RL yükü üzerinde görülecektir.

Giriş işareti negatif alternansa ulaştığında ise diyot devamlı yalıtımdadır. Dolayısıyla VA kaynağı devre dışıdır. RL yükü üzerinde negatif alternans olduğu gibi görülür. Devrede kullanılan R1 direnci akım sınırlama amacıyla konulmuştur. Üzerinde oluşan gerilim düşümü küçük olacağı için ihmal edilmiştir. Diyot üzerine düşen ön gerilim (0.7V) diyot ideal kabul edilerek ihmal edilmiştir.

Şekil-2.27’de ise polarmalı negatif kırpıcı devre görülmektedir. Bu devre, giriş işaretinin negatif alternansını istenilen veya ayarlanan bir seviyede kırpmaktadır.

Giriş işaretinin tüm pozitif alternansı boyunca devredeki diyot yalıtkandır. Çünkü ters polarmalanır. Dolaysıyla VA kaynağı devre dışıdır. Çıkıştaki RL yükü üzerinde tüm pozitif alternans olduğu gibi görülür.

Giriş işaretinin negatif alternansı, diyodun anaduna uygulanan VA geriliminden daha büyük olana kadar diyot yalıtıma devam eder. Dolayısıyla çıkışta negatif alternans görülmeye devam eder. Giriş işaretinin negatif alternansı VA gerilimi değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiği anda çıkışta VA kaynağı görülür.

Vgiriş 0RL 0

-VA-0.7V

Vçıkış

+

+VA

R1VT

-VT

Şekil-2.27 Polarmalı negatif kırpıcı devre


49

Şekil-2.28’deki devre ise, giriş işaretinin pozitif seviyesini VA gerilimine bağlı olarak sınır-lamaktadır. Giriş işareti, diyodun anaduna bağlanan VA değerine ulaşana kadar diyot iletimdedir. Bu durumda çıkışta VA kaynağı görülür. Girişten uygulanan işaret VA değe-rinden büyük olduğunda ise diyot ters polarma olarak yalıtıma gidecektir. Diyot yalıtım-da olduğunda devre çıkışında giriş işareti aynen görülecektir. Dolayısıyla giriş işaretinin tüm negatif alternansı boyunca diyot iletimde olduğu için çıkışta VA kaynağı görülecektir.

Vgiriş 0

VT

RL0

VA-0.7V+

+VA

R1

-VT

Şekil-2.28 Polarmalı pozitif sınırlayıcı devre

Giriş işaretinin negatif seviyesini istenilen bir değerde sınırlayan devre şeması şekil-2.29’da verilmiştir. Giriş işaretinin tüm pozitif alternansı boyunca diyot doğru polarmalanır ve iletimdedir. Çıkışta VA kaynağı olduğu gibi görülür.

Giriş işaretinin negatif alternansı, diyodun katoduna uygulanan VA geriliminden daha negatif olduğunda ise diyot yalıtıma gidecektir. Diyot yalıtıma gittiğinde giriş işareti aynen çıkışta görülecektir.

Vgiriş 0

VTRL 0

-VA+0.7V

+

+VA

R1

-VT

Şekil-2.29 Çıkış dalga biçiminin analizi

Kırpıcı devreler, diyotların çalışma prensiplerinin anlaşılması ve analizi için oldukça önemlidir. Unutulmamalıdır ki bir çok elektronik devre tasarımında ve elektronik cihazlarda DC ve AC işaretler iç içedir ve birlikte işleme tabi tutulurlar. Dolaysıyla herhangi bir sinyalin işlenmesinde diyodun işlevi önem kazanır.

Kırpıcı devreler, seri ve paralel olarakta tasarlanabilir. Bu bölümde seri ve paralel kırpıcı devreler sırayla verilmiştir.

0

5+0.7VR1+

+5V

Vg Vç

R1+

+5V

Vg Vç t


50

t0

-5-0.7V

R1+

+5V

Vg VçR1

+

+5V

Vg Vç

t0

5-0.7VR1

+

+5V

Vg VçR1

+

+5V

Vg Vç

t0

-5+0.7V

R1+

+5V

Vg VçR1

+

+5V

Vg Vç

Şekil-2.30 Paralel ve seri kırpıcı diyot devreleri

2.5 GERİLİM KENETLEYİCİLER

Gerilim kenetleyiciler; girişlerinden uygulanan bir işaretin alt veya üst seviyesini, istenilen sabit bir gerilime kenetlemek veya tutmak amacı ile tasarlanmışlardır.

Kenetleme devreleri; pozitif veya negatif kenetleme olmak üzere ikiye ayrılırlar. Pozitif kenetlemede, girişten uygulanan işaretin en alt seviyesi sıfır referans noktasında kenetlenir. Negatif kenetlemede işleminde ise, girişten uygulanan işaretin en üst seviyesi sıfır referans noktasına kenetlenir.

Bu bölümde; pozitif ve negatif kenetleme işlemlerinin nasıl gerçekleştirildiği incelenecektir.

Gerilim kenetleme işlemi gerçekte, bir işaretin dc seviyesini düzenleme işlemidir. Kenetleme pozitif ve negatif kenetleme olmak üzere iki temelde yapılabilir. Pozitif ve negatif gerilim kenetleme işlemi şekil-2.31’de görsel olarak verilmiştir.


51

0 t

+V

-V

0 t

+2V

0 t

+V

-V

0 t

-2VGirişİşareti

Girişİşareti

Çıkışİşareti

Çıkışİşareti

PozitifKenetleyici

Devre

NegatifKenetleyici

Devre

Şekil-2.31 Pozitif ve negatif gerilim kenetleme işlemi

Pozitif kenetleyici devre girişine uygulanan işaret, +V ve –V seviyelerinde salınmaktadır. Kenetleyici çıkışında ise bu işaret 0V referans seviyesine kenetlenmiştir. Yapılan bu işlem sonucunda giriş işaretinin, negatif seviyesi kaydırılmıştır. Çıkıştan alınan işaret artık 0V ile +2V değerleri arasında salınmaktadır.

Negatif kenetleyici devre girişine uygulanan işaret de aynı şekilde, +V ve –V seviyelerinde salınmaktadır. Kenetleyici çıkışında bu işaret 0V referans seviyesine kenetlenmiştir. Bu işlem sonucunda giriş işaretinin, pozitif seviyesi 0V referans alınarak kaydırılmıştır. Çıkıştan alınan işaret artık 0V ile –2V değerleri arasında salınmaktadır. Pozitif ve negatif gerilim kenetleyici devreleri ayrı ayrı inceleyelim.

Pozitif Gerilim Kenetleyici Şekil-2.32’de pozitif gerilim kenetleyici devre görülmektedir. Bu devre bir diyot, bir kondansatör ve direnç kullanarak gerçekleştirilmiştir.

VC VC=VT-0.7V

Vt

t0+

-

+-

RLDiyot

İletimde+

-

+-

RL0.7V++

T

Şekil-2.32 Pozitif gerilim kenetleyici devre

Kenetleme işleminin gerçekleşmesi için bu elemanların kullanılması zorunludur. Devrede kullanılan R ve C elemanlarının değeri oldukça önemlidir. Bu elemanların zaman sabitesi (τ=RC) yeterince büyük seçilmelidir. Devrenin çalışmasını kısaca anlatalım.

Devre girişine uygulanan işaretin negatif alternasının ilk yarım saykılında; diyot doğru yönde polarmalanır ve iletkendir. Diyot kısa devre etkisi göstereceğinden RL direncinin etkisini ortadan kaldırır. Kondansatör, anında sarj olarak dolar. Kondansatör üzerindeki gerilim;


52

)7.0( VVV TC −=

değerine eşit olur. Bu gerilimin polaritesi; şekil üzerinde belirtildiği yöndedir. Giriş işaretinin negatif alternansında; kenetleyici çıkışında (RL yük direnci üzerinde) 0.7V’luk diyot öngerilimi elde edilir. Bu durum şekil-2.32 üzerinde gösterilmiştir.

Giriş işaretinin pozitif yarım saykılında ise diyot açık devredir. Devreden herhangi bir akım akmaz. RL yük direnci üzerinde ise; giriş işareti ve kondansatör üzerindeki gerilimlerin toplamı görülür. Devreye K.G. K uygulanırsa çıkış gerilimi;

TCRL VVV +=

TtRL VVV +−= )7.0(

)7.0(2 −⋅≅ TRL VV

Devre girişine uygulanan ve +VT ve –VT değerlerinde salınan giriş işareti, kenetleyici devre çıkışında 0V veya 0.7V referans seviyesine kenetlenmiştir. Çıkış işareti artık yaklaşık olarak 0.7V ile +2VT değerleri arasında salınmaktadır. Giriş işaretinin negatif tepe değeri, 0V (0.7V) referans seviyesine kenetlenmiştir. Bu durum şekil-2.33’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

+-

-Vt

t0

+

-RL

Diyotyalıtımda

+T VC=VT-0.7V

+VT

0

T

-0.7V

VT-(0.7)

t

2VT-(0.7)

Şekil-2.33 Pozitif gerilim kenetleyici ve çıkış dalga biçimleri

Negatif Gerilim Kenetleyici Giriş geriliminin üst seviyesini, 0V referans noktasına kenetlemek için “negatif kenetleyici” kullanılır. Negatif kenetleyici devresinde diyot, kondansatör ve direnç elemanları kullanılır. Kenetleme işlemi; bir diyot yardımı ile kondansatörün şarj ve deşarjından yararlanılarak gerçekleştirilir. Şekil-5.34’de negatif kenetleyici devre görülmektedir. Devre üzerinde, kenetleyici girişine uygulanan işaret ve çıkışından alınan kenetlenmiş işaret gösterilmiştir.

-VT

t0

+

-RL

Diyotiletimde

+T VC=-VT+0.7V

+VT

0

T

+0.7V

-VT+(0.7)t

-2VT+(0.7)

Şekil-5.34 Negatif gerilim kenetleyici devre


53

Polarmalı Kenetleyici Polarmalı kenetleyici; girişinden uygulanan işareti dc bir değer üzerine bindirerek çıkışına aktarır. Şekil-2.35’de girişinden uygulanan sinüsoydal gerilimi, VA ile tanımlanan dc gerilim kaynağına kenetleyen polarmalı bir gerilim kenetleyici devresi görülmektedir.

-Vm

t0

+

-RL

+

T+Vm

VA

100KVi

+ -

+

-RL

+VA

100KVi

t1 t2

VC=Vm-VA

Şekil-2.35 Polarmalı kenetleyici devresi

Devrede giriş gerilimi Vi, VA dc gerilim kaynağından büyük olduğunda (VmSinWt>VA) diyot iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiğinde devrenin eşdeğeri şekilde gösterilmiştir. Giriş gerilimi Vi, maksimum değere ulaştığı anda (+Vm), K.G.K yazarsak;

VVVwtVm AC 0sin =++−

olur. Vc, kondansatör üzerindeki şarj gerilimidir. Kondansatör üzerinde düşen gerilimi hesaplarsak;

AC VwtVmV −⋅= sin

bulunur. Bu değerler ışığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan; wtVmVV CRL sin⋅+−=

olur. Kondansatör gerilimini (Vc=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek; wtsinVm)VwtsinVm(V ARL ⋅+−⋅−=

değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin900=1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek;

11 ⋅+−⋅−= Vm)VVm(V ARL

VmVVmV ARL +−−=

ARL VV +=

değerine eşit olur. Dolayısı ile giriş işaretinin pozitif tepe değerinde; kenetleyici çıkışı VA

gerilim kaynağının değerine eşittir. Çünkü RL yük direnci, VA kaynağına paralel hale gelir. Bu durum şekil-2.35’de verilmiştir.


54

Giriş işaretinin negatif tepe (Vi=Vm sin 2700 t) değerinde ise diyot ters polarma olur ve açık devredir. Kenetleyici devre şekil-2.36’da görülen durumu alır.

0

T

VA

t

-2Vm+VA

+ -

+

-RL

+VA

100KVi

VC=Vm-VA

-Vm

t0

T+Vm

t1 t2

Şekil-2.36 Polarmalı kenetleyici ve dalga biçimleri

Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin matematiksel analizini yapalım. Diyot yalıtımdadır. Kondansatör üzerindeki Vc gerilimi şarj değerini korur.

AVwtsinVmVc −⋅=

RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan; wtVmVV CRL sin⋅−−=−

olur. Kondansatör gerilimini (VC=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek; wtsinVm)VwtsinVm(V ARL ⋅−−⋅−=−

değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin2700=-1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek;

)(Vm)V)(Vm(V ARL 11 −⋅−−−⋅−=−

ARL VVmV +−= 2

değeri elde edilir. Polarmalı kenetleyici çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil-2.36 üzerinde gösterilmiştir. Sonuçta; devre girişinden uygulanan işaret, VA gerilimine kenetlenmiştir.

2.6 GERİLİM ÇOKLAYICILAR

Gerilim çoklayıcılar (voltage multipliers); girişinden uygulanan işareti isteğe bağlı olarak birkaç kat yükseltip çıkışına aktaran devrelerdir. Gerilim çoklayıcılar; gerilim kenetleyici ve doğrultmaç devreleri birlikte kullanılarak tasarlanır.

Gerilim çoklayıcı devreler; yüksek gerilim alçak akım gereksinilen yerlerde kullanılır. TV alıcıları kullanım alanlarına örnek olarak verilebilir. Bu bölümü bitirdiğinizde;

• Yarımdalga ve tamdalga gerilim çiftleyiciler • Gerilim üçleyiciler • Gerilim dörtleyiciler

Hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.


55

Gerilim Çiftleyici Gerilim çiftleyiciler (Voltage Doupling) girişlerine uygulanan gerilim değerini, ikiye katlayarak çıkışlarına aktaran elektronik düzeneklerdir. Gerilim çiftleyicilerin girişlerine uygulanan gerilim, ac veya darbeli bir işaret olmalıdır. Gerilim çiftleyicilerin çıkışından ise doğrultulmuş dc gerilim elde edilir. Gerilim çiftleyici devrelerin çıkışılarından yapıları gereği sürekli olarak büyük akımlar çekilemez.

Gerilim çiftleyici tasarımı, yarımdalga ve tamdalga üzere iki tipde yapılabilir. Şekil-2.37’de yarımdalga gerilim çiftleyici devresi görülmektedir. Gerilim çiftleyici devre; gerilim kenetleyici ve yarımdalga doğrultmaç devresinin birlikte kullanılması ile oluşturulmuştur. Bu durum şekil-2.37 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

+

-

+D1

C1

C2

D2

Gerilim Kenetleyici Yarımdalga Doğrultmaç

+2Vm

t0

Vi

-Vm

t0

T+Vm

t1 t2

ViVo Vo

Şekil-2.37 Yarımdalga gerilim çiftleyici devre

Devrenin çalışmasını daha iyi anlayabilmek için her bir devre bloğunun işlevleri, dalga şekilleri üzerinde şekil-2.38 üzerinde gösterilmiştir.

-Vm

t0

T+Vm

a) Giriş İşareti

0

T+2Vm

Vm

b) Kenetleyici Çıkışı c) Doğrultucu Çıkışı

t 0

+2Vm

Şekil-2.38 Yarımdalga gerilim çiftleyici devrenin dalga biçimleri

Yarımdalga gerilim çiftleyici devresinin nasıl çalıştığı şekil-2.39 üzerinde grafiksel olarak analiz edilmiştir. Giriş işaretinin (Vi) pozitif yarım saykılında; D1 diyodu iletkendir. C1 kondansatörü şekilde belirtilen yönde D1 üzerinden, Vc=Vm-0.7V değerine şarj olur. D2 ise bu anda ters polarma olduğundan yalıtımdadır. Dolayısı ile çıkış gerilimi “0V” dur.


56

Vi+

-

+D1

C1

C2

D2

Viİletimde

Vc=Vm-0.7

+ - Kesimde

a) Vi pozitif alternans

+

-+

D1

C1

C2

D2

Vi

Vi

İletimde

Vc=2Vm

+ -

Kesimde

b) Vi negatif alternans

Şekil-2.39 Yarımdalga gerilim çiftleyici devresinin grafiksel analizi

Giriş işareti Vi’nin negatif alternansında ise; D1 diyodu ters polarmalandığından yalıtımdadır. D2 diyodu ise iletkendir. C2 kondansatörü Vi’nin maksimum değerine D2 üzerinden şarj olur. C1 kondansatörü ters polaritede dolu olduğu için boşalamaz. Çıkış işareti C2 kondansatörü üzerinden alınabilir. C2 üzerindeki gerilim ise; K.G.K’dan;

021 =+− VmVV CC 022 =+= VmVV CC

VC2 üzerinde, giriş işaretinin maksimum değeri olduğundan VC2=Vm’dir. Dolayısıyla çıkışta C2 kondansatörü üzerinden alınan gerilim, giriş gerilimi tepe değerinin 2 katıdır.

VmVmVVC +== 02 VmVVC 202 ==

Not: Devre analizinde diyotlar üzerine düşen öngerilimler (0.7V) ihmal edilmiştir.

Gerilim kenetleyici tasarımında bir diğer alternatif ise “Tamdalga gerilim çiftleyici” devresidir. Şekil-2.40’da tamdalga gerilim çiftleyici devresi görülmektedir.

Vi+

C2

C1

D2 Kesimde

D1 İletimde

+Vm

Vi

+

C2

C1

D2 İletimde

D1 Kesimde

+Vm

Vm+

2Vm

Şekil-2.40 Tamdalga gerilim çiftleyici

Transformatörün sekonderinde pozitif alternans oluştuğunda D1 diyodu doğru yönde polarmalanır ve iletime geçer. D2 diyodu ise kesimdedir. D1 diyodu iletimde olduğunda; C1 kondansatörü giriş işaretinin maksimum değerine şekilde belirtilen yönde şarj olur.


57

Transformatörün sekonderinde negatif alternans oluştuğunda ise D2 diyodu doğru yönde polarmalanır ve iletime geçer. D1 diyodu ise kesimdedir. D2 diyodu iletimde olduğunda; C2 kondansatörü giriş işaretinin maksimum değerine (Vm) şekilde belirtilen yönde şarj olur. Gerilim çiftleyici devre çıkışından C1 ve C2 kondansatörlerinde oluşan gerilimlerin toplamı alınır. Dolayısıyla çıkış işareti;

210 CC VVV ++= VmVVmVmV ⋅=⇒++= 200

olarak alınır. Gerilim Üçleyici Tipik bir gerilim üçleyici devresi şekil-2.31’de verilmiştir. Bu devrenin çıkışından alınan işaret, giriş işaretinin tepe değerinin yaklaşık 3 katıdır. Devre ilk negatif yarım saykılda gerilim çiftleyici gibi çalışır. C1 üzerinde şekilde belirtilen yönde giriş işaretinin tepe değeri (VT) görülür. C2 üzerinde ise giriş işaretinin yaklaşık 2 katı (2VT) görülür. Sonraki negatif saykılda ise D3 diyodu doğru yönde polarmalanır. İletkendir. C3, 2VT değerine belirtilen yönde şarj olur. Gerilim üçleyici çıkışından C1 ve C2 üzerinde oluşan gerilimler toplamı 3VT alınır.

C1 C3

C2

D1 D2 D3

+

++_

_

_

2VT

2VTVT

Vg

Üçleyici Çıkışı= 3VT

Şekil-2.31 Gerilim üçleyici devre

Gerilim Dörtleyici Tipik bir gerilim dörtleyici devre şekil-2.32’de verilmiştir. Bu devrenin çıkışından alınan işaret, giriş işaretinin tepe değerinin yaklaşık 4 katıdır. Devre ilk 3 negatif yarım saykıl süresinde gerilim üçleyici gibi çalışır. C1 kondansatörü üzerinde şekilde belirtilen yönde giriş işaretinin tepe değeri görülür. Devredeki diğer tüm kondansatörler ise 2VT değerine şarj olur. Devre dikkatlice incelenirse her bir negatif alternansta diyotların sırayla iletken olacağı dolayısı ile kondansatörlerin dolacağı görülür.

C1 C3

C2

D1 D2 D3

+

++_

_

_

2VT

2VTVT

Vg

Dörtleyici Çıkışı= 4VT

C4

D4

2VT

+_

Şekil-2.32 Gerilim dörtleyici devre


58

Çıkış işareti C2 ve C4 kondansatörleri üzerinden alınmıştır. Dolayısı ile bu kondansatörler üzerinde oluşan gerilimler toplamı;

Vç=(2VT) + (2VT) Vç=4VT

Değerine eşit olur. Gerilim çoklayıcıların çıkışlarından sürekli yüksek akım çekilmesi mümkün değildir. Anlık yüksek gerilim temininde kullanılabilir.

2.7 DİYOT VERİ SAYFALARI

Uluslarası yarıiletken üretecisi pek çok firma farklı özelliklere sahip yüzlerce tip diyot üretimi yaparlar. Üretilen her bir diyot belirli standartlara göre kodlanıp tüketicinin kullanımına sunulur. Üretici firmalar; ürettikleri her bir diyot tipinin çeşitli özelliklerini ve karakteristiklerin veri kitapçıkları (data book) halinde kullanıcıya sunarlar. Devre tasarımlarında kullanılacak diyot seçimi, bu verilerden yararlanılarak seçilir. Veri kitapçıklarında aşağıda belirtilen özellikler hakkında kullanıcıya ayrıntılı bilgiler verilmektedir.

Bu bölümde sizlere örnek olarak seçilmiş bazı diyotların veri sayfaları ve karakteristikleri verilecektir. Bu bölümü bitirdiğinizde;

• Çalışma akım ve geriliminin maksimum değerleri • Elektriksel karakteristikleri • Çalışma karakteristiklerinin grafiksel analizi

hakkında gerekli bilgileri edineceksiniz.

Üretici firmalar, ürettikleri devre elemanlarının için genelde iki tür tanıtım yöntemi izlerler. Kısa tanıtımda elemanının çok kısa bir tanıtımı ve genel özellikleri verilir. Ayrıntılı tanıtımda ise elemanla ilgili ayrıntılı açıklamalar, elektriksel grafikler, uygulama notları v.b özel bilgiler yer alır.

Veri tablosunda üreticilerin kullandığı sembollere sadık kalınmıştır. Sembollerle ilgili gerekli açıklamalar tablo sonunda verilmiştir. Pek çok üretici veri kitapçıklarında bu sembol tanımlarına uymaktadır.


59

Tablo-1.1 Bazı silisyum doğrultmaç diyotlarının karakteristikleri

VRRM :

VRWM : VRSM : VR(rms) :

I0 :

IFSM :

TJ : Tstg :

AÇIKLAMA

SEMBOL

1N4001

1N4002

1N4003

1N4004

1N4005

1N4006

1N4007

BİRİM

Peak repertitive reverse voltage Working peak reverse voltage DC blocking voltage

VRRM VRWM

VR 50 100 200 400 600 800 1000 V

Nonrepetitive peak reverse voltage VRSM 60 120 240 480 720 1000 1200 V

RMS reverse voltage VR(rms) 35 70 140 280 420 560 700 V

Average rectified forward current (single-phase, resistive load, 60Hz, TA=750C

I0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 A

Nonrepetitive peak surge current (surge capplied at rated load conditions)

IFSM 30 30 30 30 30 30 30 A

Operating and storage junction temperature range TJ, Tstg -65.....+175 0C


60

SİLİSYUM HIZLI (FAST) DİYOTLAR

DO-15PLASTİK

DO-15PLASTİK

DO-27APLASTİK

P-6PLASTİK

1.0 A 1.5 A 3.0 A 6.0 A

VVOLT

RRM

50100200300400500600800

1000

1N4001*1N4002*1N4003*...........

1N4004*..........

1N4005*1N4006*1N4007*

1N53911N53921N53931N53941N5395*1N53961N53971N53981N5399

1N55401N54011N5402.............1N5404.............1N54061N54071N5408

SİLİSYUM DOĞRULTMAÇ DİYOTLARI

DO-15PLASTİK

DO-27APLASTİK

P-6PLASTİK

6.0 A3.0 A1.0 A

1N49331N49341N4935.............1N4936............1N4937..................

MR650MR651MR652.............MR654............MR656..................

MR820MR821MR822.............MR824............MR826..................

P600AP600BP600D.............P600Q.............P600JP600K

If (A)

KILIF

If (ort)If FSM

T j

1A@75 C50A

175 C

1.5A@75 C50A

175 C

3A@105 C200A175 C

6A@60 C400A175 C

1A@50 C30A

150 C

3A@90 C100A175 C

5A@55 C300A150 C

PLASTİKKILIF

1.0 A 1.5 A 1.5 A 4.0 A

VVOLT

RRM

50100200400600800

1000

WL005FWL01FWL02FWL04FWL06FWL08FWL10F

SİLİSYUM KÖPRÜ DİYOTLAR35.0A25.0 A10.0 AIf (A)

KILIF

If (ort)

If FSMT j

1A@25 C.......30A

+175 C

1.5A@50 C.......50A

+125 C

4A@105 C.......50A

-55 C to +150 C

PLASTİKKILIF

+ -~ ~

PLASTİKKILIF

PLASTİKKILIF

METALKILIF

METALKILIF

METALKILIF

W005FW01FW02FW04FW06FW08FW10F

PBF005PBF01PBF02PBF04PBF06PBF08PBF10

PBU4APBU4BPBU4DPBU4QPBU4JPBU4KPBU4M

........PB1001PB1002PB1004PB1006..................

PB2500PB2501PB2502PB2504PB2506

........

........

