bölüm 1 - 320Volt

Transkript

bölüm 1 - 320Volt

BÖLÜM 1
YARIİLETKENLERİN TANITILMASI
Konular:
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Atomik Yapı
Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan
Yarıiletkenlerde İletkenlik
N Tipi ve P tipi Yarıiletkenler
PN Bitişimi (eklemi) ve Diyot
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
ANALOG ELEKTRONİK- I
Kaplan
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.
2
Kaplan
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.
3
Kaplan
Elektron
Nötron
Proton
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.
Çekirdek yörüngesinde
1 elekton
Çekirdek yörüngesinde
2 elekton
-
+
+
+
2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek
1 Protonlu çekirdek
b) Helyum Atomu
a) Hidrojen 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.
4
Kaplan
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
Bu elektron, en yüksek
enerjiye sahiptir.
W6
2. Kabuk
k
W5
W4
W3
r3
1. Kabuk
l
r4
W2
W1
r1
r2
r6
r5
Çekirdek
W= Enerji
r = Çekirdekten uzaklık
Bu elektron, en düşük
enerjiye sahiptir.
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.
5
Kaplan
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 ….
6
Kaplan
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.
Enerji
Enerji
Enerji
İletim Bandı
İletim Bandı
Enerji Aralığı
Valans Band
Enerji Aralığı
İletim Bandı
Valans Band
Valans Band
0
0
0
a) 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.
7
Kaplan
En dış yörüngede 4 valans
elektronu bulunur.
+32
+14
a) Silikon Atomu
b) Germanyum Atomu
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
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
Valans Elektronlar
Kovelant Bağlar
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Şekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları.
8
Kaplan
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 şekil1.6‘da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir.
Enerji
İletim Bandı
Enerji Aralıkları
Valans Band
Enerji Aralıkları
2. Band ( l kabuğu)
Enerji Aralıkları
1. Band ( k kabuğu)
Çekirdek 0
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 şekil1.7.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 enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey eski haline döner.
9
Kaplan
Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında
hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar.
Serbest
Elektron
Enerji
Si
Serbest
Elektron
İletim Bandı
Isı
Enerjisi
Enerji Aralıkları
Delik
Si
Valans Band
Isı
Enerjisi
Delik
b) Bağ Diyagramı
a) Enerji 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
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
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.
10
Kaplan
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.