PB3500PB3501PB3502PB3504PB3506

........

........

4A@65 C.......200A

-55 C to +150 C

10A@55 C50A200A

+150 C

25A@55 C75A300A

+150 C

35A@55 C75A400A

+150 C

FRMIf


61

R62 R70 R72 DO-200 DO-5 DO-8 DO-9

Şekil-2.33 Çeşitli diyot kılıf tipleri ve kılıf kodları

BÖLÜM ÖZETİ

• AC gerilimin DC gerilime dönüştürülmesinde silisyum diyotlarından yararlanılır. Dönüştürme işlemini gerçekleştiren devrelere doğrultmaç denir.

• Şehir şebekesinden alınan ac gerilim doğrultma işleminden önce bir transformatör yardımıyla istenilen değere düşürülür.

• Transformatörler kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatörler ac gerilimi istenilen değere dönüştürme işlemi yanında kullanıcıyı ve sistemi şehir şebekesinden yalıtır.

• Transformatör çıkışından alınan ac gerilim, diyotlar kullanılarak doğrultulur. Doğrultma işlemi yarım-dalga ve tam-dalga olmak üzere iki temelde yapılır.

• Yarım-dalga doğrultmaç devresinde tek bir diyot kullanılır. Diyot giriş ac işaretinin sadece yarım saykılında (1800) iletkendir.

• Tam-dalga doğrultmaç devresi, köprü tipi ve orta uçlu olmak üzere iki temel tipte tasarlanır.

• Tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışından alınan işaretin frekansı, giriş işaretinin iki katıdır. Dolayısıyla çıkıştan alınan işaretin ortalama değeri (dc değer) yarım-dalga doğrultmaç devresinden daha büyüktür.

• Doğrultmaç çıkışından alınan işaretler dc gerilimden uzaktır ve ac bileşenler (rıpıl) barındırır. Doğrultmaç çıkışlarından dc’ye yakın bir dalga formu elde etmek için filtre devreleri kullanılır.

• En basit filtre metodu kondansatörle yapılan filtreleme işlemidir. Bu tipi filtre devrelerinde kondansatörün şarj ve deşarjından yararlanılır.

• Filtreleme işleminde L ve C elemanları kullanılabilir. Bu tür filtreleme işlemleri sonucunda çıkış işaretindeki rıpıllar (dalgalanma) minimum düzeye iner.


62

• Belirlenen bir işaretin kırpılması işlemi için diyotlar kullanılır. Bu tür devrelere “kırpıcı” (clippers) denir.

• Herhangi bir ac işarete, dc seviyeler eklenebilir veya işaretin seviyesi değiştirilebilir. Bu tür devrelere “gerilim kenetleyici” denir. Gerilim kenetleme işlemi diyot ve kondansatörler kullanılarak gerçekleştirilir.

• Giriş geriliminin tepe değerini 2, 3, ....n kat yükselterek çıkışına aktaran devreleri “gerilim çoklayıcı” (voltage multiplier) denir. Bu tür devreler, diyot ve kondansatör kullanılarak gerçekleştirilir.

• Tipik bir dc güç kaynağı (dc power supply) tasarımı; transformatör, doğrultucu diyot, filtre devresi ve regülatör devresi ile gerçekleştirilir.

• Günümüzde yüzlerce yarıiletken devre elemanı (kompenet) üreticisi firma vardır. Her bir firma ürettiği elemanları belirli bir standart dahilinde kodlayarak tüketime sunar. Devre elemanlarının ayrıntılı karakteristikleri ve özellikleri üretici firma kataloglarından temin edilebilir.


3

ÖZEL TİP DİYOTLAR

Konular:

3.1 Zener Diyot 3.2 Zener Diyot Uygulamaları 3.3 Varikap Diyot 3.4 Optik Diyotlar 3.5 Özel Amaçlı Diyotlar 3.6 Sistem Uygulamaları

Amaçlar:

Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• Zener diyot’un yapısı, karakteristikleri ve işlevleri • Zener diyotla gerçekleştirilen gerilim regülasyonu ve kırpıcılar • Varikap diyot’un özellikleri, işlevleri ve karakteristikleri • Foto-diyot’ların ve LED’lerin özellikleri, işlevleri ve karakteristikleri • Regülatör diyotları, şotki diyotlar, pin diyot, tunel diyot v.b özel tip diyotların işlevleri,

özellikleri ve karakteristikleri

BÖLÜM 3

64

Elektronik endüstrisinin en basit ve temel devre elemanlarından olan diyotlar pek çok cihazın üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. Önceki bölümlerde silisyum ve germanyum doğrultucu diyotların pek çok özelliklerini öğrendiniz. Çeşitli uygulama devrelerini gerçekleştirdiniz. Endüstrinin artan gereksinimlerini karşılamak amacı ile farklı tip ve modelde özel tip diyotların üretimide yapılmaktadır. Yukarıda bir kısmının görüntüleri verilen özel diyotları bu bölümde inceleyeceğiz.


65

3.1 ZENER DİYOT

Zener diyot; ters polarma altında kırılma bölgesinde çalıştırılmak üzere tasarlanmış pn bitişimli bir devre elemanıdır. Referans gerilimi temin etmek ve gerilim regülasyonu sağlamak amacı ile kullanılır.


• Zener diyot sembolü • Zener diyot’un çalışma bölgeleri ve kırılma gerilimi • Zener karakteristiklerinin analizi • Zener veri sayfaları

Zener diyot; pn bitişiminden oluşturulmuş ve silisyumdan yapılmış yarı iletken devre elemanlarındandır. Zener diyot; ters polarma bölgesinde zener kırılma geriliminde çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru polarma altında çalışması doğrultucu diyot’la benzerlik gösterir. Şekil-3.1’de zener diyot’un şematik sembolleri verilmiştir.

AnotA A

KK Katod

Şekil-3.1 Zener diyot sembolleri

Zener diyot; doğru polarma altında silisyum doğrultmaç diyot’ların tüm özelliklerini gösterir. Doğru polarma altında iletkendir. Üzerinde yaklaşık 0.7V diyot öngerilimi oluşur. Ters polarma altında ise pn bitişimi sabit gerilim bölgesi meydana getirir. Bu gerilim değeri; “kırılma gerilimi” (Broke-down voltage) olarak adlandırılır. Bu gerilime bazı kaynaklarda “zener gerilimi” denilmektedir. Şekil-3.2’de silisyum doğrultmaç diyodu ile zener diyot karakteristikleri birlikte verilmişlerdir.


66

)A(IR µ

)V(VF)V(VR

)mA(I F

TersPolarmaBölgesi

DoğruPolarmaBölgesiKırılma

VBR

0.7V

a) Silisyum Doğrultucu Diyot Karakteristiği)mA(IZ

)V(VF)V(VR

)mA(I F

TersPolarmaBölgesi

DoğruPolarmaBölgesiKırılma

VZ

0.7V

a) Zener Diyot Karakteristiği

Şekil-3.2 Silisyum doğrultucu diyot ve zener diyot karakteristikleri

Zener diyot ile silisyum diyot karakteristikleri arasında ters polarma bölgesinde önemli farklılıklar vardır. Silisyum diyot ters polarma dayanma gerilimi değerine kadar açık devre özelliğini korur. Zener diyot ise bu bölgede zener kırılma gerilimi (Vz) değerinde iletime geçer. Zener üzerindeki gerilim düşümü yaklaşık olarak sabit kalır.

Zener diyotlarda kırılma gerilimi, üretim aşamasında pn bitişiminin katkı maddesi oranları ayarlanarak belirlenmektedir. Günümüzde 1.8V ile 200V arasında farklı kırılma gerilimlerine sahip zener diyotlar üretilmektedir.

Günümüz piyasasında kullanıcının ihtiyacına uygun olarak; 1/4W ile 50W anma güçleri arasında çalışacak şekilde zener diyot üretimi yapılmaktadır. Zener diyotlarla ilgili bazı üretici firma verilerini, veri sayfaları bölümünde bulabilirsiniz. Ayrıntılı karakteristik ve veriler için üretici katalogları incelenmelidir. Şekil-3.4’de farklı güçlere dolayısıyla farklı kılıflara sahip zener diyot’lar görülmektedir.

Şekil-3.4 Zener diyotlarda kılıf tipleri


67

Zener Kırılma Karakteristiği

Zener diyot, doğru polarma bölgesinde normal silisyum diyot özelliği gösterdiği belirtilmişti. Zener diyodun en önemli özelliği ters polarma bölgesindeki davranışıdır. Zener diyodun ters polarma altında çalışması için gerekli devre bağlantısı ve akım-gerilim karakteristiği şekil-3.5’de verilmiştir.

Ters polarma altında zener diyot üzerine uygulanan gerilim değeri; zener kırılma gerilimi değerini aştığında zener diyot kırılarak iletime geçer. Ters polarma altında iletime geçen zener diyot, üzerinde sabit bir gerilim değeri oluşturur. Bu gerilime “zener gerilimi” (Vz) denir.

Zener diyodun iletime geçebilmesi için zener üzerinden geçen akım; Izmin değerinden büyük, Izmax değerinden küçük olması gerekir. Başka bir ifadeyle zenere uygulanan ters polarma gerilimi, Zener kırılma gerilimi (Vz) değerinden büyük olmalıdır.

)mA(I R

)V(VRminIZ

TestIZ

maxIZ

ZTZ I@V

+

-VDD

R

Vz

Iz

Şekil-3.5 Zener diyot’un ters polarma altında karakteristiği

Zener diyot üzerinden geçen akım miktarı; Izmax değerini geçtiğinde zener bozularak işlevini yitirir. Karakteristikten de görüldüğü gibi zener diyot üzerinden geçen Iz akımı; Izmin ve Izmax değerleri arasında tutulmalıdır.

Zener diyot ters polarma altında iletimde kaldığı sürece üzerinde Vz olarak belirtilen bir gerilim oluşur. Bu gerilime “zener gerilimi”, bu işleme ise “gerilim regülasyonu” denir. Zener diyot, karakteristikte gösterildiği gibi üzerindeki gerilimi Vz değerinde sabit tutmaktadır. Bu özellik zener diyodu oldukça popüler kılar. Özellikle gerilim regülasyonu veya referans gerilimi elde etmede sıkça kullanılmasını sağlar.

Zener Eşdeğer Devreleri Zener diyodun ters polarma bölgesindeki davranışını tanımlamak için şekil-3.3’de eşdeğer devresi verilmiştir. İdeal bir zenerin eşdeğer devresi, nominal zener kırılma gerilimi değerine eşit gerilim kaynağı (Vz) ile gösterilir.

Gerçek (pratik) bir zenerin ters polarma bölgesinde eşdeğer devresi ise, küçük bir iç empedans (Zz) ve nominal zener kırılma gerilimini temsilen bir gerilim kaynağından oluşur. Zener kırılma gerilimi; ideal değildir. Karakteristik eğriden de görüleceği gibi bir


68

miktar değişim gösterir (∆VZ). Bu durum şekil-3.3.c üzerinde gösterilmiştir. Zener empedansı; değişen zener akımının (∆VZ), değişen zener akımına (∆IZ) oranıdır ve aşağıdaki şekilde belirlenir.

Z

ZZ I

VZ

∆∆

=

Üretici firmalar normal koşullarda veri tablolarında test değerleri için zener akımını IZT ve zener empedansını ZZT verirler. Zenerle yapılan tasarımlarda bu değerler dikkate alınmalıdır.

)mA(I R

)V(VRminIZ

maxIZ

ZV∆

Vz+

Zz

+

b) Pratik zener eşdeğeri

ZV∆Z

ZZ I

VZ∆∆

=

0

Vz+

a) İdeal zener eşdeğeri

c) zener karakteristiği

Şekil-3.3 Zener diyot eşdeğer devresi

Isıl Kararlılık

Tüm yarıiletken devre elemanları gibi, zener diyotlarda çalışma ortamlarındaki ısıdan etkilenirler. Üretici firmalar zener diyot için gerekli karakteristikleri genellikle 250C oda sıcaklığı için veririler. Isı artımında zener geriliminde oluşabilecek değişimler üretici kataloglarında belirtilir.

Örneğin çalışma koşullarındaki her 10C’lik ısı artışı, zener geriliminde (Vz) yaklaşık %0.05 oranında artış gösterir. Bu özellik uygulamalarda dikkate alınmalıdır. Yüksek güçlerde çalıştırılan zener diyotlar üzerine soğutucular monte edilmelidir.

Güç Tüketimi ve Bozulma Faktörü

Zener diyotlarla uygulama yapılırken maksimum güç değerlerine dikkat edilmelidir. Üretici firmalar DC gerilim altında her bir zener diyot için uyulması gereken güç değerlerini kataloglarında verirler. Örneğin; 1N746 kodlu zener diyot için maksimum güç PD=500mW, 1N3305 kodlu zener diyot için maksimum güç PD=50W olarak verilmiştir.

Zener diyotların dc gerilim altında maksimum dayanma gücü;

(max)ZZD IVP ⋅=

formülü kullanılarak bulunur. Zenerlerde maksimum dayanma gücü genellikle 500C için verilir. Çalışma koşullarındaki ısı değişimi, hesaplamalarda dikkate alınmalıdır.


69

Zener Diyot veri sayfası Üretici firmaların binlerce tip farklı çalışma karakteristiklerine sahip zener diyot ürettiklerini belirtmiştik. Bu bölümde sizlere örnek olması amacı ile bazı zener diyotların üretici firma tarafından verilen karakteristiklerini sizlere sunacağız.

Üretici firma karakteristikleri genelde ingilizce hazırlandıkları için orijinal metine sadık kalıp, gerekli açıklamaları notlar halinde sunacağız.

Maxsimum Rating (maksimum kategoriler)

Ratings (Kategoriler) Symbol (Sembol) Value (Değer) Unit (Birim)

DC power dissipation @ TA=500C Derete above 500C PD 1.0

6.67 Watt

mW/C0 Opereting and stor junction

Temperature range TJ, Tstg -65 to +200 0C

Electrical Characteristics (TA=250C unless otherwise noted) VF=1.2Vmax IF=200mA for all types Elektriksel karakteristikler (Aksi not olarak belirtilmedikçe TA=250C’de) Tüm tipler için VF=1.2Vmax IF=200mA

Maxsimum zener impedance Leakage Current

JEDEC Type no

Nominal Zener

Voltage VZ@IZT Volts

Test Current

IZT mA

ZZT@IZT Ohms

ZZK@IZK Ohms

IZK mA

IR ųA max

VR Volts

1N4728 1N4729 1N4730 1N4731 1N4732

3.3 3.6 3.9 4.3 4.7

76 69 64 58 53

10 10 9.0 9.0 8.0

400 400 400 400 500

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

100 100 50 10 10

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

1N4733 1N4734 1N4735 1N4736 1N4737

5.1 5.6 6.2 6.8 7.5

49 45 51 37 34

7.0 5.0 2.0 3.5 4.0

550 600 700 700 700

1.0 1.0 1.0 1.0 0.5

10 10 10 10 10

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1N4758 1N4759 1N4760

56 62 68

4.5 4.0 3.7

110 125 150

2000 2000 2000

0.25 0.25 0.25

5.0 5.0 5.0

42.6 47.1 51.7

Tablo-3.1 Çeşitli tip zener diyotların bazı önemli karakteristikleri


70

3.2 ZENER DİYOT UYGULAMALARI

Zener diyotlar genellikle dc güç kaynaklarında gerilim regülasyonunu sağlamak amacı ile kullanılırlar. Karşılaştırma yapmak için referans gerilimi temininde de zener diyotlar sıklıkla kullanılır.

Regülasyon işlemi bir büyüklüğü, başka bir büyüklük karşısında kararlı tutmaktır. Örneğin gerilim regülasyonu terimi; gerilimi, akımdan veya yükten bağımsız hale getirip sabit bir değerde tutma anlamına gelmektedir.

Bu bölümde; zener diyotla gerilim regülasyonunun nasıl gerçekleştirildiğini öğreneceksiniz. Ayrıca zenerle yapılan basit kırpıcı devreleri tanıyacaksınız.

Zenerin Regülasyonda Kullanılması Zener diyotların en geniş ve yaygın kullanım alanı gerilim regülasyonudur. Gerilim regülasyonu; gerilimi dış etkilerden bağımsız hale getirip sabit tutabilmektir. Kısaca gerilimi kararlı hale getirebilmektir. Gerilim kararlı kılmanın en basit yöntemi şekil-3.6’da gösterilmiştir.

Devre girişine uygulanan regülesiz VGİRİŞ gerilimi, zener diyotla kararlı hale getirilmiştir. Bu işlem için zener diyot ve R direnciyle gerilim bölücü bir devre oluşturulmuştur. Devre girişine uygulanan VGİRİŞ gerilimi değişmektedir. Devrede kullanılan 12V’luk zener diyot, giriş gerilimindeki tüm değişimleri algılamalı ve devrenin çıkış gerilimini VÇIKIŞ 12V’ta sabit tutmalıdır. Bu işlem gerçekleştirildiğinde zener diyot, gerilim regülasyonu yapıyor diyebiliriz.

+

-VGİRİŞ

R

Vz

IT

RegülesizDC kaynak RL

ILIZ

12VVÇIKIŞ

Şekil-3.6 Zener diyotla gerçekleştirilen gerilim regülasyonu

Zener diyot bu işlemi nasıl gerçekleştirecektir. Zener’in istediği şartları yerine getirirsek gayet basit. Zener diyot gerilim regülasyonu yapmak için neler istiyordu. Kısaca tekrar hatırlayalım.

1- Zener diyot ters polarma altında çalıştırılmalı 2- Zener’e uygulanan gerilim, zener kırılma geriliminden (VZ) büyük olmalı. (Vin>Vz)


71

3- Zener’den geçecek akım; Izmin değerinden büyük, Izmax değerinden küçük olmalı (Izmin<Iz<Izmax)

Şekil-3.6’da verilen regüle devresinde zener diyot’dan iki temel işlemi gerçekleştirmesi istenmektedir.

1- Zener diyot; giriş gerilimlerindeki değişimi algılamalı ve çıkış gerilimini sabit tutmalıdır. Giriş gerilimlerindeki değişimler, çıkış gerilimini etkilememelidir.

2- Devre çıkışından alınan gerilim, yükteki değişimlerden etkilenmemelidir. Çıkış gerilimi yük akımı IL’den bağımsız ve sabit olmalıdır.

Bu özellikleri sırayla inceleyelim.

Değişken giriş geriliminde regülasyon Bu bölümde regülesiz giriş gerilimlerinde zener diyot’un nasıl regüle yaptığını öğreneceğiz. amaçla şekil-3.7’deki devre verilmiştir. Devrede giriş gerilimi VGİRİŞ, belli bir aralıkta değişmektedir. Devre çıkışında ise 12V’luk sabit çıkış gerilimi alınacaktır. Bu işlem 12V’luk zener diyot’la gerçekleştirilmektedir. Devredeki R direnci; zener diyot üzerinden geçecek akım miktarını belirlemektedir. Zenerin regüle işlemini yerine getirebilmesi için üzerinden akan akım miktarı (Izmim-Izmax) değerleri arasında olmalıdır.

+

-VİN

R

Vz

I

RegülesizDC kaynak

IZ

12VVOUT

220Ω

Şekil-3.7 Değişken giriş geriliminde regülasyon

Örneğin şekil-3.7’deki regüle devresinde 1/2W gücünde 12V’luk zener diyot kullanıldığını varsayalım. Zener diyot’un minimum kırılma akımı ise Izmin=IZK=0.50mA olsun. Bu durumda devrenin regüle edebileceği giriş gerilimi aralığını bulalım.

Çözüm: Önce zener diyot’un dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım.

max(max) ZD IVzP ⋅=

mAVmW

VP

IZ

DZ 6.41

12500(max)

max ===

olarak bulunur. Zener akımı minimum olduğunda; R direnci üzerine düşen gerilim,


72

mVmAIRV ZR 110)50.0()220(min =⋅Ω=⋅=

Dolayısıyla giriş geriliminin minimum değeri;

ZINR VVV −=

VmVVVVV ZRMININ 11.1211012)( =+=+=

Dolayısıyla zener diyot’un regüle işlemini yerine getirebilmesi için giriş gerilimi (VIN) minimum 12.11V olmalıdır. Şimdi giriş geriliminin alabileceği maksimum değeri bulalım.

VmAIRV ZR 166.9)6.41()220(max =⋅Ω=⋅=

Dolayısıyla giriş gerilimini alabileceği maksimum değer;

ZINR VVV −=

VVVVVV ZRMAXIN 16.21166.912)( =+=+=

Şekil-3.7’de verilen regüle devresinde yapılan hesaplamalar sonucunda aşağıdaki veriler elde edilmiştir.

1- Zener diyot regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için, giriş gerilimi minimum VIN(MİN)=12.11V olmalıdır.

2- Zener diyot regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için, giriş gerilimi maksimum VIN(MAX)=21.16V olmalıdır.

Örnek: 3.1

Şekil-3.8’de verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için giriş geriliminin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız.

+

-VİN

R

Vz

I

RegülesizDC kaynak

IZ

1N4758VOUT

100Ω

Şekil-3.8 Değişken giriş gerilimlerinde regülasyon


73

Çözüm:

Devrede kullanılan 1N4578 kodlu zener diyodun karakteristiklerini üretici veri sayfasından yararlanarak bulalım. VZ=56V, PD(max)=1W, IZmin=0.25mA

Bu durumda devrenin minimum giriş gerilimi;

VIN(min)=(IZmin . R)+VOUT

VIN(min)=(0.25mA)(100Ω)+56V=56.25V

Değerinde olmalıdır. Devrenin maksimum giriş gerilimini bulmak için önce zenerin dayanabileceği maksimum akımı bulmalıyız.

mAV

WV

PI

Z

DZ 8.17

561(max)

max ===

O halde devrenin maksimum giriş gerilimi;

VIN(max)=(IZmax . R)+VOUT

VIN(max)=(17.8mA)(100Ω)+56V=57.8V

Dolayısıyla şekil-3.8’de verilen regüle devresinde zener diyodun regüle işlemini gerçekleştirebilmesi için giriş gerilimi;

56.2V>VIN >57.8V

aralığında olmalıdır.

Değişken yük akımında regülasyon Bu bölümde değişken yük akımında zener diyodun nasıl regüle yaptığını göreceksiniz. Örnek bir regüle devresi şekil-3.9’da verilmiştir. Devrede zener diyoda paralel değişken bir yük direnci (RL) bağlanmıştır. Zener diyot regüle yaptığı sürece RL yükü üzerindeki gerilim düşümü sabit kalmalıdır. Kısaca VOUT=12V olmalıdır.

+

-VIN

R

Vz

IT IZ

12VVOUT RL

IL

Şekil-3.9 Değişken yük akımında regülasyon

Konuyu daha iyi irdeleyebilmek amacı ile çeşitli uygulama örnekleri verilerek matematiksel analizleri yapılmıştır.


74

Örnek: 3.2

Çözüm:

Şekil-3.10’da verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için RL yük direncinin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız.?

470Ω

+

-VIN

R

Vz

IT IZ

10V VOUTRL

IL

24V1W

Şekil-3.10 Değişken yük direncinde gerilim regülasyonu

Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; VZ=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA olarak verilmiştir. Bu veriler ışığında gerekli analizleri yapalım.

Devrede kullanılan zener diyodun dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım;

mAV

WV

PI

Z

DZ 100

101(max)

(max) ===

Önce devrede yük direnci kullanılmadığında (RL=∞) zener regüle işlemini yerine getirebilir mi? İnceleyelim. Bu durumda IL=0A olacağından, IT=IZ(max) olacaktır. Dolayısıyla;

ZTIN VIRV +⋅=

Ω−

=−

==470

1024(max) R

VVII ZNI

ZT

mAII ZT 7.29(max) ==

elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine getirilebiliyor. Devreden;


75

elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine getirilebiliyor. Devreden;

(min)(max) LZT III += (max)(min) LZT III +=

olacağı açıktır. Buradan yük akımının alabileceği maksimum değeri bulabiliriz.

(min)(max) ZTL III −=

mAmAI L 7.2817.29(max) =−=

Devre çıkışından alınabilecek maksimum yük akımını hesapladık. Bu veriyi kullanarak çıkışa bağlanabilecek RL yük direncini hesaplayalım.

Ω=== 3487.28

10(max)

(min) mAV

IV

RL

ZL

Sonuç: Elde edilen bu veriler ışığında devremizin regüle işlemini yerine getirebilmesi için RL Yük direncinin alabileceği değerler aralığı;

398Ω>RL>∞

Zener’le bir gerilim regülatörü tasarlanırken dikkat edilmesi gereken faktörler vardır. Bunları giriş gerilimindeki değişimler ve yük akımındaki değişimler olarak özetleyebiliriz. Son olarak komple bir regüle devresi tasarım örneği vererek konuyu bitirelim.

Örnek: 3.3

Şekil-3.11’da verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için gerekli R ön direncinin olması gereken değerini hesaplayınız?.

+

-VIN

R

Vz

IT IZ

10V VOUTRL

IL

20V1W

1KΩ

Şekil-3.11 Zenerle gerilim regülasyonu


76

Çözüm:

Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; VZ=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA olarak verilmiştir. Devrede kullanılan zener diyodun dayanabileceği maksimum akım değerini bulalım;

Z

DZ V

PI (max)

(max) =

mAV

WI Z 100101

(max) ==

Devrede kullanılan RL yük direnci 1KΩ değerindedir. Dolayısıyla yük akımı sabittir.

mAKR

VVI

L

OUTZL 10

110

=Ω

==

=

R ön direncinden geçecek akım IT olarak belirtilmiştir. IT akımının alabileceği değerleri hesaplayalım.

mAmAmAIII LZT 11101((min)(min) =+=⋅+=

mAmAmAIII LZT 11010100((max)(max) =+=⋅+=

Devrede akım sınırlamak amacıyla kullanılan R ön direnci bu değerleri sağlamalıdır. Dolaysıyla R direncinin minimum ve maksimum olmak üzere iki sınır değeri olacaktır.

ZTIN VIRV +⋅= (max)min

Ω=−

=−

= 90110

1020

(max)min mAI

VVR

T

ZNI

Ω=−

=−

= 90911

1020

(min)max mAI

VVR

T

ZNI

Devrede kullanacağımız R ön direnci yukarıda belirtilen değerler aralığında olmalıdır. Sağlıklı çalışma için limit değerler kullanmak önerilmez. Ortalama bir değer kullanalım.

Ω≅Ω−Ω

=+

= 470290990

2minmax RR

R

Ω≅Ω−Ω

= 470290990R


77

Zener’le kırpıcı devreler Zener diyot’un sıklıkla kullanılan bir diğer uygulama alanı ise kırpıcı devre tasarımıdır. Özellikle ac işaretlerin kırpılması ve farklı dalga formlarına dönüştürülmesi için zener diyotlar sıklıkla kullanılır. Bu bölümde ac işaretlerin kırpılmasını ve dalga formlarının değiştirilmesini inceleyeceğiz.

Şekil-3.12’de sinüsoydal bir işaretin nasıl kırpıldığı gösterilmiştir. Bu devrede; giriş işaretinin pozitif saykılında zener diyot kırılma gerilimi değerine kadar yalıtımdadır. Dolayısıyla giriş işareti, çıkışta aynen görülür. Giriş işaretinin pozitif seviyesi, zener kırılma gerilimi değerini aştığında zener diyot kırılarak çıkış gerilimini +5V değerinde sabit tutar.

Giriş işaretinin negatif yarım saykılında ise zener iletkendir. Çıkışta 0.7V zener ön gerilimi elde edilir. Dolayısıyla devre girişine uygulanan 20Vt-t değerine sahip sinüsoydal işaret, devre çıkışından +5V’luk kare dalgaya dönüştürülmüş olarak alınır.

R

Vz5V VOUTVIN

0

-10V

+10V

t+

VINVOUT

t5V

-0.7V

Şekil-3.12 Sinüsoydal bir işaretin pozitif alternansının kırpılması

Şekil-3.13de görülen devrede ise sinüsoydal giriş işaretinin negatif alternansı zener diyot tarafından –7V’ta kırpılmıştır. Pozitif alternansta zener diyot iletimde olduğu için çıkış gerilimi +0.7V civarındadır.

R

Vz7V VOUTVIN

0

-10V

+10V

t+

VINVOUT

-7V

+0.7V

Şekil-3.13 Sinüsoydal bir işaretin negatif alternansının kırpılması

Şekil-3.14’de ise sinüsoydal bir işaretin pozitif ve negatif alternanslarını kırpan bir devre verilmiştir. Giriş işaretinin pozitif alternansında; VZ2 zeneri iletimdedir. VZ1 ise pozitif alterrnansı kırılma gerilimi değerinde kırpar. Pozitif alternansta çıkış geriliminin tepe değeri VZ1+0.7V değerine eşitttir.

Giriş işaretinin negatif alternansında; VZ1 zeneri iletimdedir. VZ2 ise negatif alterrnansı kırılma gerilimi değerinde kırpar. Negatif alternansta çıkış geriliminin tepe değeri –(VZ2+0.7V) değerine eşitttir.


78

R

Vz1

VOUTVIN0

-10V

+10V

t+

VINVOUT

tVz2

Vz1

Vz2

Şekil-3.14 Sinüsoydal bir işaretin negatif ve pozitif alternanslarının kırpılması

3.3 VARİKAP DİYOT

Varikap diyot, pn ekleminden üretilmiş yarıiletken bir devre elemanıdır. Kimi kaynaklarda “varaktör (varactor) diyot” olarak adlandırılır. P-N bitişimi ters gerilim altında bir miktar kapasitif etki gösterir. Bu özellikten yararlanılarak varikap diyotlar üretilmiştir.

Varikap diyot, genellikle iletişim sistemlerinde kanal seçici (tuning) devrelerin tasarımında kullanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Varikap diyot’un temel yapısı ve sembolü • Varikap diyot’un çalışma karakteristikleri • Varikap diyot’un veri sayfaları

P-N bitişimi ters yönde polarmalandığında bir miktar kapasitif etki oluşturur. P-N bitişiminin bu özelliğinden yararlanılarak varikap diyotlar geliştirilmiştir. Varikap diyodu; ters polarma altında kapasitansı değişen diyot veya yarıiletken kondansatör olarak tanımlayabiliriz. Şekil-3.15’de varikap diyodun şematik sembolü ve eşdeğer devresi verilmiştir.

Rs

Cv

Şekil-3.15 Varikap diyodun şematik sembolü ve eşdeğer devresi

Varikap diyodun kapasitif değerini, pn bileşiminin fakirleştirilmiş bölgesinde belirlenmektedir. Üretimde kullanılan katkı maddesi ve fiziksel boyut kapasitif değeri etkileyen diğer faktörlerdir. Kapasitif etkinin nasıl oluştuğu şekil-3.16 yardımıyla görselleştirilmiştir. Varikap diyoda uygulanan ters polarma değerine bağlı olarak kapasitif etkinin değiştiğine dikkat ediniz.


79

+-

VDD

n

FakirleştirilmişBölge

p

VDD

Şekil-3.16 Varikap diyodun temel yapısı ve çalışması

Varikap diyodun kapasitesi uygulanan ters gerilimin değerine bağlı olarak bir kaç pF’dan yüzlerce pF’a kadar değiştirilebilir. Şekil-3.17’de tipik bir varikap diyodun karakteristiği verilmiştir.

Karakteristik eğriden görüldüğü gibi varikap diyoda uygulanan ters polarite artışı, diyodun kapasitif değerini azaltmaktadır.

+

-

VDD

R

0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14VR (v)

C(pF)

20

40

60

Şekil-3.17 Varikap diyodun karakteristiği

Genel kullanım Alanları Varikap diyotlar; genellikle iletişim sistemlerinin tasarımında kullanılır. Kullanım alanlarına örnek olarak; FM modülatörü, otomatik frekans kontrolü, filtreleme devrelerini verebiliriz. Şekil-3.18’de varikap diyot, paralel bir rezonans devresinde, rezonans frekansının ayarlanmasında kullanılmıştır.

Vi

RD1

D2

+VL

Şekil-3.18 Paralel rezonans devresinde varikap diyodun kullanılması


80

Devrede; 2 adet varikap diyot kullanılmıştır. Varikap diyodlara uygulanan dc gerilim; varikap diyodların kapasitif değerlerini değiştirmektedir. Bu durum, paralel rezonans (tank devresi) devresinin rezonans frekansını belirler. Bu devrede rezonans frekansı (Q≥ 10 için) Fr;

LCFr

Π=

21

Genel veriler

Üretici firmalar kullanım amaçlarına bağlı olarak yüzlerce farklı tipte varikap diyot üretimi yaparak tüketime sunarlar. Üretilen her bir varikap diyodun karakteristiklerini üretici kataloglarından temin edilebilir. Bu bölümde; örnek olarak birkaç varikap diyodun genel karakteristikleri verilmiştir.

CD, Diyod Kapasitesi VR=0.5VDC,

f=1.0MHz

CD, Diyod Kapasitesi VR=28VDC, f=1.0MHz

Ters Yön Gerilimi

(VR)

Ters Yön

Akımı (IR)

İleri Yön

Akımı (IF)

Seri Diyod Direnci rS

Kodu

Min Max Min Max Max Max Max Max BB131 8pF 17pF 0.7pF 1.05pF 30V 10nA 20mA 3Ω@200MH

z BB135 17.5pF 21pF 1.7pF 2.1pF 30V 10nA 20mA 0.7Ω@470

MHz BB145 6.4pF 7.4pF [email protected]

F [email protected]

F 6V 10nA 20mA 0.6Ω@470

MHz BB152 1V@52p

F 1V@62

pF 2.48pF 2.89pF 32V 200nA 20mA 1.2Ω@100

MHz BB190 1V@18p

F 1V@20

pF 10V@6p

F 10V@6p

F 10V 3nA 0.4Ω@470

MHz BBY40 3V@26p

F 3V@32

pF [email protected]

pF 25V@6p

F 30V 10nA 20mA 0.7Ω@200

MHz

Şekil-3.19 Bazı Varikap diyotların genel karakteristikleri


81

3.4 OPTİK DİYOTLAR

Bu bölümde; optik özellik gösteren iki tür diyodu ayrıntılı olarak inceleyeceğiz. Bunlardan ilki ışık yayan diyot’tur. Bu diyot, genellikle LED (Light Emitting Diode) olarak adlandırılır.

Optik özellik gösteren bir diğer diyot ise Foto-Diyot olarak adlandırılır. Foto-diyot, ters polarma altında çalışacak şekilde tasarlanmıştır. Ters polarma altında iletkenliği ışığa duyarlıdır. Her iki diyot türü, özellikle optik uygulamalarda sıklıkla kullanılırlar. Bu bölümde;

• Işık yayan diyotların (LED) özellikleri ve karakteristikleri • Foto-Diyot özellikleri ve çalışma karakteristikleri • Lazer Diyot

Hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz.

Işık Yayan Diyot (LED)

Işık yayan diyot (LED), doğru yönde polarmalandığında görülebilir ışık yayan yarıiletken bir devre elemanıdır. P-N bitişiminden üretilmiştir. Bilindiği gibi germanyum veya silis-yumdan yapılan pn bitişimleri doğru polarma altında üzerlerinden bir akım akmasına izin verir. Akım akışı esnasında bir enerji açığa çıkar. Bu enerjinin bir miktarı ısı, küçük bir miktarı ise ışık (foton) enerjisidir. Bu nedenle LED üretiminde silisyum veya germanyum elementleri kullanılmaz. LED üretimi için P ve N maddelerinin oluşturulma-sında genellikle Galyum arsenit fosfit (GaAsP) veya galyum fosfit (GaP) kullanılır. Bu tür maddeler doğru polarma altında görülebilir ışık elde etmek için yeterlidir. Şekil-3.19.a’da LED’in şematik sembolü, 3.19.b’de ise doğru polarma altında pn bitişiminde ışık enerjisinin oluşumu verilmiştir.

Katot Katot

Anot Anot

a) Led’in şematik gösterimi b) Işık enerjisinin oluşması

Işık Enerjisi

n tipimadde

_

+

n tipimadde

Şekil-3.19.a ve b Led sembolleri ve ışık enerjisinin oluşması


82

PN bitişiminde, bitişim bölgesinde elektron ve boşluklar yeniden birleşir. Yeniden birleşme işlemi esnasında enerjinin büyük bir kısmı ışık enerjisine dönüşerek görülebilmesine neden olur. Bu durum şekil-3.19’b’de resmedilmiştir.

Yarıiletken malzemeye elektrik enerjisi uygulanarak ışık enerjisi elde edilebilir. Bu işlem “elektrolüminesans (elektro-parlaklık)” olarak adlandırılır.

LED, doğru polarma atında iletime geçer ve üzerinden akım akmasına izin verir. Doğru polarma altında üzerinde maksimum 1.2V ile 3.2V arasında bir gerilim düşümüne sebep olur. LED’lerin üzerlerinden akmalarına izin verilen akım miktarı 10-30mA civarındadır. Bu değer; kullanılan LED’in boyutuna ve rengine göre farklılık gösterebilir. Gerekli maksimum değerler üretici kataloglarından temin edilebilir. Şekil-3.20’de LED’in doğru polarma altında çalışması ve V-I karakteristiği verilmiştir.

VDD

+

R

-

IF

VF

+

-

IFVRD+ -

IF

IF(mA)

VF(v)1.5V 2.0V

IF(mA)Iş

ık ş

idde

ti

a) LED’in Doğru polarmalanması b) LED’in V-I Karakteristiği c) LED akımına bağlı olarak ışık şiddeti

Şekil-3.20 Doğru polarma altında LED’in çalışması ve karakteristikleri

LED’in yaydığı ışık enerjisinin şiddeti ve rengi imalatta kullanılan katkı maddesine göre değişmektedir. Üretiminde GaP kullanılan LED’ler, kırmızı yada sarı renkte görülebilir ışık yayarlar. GaAsP kullanılan LED’ler ise sarı renkte görülebilir ışık yayarlar. Üretiminde GaAs kullanılan LED’ler ise “kızıl ötesi (infrarad)” ışık yayarlar.

LED’lerin yaydığı ışığın görünebilir veya görünemez olması, yayılan ışığın dalga boyu tarafından belirlenir. 500nm-700nm arasında dalga boyuna sahip ışımalar görülebilir. 800nm-1000nm arasında dalga boyuna sahip ışımalar ise kızıl ötesi olarak adlandırılır ve görülemez. Şekil-3.21’de her rengin dalga boyu ve ışık şiddeti grafiksel olarak verilmiştir.


83

500 540 580 620 660 700 7400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Y eş il Sarı

K ırm

ız ı

880 900 920 940 960 980 10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

λ, dalga boyu (nm) λ , dalga boyu (nm)

Nispi

ışık ş

iddeti

Nispi

ışık ş

iddeti

a) Görülebilir ışık (visible light) b) Görülemeyen ışık (Nonvisible infrared)

Şekil-3.21 Renklerin dalga boyuna göre bağıl şiddetinin grafiği

Pek çok üretici firma, kullanım alanı ve gereksinime bağlı olarak LED üretimi yapar. Günümüzde sarı, turuncu, yeşil ve kırmızı renklerde ışık veren LED’ler üretilmektedir. Mavi ışık yayan LED üretimi şimdilik pek ekonomik değildir. Yakın gelecekte bu tür LED’lerinde seri tüketime sunulacak şekilde geliştirilebileceğini söyleyebiliriz. Bir çok farklı kılıfa (yuvarlak, kare, diktörtgen v.b) ve boyuta sahip LED üretimi yapılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bazı LED tiplerinin görünümü şekil-3.22’de verilmiştir.

Şekil-3.22 LED’lerde kılıf tipleri ve görünümleri

Sınır Değerler

Son yıllarda reklam sektöründeki gelişmeler, LED tüketimi ve kullanımını artırmıştır. Enerji tüketimlerinin oldukça az olması yaygın kullanımda etkendir. LED kullanımında iki sınır değere özellikle dikkat edilmelidir. Bunlar ileri yönde maksimum geçirme akımı IFM, ve maksimum ters tepe gerilimi VRM dir. Bu değerlerin aşılması durumunda LED hasar görebilir. İmalatçılar örneğin, 3mm’lik boyuta sahip kırmızı LED için IFM=50mA, diğer renkler için ise IFM=30mA limit değerlerini vermişlerdir. Pratik kullanımda her LED için 10-20mA ileri yön akım değeri yeterli olmaktadır. LED’lerin maksimum ters tepe gerilimi çoğu kez birkaç volt civarındadır. LED’lerin çalışma ömrü çok uzundur ve yaklaşık olarak 105 saat civarındadır.


84

Led Gösterge Led diyotlar günümüzde çeşitli kombinazasyonlar oluşturularak da kullanılmaktadır. Özellikle sayısal elektronik uygulamalarında rakam ve yazıların gösterimi bu tür devre elemanları ile yapılır. Yedi parçalı gösterge (seven-segment displey) olarak adlandırılan bu tür optik devre elemanları ortak anot veya ortak katot bağlantılı olarak üretilirler. Şekil-3.23’de Led göstergelerin temel yapısı ve birkaç tipik led göstergenin görünümleri verilmiştir.

A

B

C

D

E

F

G

E

D

GND

C

dp

G

F

GND

A

B

E

D

GND

C

dp

G

F

GND

A

B

Led göstergenin oluşturulması Ortak katodlu gösterge Ortan anotlu gösterge

Şekil-3.23 Led göstergenin temel yapısı ve tipik görüntüleri

Foto-Diyot Foto-diyot (Photo-diode), ışık enerjisine duyarlı aktif devre elemanlarındandır. Ters polarma altında çalıştırılmak üzere PN bitişiminden üretilmiştir. Şekil-3.24’de foto-diyot’un sembolü ve birkaç farklı tip foto-diyot’un görünümü verilmiştir. Foto-diyot ışık enerjisine duyarlı bir elemandır. Bu nedenle tüm foto-diyotlar ışık enerjisini algılamaları için şeffaf bir pencereye sahiptir.

Katod

Anot Anot

Katod

λ

Şekil-3.25 Foto-Diyot’un şematik gösterimleri ve görünümleri


85

Foto-diyot; doğru polarma altında normal diyotlar gibi iletkendir. Ters polarma altında ise, üzerine uygulanan ışık yoğunluğuna bağlı olarak çok küçük bir akım akmasına izin verir. Dolayısıyla karanlık bir ortamda bulunan foto-diyot yalıtkandır.

Bir foto-diyot’un ışık enerjisine bağlı olarak nasıl çalıştığı şekil-3.26’da gösterilmiştir. Öncelikle foto-diyot ters polarma altında çalıştırılmıştır. Şekilde görüldüğü gibi karanlık ortamda foto-diyot’un direnci maksimumdur ve üzerinden akım akmasına izin vermez. Foto-diyot üzerine bir ışık kaynağı uygulandığında ise µA’ler seviyesinde bir akım akmasına izin verir.

λ

Iλ

VR

0 A

Ampermetre λ

0 A

Ampermetre λ

Işık Yok Işık Var

VRVR

Şekil-3.26 Foto-diyot’un çalışması

Bir foto-diyot’un karakteristiği üzerine gelen ışık gücüne bağlı olarak üreteceği foto-akım (Iλ) miktarıdır. Karakteristikler genellikle watt başına akım miktarı olarak belirtilir. Şekil-3.27’de bir foto-diyot için gerekli karakteristikler verilmiştir.

Karanlık, H

Foto

akı

mı,

(I λ)

H=20mW/cm2

0.5

1

2

5

10

1

2

5

10

20

50

100

0 20 40 60 80 100VR, ters gerilim (V)

I L, Fo

to a

kım

ı (µA

)

0

Şekil-3.26 Foto-diyot için gerekli karakteristikler

Lazer Diyot Lazer; İngilizce, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (uyarılmış ışın neşriyle ışık kuvvetlendirilmesi) cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiş bir kelimedir. Normal ışık, dalga boyları muhtelif, rengarenk, yani farklı faz ve frekansa sahip dalgalardan meydana gelir.

Lazer ışığı ise yüksek genlikli, aynı fazda, birbirine paralel, tek renkli (monochromatic), hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak


86

1x109 Hz ile 3x1012 Hz arasında yer alır. Bu bölge, kırmızı ötesi ışınları, görülebilen ışınları ve elektromanyetik spektrumun morötesi ışınlarını kapsar. Lazer diyot çok yüksek frekanslarda çalışır.

Lazer ışınımının üretimi için farklı yöntemler ve malzemeler kullanılmaktadır. Yarıiletken malzemelerden elde edilen kristallerden yapılan lazerlere, “lazer diyot” adı verilmektedir. Galyum arsenik kristali yarıiletken lazere örnektir. Lazer diyot; Yarı iletken diyot gibi p-n malzemenin birleşmesinden oluşturulmuştur. Birleşim yüzeyinde pozitif gerilim p tarafına, negatif gerilim ise n tarafına verildiği zaman elektronlar n malzemesinden p malzemesine geçerken enerjilerini kaybeder ve foton yayarlar. Bu fotonlar tekrar elektronlara çarparak bu elektronların daha çok foton üretmesine sebep olurlar. Neticede yeterli seviyeye ulaşan foton neşri, lazer ışınını meydana getirir. Bu tür lazerler verimli ışık kaynaklarıdır. Genellikle boyları bir milimetreden büyük değildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir. Lazer diyot’un görünümü ve yapısı şekil-3.25’de verilmiştir.

P

N

Anot

Katod

+

_

N tipi katman

P tipi katman

Pn bitişimi

Metalleşme

Metalleşme

P DuvarıN Duvarı

Şekil-3.25 Lazer diyot’un görünümü ve yapısı

Lazer ışınının özellikleri:

• Lazer ışınının en büyük özelliği, dağılmaması ve yön verilebilmesidir. Dalga boyunun küçük olması dağılmayı da büyük ölçüde azaltır. Uyarılan atomlar her yön yerine, belli yönlerde hareket ederler. Bu durum lazer ışının çok parlak olmasını sağlar.


87

• Laser ışını, dalga boyu tek olduğundan monokromatik özellik taşır. Frekans dağılım aralığı, frekansının bir milyonda biri civarındadır. Bu sebepten istenilen frekansta çok sayıda dalgalar lazer dalgası üzerine bindirilmek suretiyle haberleşmede iyi bir sinyal üreteci olarak kullanılır.

• Lazer ışını dağılmaz olduğundan kısa darbeler halinde yayınlanabilmesi mümkündür. Kayıpsız yüksek enerji nakli yapılması bu özelliği ile sağlanabilir. Yönlü bir hareket olmasından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır.

• Lazer ışını tek dalga boyuna sahip olduğu için lazer cinsine göre çeşitli renkte ışınlar elde etmek mümkündür.

Lazer çeşitleri:

Günümüzde lazer ışınımının üretimi için farklı yöntemler kullanılmaktadır. Bu nedenle lazerler; katı, gaz, kimyasal, sıvı ve yarıiletken lazer olmak üzere sınıflara ayrılırlar. İlk bulunan katı lazer türü, yakut lazeridir. Yakut, az miktarda krom ihtiva eden alüminyum oksit kristalidir. İlk yakut laser sadece bir darbe ile çalıştırılırdı.

İlk gaz lazer’in üretiminde helyum ve neon karışımı şeklinde kullanılmıştır. Helyum ve neon gazı ile çalışan lazerde, gazlar yüksek voltaj altında iyonize hale gelir. Helyum atomları elektrik deşarjı esnasında elektronların çarpması ile ikazlanarak yüksek enerji seviyelerine çıkar. Bunlar, kazandıkları enerjilerini neon atomlarındaki eş enerji seviyelerine aktarırlar. Bu enerji aktarma işlemi fotonun yayılmasına sebep olur. Aynalar vasıtasıyla yeterli seviyeye ulaştıktan sonra lazer ışını elde edilmiş olur. Bu tür lazer ışınının dalga boyu 1,15 mikrondur.

Kimyasal lazerde ise meydana getirilen gazlar kimyasal reaksiyon yoluyla pompalanır. Kimyasal pompalama bir eksotermik kimya reaksiyonunda enerji açığa çıkmasıyla olur. Örneğin; hidrojen ve flüor elementleri tersine çevrilmiş bir toplumda hidrojen flüorur meydana getirmek üzere reaksiyona girdiklerinde lazer etkisi ortaya çıkar.

En çok kullanılan sıvı lazer türü, organik bir çözücü içindeki organik boyanın seyreltik bir çözeltisidir. Birkaç lazer paralel olarak çalıştırılabilir. Böylece saniyenin birkaç trilyonda biri devam eden lazer darbeleri elde edilebilir. Boya lazerlerinin en önemli özelliği dalga boyunun geniş bir alanda hassas bir şekilde ayarlanabilmesidir.

Lazer ışınının kullanıldığı yerler:

Lazer, haberleşmede kullanılabilecek özelliklere sahiptir. Lazer ışını da güneş ışını gibi atmosferden etkilenir. Bu sebeple atmosfer, radyo yayınlarında olduğu gibi lazer yayını için uygun bir ortam değildir. Bu bakımdan lazer ışınları, içi ayna gibi olan lifler içinden gönderilirse, lifler ne kadar uzun, kıvrıntılı olursa olsun kayıp olmadan bir yerden diğerine ulaşır. Bu liflerden istifade edilerek milyonlarca değişik frekanstaki bilgi aynı anda taşınabilmektedir. Bu maksatla foto diyot kullanılmakta ve elektrik enerjisi foto diyotta ışık enerjisine çevrilmektedir.

Karbondioksit lazerleri metal, cam, plastik kaynak ve kesme işlerinde kullanılır. Lazer, uzayda mesafe ölçmede kullanılır. Peykler arasındaki mesafeyi 25cm hata ile ölçebilmektedir. Lazerle ilk mesafe ölçümü, 1962 senesinde, Ay’a yerleştirilen argon-iyon lazeri ile yapılmıştır. Lazer, inşaatlarda, boru ve tünel yapımında, yön ve doğrultu tayininde ve tespitinde klasik teodolitlerden çok daha mükemmel ve kullanışlıdır.


88

Lazer; askeri alandaki mesafe bulma ve yer tanıma maksadıyla kullanıldığı bilinmektedir. Gece karanlığında gece görüş dürbünleri ile operasyon yapılabilir. Çok başlıklı füzelerin hafızalarına yerleştirilen hedef resmi, füze hedefe yaklaşınca lazer ışını ile tanınır.

Holografi ve fotoğrafçılıkta çok mühim yeri vardır. Lazerle görüntü kaydetme süresi saniyenin 10 trilyonda biri zamanda mümkün olur. Holografi, lazer ışınları ile üç boyutlu resim çekme ve görüntüleme tekniğidir.

Tıpta lazer “kansız ameliyat” maksatları ile kullanılır. Yırtılmış göz retinası, lazer ışını ile acısız ve süratle dikilir. Vücudun çeşitli bölgelerindeki tümörler bıçakla açılmadan yerinde kesilerek tedavi edilebilir. Damardaki dokular, lazer ışını ile kaynar ve kanama olmaz. Çürük diş çukurları dolgu yapılmak üzere acısız delinebilir.

Lazer teknolojisinde beklenen gelişmeler:

Nükleer enerji alanında lazerin çeşitli gelişmelere yol açacağı umulmaktadır. En önemlisi başlatılması zor olan termonükleer-füzyon olayının (hidrojen bombası ve güneşte her an meydana gelen reaksiyon) lazer ile tetiklenmesidir. Böylece dünya enerji problemi ortadan kalkacaktır.

Laser ışınının darbe süresinin saniyenin trilyonda birine düşürülmesi halinde kısa bir sürede üretilecek enerji bugün dünyada aynı müddette üretilmekte olan enerji toplamından fazla olacaktır. Lazer ışını ile çalışan silahların yapılması ile çok uzaklardan mühimmat, akaryakıt, karargah binaları imha edilebilecektir. Lazer özelliği dolayısıyla bilgisayarın hafıza kapasitesini büyük ölçüde arttırabilir.

3.5 ÖZEL TİP DİYOTLAR

Bu bölümde elektronik endüstrisinde azda olsa kullanılan bazı özel amaçlı diyot türleri tanıtılacak ve çalışma karakteristikleri verilecektir. Bu tür diyotlara örnek olarak Şotki (Schoottky), Tunel diyot, Pin diyot’u sayabiliriz.

Bu bölümde sırayla;

• Şotki diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri • Pin diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri • Tunel diyot’un yapısı, sembolü ve karakteristikleri

İncelenecektir.


89

Şotki (Schottky) Diyot Şotki diyotlar çok yüksek frekanslarda kullanılmak üzere tasarlanmış özel bir diyot türüdür. Bu diyotlara sıcak taşıyıcı (hot-carrier) diyotlarıda denilmektedir. Çok yüksek frekanslar altında yapılan çalışmalarda normal diyotlar anahtarlama işlevini yerine getirirken zorlanırlar. Örneğin istenilen sürelerde durum değiştiremezler (iletim/kesim). Bu soruna çözüm bulmak amacı ile şotki diyotlar geliştirilmiştir. Şotki diyotlar çok yüksek anahtarlama hızlarına sahiptirler. Bu nedenle yüksek frekanslarda yapılan çalışmalarda anahtarlama elemanı olarak şotki diyotlar tercih edilir. Kullanım alanlarına örnek olarak sayısal (digital) sistem tasarımlarını verebiliriz.

Şotki diyotların yapısı normal diyotlarla benzerlik gösterir. Sadece P ve N maddesinin birleşim yüzeyi normal diyotlardan farklıdır. Anahtarlama hızını artırmak amacı ile şotki diyotların birleşim yüzeylerinde altun, gümüş veya platin gibi metaller kullanılır. Şotki diyot’un sembolü ve yapısı şekil-3.26’da verilmiştir.

Katod

Anot Anot

Katod

Katod AnotN

Metal-Slikonbitişimi

Şekil-3.26 Şotki Diyot’un sembolü ve yapısı

Pin Diyot Pin diyotlarda P ve N eklemleri yoğun bir şekilde katkılandırılmıştır. Fakat bu iki malzeme katkısız bir silisyum malzeme ile ayrılmıştır. Ğin diyot, Ters yönde polarmalan-dırıldığında sabit bir kondansatör gibi davranır. Doğru yönde polarmalandığında ise değişken bir direnç gibi çalışır. Pin diyot bu özelliklerinden dolayı modülasyon elemanı olarak kullanılır. Hızlı değişiminden dolayı kontrollü mikro dalga anahtarı gibi, ya da direnci akım kontrollü olduğundan zayıflatma uygulamalarında kullanılırlar. Pin diyodun yapısı ve eşdeğer devreleri şekil-3.27’de verilmiştir.

iKatod Anot

N

Özel Bölge

PCR RF

b) Ters polarma eğdeğeri c) Doğru polarma eşdeğeria) Temel Yapısı

+ +_ _

Şekil-3.27 Pin Diyot’un temel yapısı ve eşdeğer devreleri


90

Tunel Diyot Tunel Diyot (Tunnel diode), diğer diyotlar gibi PN bitişiminden üretilmiştir. Üretiminde germanyum veya galyum arsenit kullanılır. Doğrultucu diyotlardan farklı olarak p ve n tipi eklemleri oluşturulurken daha yoğun katkı maddesi kullanılır. Tunel diyot’un en belirgin özelliği negatif direnç karakteristiğidir. Bu özellik onu özellikle osilatör devrelerinin tasarımında popüler kılar. Tunel diyotların sık kullanıldığı bir diğer uygulama alanı ise mikrodalga yükselteçleridir. Şekil-3.28’de tunel diyot’un şematik sembolü ve karakteristiği verilmiştir.

Katod

Anot Anot

Katod

TunelAkımı

NegatifDirençBölgesi

IF

VF

A

B

C

Şekil-3.27 Tunel Diyot’un şematik sembolü ve karakteristiği

Tunel diyot, doğru polarma altında çok küçük gerilim değerlerinde dahi iletimdedir ve üzerinden bir akım akmasına izin verir. Bu durum karakteristikte A-B noktaları arasında görülmektedir. Tunel diyot üzerine uygulanan doğru yöndeki polarma gerilimi, tunel diyot kırılma (barrier) gerilimi değerini aştığında tunel diyot negatif direnç özelliği gösterir. Bu noktada (B noktası) tunel diyot üzerinden geçen akım miktarı arttığı halde, üzerine düşen gerilim azalır. Bu durum negatif direnç özelliğidir. Tunel diyot’a has bir özelliktir. Karakteristikte B-C noktaları arasında gösterilmiştir.

Tunel diyot’un bu özelliği onu kimi uygulamalarda popüler kılar. Örneğin osilatör devrelerinde tetikleme elemanı olarak kullanılabilir. Tunel diyot’un bir osilatör devresin-de nasıl kullanıldığını küçük bir örnekle açıklayalım. Şekil--3.28’de paralel bir rezonans devresi verilmiştir. Bu devre, S anahtarı kapatıldığında sönümlü bir osilasyon üretilir.

CR L

S

V CR L

S

V

Şekil-3.28 Sönümlü bir osilasyonun oluşumu

Bu devreye bir tunel diyot ilavesiyle osilasyon sürekli hale gelir. Devrenin çalışmasını kısaca açıklayalım. S anahtarı kapatıldığında tunel diyot tetiklenerek tank devresine enerji pompalar. Tank devresinde salınım oluşur ve tunel diyot kesime gider. Tank


91

devresinde oluşan salınımın genliği belli bir değerin altına düştüğünde tunel diyot tekrar tetiklenerek tank devresine enerji pompalar. Bu durum sürekli tekrarlanarak osilasyonun sürekliliği tunel diyot tarafından sağlanır.

CR L

S

V R1

Tank DevresiD1

D1

IF

VF

Şekil-3.29 Tunel diyot’la gerçekleştirilen osilatör devresi

3.7 BÖLÜM ÖZETİ

• Zener diyot, ters polarma altında ve kırılma geriliminde çalıştırılmak üzere üretilmiş özel tip bir diyot’dur.

• Zener diyot, anot ve katod olarak adlandırılan iki adet terminale sahiptir. Gerilim regülatörü ve kırpıcı olarak kullanılır.

• Zener diyotlarda kırılma gerilimi üretim aşamasında 1.2V ile 200V arasında farklı değerlerde ayarlanarak kullanıcının tüketimine sunulur.

• Regüle işlemi hat ve yük regülasyonu olmak üzere iki temelde yapılır. Zenerin temel işlevi üzerine uygulanan ters gerilimi, kırılma gerilimi değerinde sabit tutmaktır.

• Zener diyot, regüle işlemini belirli koşullar altında yerine getirir. Zener’e uygulanan ters gerilim değeri, zener kırılma geriliminden büyük olmalıdır. Zener akımı ise belirli limitler içerisinde tutulmalıdır.

• Zener diyot, regüle işlemini küçük güçler söz konusu olduğunda yerine getirebilir. Büyük güçlerde regüle işlemi için ek devre elemanları kullanılmalıdır.

• Zener diyot’un bir diğer kullanım amacı ise referans gerilimi elde etmektir. Dolayısıyla zener, kimi zaman referans diyot olarak kullanılabilir.

• Varikap diyot, ters polarma altında ayarlı bir kondansatör gibi davranır. Üzerine uygulanan ters gerilim değerine bağlı olarak kapasitesi değişir.

• Varikap diyotlar genellikle iletişim sistemlerinde; modülatör, otomatik frekans kontrolü ve filtreleme devrelerinde kullanılır.


92

• Şotki (Schottky) diyotlar, çok yüksek frekanslarda anahtarlama elemanı olarak çalıştırılmak üzere tasarlanmışlardır.

• Pin diyot, özellikle mikro dalga devrelerinde çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru yönde sabit bir kondansatör etkisi, ters yönde ise ayarlı bir direnç gibi davranır. Mikro dalga ve sinyal zayıflatma devrelerinde sıklıkla kullanılır.

• Doğru polarma altında ışık yayan diyod’lara LED adı verilmektedir. LED, ters polarma altında yalıtkandır. Üzerinden akım akmasına izin vermez.

• Farklı yarıiletken materyaller kullanılarak sarı, turuncu, kırmızı ve yeşil renklerde ışık görülebilir ışık yayan LED üretimi yapılmaktadır.

• Fasklı dalga boylarında gözle görülemeyen ışık yayan LED üretimi de yapılmaktadır. Bu tür LED’lere infrared adı verilmektedir.

• Foto-diyot, ters polarma bölgesinde üzerine uygulanan ışık miktarına duyarlı bir diyot’dur. Üzerine uygulanan ışık şiddetine bağlı olarak üzerinden küçük bir miktar akım akmasına izin verir.

• Bazı özel tip diyotların şematik sembolleri şekil-3.30’da toplu olarak verilmiştir.

λ

Doğrultmaç Diyodu LED

Şotki Diyot Tunel DiyotFoto Diyot

Zener Diyot

Şekil-3.30 Özel tip diyotların şematik sembolleri


4

BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖR

Üretilen ilk yarıiletken transistör ve bulan bilim adamları

Konular: 4.1 Transistörün Yapısı 4.2 Transistörün Çalışması 4.3 Transistör Karakteristikleri ve parametreleri 4.4 Transistörün anahtar olarak çalışması 4.5 Transistörün Yükselteç olarak çalışması 4.6 Transistörlerde kılıf tipleri

BÖLÜM 4

94

Elektronik bilimi, 1904-1947 yılları arasında elektron lambalarının kullanımıyla gelişip önem kazandı. İlk diyot lamba 1904 yılında J.A. Fleming tarafından yapıldı. 1906 yılında Lee De Forest, diyot lambaya üçüncü elektrodu ilava ederek Triyot lambayı geliştirdi. İzleyen yıllarda elektron lambalarındaki gelişmelere paralel olarak ilk radyo ve televizyon üretildi.

1931-1940 yılları katı maddeler elektroniği hakkında daha ziyade teorik çalışmalar devri olmuştur. Bu sahada isimleri en çok duyulanlar, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky'dir.

23 haziran 1947 tarihinde elektronik endüstrisi gelişme yolunda en büyük adımı attı. Bu tarihte Bell laboratuarlarında Walter H. Brottain ve John Bardeen tarafından nokta temaslı ilk transistör tanıtıldı. Yükselteç olarak başarıyla denendi. Bulunan bu yeni elemanın elektron lambalarına göre bir çok üstünlüğü vardı.

İmal edilen ilk transistör, nokta temaslı transistördü ve gücü miliwatt seviyesindeydi. Sadece alçak frekanslarda kullanılabiliyordu. Bu transistörün esası, germanyum bir parça üzerine iki madeni ucun çok yakın şekilde bağlanmasından ibaretti. Kolay tahrip olması ve fazla dip gürültüsü olması sebebiyle çok tutulmamıştır.

1949'da William Schockley tarafından geliştirilen "Jonksiyon Transistör" ise 1953'ten itibaren elektroniğin çeşitli alanlarında deneysel maksatlarla, 1956'dan itibaren ise her alanda seri olarak kullanılmaya başlanmıştır. Zamanla daha pek çok transistör çeşidi bulunarak hizmete sunulmuştur.

Günümüzde transistörler mikron teknolojisi ile üretilebilir hale gelmiş ve tümdevrelerin (chip=Ic’s) içinde kullanılmaya başlanmıştır. Kullandığımız bilgisayarların işlemcileri modeline göre 3 ila 100 milyon adet transistör içerebilmektedir.

Transistör, bir grup elektronik devre elemanına verilen temel addır. Transistörler yapıları ve işlevlerine bağlı olarak kendi aralarında gruplara ayrılırlar. BJT (Bipolar Jonksiyon Transistör), FET, MOSFET, UJT v.b gibi... Elektronik endüstrisinde her bir transistör tipi kendi adı ile anılır. FET, UJT, MOSFET... gibi. Genel olarak transistör denilince akla BJT’Ler gelir. Bu bölümde bipolar jonksiyon transistörlerin genel yapısını, özelliklerini ve çalışmasını inceleyeceğiz.

Çeşitli tip transistörlerin görünümleri


95

4.1 TRANSİSTÖRÜN YAPISI

Transistörler, katı-hal "solid-state" devre elemanlarıdır. Transistör yapımında silisyum, germanyum yada uygun yarıiletken karışımlar kullanılmaktadır. Bu bölümde; Bipolar Jonksiyon transistörlerin temel yapısını inceleyeceğiz. Transistör sözcüğü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Diğer transistörler adları ile anılırlar. FET, MOSFET, UJT... gibi. Bipolar Transistörler npn ve pnp olmak üzere iki temel yapıda üretilirler


• Npn ve pnp transistörlerin temel yapısı • Npn ve pnp tipi transistörlerin şematik gösterimi • Bipolar Transistörlerin temel çalışma prensipleri

Bipolar Jonksiyon Transistör (BJT) elektronik endüstrisinin en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT; anlam olarak “Çift kutuplu yüzey birleşimli transistör” ifadesini ortaya çıkarır. BJT içinde hem çoğunluk taşıyıcıları, hem de azınlık taşıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. Transistör ilk icat edildiğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara "Nokta Temaslı Transistör" denirdi. Günümüzde transistörler yapım itibari ile bir tost görünümündedir. Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılırlar. Transistörün temel yapısı şekil-4.1’de gösterilmiştir.

Substrate (taban)

Kollektör

Beyz

Emiter

Metal Kontaklar

Oxide

Şekil-4.1 Bipolar Jonksiyon transistörün yapısı

BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yarıiletken madde arasına 1 adet P tipi yarıiletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarıiletken madde arasına 1 adet N tipi yarıiletken madde konur. Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir diyebiliriz.


96

Transistörün her bir terminale işlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kollektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil-4.2’de NPN tipi ve PNP tipi transistörün fiziksel yapısı ve şematik sembolleri verilmiştir. Fiziksel yapıdan da görüldüğü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter arasındaki bölge “beyz-emiter jonksiyonu”, beyz-kollektör arasındaki bölge ise “ beyz-kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katkılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur.

NPN

C (Kollektör)

E (Emiter)

B (Beyz)

Beyz-KollektörJonksiyonu

Beyz-EmiterJonksiyonu

a) NPN tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembolü

C (Kollektör)

E (Emiter)

B (Beyz)PNP

C (Kollektör)

E (Emiter)

Beyz-KollektörJonksiyonu

Beyz-EmiterJonksiyonu

b) PNP tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembol

C (Kollektör)

E (Emiter)

B (Beyz)B (Beyz)

Şekil-4.2 NPN ve PNP tipi transistörlerin fiziksel yapısı ve şematik sembolleri

4.2 TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA İLKELERİ

Bipolar transistörlerin genelde iki çalışma modu vardır. Yükselteç (amplifier) ve anahtar olarak. Transistör, her iki çalışma modunda harici dc besleme gerilimlerine gereksinim duyar. Bu bölümde NPN tipi transistörün çalışma ilkeleri analiz edilecektir. PNP tipi transistörün çalışma ilekeleri, NPN ile benzerlik gösterir. PNP tipi transistörde dc besleme gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle sadece NPN tipi transistörlerin çalışması incelenecektir. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Transistörlerin doğru ve ters yönde polarmalandırılması • Transistörlerde polarma gerilimlerinin bağlantı yönleri • Transistörlerde oluşan akım ve gerilim ilişkileri • Transistörde beyz, emiter ve kollektör akımları arasındaki ilişkiler

Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar işlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır.


97

Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır.

Şekil-4.3’de NPN ve PNP tipi transistörlerin yükselteç olarak çalıştırılması için gerekli polarma gerilimleri ve bu gerilimlerin polariteleri verilmiştir. NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistöründe çalışma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle bu bölüm boyunca NPN tipi bir Transistörün çalışmasını analiz edeceğiz.

R RVBE VBC

+ -- +

BE DoğruPolarma

BC TersPolarma

R RVBE VBC

+ -- +BE Doğru

PolarmaBC TersPolarma

Şekil-4.3 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması

Transistörün yükselteç olarak çalışması şekil-4.4’de verilen bağlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandığında doğru polarma yapılmıştır. Bu polarma etkisiyle geçiş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddeki (beyz) çoğunluk akım taşıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedirler.

Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kollektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda çoğunluk akım taşıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçiş bölgesinin kalınlığı artacaktır. (Diyodun ters polarmadaki davranışını hatırlayın). Azınlık taşıyıcıları, beyz-kollektör jonksiyonundan VCB kaynağına doğru akacaktır.

Özet olarak yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları doğru, beyz-kollektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz. Bu durum şekil-4.4’de ayrıntılı olarak verilmiştir.

VEB

Çoğunluk Akım Taşıyıcıları

N NPE C

BGeçişBölgesi

VCB

Azınlık Akım Taşıyıcıları

N NPE C

B GeçişBölgesi

Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlarının doğru ve ters polarmadaki

davranışları


98

Transistörün nasıl çalıştığını anlamak amacıyla yukarıda iki kademede anlatılan olayları birleştirelim. Şekil-4.5’de NPN tipi bir transistöre polarma gerilimleri birlikte uygulanmıştır. Transistörde oluşan çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir. Transistörün hangi jonksiyonlarına doğru, hangilerime ters polarma uygulandığını şekil üzerindeki geçiş bölgelerinin kalınlığına bakarak anlayabilirsiniz.

VEB

Azınlık Ak ımT aşıy ıc ıları

N NP

E C

BGeçişBölgeleri

ICÇoğunluk Akım Taşıy ıc ıları

IE

VCB

IC0

IB

Şekil-4.5 NPN tipi transistörde çoğunluk ve azınlık akım taşıyıcılarının akışı

Doğru yönde polarmalanan emiter-beyz jonksiyonu, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sağlar. Beyz bölgesinde toplanan taşıyıcılar nereye gidecektir. IB akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenliği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarına kıyasla çok küçüktür.

Şekil-4.5’de gösterildiği gibi çoğunluk taşıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla kollektör ucuna bağlı N-tipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk taşıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır.

Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kollektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kollektöre doğru akan elektronların toplamı kadar olduğu söylenebilir. Transistör akımları arasındaki ilişki aşağıdaki gibi tanımlanabilir.

BCE III +=

Kısaca, kollektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile doğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden bağımsızdır. Çünkü kollektör ancak beyzin toplayabildiği taşıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen taşıyıcıların yaklaşık %99’u kollektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar.

Bir transistörün çalışması için gerekli şartları kısaca özetleyelim.

• Transistörün çalışabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir.


99

• Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir.

• PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; transistör, VBE olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır.

4.3 TRANSİSTÖR PARAMETRELERİ VE KARAKTERİSTİKLERİ

Transistörle yapılan her türlü tasarım ve çalışmada dikkat edilmesi gereken ilk konu, transistörün dc polarma gerilimleri ve akımlarıdır. Transistörlerin dc analizlerinde kullanılacak iki önemli parametre vardır. Bu parametreler; βDC (dc akım kazancı) ve DC olarak tanımlanır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Transistörde dc beta (βDC) parametrelerinin tanıtımı • Transistörde dc alfa (DC) parametrelerinin tanıtımı • βDC ve DC parametrelerinin karşılaştırılmaları ve matematiksel analizleri • Transistör devrelerinde akım-gerilim ilişkileri • Temel transistör devrelerinin dc analizleri • Transistörlerin şematik gösterimi

Transistörlerin çalışması için gerekli ilk şart, dc polarma gerilimlerinin uygun şekilde bağlanmasıdır. Şekil-4.6’da NPN ve PNP tipi transistörler için gerekli polarma bağlantıları verilmiştir. Transistörün beyz-emiter jonksiyonuna VBB kaynağı ile doğru polarma uygulanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonuna ise VCC kaynağı ile ters polarma uygulanmıştır.

RC

RB

IC

IE

IBVBB

VCC

RC

RB

IC

IE

IBVBB

VCC

Şekil-4.7 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması

Bir transistörün analizi yapılırken iki önemli parametresi vardır. Bunlar; βDC akım kazancı veDC akım kazancıdır. Bu parametreleri inceleyelim.


100

DC Beta (ßDC) ve DC Alfa (αDC) β akım kazancı, ortak emiter bağlantıda akım kazancı olarak da adlandırılır. Ortak emiter bağlantı kavramı ileride açıklanacaktır. Bir transistör için β akım kazancı, kollektör akımının beyz akımına oranıyla belirlenir.

B

C

II

=β

β akım kazancı bir transistör için tipik olarak 20-200 arasında olabilir. Bununla birlikte β değeri 1000 civarında olan özel tip transistörlerde vardır. β akım kazancı kimi kaynaklarda veya üretici kataloglarında hFE olarak da tanımlanır.

FEh=β

Kollektör akımını yukarıdaki eşitlikten;

BC II ⋅= β

olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; IE=IC+IB idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek;

BBE III +⋅= β

)1( β+= BE II

değeri elde edilir. Ortak beyzli bağlantıda akım kazancı olarak bilinen değeri; kollektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır.

E

C

II

=α

Emiter akımının kollektör akımından biraz daha büyük olduğu belirtilmişti. Dolayısıyla transistörlerde akım kazancı 1’den küçüktür. akım kazancının tipik değeri 0.95-0.99 arasındadır. Emiter akımı; IE=IC+IB değerine eşitti. Bu eşitlikte eşitliğin her iki tarafı IC’ye bölünürse;

C

B

C

E

C

B

C

C

C

E

II

II

II

II

II

+=⇒+= 1

DC=IC/IE ve βDC=IC/IB olduğundan, yukarıdaki formüle yerleştirilirse

βα111

+=

değeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ilişki;

ββ

α+

=1

olarak belirlenir. Bir transistörde akım kazancı değeri yaklaşık olarak sabit kabul edilir. Ancak akım kazancı değerinde çok küçük bir değişimin, β akım kazancı değerinde çok büyük miktarlarda değişime neden olacağı yukarıdaki formülden görülmektedir.


101

Transistörlerde β akım kazancı, gerçekte sabit bir değer değildir. Değeri bir miktar transistörün çalışma ısısına bağımlıdır.

Örnek 4-1

Çözüm:

Bir transistörün β akım kazancı değeri 200’dür. Beyz akımının 75µA olması durumunda, kollektör akımı, emiter akımı ve α akım kazancı değerlerini bulunuz.

mAAIIII

BCB

CDC 150)75200( =⋅=⋅=⇒= µββ

mAAIIII BBCE 75.15075)2001()1( =⋅+=⋅+=+= µβ

99.02001

2001

=+

=⇒+

= αβ

βα

Transistörlerde βDC akım kazancı sabit değildir. Değeri bir miktar kollektör akımı ve sıcaklık değişimi ile orantılıdır. Transistör üreticileri kataloglarında belirli bir IC değeri ve sıcaklık altında oluşan ortalama βDC değerini verirler. Çoğu uygulamalarda transistörün IC değeri ve jonksiyon sıcaklığı sabit tutulsa dahi βDC değeri değişebilir. Bu nedenle; üreticiler ürettikleri her bir transistör tipi için, βDC akım kazancının minimum ve maksimum değerlerini verirler. Şekil-4.8’de sıcaklık ve kollektör akımındaki değişime bağlı olarak βDC akım kazancındaki değişim örneklenmiştir.

Transistörle yapılan devre tasarımlarında βDC değerindeki değişimler dikkate alınarak β değerinden bağımsız uygulama devreleri geliştirilmiştir.

IC (mA)

Min

imum

akı

m k

aza

ncı

(βD

C)

1 .0 2.0 3.0 10 20 30 50 100 200

10

20

30

50

70 T=1250C

T=250C

T=-150C

T=-550C

Şekil-4.8 Sıcaklık ve kollektör akımındaki değişime bağlı olarak βDC’nin değişimi

Transistörde Akım ve Gerilim İlişkileri Bir transistör devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. Transistörün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler şekil-4.9 üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır.


102

RC

RB

IC

IE

IB

VBB

VCCVCE

VCB

VBE

+

+ +

__

_

IB : Beyz akımı (dc)IE : Emiter akımı (dc)IC : Kollektör akımı (dc)

VBE : Beyz-emiter gerilimi (dc)VCB : Kollektör-beyz gerilimi (dc)VCE : Kollektör-emiter gerilimi (dc)

I.GÖZ

II.GÖZ

Şekil-4.9 Transistörde akım ve gerilimler

Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kaynağı ile doğru yönde polarmalanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise VCC gerilim kaynağı ile ters yönde polarmalanmıştır. Beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalandığında tıpkı ileri yönde polarmalanmış bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V gerilim düşümü oluşur.

VVBE 7.0≅

Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa;

BEBBBB VRIV +⋅=

olur. Buradan beyz akımı çekilirse;

BBBEBB RIVV ⋅=−

B

BEBBB R

VVI

−=

olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz.

BC II .β= BCE III .+=

RC direnci üzerine düşen gerilim;

CCCR RIV ⋅=

olur.


103

Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa;

CECCCC VRIV +⋅= )(

)( CCCCCE RIVV ⋅−=

olarak bulunur.

Örnek 4-2

Çözüm:

RC

RBVCE

VCB

VBE

+

+ +

__

_ VCC

100Ω

10KΩ10V

5VVBE=0.7Vβ=200

Yanda verilen devrede;transistörün polarma akım vegerilimlerini bulunuz?

IB=?, IC=?, IE=?

VBE=?, VCE=?, VCB=?

BEBBBB VRIV +⋅=

AK

VVR

VVI

B

BEBBB µ430

107.05

=−

=−

=

mAAIIII

BCB

CDC 86)430200( =⋅=⋅=⇒= µββ

99.02001

2001

=+

=⇒+

= αβ

βα

CECCCC VRIV +⋅= )(

VmAVRIVV CCCCCE 4.3)10086(12)( =Ω⋅−=⋅−=

VCB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır.

BECBCCCC VVRIV ++⋅= )(

BECCCCCB VRIVV −⋅−= )(

VoltVmAVCB 7.27.0)10086(12 =−Ω⋅−=


104

Transistörün Giriş Karakteristiği Karakteristik eğri, herhangi bir elektriksel elemanda akım-gerilim ilişkisini gösterir. Transistör; giriş ve çıkış için iki ayrı karakteristik eğriye sahiptir. Transistörün giriş karakteristiği beyz-emiter gerilimi ile beyz akımı arasındaki ilişkiyi verir. Transistörün giriş karakteristiğini çıkarmak için şekil-4.10’daki bağlantıdan yararlanılır.

Transistörün giriş karakteristiklerini elde etmek için, kollektör-emiter gerilim (VCE) parametre olarak alınır ve bu gerilime göre beyz akımı (IB) değiştirilir. Beyz akımındaki bu değişimin beyz-emiter gerilimine (VBE) etkisi ölçülür.

Grafikten de görüldüğü gibi transistörün giriş karakteristiği normal bir diyot karakteristiği ile benzerlik gösterir. VBE gerilimi 0.5V’un altında olduğu sürece beyz akımı ihmal edilecek derecede küçüktür. Uygulamalarda aksi belirtilmedikçe transistörün iletime başladığı andaki beyz-emiter gerilimi VBE=0.7V olarak kabul edilir.

Beyz-emiter (VBE) gerilimi, sıcaklıktan bir miktar etkilenir. Örneğin her 10C’lik sıcaklık artımında VBE gerilimi yaklaşık 2.3mV civarında azalır.

RB

RB

VBE

IB

VBB

VBE (V)

IB (mA)

00.5 0.7

VCC

T1>T2>T3

T1 T2 T3

Şekil-4.10 Transistörün giriş karakteristiğinin çıkarılması ve giriş karakteristiği

Transistörün Çıkış Karakteristiği Ttransistörlerde çıkış, genellikle kollektör-emiter uçları arasından alınır. Bu nedenle transistörün çıkış karakteristiği; beyz akımındaki (IB) değişime bağlı olarak, kollektör akımı (IC) ve kollektör-emiter (VCE) gerilimindeki değişimi verir. Transistörün çıkış karakteristiğini elde etmek için gerekli devre düzeneği ve transistörün çıkış karakteristik eğrileri şekil-4.11’de ayrıntılı olarak verilmiştir.

RB

RC

VCE

IC

VBB

VCE (V)

IC (mA)

0 0.7

VCC

A

B CIC

IB

Şekil-4.11 Transistörün çıkış karakteristiklerinin çıkarılması ve çıkış karakteristikleri


105

Devredeki VBB kaynağı beyz akımını ayarlamada kullanılır. Bu kaynağın oluşturduğu beyz akımı değerine bağlı olarak transistörün kollektör akımı değişecektir. Karakteristik çıkarmak için farklı IB ve IC değerleri için VCE gerilimleri ölçülür ve kaydedilir. Başlangıçta VCC=0, IC=0 ve VCE=0 iken VBB’nin belirli bir IB değeri vermek üzere ayarlandığını kabul edelim. VCC geriliminin artırılmasıyla birlikte IC akımı dolayısıyla VCE artacaktır. Bu durum şekil-4.11’deki karakteristik üzerinde gösterilmiştir (A-B noktaları arası). VCE gerilimi B noktasına ulaşana kadar beyz, kolektörden daha yüksek potansiyeldedir ve B-C jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu nedenle gerilim artışı ile birlikte kollektör akımıda artmaktadır. VCE gerilimi B noktasına ulaştığında değeri yaklaşık olarak 0.7V civarındadır.Bu anda beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalanmaya başlar. Kollektör akımı IC=β·IB ilişkisi ile gösterilen maksimum değerine ulaşır. Bu noktadan sonra VCE gerilimine karşılık IC değeri hemen hemen sabit kalmaya başlar. Bu durum karakteristikte B ve C noktaları arasında görülmektedir. Gerçekte ise artan VCE gerilimi ile, beyz-kollektör jonksiyonu fakirleşmiş bölgenin büyümesi nedeniyle kollektör akımıda az miktarda artmaktadır.

Üretici firmalar her bir transistörün giriş ve çıkış karakteristik eğrilerini kataloglarında kullanıcıya sunarlar. Şekil-4.12’de farklı beyz akımlarında transistörün çıkış karakteristik eğrileri verilmiştir. Transistörlerle yapılan devre tasarımlarında üretici firmanın verdiği karakteristik eğrilerden yararlanılır.

VCE (V)

IC (mA)

IB6

IB5

IB4

IB3

IB2

IB1

VCE (V)

IC (mA)

IB1<IB2<IB 3<IB4<IB5<IB6

IB6

IB5

IB4

IB3

IB2

IB1

Transistörde kırılma gerilimi sınırı

Şekil-4.12 Transistörün IC-VCE karakteristikleri ve kırılma gerilimi

Transistöre uygulanan VCE gerilimi önemlidir. Bu gerilim değeri belirli limitler dahilindedir. Bu gerilim belirlenen limit değeri aştığında transistörde kırılma (avalange) olayı meydana gelerek bozulmaya neden olur. Bu durum şekil-4.12’de gösterilmiştir. Kırılma gerilim değerleri üretilen her bir transistör tipi için üretici kataloglarında verilir.

Transistörde Çalışma Bölgeleri

Transistörlerde başlıca 3 çalışma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (kat-off) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistörün çalışma bölgeleri şekil-4.13’de transistörün çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim.


106

VCE (V)

IC (mA)

IB6

IB5

IB4

IB3

IB2

IB1

KES İM BÖLGESİ

DO

YUM

BÖ

LGES

İ

IB=0

AKTİFBÖLGE

Şekil-4.13 Transistörlerde çalışma bölgeleri

Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (IB>0) ve kollektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (VCE>0V) olduğu bölgedir. Transistör aktif bölgede çalışabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu doğru, kollektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Bu bölgede transistörün çıkış akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda VCE gerilimine bağımlıdır. Transistörün aktif bölgede nasıl çalıştığı, transistörün çalışması bölümünde ayrıntılı olarak incelenmişti. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında transistör genellikle bu bölgede çalıştırılır.

Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalıştığı şekil-4.13.a yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı IB=0 olduğunda, beyz-emiter gerilimi de VBE=0V olacağı için devrede kollektör akımı (IC) oluşmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kollektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC değerine eşit olur. Kollektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir.

RC

VCC

RB

RC

VBB

VCC

IC0

IB=0ACCCE VV ≅

IC

CCCCCE RIVV ⋅−≅

+

-

+

- I B

a) Transistörün kesim bölgesinde çalışması b) Transistörün doyum bölgesinde çalışması Şekil-4.13.a ve b Transistörün kesim ve doyum bölgesinde çalışması


107

Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalışma şekil-4.3.b yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldığında kollektör akımıda artacaktır. Bu işlemin sonucunda transistörün VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim düşümü artacaktır.

Kollektör-emiter gerilimi doyum değerine ulaştığında (VCE(DOY)) beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanacaktır. Sonuçta IB değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki IC=β·IB eşitliği doğruluğunu kaybedecektir. Doyum bölgesinde çalışan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yaklaşık 0V civarındadır. Bu değer genellikle VCE(DOY)=0V olarak ifade edilir. Transistörde Maksimum Güç Sınırı Her bir transistör tipinin çalışma alanını belirleyen bir takım sınır (maksimum) değerler vardır. Bu değerler standart transistör kataloglarında verilir. Transistörle yapılan tasarımlarda bu değerlere uyulmalıdır. Kataloglarda verilen tipik maksimum sınır değerlerini; kollektör-beyz gerilimi (VCB(max)), emiter-beyz gerilimi (VBE(max)), kollektör-emiter gerilimi (VCE(max)), kollektör akımı (IC(max)) ve maksimum güç harcaması (PD(max)) olarak sayabiliriz. Şekil-4.14’de tipik bir çıkış karakteristiği üzerinde maksimum değerler gösterilmiştir. Transistörlerde güç harcaması; kollektör-emiter gerilimi (VCE) ve kollektör akımına (IC) bağlıdır. Aşağıdaki gibi formüle edilir.

CE

MAXDC V

PI )(=

VCE (V)

IC (mA)

VCE (max)

IC (max)Maksimum

güçsınırı

Şekil-4.14 Transistörde maksimum sınır değerler ve güç sınırı

Örnek: 4.3

Aktif bölgede çalışan bir transistörün VCE gerilimi 8V ölçülmüştür. Transistörün maksimum güç harcama sınırı 300mW verildiğine göre, kollektör akımının maksimum değeri ne olmalıdır. Hesaplayınız


108

Çözüm:

mAVmW

VP

ICE

DC 537

8300 .(max) ===

Örnek: 4.4

Çözüm:

1KΩRC

VCC

RB

Şekildeki devrede transistörünmaksimum sınır değerleri verilmiştir.Transistörün zarar görmedençalıştırılabileceği maksimum VCC gerilimideğeri ne olmalıdır? Hesaplayınız?

PD(MAX) =1WVCE(MAX) =20VIC(MAX) =100mA

33KΩVBB5V

βDC =150

Transistörün VCE gerilimi değerini belirleyen faktörler; VCC, IC ve IB değerleridir. İlk etapta devredeki IB değerini belirleyelim.

AK

VVIR

VVIVRIV B

B

BEBBBBEBBBB µ130

33705

=Ω

−=⇒

−=⇒+⋅=

.

mAAIII

C

BC

5.19130150 ⇒⋅=⋅=

µβ

VCE geriliminin 20V olmasını sağlayan IC akımının değeri, IC(max) değerinden küçüktür. IC akımını belirleyen bir diğer faktör ise VCC gerilimidir. Bu gerilimin olması gereken değerini bulalım.

VVVKmAV

VRIV

CC

CC

CECCCC

5.392015.19

=+Ω⋅=

+⋅=

Buradan transistörün maksimum güç şartlarında çalışabilmesi için VCC geriliminin alabileceği değeri belirledik. Şimdi transistörde harcanabilecek maksimum gücü bulalım.

mWPmAVPIVP

D

DCMAXCED

39051920

=

⋅=⇒⋅= .)(

Transistörde harcanabilecek toplam güç, 390mW bulunmuştur. Bu değer transistörün sınır güç değerinden (1W) küçüktür. 39.5V’luk VCC besleme geriliminde güvenli bir çalışma ortamı sağlanmıştır.


109

4.4 TRANSİSTÖRÜN ANAHTAR OLARAK ÇALIŞMASI

Transistörlerin en popüler uygulama alanlarına örnek olarak yükselteç ve anahtarlama devrelerini verebiliriz. Transistörün elektronik anahtar olarak kullanılmasında kesim ve doyum bölgelerinde çalışmasından yararlanılır. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Transistörde kesim (cutoff) ve doyum (saturation) bölgeleri • Transistörün kesim bölgesindeki özellikleri • Transistörün doyum bölgesindeki özellikleri

İdeal bir anahtar, açık olduğunda direnci sonsuzdur. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Kapalı konuma alındığında ise direnci sıfırdır ve üzerinde gerilim düşümü olmaz. Ayrıca anahtar bir durumdan, diğer duruma zaman kaybı olmadan geçebilmelidir. Transistörle gerçekleştirilen elektronik anahtar, ideal bir anahtar değildir. Fakat transistör küçük bir güç kaybı ile anahtar olarak çalışabilir.

Transistörün bir anahtar olarak nasıl kullanıldığı şekil-4.14’de verilmiştir. Şekil-4.14.a’da görüldüğü gibi transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalanmıştır. Dolayısıyla transistörün kesimdedir. Kollektör-emiter arası ideal olarak açık devredir. Transistör bu durumda açık bir anahtar olarak davranır.

RC

RB

+VCC

0VIB=0

IC=0 RC

C C

EE

+VCC

a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK

RC

RB

+VCC

+VBBIB

IC RC

C C

EE

+VCC

b) Transistör doyumda -Anahtar KAPALI

Şekil-4.14.a ve b Transistörün anahtar olarak çalışması

Şekil-4.14.b’de ise transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalanmıştır. Bu devrede beyz akımı yeterli derecede büyük seçilirse transistör doyum bölgesinde çalışacaktır. Kollektör akımı maksimum olacak ve transistörün kollektör-emiter arası ideal olarak kısa devre olacaktır. Transistör bu durumda kapalı bir anahtar gibi davranır.


110

Transistör kesimdeyken; Beyz-emiter jonksiyonu iletim yönünde polarmalanmamıştır. Dolayısıyla transistörün kollektör-emiter gerilimi;

CCCCCE RIVV ⋅−=

değerine eşittir. Bu değer aynı zamanda transistörün çıkış gerilimidir. Transistör kesimdeyken IC=0 olduğunu biliyoruz. Çünkü transistörün kollektör-emiter arası açık devredir. Bu durumda;

CCKESIMCE VV =)(

olur. Bu gerilim, transistörün kollektör-emiter arasında görülebilecek maksimum değerdir ve yaklaşık olarak transistörün besleme gerilimi VCC değerine eşittir.

Transistör doyumdayken; Kollektör akımı maksimum değerine ulaşmaktadır. Kollektör-emiter gerilimi ise ideal olarak düşünülürse VCE=0V olmaktadır. Bu durumda transistörün kollektör akımı;

CCDOYUMCECC RIVV ⋅+= )(

C

CCDOYUMC R

VI =)(

değerine eşit olur. Bu değerden hareketle transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum değeri belirlenebilir.

βC

BI

I =(min)

Örnek 4.5

Çözüm:

1KΩRC

VO

VCC=+12V

RB

Şekildeki devrede transistör anahtarlamaamacı ile kullanılmaktadır.

a) VB=0V olduğunda V0 değerini bulunuz?

b) Transistörü doyumda tutacak minimumbeyz akımını bulunuz?

c) VB=6V olduğunda transistörü doyumdatutacak RB değerini bulunuz?

Β=150

a) VB=0V olduğunda transistör kesimdedir. Kollektör akımı IC=0A olur. Dolayısıyla transistörün V0 gerilimi;

VVVV CCCE 120 +=== b) Transistör doyumda olduğunda; VCE(DOYUM)=0V olacaktır. Buradan IC akımını bulalım.

CECCCC VRIV +⋅=


111

mAKV

RV

IC

CCDOYUMC 12

112

===)(

olacaktır. Buradan transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum değerini buluruz.

AmAII DOYUMC

MINB µβ

80150

12=== )(

)(

Bulunan bu değer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum değerdir. Beyz akımının bu değerden daha fazla olması kollektör akımını artırmayacaktır.

c) Transistörü doyuma ulaştıracak beyz akımını belirleyen devre elamanı RB direncidir. Bu direncin olması değerini bulalım. Transistör iletime girdiğinde, beyz-emiter gerilimi VBE=0.7V olacaktır. Dolayısıyla devreden RB değerini bulabiliriz.

BEBBB VRIV +⋅=

Ω=−

=−

= KA

VVI

VVR

B

BEBB 266

80706 ..

µ

olarak bulunur.

Transistörlü anahtar uygulaması Pek çok endüstriyel uygulamada veya sayısal tasarımda tümdevrelerin çıkışından alınan işaretlerin kuvvetlendirilmesi istenir. Örneğin şekil-4.15’a.da tümdevre çıkışından alınan bir kare dalga işaretin bir led’i yakıp söndürmesi için gerekli devre düzeneği verilmiştir. Giriş işareti; 0V olduğunda transistör kesimdedir, LED yanmayacaktır. Giriş işareti +V değerine ulaştığında ise transistör iletime geçerek LED yanacaktır.

RC

+VCC

RB

0V

+V

+VCC=12V

RB

ROLE

12V/

100m

A

a) Transistörün anahtar olarak çalışması b) Transistörle role kontrol

150=βBC547

VBE=0.6V5V

Şekil-4.15.a ve b Transistörün anahtar olarak kullanılması


112

Şekil-4.15.b’de ise bir tümdevre çıkışından alınan işaretin kuvvetlendirilerek bir röleyi, dolayısıyla role kontaklarına bağlı bir yükü kontrol etmesi gösterilmiştir.

Örnek: 4.6

Çözüm:

Şekil-4-15.b’de verilen devrede tümdevre çıkışı +5V olduğunda rolenin kontaklarını çekmesi istenmektedir. Tümdevre çıkışının izin verdiği akım miktarı 10mA’dir. RB direncinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız?

Rolenin kontaklarını çekebilmesi için gerekli minimum akım değeri 100mA’dir. Dolayısıyla transistörün kolektöründen akacak IC akımı değeri 100mA’dir. Buradan IB akımının olması gereken değerini bulabiliriz.

mAmA

βI

I CB 6.0=

150100

==

Bulunan bu değer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum değerdir. Şimdi bu akımı akıtacak RB değerini bulalım. Devreden;

BEBB VRIV +=5+

Ω3.7=6.0

6.05== K

mAVV

IVV

RB

BEBB

--

4.5 TRANSİSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞMASI

Transistörlerin çok popüler bir diğer uygulama alanı ise yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Yükseltme (amplifikasyon) işlemi, transistöre uygulanan her hangi bir işaretin genliğinin veya gücünün doğrusal olarak kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi) işlemidir. Yükselteç olarak tasarlanacak bir transistör, genellikle aktif bölgede çalıştırılır.

Bu bölümde bitirdiğinizde ;

• Yükselteç (amplifier) • Temel transistörlü yükseltecin dc ve ac analizi

Hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz.

Transistörün en temel uygulama alanlarından biri de yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Temel bir yükselteç devresinin işlevi, girişine uygulanan işareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkışına aktarmasıdır.


113

Transistörlü temel bir yükselteç devresi şekil-4.16’da verilmiştir. Devrede kullanılan dc kaynaklar transistörün aktif bölgede çalışmasını sağlamak içindir. Devre girişine uygulanan ac işaret (VİN) ise yükseltme işlemine tabi tutulacaktır.

Transistörlü yükselteç devresinde; devrenin yükselteç olarak çalışabilmesi için dc besleme (polarma) gerilimlerine gereksinim vardır. Dolayısıyla transistörlü yükselteç devreleri genel olarak iki aşamada incelenilirler. Bu aşamalar;

• Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi • Transistörlü yükselteç devrelerinin ac analizi

RC

+VCC

RB

VBB

Vout

Vin

Şekil-4.16 Transistörlü yükselteç devresi

DC Analiz İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun dc polarma akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin dc analizdir. Analiz işleminde transistörün çalışma bölgesi belirlenir. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi ac çalışmaya hazır hale getirilir.

Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizinde eşdeğer devrelerden yararlanılır. Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi ilerideki bölümlerde tüm ayrıntıları ile incelenecektir.

AC Analiz Transistörlü yükselteç tasarımında ikinci evre, tasarlanan veya tasarlanacak yükselteç devresinin ac analizidir. Yükselteç devresinin ac analizini yapılırken eşdeğer devrelerden yararlanılır. Şekil-4.17’a.da transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmiştir. Aynı devrenin ac eşdeğeri devresi ise şekil-4.17.b’de görülmektedir.


114

RC

+V CC

RB

VBB

Vout

Vin

Vin

Vout

RC

RB Vo

Vin Vg

a) Transistörlü yükselteç devresi b) Transistörlü yükselteç devresinin ac eşdeğeri

Şekil-4.17.a ve b Transistörlü temel yükselteç devresi ve ac eşdeğeri Transistörlü bir yükselteç devresinin ac eşdeğer devresi çizilirken, dc kaynaklar kısa devre yapılır. Yükselteç devresi doğal olarak girişinden uygulanan ac işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Dolayısıyla bir kazanç söz konusudur.

Yükseltecin temel amacıda bu kazancı sağlamaktır. Bir yükselteç devresi; girişinden uygulanan işaretin genliğini, akımını veya gücünü yükseltebilir. Dolayısıyla bir akım, gerilim veya güç kazancı söz konusudur.

Yükselteçlerde kazanç ifadesi A ile sembolize edilir. Gerilim kazancı için AV, Akım kazancı için AI ve güç kazancı için AP sembolleri kullanılır.

Örneğin şekil-4.17’de görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı AV;

gV V

VA 0=

Transistörlü yükselteçler, belirtildiği gibi elektronik biliminin en önemli konularından birisidir. Bu nedenle transistörlü yükselteçlerin analizi ve tasarımı bu kitabın ilerleyen bölümlerinde ayrıntılı olarak incelenecektir. Bu bölümde sizlere kısa ön bilgiler sunulmuştur.

4.6 TRANSİSTÖRLERDE KODLAMA VE KILIF TİPLERİ

Günümüzde pek çok farklı kılıf tipine sahip transistör üretimi yapılmaktadır. Transistörlerin kılıf tipleri genelde kullanım amacına ve kullanım yerine bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, küçük veya orta güçlü transistörlerin üretiminde genellikle plastik veya metal kılıflar kullanılmaktadır. Transistörlerde kullanılan kılıf tiplerini belirleyen diğer önemli bir faktör ise çalışma frekanslarıdır.

Bu bölümde transistörlerin kılıf tiplerini belirleyen etkenler olarak ; • Transistörlerde uluslarası standart kodlama • Transistörlerde üretim kategorileri

hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz.


115

Uluslararası bir çok firma, transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen her bir transistör farklı özellikler içerebilir. Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen her bir transistör; üreticiler tarafından bir takım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler; bu kodlarla anılırlar. Üretilen her bir transistörün çeşitli karakteristikleri üretici firma tarafından kullanıcıya sunulur.

Uluslararası Standard Kodlama: Transistörlerin kodlanmasında bir takım harf ve rakamlar kullanılmaktadır. Örneğin AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 v.b gibi bir çok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rasgele değil uluslar arası standartlara göredir ve anlamlıdır.

Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip standart kodlama vardır. Bir çok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunarlar. Yaygın olarak kullanılan standart kodlamalar aşağıda verilmiştir.

1. Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron) 2. Amerikan jedec standardı (EIA-jedec) 3. Japon (JIS) 4. Doğu Blok (eski SSCB)

Pro-Electron Standardı: Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlarlar. Kodlamada genel kural, Önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. Kullanılan her bir harf anlamlıdır ve anlamları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

İLK HARF: Avrupa (Pro Electron) standardına göre kodlanmada kullanılan ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Örneğin AC121, AD161, AF254 v.b kodlanan transistörler germanyumdan yapılmıştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile başlar. Örneğin; BC121, BD161, BF254 v.b kodlanan transistörler silisyumdan yapılmıştır.

IKINCI HARF: Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf Avrupa Standardına göre, transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar aşağıda verilmiştir.

AC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi...

BC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür ve Silisyumdan yapılmıştır. BC107, BC547 gibi...

BD: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, alçak frekans transistörü. BD135, BD240, BD521 v.b. gibi

BF: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, yüksek frekans transistörü. BF199, BF240, BF521, gibi...

BL: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, yüksek frekans transistörü. BL240, BL358, BL521 gibi...

BU: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, anahtarlama transistörü. BU240, BU521 gibi...Germanyumdan yapılan transistörlerin başına A harfinin geldiği unutulmamalıdır. AC, AD, AF, AU gibi...


116

ÜÇÜNCÜ HARF: Avrupa (pro electron) standardında bazı Transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak koşuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. Örnek olarak; BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 v.b gibi Diğer Kodlama türleri ve standartlar: Avrupa pro-electron standardına göre kodlamanın özelliklerini verdik. Bu kodlamaya ilave olarak Amerikan ve Japon üreticilerin uydukları kodlamalar ve anlamları aşağıda liste olarak verilmiştir. Bu gruplara ilave olarak, büyük yarıiletken üreticisi bazı kuruluşlar azda olsa özel kodlar kullanmaktadırlar.

KOD AÇIKLAMALAR 2N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET dahil). 3N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET, MOSFET) 4N..... : Amerikan (EIA-jedec) Standardı opto-kuplör v.b 2S..... : Japon (JIS) Standardı Si (2S2134 gibi...) 2SA.... : Japon (JIS) Standardı, PNP, Yüksek frekans 2SB.... : Japon (JIS) Standardı, PNP, Alçak frekans 2SC.... : Japon (JIS) Standardı, NPN, Yüksek frekans 2SD.... : Japon (JIS) Standardı, NNP, Alçak frekans 2SH.... : Japon (JIS) Standardı, Unijonksiyon Transistör 2SJ.... : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 2SK.... : Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı 3SJ.... : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 3SK.... : Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı MA... : Motorola, Ge, Düşük güçlü, metal kılıf MPS... : Motorola, Si, Küçük işaret, plastik kılıf MJE... : Motorola, Si, Büyük güçlü, plastik kılıf MPF... : Motorola, JFET, plastik kılıf MJ… : Motorola, Si, Büyük güçlü, Metal kılıf

Bazı büyük üretici firmalar ise kendi kodlarıyla özel üretim yapmaktadırlar. Özelliklerini kataloglardan temin edebilirsiniz.

Transistör kategorileri ve kılıf tipleri Uluslarası transistör üreticileri, üretimlerini genellikle 3 temel kategoride gerçekleştir. Bu kategorileri;

• Genel amaçlı/alçak frekans transistörleri • Güç transistörleri • Radyo frekans (RF) transistörleri

Olarak tanımlayabiliriz. Her bir kategori, belirli alt kategorilerede ayrılmaktadır. Üretici firmalar transistör adlarının kodlanmasında, kılıf ve pin tiplerinin belirlenmesinde belirli standartlara uyarlar.

Genel Amaçlı/Küçük Sinyal Transistörleri: Bu tip transistörler genellikle orta güçlü yükselteç veya anahtarlama devrelerinde kullanılır. Metal veya plastik kılıf içerisinde üretilirler. Şekil-4.18’de plastik kılıfa sahip standart transistör kılıf tipleri, kılıf kodları ve terminal isimleri verilmiştir.


117

TO-92 veya TO-226AA

CB

E

B

C

E E

C

B

E

TO-92 veya TO-226AE SOT-23 veya TO-236ABB

C

E

C

B

Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal plastik transistör kılıfları ve terminal isimleri

Şekil-4.19’da ise aynı kategoride bulunan ve metal kılıf içerisinde üretilen bazı transistörlerin kılıf kodları ve terminal isimleri ile birlikte verilmiştir. Farklı terminal bağlantılarına ve kılıf tipine sahip onlarca tip transistör vardır.

Bu bölümde örnekleme amacı ile çok kullanılan birkaç tip kılıf tipi verilmiştir. Ayrıntılı bilgileri üretici kataloglarından elde edebilirsiniz.

B

C

E

B

C

E

TO-39 veya TO-205AD TO-18 veya TO-206AA

EB C

B

C

E

TO-46 veya TO-206AB

TO-52 veya TO-206AC

B

C

E

B

C

ETO-72 veya TO-206AF

B

C

EC

B EGG=GÖVDE

TO-5 Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal metal transistör kılıfları ve terminal

isimleri

Güç (power) Transistörleri: Güç (power) transistörleri yüksek akım ve gerilim değerlerinde çalıştırılmak üzere tasarlanmışlardır. Dolayısıyla boyutları oldukça büyüktür. Bu tip transistörler genellikle metal kılıf içerisinde üretilirler. Transistörün gövdesi metaldir ve genellikle kollektör terminali metal gövdeye monte edilmiştir. Şekil-4.19’da yaygın olarak kullanılan bazı güç transistörlerinin kılıf kodları ve terminal bağlantıları verilmiştir.


118

TO-126 ve TO-225AA TO-218 TO-218AC TO-220AB

SMD TİPİ TO-66 TO-3 veya TO204AE

B

CEE

CB

B

C

EE

C

B

C

CC

C

B E

GÖVDE C

GÖVDE C

Şekil-4.19 Bazı güç transistörlerinin kılıf tipleri ve terminal bağlantıları

Radyo Frekans (RF) Transistörleri:

Çok yüksek frekansla çalışan sistemlerde (Radyo frekans=RF) çalıştırılmak üzere tasarlanmış transistörler, RF transistörleri olarak anılmaktadır. Özellikle iletişim sistemlerinde kullanılan bu transistörlerin kılıf tipleri diğerlerinden farklılık gösterebilir. Bunun nedeni yüksek frekans etkisini minimuma indirmektir. Şekil-4.20’de bazı RF transistörlerinin standart kılıf tipleri örnek olarak verilmiştir.

Şekil-4.20 RF transistörlerinde kullanılan kılıf tipleri


119

4.7 TRANSİSTÖR VERİ SAYFALARI

Üretici firmalar ürettikleri her bir transistör tipi için standart ve maksimum çalışma karakteristiklerini veri kitapçıklarında tasarımcının kullanımına sunarlar. Bu bölümde üretici firmanın ürettiği bir transistör için veri kitapçığında kullanıcıya sunduğu katalog bilgileri örnek olarak sizlere verilecektir.

4.8 TRANSİSTÖR TESTİ

Elektronik cihazlarda kimi zaman bir takım arızalar oluşabilir. Bu arızalar genellikle yarıiletken devre elemanlarının bozulmasından kaynaklanır. Bu nedenle herhangi bir cihazın onarımında ilk aşama cihazda kullanılan yarıiletken devre elemanlarının sağlamlık testinin yapılmasıdır.

Transistörlerin sağlamlık testi; statik ve dinamik test olmak üzere iki aşamada yapılabilir. Transistöre herhangi bir enerji uygulamadan bir ölçü aleti yapılan test


120

işlemine statik test denir. Bu işlemde transistörün jonksiyonlar arası direnci ölçülür.

Dinamik test işlemi ise transistör devre üzerinde çalışma halindeyken yapılır. Bu işlemde transistör üzerinde oluşabilecek polarma gerilim ve akımlarının ölçümü yapılır.


• Bir transistörün multimetre ile statik testinin nasıl yapıldığını • Bir transistörde dinamik ölçümlerin nasıl yapılabileceğini

Ayrıntılı olarak öğreneceksiniz. Yaptığınız test işlemleri sonucunda her hangi bir transistörde sağlamlık testinin nasıl yapılacağı, transistör tipinin (pnp veya npn) ve terminal bağlantılarının nasıl bulanacağını yetisini kazanacaksınız.

Transistör’ün Statik Testi Sayısal veya analog bir multimetre kullanılarak herhangi bir transistörün sağlamlık testi yapılabilir. Test işleminde sonucunda transistörün sağlam olup olmadığının yanı sıra transistör tipi (npn/pnp) ve transistör terminalleride (b,e,c) belirlenebilir.

Npn veya pnp tipi bir transistörün test işleminde pratik bir çözüm, transistörü sırt sırta bağlı iki diyot gibi düşünmektir. Test işleminde bu durum bize kolaylık sağlar. NPN ve PNP tipi transistörlerin diyot eşdeğerleri şekil-4.21’de verilmiştir. Bu durum sadece transistörü test etmemizde bize kolaylık sağlar. İki gerçek diyot, şekilde belirtildiği gibi bağlanırsa transistör olamayacağı ve transistör gibi çalışmayacağı özellikle bilinmelidir.

B

C

E

C

E

B

n

pB

C

E

n

a) npn tipi transistör ve diyot eşdeğeriSembolü Yapısı Diyot eşdeğeri

B

C

E

C

E

B

p

nB

C

E

p

a) npn tipi transistör ve diyot eşdeğeriSembolü Yapısı Diyot eşdeğeri

Şekil-4.21 Npn ve Pnp tipi transistörlerin sembolü ve diyot eşdeğerleri

Transistörün diyot eşdeğer devresinden yararlanılarak sayısal bir multimetre ile test işleminin nasıl yapılabileceği şekil-4.22 yardımı ile anlatılacaktır. Test işlemi için sayısal multimetre’nin diyot ölçme konumu kullanılır. Her bir aşamada transistörün sadece iki terminali arasındaki öngerilim ölçülür. Sağlam bir transistör’ün doğru polarma altında terminalleri arasındaki ögerlim 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise bu değer multimetrenin pil gerilimidir.

Şekil-4.22 üzerinde bir transistör için gerekli test aşamaları ve sonuçları adım adım gösterilmiştir. Belirtilen adımları sıra ile izleyerek sonuç ve yorumları gözlemleyiniz.


121

E B C

off

Ω

COMVΩmAA

V

0.70

a) E-B jonksiyonu doğru

polarma Sonuç: Doğru değer

E B C

off

Ω

COM VΩmAA

V

0.70

b) B-C jonksiyonu doğru


E B C

off

Ω

COM VΩmAA

V

1.20

c) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Doğru değer

E B C

off

Ω

COMVΩmAA

V

1.20

d) E-B jonksiyonu ters

polarma Sonuç: Doğru Değer

E B C

off

Ω

COM VΩmAA

V

1.20

e) B-C jonksiyonu ters


E B C

off

Ω

COM VΩmAA

V

1.20

f) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Doğru değer

E B C

off

Ω

COMVΩmAA

V

1.20

g) E-B jonksiyonu doğru

polarma Sonuç: E-B Bozuk açık devre

E B C

off

Ω

COMVΩmAA

V

0.00

h) B-C jonksiyonu doğru

polarma Sonuç: E-B Bozuk kısa devre

E B C

off

Ω

COMVΩmAA

V

1.20

i) B-C jonksiyonu doğru

polarma Sonuç: B-C Bozuk açık devre

Şekil-4.22 npn tipi bir transistörün sayısal multimetre ile statik testi

Test işlemi, analog multimetre kullanılarak da yapılabilir. Multimetre ohm kademesine alınır. Transistörün jonksiyonları arasındaki direnç değerleri sıra ile ölçülür. Multimetre; Ters polarmada çok büyük direnç değeri, doğru polarmada ise küçük bir direnç değeri göstermesi gerekir. Aksi durumlarda transistörün bozuk olduğu anlaşılır.

Transistörleri test etmek amacı ile çeşitli firmalarca geliştirilmiş hazır transistör test cihazları da (transistor tester) vardır. Şekil-4.23’de örnek olarak birkaç transistör test cihazı verilmiştir. Her bir cihazın kullanımı kataloglarından öğrenilebilir.


122

Şekil-4.23 Transistör test cihazları

Transistör’ün Dinamik Testi Çalışan herhangi bir devre veya cihaz üzerinde bulunan transistörler test edilebilir. Test işleminde devre üzerindeki transistörün terminalleri arasındaki gerilimler ölçülür. Dolayısı ile ölçüm sisteminde enerji vardır. Bu tür test işlemine dinamik test denir. Sağlıklı bir test işlemi için bazı analizler yapılmalı veya bilinmelidir. Test işleminde size pratiklik kazandırmak amacı ile şekil-4.24’de görülen basit bir transistörlü devre verilmiştir.

RC

+VCC=12V

RB

VBB=+3V

680Ω

47KΩBC108

β (DC)=hFE=200

VC

VBE

Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri

Devrenin kısaca analizini yaparak elde edilen sonuçları şekil üzerinde gösterelim. Doğru polarma altında çalışan bir transistörde beyz-emiter gerilimi VBE her zaman;

VVBE 7.0=

değerinde olur. Transistörün diğer polarma akım ve gerilimlerini bulalım.

AµKV

KVV

RVVI

B

BEBBB 48

Ω473.2

Ω477.03

==−

=−

=

mAAµIβI BDCC 6.9)48()200()( =⋅=⋅=


123

VVmAVRIVV CCCCC 5.55.612)Ω6806.9(12)( =−=⋅−=⋅−=

hesaplamalar sonucunda sağlam bir transistör üzerinde bulunan değerler şekil-4.24 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

5.5vRC

+12V

+3V

680Ω

47KΩBC108

β (DC)=hFE=2000.7v

RB

Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri

Şekil-4.24’de verilen devrede veya herhangi bir transistörlü devrede oluşabilecek pek çok arıza çeşidi vardır. Transistörlü bir devrede oluşabilecek arıza, devrede yapılacak gerilim ölçmeleri sonucunda belirlenebilir. Şekil-4.25’de transistörlü bir devrede olası arızalar nedenleri ve ölçme sonuçları verilmiştir. Dikkatlice inceleyiniz

Not: Tüm ölçmeler şase (gnd) terminaline göre yapılmıştır.

12vRC

+12V

+3V

680Ω

47KΩBC108

µv

RB

Test : Beyz-Emiter terminalinde birkaç µV, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmüştür. Yorum : Transistörün beyz akımını alamaktadır. Sonuç : RB direnci açık devre olmuştur. Çözüm : RB direnci değiştirilmelidir.

12vRC

+12V

+3V

680Ω

47KΩBC108

0.5..0.7v

RB

Açık Devre

Test : Beyz-Emiter terminalinde 0.5V…0.7V, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmüştür.Yorum : Transistör kesimdedir, kollektör akımı yoktur. Sonuç : Kollektör terminali içten açık devre olmuştur Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir..


124

µvRC

+12V

RB

+3V 47KΩBC108

05...0.7v

AçıkDevre

Test : Beyz-Emiter terminalinde 0.5…0.7V, Kollektör de birkaç µV ölçülmüştür. Yorum : Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç : RC direnci açık devre olmuştur. Çözüm : RB direnci bozuktur, değiştirilmelidir.

12v

+12V

RB

+3V 47KΩBC108

3v AçıkDevre

0v

RC680Ω

Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V, emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum : Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç : Emiter terminali içten açık devre olmuştur. Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir.

12v

+12V

RB

+3V 47KΩBC108

3v

AçıkDevre

0v

RC680Ω

Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V,Emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum : Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç : Beyz terminali içten açık devre olmuştur. Çözüm : Transistör bozuktur, değiştirilmelidir.

12v

+12V

RB

+3V 47KΩBC108

3v2.5v

RC680Ω

Açık Devre Test : Beyz-Emiter

terminalinde 3V, Kollektörde 12V,Emiterde 0V ölçülmüştür.Yorum : Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç : Emiter terminal- şase bağlantısı kopmuştur. Çözüm : Bağlantı sağlanmalıdır.

Şekil-4.25 Transistörlü bir devrede oluşabilecek olası arızalar ve nedenleri

Herhangi bir transistörlü devrede oluşabilecek arızalar ve arıza tipleri yukarıda ayrıntıları ile verilmiştir. Arıza aramada temel mantık transistör polarma gerilimlerinin ölçülüp yorumlanmasıdır. Normal koşullarda çalışan bir transistör de beyz-emiter geriliminin her zaman 0.7V civarında olacağı unutulmamalıdır.


125

4.9 BÖLÜM ÖZETİ

• Bipolar jonksiyon transistör BJT olarak bilinir ve üç katmandan oluşur. Katmanlarına işlevlerinden ötürü Beyz (base), Emiter (emiter) ve Kolektör (collector) isimleri verilir.

• Bipolar transistör iki adet pn bitişim yüzeyine (jonksiyona) sahiptir. Bu jonksiyonlara beyz-emiter ve beyz-kollektör jonksiyonaları adı verilir.

• BJT içinde hem serbest elektronlar, hem de oyuklar akım taşıyıcı olarak görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır.

• Bipolar transistörde beyz bölgesi; kolektör ve emiter bölgesine nazaran daha az katkılandırılmıştır ve daha incedir.

• Bipolar Jonksiyon transistörler npn ve pnp olmak üzere iki tipte üretilirler.

• Transistör bir yükselteç elemanı olarak kullanıldığında; beyz-emiter jonksiyonu ileri yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalandırılır.

• Transistörlerde 3 temel akım vardır. Bunlar; beyz akımı (IB), kolektör akımı (IC) ve emiter akımı (IE) olarak adlandırılır.

• Transistörde beyz akımı, kolektör ve emiter akımına nazaran çok küçüktür. Fakat transistörün çalışmasında çok etkindir. Beyz akımı, kolektör ve emiter akımlarını kontrol eder.

• Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı beta akım kazancı olarak bilinir ve βDC olarak tanımlanırlar. βDC değeri akım yükseltme katsayısıdır. Tipik βDC değeri 20 ile birkaç 100 birim arasında olabilir.

• Transistörde βDC değeri kimi üretici firma kataloglarında HFE olarak tanımlanır ve verilirler.

• Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı alfa akım kazancı olarak bilinir ve αDC olarak tanımlanırlar. Tipik αDC değeri 0.95 ile 0.99 arasındadır.

• Transistör kesim ve doyum bölgelerinde elektronik bir anahtar gibi çalıştırılabilir.

• Kesimde çalışan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalan- dırılmıştır. Transistörün kollektör akımı yoktur. İdeal olarak kollektör-emiter jonksiyonu açık devredir ve açık bir anahtar gibi davranır.

• Doyumda çalışan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarma- landırılmıştır. Transistörün kolektör akımı maksimumdur. Kolektör-emiter jonksiyonu ideal olarak kısa devredir ve kapalı bir anahtar gibi davranır.

• βDC değeri çalışma ortamı ısısından bir miktar etkilenir. βDC değeri aynı tip transistörlerde farklı değerlerde olabilir.

• Transistörler kendi aralarında sınıflandırılırlar. Transistörlerin kılıflarında metal, plastik, seramik v.b materyaller kullanılır. Transistör üretiminde yüzlerce farklı kılıf kullanılır.

Bir transistörün sağlamlık testi statik veya dinamik olarak gerçekleştirilebilir. Testişleminde multimetre kullanılır. Ayrıca test işlemi sonucunda bir transistörüntipi(npn/pnp) ve uçları (e/b/c) belirlenebilir.


5

TRANSİSTÖRLERİN DC ANALİZİ

Konular:

5.1 Transistörde DC çalışma noktası 5.2 Transistörde temel polarama 5.3 Beyz polarma 5.4 Gerilim bölücülü polarma devresi 5.5 Geribeslemeli polarma devresi 5.6 Onarım

Amaçlar: • Yükselteç tasarımında dc çalışma noktasının önemi

• Yükselteçlerde dc polarma ve analizi

• Yükselteçlerde kararlı çalışma için çeşitli polarma yöntemleri Bu bölümde transistörün yükselteç olarak nasıl çalıştırılacağını öğreneceksiniz. Yükselteç tasarımında dc polarma akım ve gerilimlerinin analizini yapacak ve kararlı bir çalışma için yöntemler geliştireceksiniz.

BÖLÜM 5

127

5.1 DC ÇALIŞMA NOKTASI

Bir transistör yükselteç (amplifikatör) olarak çalışabilmesi için dc polarma gereksinim duyar. Doğrusal ve verimli bir çalışma için transistörlü yükselteç devresinde polarma akım ve gerilimleri iyi seçilmeli veya hesaplanmalıdır. Bu durum bir önceki bölümde belirtilmişti.

Bu bölümde; yükselteçlerde düzgün ve verimli bir çalışma için gerekli analizler yapılacaktır. Bu analizlerde dc yük hattı ve çalışma noktası (Q) gibi kavramların önemini ve özelliklerini kavrayacaksınız.

DC Polarma ve Çalışma Noktası Transistörlü yükselteç; girişinden uygulanan işaretleri yükselterek çıkışına aktarmak üzere tasarlanmış bir devredir. Transistör, yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyar. Transistöre uygulanan polarma gerilimleri çıkış karakteristiği üzerinde transistörün çalışma noktasını belirler. Transistörün sahip olduğu polarma akım ve gerilim değerini gösteren bu nokta “çalışma noktası” ya da “Q noktası” olarak adlandırılır. Şekil-5.1’de bir transistörün çıkış karakteristiği üzerinde çeşitli çalışma noktası örnekleri verilmiştir. Örneğin dc polarma gerilimleri uygulanmasa idi transistörün çalışma noktası Q1 olurdu. Bu durumda transistör tümüyle kapalı olur ve girişinden uygulanan işaretleri yükseltmez idi.

VCE (V)

IC (mA)

VCE2 VCE3 VCE4

IC4

IC3

IC2

Q2

Q3

Q4

Q1

Şekil-5.1 Transistör için eşitli çalışma noktası örnekleri

Transistöre polarma gerilimleri uygulandığında ise çalışma noktaları şekil üzerinde belirtilen Q2, Q3 ve Q4 noktalardan birinde olabilirdi. Bu çalışma noktalarında transistör doğal olarak yükselteç olarak çalışacaktır. Dolayısıyla girişinden uygulanan işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Transistör çıkışından alınan işaret de nispeten bozulma olmayacaktır. Bu durum şekil-5.2 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Örneğin şekil-5.2.a’da transistörün çalışma noktası uygun seçilmiş ve lineer bir yükseltme sağlanmıştır. Ancak çalışma noktasının uygun seçilmemesi durumunda ise çıkış işaretinde kırpılmalar oluşmaktadır. Bu durum şekil-5.2.b ve c üzerinde gösterilmiştir.


128

A

a) Lineer Çalışma

A

b) Çıkış gerilimi kesim sınırında kırpılmış

A

c) Çıkış gerilimi doyum sınırında kırpılmış Şekil-5.2 Bir yükselteç devresinin lineer ve nanlineer çalışmasına örnekler

DC Yük Hattı Transistörlü yükselteç devrelerinde çalışma noktasının ve dc yük hattının önemini göstermek amacı ile şekil-5.3.a’da görülen devreden yararlanılacaktır. Bu devrede transistörün polarma akım ve gerilimleri, VBB ve VCC kaynakları ile ayarlanabilmektedir. Devredeki transistör için kollektör karakteristik eğrileri ise şekil-5.3.b’de verilmiştir.

VCE (V)

IC (mA)RC

RB

VBB

40

50

60

VCC0-10V

0-5V

30

20

10

300µ

250µ

200µ

150µ

100µ

50µ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

22KΩ

200ΩIC

βDC=200

Şekil-5.3 Ayarlanabilen kaynaklarla dc polarma ve transistörün karakteristik eğrisi

DC polarmanın etkisini ve önemini anlamak amacı ile şekil-5.3’deki devrede IB akımını farklı değerlere ayarlayalım. Ayarladığımız her bir IB akımı değerine karşılık transistörün IC ve VCE değerlerinin nasıl değiştiğini inceleyelim.

İlk olarak VBB kaynağını ayarlayarak IB değerini 100µA yapalım. Bu durumda transistörün kollektör akım IC;

mAAµIβI BC 20100200 =⋅=⋅=

olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü VCE;

VmAVRIVV CCCCCE 6)Ω20020(10)( =⋅−=⋅−=

olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.a da transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q1 olacaktır.


129

Transistörün beyz akımının IB=150µA yapılması durumunda ise kollektör akımı; mAAµIβI BC 30150200 =⋅=⋅=

olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü VCE;


olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.b de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q2 olacaktır.

Son olarak IB akımını 200µA yapalım bu durumda transistörün çalışma noktasını bulalım.

mAAµIβI BC 40200200 =⋅=⋅=


olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.c de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q3 olacaktır.

Her IB akımı değerine bağlı olarak transistörün çalışma bölgesindeki değişimler şekil-5.4 üzerinde toplu olarak verilmiştir.


130

VCE (V)

IC (mA)

RC

VBB

40

50

60

VCC 30

20

10

Q1 100µ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

22KΩ

200ΩIC=20mA

βDC=200

IB=100µA

VCE (V)

IC (mA)

RC

VBB

40

50

60

VCC 30

20

10

Q2 150µ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

22KΩ

200ΩIC=30mA

βDC=200

IB=150µA

VCE (V)

IC (mA)

RC

VBB

40

50

60

VCC 30

20

10

Q3 200µ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

22KΩ

200ΩIC=40mA

βDC=200

IB=200µA

a) IB=100µA değeri için transistörün Q1 çalışma noktası

b) IB=150µA değeri için transistörün Q2 çalışma noktası

c) IB=200µA değeri için transistörün Q3 çalışma noktası

Şekil-5.4 Çeşitli IB akımı değerlerinde transistörün çalışma noktasının değişimi

Şekil-5.4 dikkatlice incelenirse transistörün beyz akımındaki değişim, kollektör akımını değiştirmekte dolayısıyla transistörün kollektör-emiter (VCE) gerilimi de değişmektedir. Örneğin IB akımındaki artma, IC akımını artırmaktadır. Buna bağlı olarak VCE gerilimi azaltmaktadır. Bu durumda VBB geriliminin ayarlanması ile IB değeri ayarlanmaktadır. IB’nin ayarlanması ise transistörün DC çalışma noktasını düzgün bir hat üzerinde hareket ettirmektedir. Şekil-5.4’de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen ve Q1, Q2 ve Q3 ile belirtilen çalışma noktalarının birleştirilmesi ile bir doğru elde edilir. Bu doğru “dc yük hattı” olarak adlandırılır. Şekil-5.5’de dc yük hattı karakteristik üzerinde gösterilmiştir.


131

VCE (V)

IC (mA)

40

50

60

30

20

10

Q1 100µ

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Q2

Q3

150µ

200µ

DOYUM

KESİM

YÜK ÇİZGİSİ

Şekil-5.5 Transistör karakteristiği üzerinde dc yük hattının gösterilişi

DC yük hattı x eksenini 10V’da kesmektedir. Bu değer VCE=VCC noktasıdır. Bu noktada transistör kesimdedir çünkü kollektör ve beyz akımları idealde sıfırdır. Gerçekte beyz ve kollektör akımları bu noktada tam sıfır değildir. Çok küçük bir sızıntı akım vardır. Bu nedenle bu kesim noktası gerçekte 10V’dan biraz daha küçüktür. Yine bu örnekte dc yük hattının IC eksenini kestiği değer idealde 50mA’dir. Bu değer ise transistör için doyum noktasıdır. Transistörün doyum noktasında kollektör akımı maksimumdur. Çünkü bu noktada VCE=0’dır. Kollektör akımı;

C

CCC R

VI =

değerinde olacaktır ve maksimumdur.

Lineer Çalışma Transistörün başlıca 3 çalışma bölgesi olduğu belirtilmişti. Bunlar; kesim, doyum ve aktif bölgelerdir. Transistör aktif bölgede çalışıyorken bütün çalışma noktaları kesim ve doyum bölgeleri arasındadır. Transistör eğer aktif bölgede çalışıyorsa girişine uygulanan işareti (sinyali) lineer olarak yükseltir. Lineer yükseltme işlemini incelemek amacıyla şekil-5.6.a’ da verilen devreden yararlanılacaktır.

Başlangıçta devre girişine VS işaretinin uygulanmadığını düşünelim. Devrede beyz akımının IB=150µA ve kollektör akımının ise 30mA olduğunu kabul edelim. Bu durumda transistörün çalışma noktası VCE=4V olacaktır. Bu nokta şekil-5.6.b’de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen Q çalışma noktasıdır.

Devre girişine VS kaynağından tepe değeri 50µA olan bir sinüs işareti uygulandığını varsayalım. Önce VS işaretinin pozitif saykılı geldiğini kabul edelim. Bu işaret; VBB kaynağı ile aynı yönde etki edecek ve beyz akımının yükselmesine neden olacaktır. Giriş işareti VS, pozitif tepe değerine ulaştığında beyz akımıda maksimum oranda yükselecek-tir. Bu anda IB=150+50=200µA olacaktır. Bu değer şekil-5.6.b’de karakteristikte “A” noktası olarak işaretlenmiştir. Buna karşılık kollektör akımı 40mA değerine yükselecek, kollektör-emiter gerilimi ise 2V değerine düşecektir. Bu aşamadaki çalışmaya dikkat edilirse transistörün çalışma noktası A noktasına kaymıştır. Burada giriş işaretinde toplam 50µA’lik bir değişim vardır. Çıkış kollektör akımında ise 10mA’lik bir değişim söz konusudur. Dolayısıyla giriş işaretinin pozitif saykılı 200 kat yükseltilmiştir.


132

Giriş işaretinin negatif saykılında ise; bu işaret beyz akımını dolayısıyla kollektör akımını azaltacaktır. Transistör şekil-5.6.b’de karakteristik üzerinde gösterilen ve “B” olarak adlandırılan çalışma noktasına kayacaktır. Bu çalışma noktasında; IB=100µA, IC=20mA ve VCE=6V değerine ulaşacaktır. Aynı şekilde dikkat edilirse giriş işaretinin 200 kat yükseltildiği görülecektir.

RC

RB

VBB

VCC=+10V

VS VCE (V)

IC (mA)

40

30

20B

100µ

2

QA

150µ

200µ

4 6

βDC=200

200Ω

20KΩ

6.7V

ICQ

VCEQ

IB

VCE

IC

a) Ayarlı kaynaklarla transistörlü polarma devresi b) Yük hattı üzerinde sinyal davranışı Şekil-5.6 Transistörlü yükselteç devresi ve yük hattı üzerinde sinyal davranışları Buraya kadar anlatılanlardan da anlaşılacağı gibi, devre girişinde ac giriş işareti yokken, transistör Q çalışma noktasında (sükunet noktası) kalmaktadır. Girişe bir sinyal gelmesi durumunda ise çalışma noktası bu sinyalin yönüne bağlı olarak aşağıya veya yukarıya kaymaktadır. Giriş işareti yükseltme işleminde Q noktasının etrafında salınmaktadır. Transistörün kesim veya doyum noktalarına ulaşmamaktadır. Çıkışta elde edilen işaret, giriş işaretinin yükseltilmiş bir formudur. Çıkış işaretinin dalga biçiminde herhangi bir bozulma yoktur. Bundan dolayı bu işleyişe “Lineer Çalışma” denir.

Çıkışın Bozulması (Distorsiyon) Transistörle gerçekleştirilen yükselteçlerde; çıkıştan elde edilen yükseltilmiş işaretin giriş işareti ile aynı dalga formunda olması istenir. Çıkış işaretinde her hangi bir bozulma olması istenmez. Çıkış işaretinde oluşan veya oluşabilecek bozulmaya ise “distorsiyon” adı verilir. Yükselteç devrelerinde bir çok nedenden dolayı distorsiyon oluşabilir. Şekil-5.7’de transistör devresinde oluşabilecek distorsiyonlar çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir.


133

VCE (V)

IC (mA)

Q

VCEQ

I BQ

ICQ

0

Doyum

Doyum

VCC

VCE (V)

IC (mA)

Q

VCEQ

I BQ

ICQ

0

Kesim

Kesim

VCC

VCE (V)

IC (mA)

Q

VCEQ

I BQ

ICQ

0Kesim

Kesim

VCC

Doyum

Doyum

a) Çalışma bölgesi doyuma sürülmüş b) Çalışma bölgesi kesime sürülmüş

c) Çalışma bölgesi kesime-doyuma sürülmüş

Şekil-5.7 Transistörlü yükselteç devresinde oluşan bozulmalar (distorsiyon)

Şekil-5.7’de verilen her 3 karakteristikte de distorsiyon vardır. Şekil-5.7.a’da transistörün çalışma bölgesi doyum bölgesine yakın ayarlanmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin bir kısmında transistör doyum bölgesinde çalıştığı için çıkış işareti kırpılmıştır. Şekil-5.7.b’de ise transistör kesim bölgesine yakın çalıştırılmış ve çıkış işaretinin bir kısmı kırpılmıştır. Şekil-5.7.c’de ise transistör aktif bölgenin tam ortasında çalıştırılmıştır. Fakat giriş işaretinin aşırı yüksek olması transistör çalışma bölgesinin kesim ve doyuma kaymasına neden olmuştur. Bu durumda çıkış işaretinin her iki saykılında da kırpmalar oluşmuştur.

Örnek: 5.1

Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını ve lineer çalışma için girişe uygulanabilecek işaretin maksimum genliğini belirleyiniz?


134

Çözüm

RC

VBB

VCC

33KΩ

220Ω IC

βDC=100

RB

VS

20V

12V

Önce transistörün Q çalışma noktasını bulalım. Q noktası IC ve VCE değerleriyle belirlendiğine göre IC’yi bulmak için önce IB’yi buluruz.

AµKR

VVI

B

BEBBB 42.342

Ω337.012

=−

=−

=

mAAµIβI BC 242.34)42.342)(100( ==⋅=

Buradan transistörün çalışma noktasındaki VCE değerini buluruz. Kirşof’un gerilim yasasından;

VVVRIVV CCCCCE 467.12)533.7(20)( =−=⋅−=

çalışma noktası değerleri olarak bulunur. VCE=VCC-ICRC denklemi kullanılarak transistörün kesim anındaki VCE ve IC(KES) değerleri belirlenir. Transistör kesim de iken kollektör akımı IC=0’dır. Dolayısıyla;

VVV CCCE 20==

değerine eşit olur. Transistörün doyum noktasındaki değerlerini bulalım. Doyum anında VCE=0V olacağına göre IC akımı;

mAR

VI

C

CCDOYC 90.90

Ω22020

)( ===

Bulunan bu değerlere göre transistörün dc yük hattı aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.

.


135

Çözüm

VCE (V)

IC (mA)

Q

0

Kesim34.24

90.90

12.46

Doyum

Bulunan bu değerler kullanılarak lineer çalışma için girişten uygulanacak VS işaretinin maksimum genliği belirlenebilir. Bu amaçla önce Q noktasının yeri yorumlanmalıdır. Çünkü Q noktası hangi sınıra (kesim/doyum) yakınsa kırpılma önce o bölgede gerçekleşecektir. Dolayısıyla aranan değerde yakın olduğu bölgenin değeri ile Q noktası arasındaki mesafeden hareketle belirlenecektir.

Q noktasının kesim sınırı ile arasındaki mesafe 34.24mA, doyum sınırı ile arasındaki mesafe ise (90.90-34.24)=55.76mA’dir. Buradan görülmektedir ki Q çalışma noktası kesim bölgesine daha yakındır. Dolayısıyla lineer çalışma için giriş sinyali; çıkışta maksimum 34.24mA’lik kollektör akımı sağlayacak şekilde olmalıdır. O halde lineer bir çalışma için kollektör akımının genliği;

mAICP 24.34=

olmalıdır. Transistör için DC akım kazancı değeri (βDC) bilindiğine göre giriş beyz akımının maksimum değeri;

Aµβ

II CMax

B 42.342100

24.34===

olmalıdır.

5.2 BEYZ POLARMASI

Bipolar transistörün yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyduğu belirtilmişti. Önceki birkaç bölümde transistörün gereksinim duyduğu polarma kaynakları ve çalışma karakteristikleri verilmişti. Tüm çalışmalarda transistörün çalışma bölgesinin ayarlanması için iki ayrı dc gerilim kaynağı kullanmıştı. Bu; pratik bir çözüm değildir. Tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak yapılan birkaç polarma yöntemi vardır. Bu bölümde tek bir dc gerilim kaynağı kullanarak yapılan beyz polarması adı verilen yöntemi tüm boyutları ile inceleyeceğiz.


136

Önceki bölümlerde ele alınan polarma devrelerinde iki ayrı dc besleme gerilimi kullanılmıştı. Bu devrelerde transistörün beyz polarması VBB ile tanımlanan ayrı bir güç kaynağından sağlanmıştı. Transistörlü yükselteçlerin dc polarma gerilimlerini sağlamada pratik bir çözüm tek besleme kaynağı kullanmaktır. Şekil-5.8.a’da tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak gerçekleştirilmiş devre modeli verilmiştir. Bu tür polarma işlemine beyz polarması adı verilmektedir.

RC

VCCRB

VBE

RC

+VCC

RB

+_

a) Beyz polarmas ı b) Basit gösterimi

Şekil-5.8.a ve b Beyz polarması ve eşdeğer gösterimi

Devre dikkatlice incelenirse; transistörün beyz polarması için ayrı bir dc kaynak kullanılmamıştır. Transistörün beyz polarması RB direnci kullanılarak VCC gerilim kaynağından alınmıştır. Bu yöntem pratiktir ve avantaj sağlar.

Transistörlü polarma devrelerinde pratiklik kazanmak ve devre analizi bilgilerimizi gözden geçirelim. Bu amaçla devre üzerinde oluşan polarma akım ve gerilimlerinin olası eşitlikleri ve yönleri şekil-5.9 üzerinde yeniden verilmiştir.

VRB

RC

+VCC

RB

+_ VCE

ICIB

IB

IE

VRC

VCC

VBE VBE

VCC

Şekil-5.9 Beyz polarmasında polarma akım ve gerilimleri


137

Devrenin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9’da gösterildiği gibi VCC-beyz-emiter çevresinden;

BEBBCC VRIV +⋅=

yazılabilir. Denklemden beyz akımı çekilirse,

B

BECCB R

VVI

−=

elde edilir. Beyz akımının bulunması ile devredeki diğer tüm polarma akım ve gerilimleri bulunabilir.

BC II ⋅= β

CCCCCE RIVV ⋅−=

CBCCCE RIVV ⋅⋅−= )(β

Bu devrede dc yük hattı sınırlarını bulmak için, doyum sınırında VCE=0V olduğu kabul edilerek (ideal durum),

C

CCDOYUMC R

VI =)(

yük hattının diğer noktasını ise transistör kesimde iken IC=0 kabul ederek,

CCCE VV =

olarak belirleriz.

Örnek: 5.2

VBE

RC

+VCC=+12V

RB

+_

2.2KΩ

620KΩ

Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını belirleyiniz?


138

Çözüm:

AmA

KKRVV

IB

BECCB µ17017.0

62003.11

6207.012

==Ω

=Ω

−=

−=

mAAAII BC 7.11700)17()100( ==⋅=⋅= µµβ

VKmAVRIVV CCCCCE 26.8)2.27.1(12 =Ω⋅−=⋅−=

polarma akım ve gerilim değerleri olarak bulunur. Transistörün çalışma noktası gerilimi ise 8.26V’dur. Yük hattını çizmek için transistörün kesim ve doyum noktalarındaki değerleri bulalım. Kesim anında IC=0’dır. Dolayısıyla kolektör-emiter gerilim düşümü VCE;

VVV CCCE 12==

olarak belirlenir. Doyum gerilimi ise, doyum anında VCE=0V alınarak;

mAKR

VI

C

CCDOYUMC 45.5

2.212

)( =Ω

==

olarak bulunur. Dc yük üzerinde çalışma noktası, aşağıda görüldüğü gibi kesim bölgesine yakın bir yerdedir.

VCE (V)

IC (mA)

Q

0

Kesim1.70

5.45

12

Doyum

8.26

Q Çalışma noktasına βDC etkisi ve kararlılık Transistörün akım kazancını βDC değeri belirler. Bu değer her bir transistör için üretici tarafından verilir. Günümüz teknolojisinde üretimi yapılan aynı tip transistörlerin βDC değerlerinde farklılık olabilir. Üreticiler genellikle ortalama bir değer verirler.

βDC değerini etkileyen diğer önemli bir faktör ise ısıdır. Çalışma ortamı ısısına bağlı olarak bu değer değişir. Örneğin 250C’de 100 olan βDC, 750C’de 150 olabilir. Bu durum transistörün kollektör akımını dolayısıyla kolektör-emiter gerilimini etkiler. Bu etkileşim sonucunda transistörün Q çalışma noktası ortam ısısına bağlı olarak değişecektir. Transistör çalışma noktasının βDC değerine bağlı olarak kayması istenmeyen bir durumdur. Çünkü distorsiyona neden olur. Bu durumu basit bir örnekle açılayalım.


139

Örnek: 5.3

Çözüm

RC

VCC=+12V

RB

620Ω

100KΩ

Şekil-5.10

Önce 250C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden;

[ ]CBCECC

CCCECC

RIVVRIVV

⋅⋅+=⋅+=)(

)(β

veya yine devreden;

BEBBCC

BERBCC

VRIVVVV+⋅=

+=

eşitliklerini yazabiliriz. Bize IC akımı gerekmektedir. Yukarıdaki eşitlikte IB değerini IC cinsinden ifade edelim.

BEDC

CCC V

IV +=

β

Bulunan bu eşitilkten IC’yi çekelim ve değerini hesaplayalım.

mAKKR

VVI

B

BECCDCC 3.11

10003.11100

1007.012100 =

Ω⋅=

Ω−

⋅=

−= β

Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım. VmAVRIVV CCCCCE 5)6203.11(12)( =Ω⋅−=⋅−=

Şimdi 500C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden;

mAKKR

VVI

B

BECCDCC 17

10003.11150

1007.012150 =

Ω⋅=

Ω−

⋅=

−= β

Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım. VmAVRIVV CCCCCE 46.1)62017(12)( =Ω⋅−=⋅−=

Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım.

Şekil-5.10’da verilen beyz polarmalı devrenin çalışma ortamı ısısı 250C ile 500C arasında değişmektedir. Transistörün βDC değeri 250C=100, 500C=150 olmaktadır. Bu koşullar altında transistörün Q çalışma bölgesinde davranışını (IC, VCE) analiz ediniz. Sıcaklıktaki değişimin devreye etkilerini belirleyiniz.


140

VmAVRIVV CCCCCE 46.1)62017(12)( =Ω⋅−=⋅−=


)(50%100%3.11

3.1117100%%)25(

)25()75(

0

00

ArtmamA

mAmAI

III

C

CCC ≅⋅

−=⋅

−=∆

Neticede sıcaklık artışıyla oluşan βDC değerindeki değişim IC akımında %50 oranında bir artışa neden olmaktadır. Aynı şekilde transistörün çalışma noktasında oluşan değişim oranını hesaplayalım.

)(70%100%5

546.1100%%)25(

)25()75(

0

00

AzalmaV

VVV

VVV

CE

CECECE −≅⋅

−=⋅

−=∆

görüldüğü gibi ısı değişimi transistörün çalışma bölgesini de kaydırmaktadır.

Yorum: Isıl veya çeşitli etkenlerden dolayı βDC değerinin değişmesi transistörün çalışma noktasını aşırı ölçüde etkilemektedir. Bu durum lineer çalışmayı etkiler ve kararlı bir çalışma oluşturulmasını engeller. Transistörün çalışma bölgesinin kayması istenmeyen bir durumdur. Transistörün çalışma bölgesinin kararlı olması ve kaymaması için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Örneğin emiter dirençli beyz polarması βDC değişimlerinden aşırı etkilenmez.

Emiter dirençli beyz polarması Transistörlü polarma devrelerinde kararlı çalışmayı sağlamak amacıyla beyz polarmasının geliştirilmiş halidir. Beyz polarmasından daha avantajlıdır. Bu polarma tipinde de tek bir dc besleme kaynağı kullanılır.

Tipik bir emiter dirençli beyz polarma devresi şekil-5.11’de verilmiştir. Devre beyz polarma devresinden daha kararlı bir çalışma sağlamak için geliştirilmiştir. Devrenin emiterinde kullanılan RE direnci transistörün daha kararlı çalışmasını sağlar.

RC

+VCC

RB

RE

RC

+VCC

RB

RE

IC

IE

IB

VBE

+_

VRC=IC RC

VCE

VRE=IE RE

VRB=IB RB

VB=VB E +VRE

Şekil-5.11 Emiter dirençli Beyz polarması ve polarma akım ve gerilimleri


141

Devreyi analiz etmek için beyz-emiter ve kollektör-emiter çevrelerini ayrı ayrı ele alalım. nin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9’da gösterildiği gibi VCC-beyz-emiter çevresinden;

EEBEBBCC RIVRIV ⋅++⋅=

denklemi elde edilir. IE akımını IB cinsinden ifade edelim. )1()( +=⇒+⋅=⇒+= ββ BEBBEBCE IIIIIIII

EBBEBBCC RIVRIV ⋅+++⋅= )1(β

Bu denklem beyz akımı (IB) çekilirse;

EB

BECCB RR

VVI

⋅++−

=)1(β

değeri elde edilir. Artık beyz akımı kullanılarak kolektör ve emiter akımları belirlenebilir. Transiströrün kolektör-emiter gerilimini (VCE) bulmak için kolektör-emiter çevresinden yararlanalım.

EECECCCC RIVRIV ⋅++⋅=

Buradan VCE gerilimini çekelim.

EECCCCCE RIRIVV ⋅−⋅−=

olarak bulunur.

Örnek: 5.4

Çözüm

RCRB 1KΩ470KΩ

RE470Ω

βDC=100VBE=0.7V

a. 250C oda sıcaklığında, βDC=100 için gerekli analizleri yapalım. Beyz-emiter çevresinden beyz akımı (IB);

AmAK

VVRR

VVI

EB

BECCB µ

β21021.0

5174703.11

470)101(4707.012

)1(===

Ω⋅+Ω−

=⋅++

−=

elde edilir. Buradan kolektör ve emiter akımları buluruz.

a) Şekilde verilen devrede oda sıcaklığında çalıştırılmaktadır (250C) transistörün polarma akım ve gerilim değerlerini bulunuz?

b) Aynı devrede transistörün βDC değeri 750C ısı altında 150 olsaydı polarma akım ve gerilimlerindeki değişimi hesaplayarak yorumlayınız.


142

mAmAII BC 1.2021.0100 =⋅=⋅= β

mAmAmAIIIveyaII BCEBE 12.2021.01.2)1( =+=+=⋅+= β

değerleri elde edilir. Buradan transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE; )47012.2()11.2(12 Ω⋅−Ω⋅−=⇒⋅−⋅−= mAKmAVRIRIVV CEEECCCCCE

VVCE 9.8=

b. 750C oda sıcaklığında, βDC=150 için gerekli analizleri yapalım. Beyz-emiter çevresinden beyz akımı (IB);

AmAK

VVRR

VVI

EB

BECCB µ

β20020.0

5174703.11

470)151(4707.012

)1(===

Ω⋅+Ω−

=⋅++

−=

mAmAII BC 3020.0150 =⋅=⋅= β

mAmAmAIIIveyaII BCEBE 02.3020.03)1( =+=+=⋅+= β

)47002.3()13(12 Ω⋅−Ω⋅−=⇒⋅−⋅−= mAKmAVRIRIVV CEEECCCCCE

VVCE 5.7=


)(42%100%12.2

12.202.3100%%)25(

)25()75(

0

00

ArtmamA

mAmAI

III

C

CCC ≅⋅

−=⋅

−=∆

)(15%100%9.8

9.85.7100%%)25(

)25()75(

0

00

AzalmaV

VVV

VVV

CE

CECECE −≅⋅

−=⋅

−=∆

Yorum:

Örnek 5.3’de verilen polarma devresi βDC değişiminden çok fazla etkilenmekte ve çalışma noktası %70 oranında kaymakta idi. Yukarıda verilen emiter dirençli polarma devresinde ise βDC değişiminden etkilenme oranı (%15) çok azdır. Dolayısıyla emiter dirençli beyz polarma devresinin kararlılığı daha iyidir.


143

5.3 EMİTER POLARMASI

Emiter polarması transistörün kararlı çalıştırılması için geliştirilmiş bir diğer polarma metodudur. Bu polarma tipinde pozitif ve negatif olmak üzere iki ayrı besleme gerilimi kullanılır. Bu nedenle bu polarma tipi kimi kaynaklarda simetrik polarma olarak adlandırılmaktadır.

Tipik bir emiter polarma devresi şekil-5.12.a’da verilmiştir. Görüldüğü gibi devrede iki ayrı gerilim kaynağı kullanılmıştır. VCC ve VEE olarak adlandırılan bu kaynaklar transistörün polarma akım ve gerilimlerini sağlarlar. Bu devrede beyz gerilimi yaklaşık 0V’dur. Aynı devrenin basitleştirilmiş çizimi ise şekil-5.12.b’de verilmiştir.

RC

+VCC

RB

RE

VEE

+

+VBE -

+

IB

IE

IC

RB

RC

RE

+VCC

-VEE

VE VC

VB

a) Emiter polarmalandırma devresi b) Emiter polarmalandırılmasının basitleştirilmiş çizim Şekil-5.12.a ve b Emiter polarmalı transistor devresi ve basitleştirilmiş çizimi

Devrede beyz gerilimi şase potansiyelindedir ve yaklaşık 0V civarındadır. Transistörün emiterini –VEE kaynağı beyze göre daha düşük potansiyelde tutarak, beyz-emiter jonksiyonunu iletim yönünde etkiler. Devrede analizini çevre denklemlerini kullanarak yapalım.

Devrenin analizinde iki farklı yöntem (yaklaşım) kullanabiliriz. Birinci yaklaşım beyz gerilimini, dolayısıyla da beyz akımını sıfır kabul ederek ihmal etmektir. İkinci yaklaşım ise beyz akımını da hesaba katmaktır.


144

I. Yaklaşım: Beyz akımını yaklaşık sıfır kabul edelim.

VB=0V

VE=-VEE

E

EEEE R

VVI −=

IC=IE

CCCCC RIVV ⋅−=

ECCE VVV −=

II. Yaklaşım: Beyz akımının varlığını kabul edip devrenin analizini yapalım.

CEBEBBEE RIVRIV ⋅++⋅=−

Yukarıdaki denklemde beyz akımı yerine; 1+=β

II EB eşitliğini yazarsak;

EEBEBE

EE RIVRβ

IV ⋅++⋅

+

=−1

bu denklemde gerekli IE akımını çekersek;

1++

−−=

βRR

VVIB

E

BEEEE

Devrede eğer , 1+=βRR B

E ise yukarıdaki eşitlik yeniden düzenlenebilir. Bu durumda;

E

BEEEE R

VVI −−=

devrede VEE>>VBE olması durumunda bir basitleştirme daha yapabiliriz. Bu durumda eşitlik;

E

EEE R

VI −=

olarak yazılabilir. Bu eşitlik bize emiterli polarma devresinin βDC ve VBE değerlerinden ve değişimlerinden bağımsız olduğunu gösterir. Bu durum, transistörün Q çalışma noktasının kararlı olduğu anlamına gelir.

Görüldüğü gibi emiterli polarma devresi oldukça kararlıdır. Emiterli polarma devresinde transistörün kollektör-emiter gerilimini doyum anında yaklaşık sıfır VCE=0 kabul edersek kollektör akımını;

EC

EECCDOYUMC RR

VVI

+−

=)(


145

belirleriz. Transistörün kesim anında ise kollektör akımını yaklaşık sıfır kabul ederek kollektör-emiter arasındaki toplam gerilim bulunur. Bu değer;

EECCCE VVV −=

Örnek: 5.5

RB

RC

RE

+VCC=12V

-VE E

VE VC

VB

47KΩ

1KΩ

5.6KΩ

-12V

Çözüm Devrede VB gerilimini yaklaşık olarak sıfır kabul edersek; VVV BEE 7.0=−=

Ω6.5)12(7.0

KVV

RVVI

E

EEEEE

−−−=

−=

mAK

VIE 01.2Ω6.5

3.11==

mAII EC 01.2=≅

VKmARIVV CCCCC 10)Ω101.2(12 =⋅−=⋅−=

VVVVVV ECCE 7.11)7.0(10)( =−−=−−=

Emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerleri elde edilmiştir. DC yük hattı değerlerini bulalım. Doyum anında VCE=0V kabul edersek;

mAKV

KKVV

RRVV

IEC

EECCDOYUMC 36.3

Ω6.624

Ω6.5Ω1)12(12

)( ==+

−−=

+−

=

bulunur. Transistör kesimdeyken ise IC=0 kabul edersek; VVVVVV EECCCE 24)12(12 =−−=−=

Yandaki emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerlerini bulunuz. Hesaplamalarda beyz akımını ihmal ediniz.


146

değerlerini elde ederiz. Bulunan bu değerler kullanılarak karakteristikte yük doğrusu aşağıdaki gibi çizilir.

VCE (V)

IC (mA)

Q

0

2.01

3.36

248.26

Örnek: 5.6

RB

RC

RE

+VCC=15V

-VE E

VE VC

VB

15KΩ

2.2KΩ

8.2KΩ

-15V

Çözüm βDC=100 ve VBE=0.7 olması durumunda gerekli analizleri yapalım.

mAKV

KK

VV

βRR

VVIB

E

BEEEE 71.1

Ω34.83.14

1100Ω15Ω2.8

7.0)15(

1

==

++

−−−=

++

−−=

mAII EC 71.1=≅

VKmARIVV CCCCC 23.11)Ω2.271.1(15 =⋅−=⋅−=

VKmAVRIVV EEEEE 98.0)Ω2.871.1(15 −=⋅+−=⋅+=

VVVVVV ECCE 25.10)98.0(23.11 =−−=−=

Yanda verilen devrede VBE geriliminin 0.7V’dan 0.6V’a düşmesi ve βDC değerinin 100’den 150’ye çıkması durumunda çalışma noktasında meydana gelecek değişimleri analiz ediniz.


147

βDC=150 ve VBE=0.6 olması durumunda gerekli analizleri yapalım.

mAKV

KK

VV

βRR

VVIB

E

BEEEE 72.1

Ω34.84.14

1100Ω15Ω2.8

6.0)15(

1

==

++

−−−=

++

−−=

mAII EC 72.1=≅

VKmARIVV CCCCC 21.11)Ω2.272.1(15 =⋅−=⋅−=

VKmAVRIVV EEEEE 896.0)Ω2.872.1(15 −=⋅+−=⋅+=

VVVVVV ECCE 31.10)896.0(21.11 =−−=−=

Bulunan bu değerleri kullanarak; kolektör akımı (IC) ve kollektör-emiter gerilimi (VCE) değişim yüzdelerini bulalım.

)(5.0%100%71.1

71.172.1100%∆%)100(

)100()150( 0

ArtmamA

mAmAI

III

βC

βCβCC ≅⋅

−=⋅

−=

=

==

)(50.0%100%25.10

25.1031.10100%∆%)100(

)100)150( ArtmaVVV

VVV

βCE

βCEβCECE ≅⋅

−=⋅

−=

=

==

Yorum: Sonuçlardan da görüldüğü gibi ısıl ve çeşitli nedenlerden dolayı βDC ve VBE değerlerindeki değişim transistörün çalışma noktası değerlerini çok az miktarda etkilemektedir. Bu nedenle emiterli polarma devresinin kararlı yüksektir ve βDC’den bağımsızdır diyebiliriz.

5.4 GERİLİM BÖLÜCÜLÜ POLARMA

Gerilim bölücülü polarma devresi, Lineer çalışmada sıkça tercih edilen en popüler polarma metodudur. Gerilim bölme işlemi dirençlerle gerçekleştirilir. Bu polarma tipi transistörün son derece kararlı çalışmasını sağlar ve βDC’den bağımsızdır. Bu tip polarma devresinde tek bir besleme geriliminin kullanılması ise diğer bir avantajdır. Özellikle lineer yükselteç devrelerinin tasarımlarında gerilim bölücülü polarma devreleri kullanılır.


148

Önceki bölümlerde incelediğimiz polarma devrelerinde çalışma noktası βDC yükseltme faktörüne aşırı derecede bağımlı idi. Β’ya bağımlılık yükselteç devrelerinde bir takım sorunlar yaratır. Örneğin aynı firma tarafından üretilen aynı tip transistörlerin β değerleri farklılıklar içerir. Ayrıca β ısı değişiminden de etkilenmektedir. Bu durum transistörün kararlı çalışmasını engelleyerek çalışma noktasının istenmeyen bölgelere kaymasına neden olur. Çalışma noktasının önemi önceki konularda açıklanmıştı. Transistörlerde kararlı bir çalışma için gerilim bölücülü polarma devreleri geliştirilmiştir.

Tipik bir gerilim bölücülü polarma devresi şekil-5.13.a’da verilmiştir. Görüldüğü gibi devre tek bir gerilim kaynağından (VCC) beslenmiştir. Devrede transistörün beyz akımı R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanmaktadır. Devrenin kararlılığı çok yüksektir. Transistörün çalışma bölgesi değerleri βDC’nin değişiminden etkilenmez. Bu nedenle bu tür polarma tipine “β’dan bağımsız polarma” adı da verilmektedir. Şekil-5.13.b’de ise polarma devresinin analizini kolaylaştırmak amacı ile polarma akım ve gerilimleri devre üzerinde gösterilmiştir.

VCC

RC

RE

R1

+VCC

RC

RER2

R1

IB

IC

IE

I1

I2

VRC=IC.RC

VCE=VCC-VRC-VRE

VRE=IE.RE

VR1=I1.R1

VR2=I2.R2R2 VB

Şekil-5.13.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve polarma akımı-gerilimi

ilişkileri

Devrenin çözümü için çeşitli yöntemler uygulanabilir. İki temel yöntem vardır. Birinci yöntem devrede beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük ise uygulanır. Bu yöntemde I1 akımının tamamının I2 olarak yoluna devam ettiği varsayılarak çözüm üretilir. İkinci yöntemde ise devre analizi beyz akımı dikkate alınarak yapılır. Çözüm tekniğinde theve’nin teoreminden yararlanılır.

Yöntem 1: Bu yöntemde beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük kabul edilir. R1 direncinden akan akımın R2 direncinden de aktığı kabul edilir. Çünkü transistörün giriş direnci Rin R2 direncinden çok büyük olduğu kabul edilir (Rin>>R2). Yapılan kabuller neticesinde polarma devresinin eşdeğeri şekil-5.14.b’de verilen hale gelir. Eşdeğer devrede; R1 ve R2 dirençlerinin birleştiği noktada elde edilen gerilim, transistörün beyz polarma gerilimi olacaktır.


149

+VCC

RC

RE

R1

R2

+VCC

R1

R2

Rin

IB

I1

I2

Rin>>R2

I1=I2>>IBİSE

Şekil-5.14.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve eşdeğer gösterimi

Transistörün beyz’inde elde edilen VB geriliminin değeri;

CCB VRR

RV ⋅

+=

21

2

olarak bulunur. Beyz gerilimi; beyz noktası ile şase arasındaki gerilim olduğundan yazılacak çevre denkleminden;

EEBEB RIVV ⋅+=

Buradan IE akımını çekersek;

E

BEBE R

VVI

−=

devrede IB çok küçük olduğundan IE=IC kabul edebiliriz. Dolayısıyla;

CCCCC RIVV ⋅+=

transistörün çalışma noktası ise;

EECCCCCE RIRIVV ⋅−⋅−=

olarak elde edilir. Dikkat ederseniz yaptığımız analizlerde transistörün βDC değerini hiç kullanmadık. Beyz akımı R1, R2 dirençlerine bağımlı kılınmıştır. Emiter gerilimi ise yaklaşık olarak beyz gerilimine bağımlıdır. Emiter direnci RE, emiter ve kolektör akımını kontrol etmektedir. Son olarak RC direnci kolektör gerilimini dolayısıyla kolektör-emiter gerilimi VCE’yi kontrol etmektedir.


150

Örnek: 5.7

Çözüm

RCR1 5K6100KΩ

RE1KΩ

+VCC=20V

R210KΩ

VV

KKKV

RRRV CCB 82.120

Ω10Ω100Ω10

21

2 =⋅+

=⋅+

=

mAKR

VVIE

BEBE 12.1

Ω17.082.1

=−

=−

=

CE II ≅

)Ω112.1()Ω6.512.1(20 KmAKmAVRIRIVV EECCCCCE ⋅−⋅−=⋅−⋅−=

VVVVCE 6.1238.72011.127.620 =−=−−=

Yöntem 2: Gerilim bölücülü polarma devresinde bir diğer yöntem ise Theve’nin teoremini kullanmaktır. Bu yöntem tam çözüm sunar. Hiçbir kabul içermez. Devrenin girişinde (beyz) theve’nin teoremi uygularsak polarma devresi şekil-5.15.b’de verilen basit forma dönüşür.

+VCC

RC

RE

R1

R2

+VCC

RC

RE

RTH

VTH

IB

a) Gerilim bölücülü polarma devresi b) Theve’nin eşdeğer devresi

A

Şekil-5.15 Gerilim bölücülü polarma devresi ve Theve’nin eşdeğeri

Yandaki devrede polarma akım ve gerilimi değerlerini bulunuz. βDC=100 VBE=0.7V


151

Theve’nin eşdeğer gerilimi olan VTH değerini bulmak için devre girişini A noktasından ayıralım (Transistörü bağımlı akım kaynağı gibi düşünebiliriz). Bu durumda devremiz şekil-5.16.a’da verilen forma dönüşür. VTH gerilimi ise A noktasında elde edilecek gerilim değeridir.

221

RRR

VV CC

TH ⋅+

=

Theve’nin eşdeğer direnç değeri RTH’ı ise; VCC gerilim kaynağı kısa devre edilerek bulunur. Bu değer A noktasından görülen direnç değeridir ve R1 ve R2 dirençleri paralel duruma geçmiştir. Bu durum şekil-5.16.b’de gösterilmiştir.

21

2121 //

RRRRRRRTH +

⋅==

R1

R2

+VCC

VTH

R1

R2

RTH

a) Thevenin e şdeğer gerilimi b) Thevenin e şdeğer direnci

Şekil-5.16 Thevenin eşdeğer gerilimi (VTH) ve Eşdeğer direncinin (RTH) bulunması Theve’nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulduktan sonra şekil-5.15.b’de verilen eşdeğer devreden çözüme devam edelim. IB akımını bulmak için devre girişi için çevre denklemini yazalım.

EEBETHBTH RIVRIV ⋅++⋅=

Devrede IB ve IE olmak üzere iki bilinmeyen var. O halde IE akımını IB cinsinden ifade edelim. IE=IB(β+1)’dir. Denklemde yerine koyalım.

EBBETHBTH RIβVRIV ⋅⋅+++⋅= )1(

Buradan gerekli olan IB akımını çekelim.

ETH

BETHB RβR

VVI⋅++

−=

)1(

olarak bulunur. Bulanan bu değerden IE, IC ve VCE değerleri sırayla elde edilir.


152

Örnek: 5.8

Çözüm

Yorum

Aşağıda verilen devrenin analizini yapınız. Çözüm için Theve’nin teoremini kullanınız. βDC=100, VBE=0.7V. Not: Aynı devre örnek 5.7’de farklı bir yöntem kullanılarak çözülmüştü.

VBE

RCR1 5.6KΩ

100KΩ

RE1KΩ

+VCC=20V

R210KΩ RE

RC

+VCC=20V

RTH

VTH

IB

5.6KΩ

1KΩIE

Çözüm için ilk adım thevenin eşdeğer devresini çizmektir. Eşdeğer devre yukarıda çizilmiştir. Önce theve’nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulalım.

VKKK

RRR

VV CC

TH 82.1Ω10Ω10Ω100

202

21

=⋅+

=⋅+

=

Ω09.9Ω10Ω100Ω10Ω100//

21

2121 K

KKKK

RRRRRRRTH =

+⋅

=+⋅

==

Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım. EBBETHBTH RIβVRIV ⋅+++⋅= )1(

AµKV

KKVV

RβRVVI

ETH

BETHB 10

Ω11012.1

Ω1)101(Ω09.97.082.1

)1(==

⋅+−

=⋅++

−=

mAmAmAIIImAAµIβI

BEC

BE

01.101.002.102.110101)1(=−=−=

=⋅=⋅+=

)Ω102.1()Ω6.501.1(20 KmAKmAVRIRIVV EECCCCCE ⋅−⋅−=⋅−⋅−=

VVVVVVVCE 33.1367.620)02.1()65.5(20 =−=−−=

Elde edilen bu sonuç örnek:5.7’de bulunan değerler ile karşılaştırıldığında aralarında yaklaşık %3-%4 civarında fark olduğu görülür. Dolayısıyla yaklaşık çözüm ile tam çözüm arasında çok küçük bir fark vardır. Bu fark kimi zaman ihmal edilebilir.


153

Örnek: 5.9

Çözüm

Yorum:

Örnek 5.8’de verilen polarma devresinde transistörün βDC değeri yüzde yüz artarak 200 olmuştur. Polarma akım ve gerilimlerini bulunuz?

Not: Polarma devresi ve theve’nin eşdeğeri aşağıda yeniden verilmiştir.

VBE

RCR1 5.6KΩ

100KΩ

RE1KΩ

+VCC=20V

R210KΩ RE

RC

+VCC=20V

RTH

VTH

IB

5.6KΩ

1KΩIE

221

RRR

VV CC

TH ⋅+

=

VKKK

VTH 82.11010100

20=Ω⋅

Ω+Ω=

21

2121 //

RRRR

RRRTH +⋅

==

Ω=Ω+ΩΩ⋅Ω

= KKKKKRTH 09.9

1010010100

Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım.

EEBETHBTH RIVRIV ⋅++⋅=

Denklemde IB ve IE olmak üzere iki adet bilinmeyen var. O halde IE akımını IB cinsinden yazalım. IE=IB (β+1) denklemde yerleştirilirse;

EBBETHBTH RIβVRIV ⋅+++⋅= )1(

Analiz için gerekli olan IB akımını çekelim.

AµKV

KKVV

RβRVVI

ETH

BETHB 3.5

Ω21012.1

Ω1)201(Ω09.97.082.1

)1(==

⋅+−

=⋅++

−=

Polarma devresinde diğer akım ve gerilim değerlerini bulalım.

mAmAmAIIImAAµIβI

BEC

BE

067.1005.0072.1072.133.5201)1(

=−=−=

=⋅=⋅+=

Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE; )Ω107.1()Ω6.5067.1(20 KmAKmAVRIRIVV EECCCCCE ⋅−⋅−=⋅−⋅−=

VVVVVVVCE 1367.620)07.1()97.5(20 =−=−−=

Görüldüğü gibi βDC değerinin %100 oranında değişmesi devrenin çalışma bölgesini pek etkilememiştir. Devre çalışma değerlerinde kararlı kalmaktadır. Bu durum gerilim bölücülü polarma devresinin son derece kararlı çalıştığını göstermektedir.


154

Örnek: 5.10

Çözüm

Aşağıda şekil-5.17.a’da verilen yükselteç devresinde transistörün aktif bölgenin ortasında çalışması isteniyor. Gerekli çalışma koşulunun sağlanması için R1 direncinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız?

RC

R12.2KΩ

RE470Ω

+VCC=12V

R222KΩ

C1

10µF

Vi

V0

C2

10µF

RC

R12.2KΩ

RE470Ω

+VCC=12V

R222KΩ

a) Yükselteç devresi b) DC analiz için eşdeğeri

CE

47µF

Şekil-5.17. a ve b Yükselteç devresi ve dc analizi

Şekil-5.17.a’da komple bir yükselteç devresi verilmiştir. Yükselteç girişine uygulanan Vi işareti; yükselteç tarafından kuvvetlendirilecek ve yükselteç çıkışından Vo olarak alınacaktır.

Yükseltecin lineer çalışabilmesi için dc polarma gerilimleri ve akımları iyi ayarlanmalıdır. Kısaca önce dc analiz gerekir. DC analiz için devrenin dc eşdeğeri çizilir. Eşdeğer devre için; devredeki ac kaynaklar kısa devre ve kondansatörler açık devre kabul edilir. Bu durumda devremiz şekil-5.17.b’de verilen hale dönüşür.

Yükselteç devresi aktif bölgenin tam ortasında çalışması isteniyor. O halde transistö-rün kesim ve doyuma gitmeden ikisinin ortasında çalışması gerekir. Transistörün aktif bölgedeki çalışma gerilimi değerini bulmak için kesim ve doyum noktalarını belirleyip ikisinin tam ortasını almalıyız. O halde;

Transistör kesim noktasında iken IC=0’dır. Bu durumda Q çalışma noktası gerilimi VCQ maksimum olacaktır ve değeri;

CCCQ VV =(max)

besleme gerilimine eşittir. Transistör doyum’da iken kollektör-emiter arası kısa devre olur ve minimumdur. IC akımı ise maksimumdur. Bu durumda transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCQ(min) ise;

ECE

CCCQ R

RRV

V ⋅+

=(min)

değerine eşit olacaktır. Bizim amacımız kesim ve doyum noktalarına gitmeden ikisinin tam ortasında çalışmaktır. O halde aktif bölgenin ortasında çalışmak için;


155

+

+=+

=CE

ECCCQCQCQ RR

RVVVV 1

22(min)(max)

olmalıdır. Buradan transistörün aktif bölgenin ortasında çalışabilmesi için gerekli

olan VCQ değerini bulalım.

VKRR

RVV

CE

ECCCQ 05.7

2.24704701

2121

2=

Ω+ΩΩ

+=

+

+=

Bu durumda R1 direncini VCQ gerilimini 7.05V yapacak şekilde seçmeliyiz. R1 direncini bulamak için R1 üzerinde oluşan akım ve gerilimi bulmalıyız. Önce IC akımını bulalım.

mAKR

VVI

C

CQCCCQ 25.2

2.205.712

=Ω

−=

−=

AmAmAII CQ

BQ µβ

25.1101125.020025.2

====

Analiz kolaylığı için devreyi yeniden çizelim.

RC

R12.2KΩ

RE470Ω

+VCC=12V

R222KΩ

VR1

VR2

IR1

IR2

IBQ

ICQ

IEQ

VRC

VCE Q

VRE

VCQ

Devreden VR2 geriliminin; VR2=VCC-VR1 veya VR2=VBE+VRE değerine eşit olacaktır. Buradan;

VAVRIVV EBBER 76.1470)201(25.117.0)1(2 =Ω⋅⋅+=⋅++= µβ

Buradan I2 akımını bulabiliriz.

AmAK

VR

VI R µ80080.0

2276.1

2

22 ==

Ω==

VR1 değerini bulalım. Devreden VR1=VCC-VR2 olarak görülmektedir. VVVVVV RCCR 24.1076.11221 =−=−=


156

I1 akımını bulmak için devreden; I1=I2-IB olduğu görülür. AAAIII B µµµ 75.6825.118021 =−=−=

Bulunan bu değerleri kullanarak R1’in olması gereken değerini bulabiliriz.

Ω=== KA

VI

VR R 9.148

75.6824.10

1

11 µ

Olarak bulunur. Şu halde şekil-5.17’de verilen yükselteç devresinde transistörün aktif bölgenin ortasında çalışabilmesi için gerekli R1 direnci 149KΩ olarak bulunmuştur.

5.5 KOLLEKTÖR-GERİBESLEMELİ POLARMA

Transistörlü yükselteç devrelerinin polarmalandırılmasında kullanılan bir diğer yöntem ise kollektör-geribeslemeli devredir. Bu devrenin kararlılığı oldukça yüksektir. Transistörün çalışma bölgesi değerleri βDC değişimlerinden pek fazla etkilenmez.

Tipik bir kolektör-geribeslemeli polarma devresi şekil-5.18’de verilmiştir. Devrede negatif geribesleme yapılmıştır. Çünkü beyz ve kollektör gerilimleri arasında 1800 faz farkı vardır. Devre, yapılan geribesleme sayesinde kararlı bir yapıya kavuşmuştur. Çünkü transistörün β’sının neden olduğu etkiler ve değişimler geribesleme ile azaltılmıştır. Kısaca geribesleme sayesinde kararlı bir çalışma sağlanmıştır.

RC

+VCC

RB

VBE

RC

+VCC

RB

VBE

IB

IC+IB VRC

VCE

IC

IE

a) Kollektör-geribeslemeli polarma devresi b) Polarma akım ve gerilimlerinin gösterimi

Şekil-5.18.a ve b Kollektör-geribeslemeli polarma devresi ve polarma değerleri


157

Sistemin kararlı çalışması için geribesleme ile yapılan iyileştirilme aşağıda anlatılmıştır. Isı ile β’nın artması transistörün kolektör akımında da bir artışa neden olur. Kolektör akımının artması RC direnci üzerinde oluşan gerilimi de artıracaktır. RC direnci üzerinde oluşan gerilimin (VRC) artması ise transistörün VCE geriliminin azalmasına neden olur. Kolektör gerilimi ise RB direnci üzerinden beyz’i beslemektedir. Bu durumda beyz akımıda azalacaktır. Beyz akımının azalması ise kolektör akımında β değişiminin neden olduğu artmayı engelleyecektir. Sıcaklık etkisiyle β’da dolayısıyla kollektör akımında oluşan artma veya azalma geribesleme ile dengelenmektedir. Bu durum, transistörün çalışma bölgesinin kararlı kalmasını sağlar.

Devrenin matematiksel analizini yapalım. Şekil-5.18.b’de verilen devrede beyz-emiter çevresi için gerekli eşitlikler yazılırsa;

BEBBCRCCC VRIRIV +⋅+⋅=

olur. Burada IRC akımı, RC direnci üzerinden geçen akımdır ve IRC=IB+IC değerine eşittir.

BEBBCCBCC VRIRIIV +⋅+⋅+= )(

IB+IC değeri ise IE akımına eşittir.

BEBBCECC VRIRIV +⋅+⋅=

IE akımını IB cinsinden yazarak IE=(β+1)IB yukarıdaki denklemi sadeleştirelim

BEBBCBCC VRIRIV +⋅+⋅⋅+= )1(β

elde edilen bu denklemden IB akımını çekelim.

CB

BECCB RR

VVI

⋅++−

=)1(β

denklemi elde edilir.

Devrede çalışma noktası değerlerini bulmak için kollektör-emiter çevresi için gerilimler yazılırsa;

CECRCCC VRIV +⋅=

IRC=IE’dir. Denklem yeniden düzenlenirse;

CECCCE RIVV ⋅−=

eşitliği elde edilir.

Kollektör-geribesleme devresinin çok daha geliştirilmiş bir uygulaması şekil-5.19’da verilmiştir. Kararlılık faktörünü artırmak amacı ile devrede ilave olarak RE direnci kullanılmıştır. Devrenin analizi ise aşağıda ayrıntıları ile verilmiştir.


158

RC

+VCC

RB

VBE

RC

+VCC

RB

VBE

IB

IC+IB VRC

VCE

IC

IE RE

VB=VBE+IE RE VRERE

Şekil-5.19.a ve b Kollektör-geribeslemeli emiter dirençli polarma devresi

EEBEBBCRCCC RIVRIRIV ⋅++⋅+⋅=

denklemi elde edilir. Elde edilen denklemde IRC akımı yerine, IRC=IB+IC=(β+1)IB eşitliğini kullanırsak;

EEBEBBCBCC RIVRIRIV ⋅++⋅+⋅+= )1(β

denklemi elde edilir. Elde edilen denklemden IB akımını çekelim.

)()1( ECB

BECCB RRR

VVI

+⋅++−

=β

Transistörün çalışma noktasındaki değerleri bulmak için polarma devresinden;

EECECRCCC RIVRIV ⋅++⋅=

Formüldeki IRC yerine IE kullanırsak IRC=IE;

)( ECECCCE RRIVV +−=

denklemi elde edilir.


159

Örnek: 5.11

Çözüm

Yorum

RC

VCC=+12V

RB

VB E

2.2KΩ

100KΩ

Devrede önce beyz akımını bulalım.

AmAKV

KKVV

RRVV

ICB

BECCB µ

β26026.0

2.4323.11

2.2)151(1007.012

)1(==

Ω=

Ω⋅+Ω−

=⋅++

−=

mAAAII BC 90.3390026150 ==⋅=⋅= µµβ

mAAAII BE 92.3392626151)1( ==⋅=⋅+= µµβ

Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise; VKmAVRIVV CECCCE 376.3)2.292.3(12 =Ω⋅−=⋅−=

olarak bulunur.

Devrenin kararlılık faktörünü incelemek amacıyla aynı devrede sıcaklık etkisiyle βDC değerinin 150’den 250’ye çıktığını kabul edelim. Devrenin çalışma noktasına etkisini görelim.

AmAKV

KKVV

RRVV

ICB

BECCB µ

β17017.0

2.6523.11

2.2)251(1007.012

)1(==

Ω=

Ω⋅+Ω−

=⋅++

−=

mAAAII BC 25.4425017250 ==⋅=⋅= µµβ

mAAAII BE 26.4426717251)1( ==⋅=⋅+= µµβ

Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise; VKmAVRIVV CECCCE 76.2)2.22.4(12 =Ω⋅−=⋅−=

Transistörün βDC değerinde yaklaşık %100’lük bir artışa rağmen çalışma bölgesi akım ve gerilimlerindeki değişim yaklaşık %10 civarındadır. Bu durum bize devrenin kararlılık faktörünün iyi olduğunu gösterir.

Yanda verilen kollektör-geribeslemeli polarma devresinde gerekli polarma akım ve gerilimlerini hesaplayınız?

βDC=150 VBE=0.7V


Documents

Analog Elektronik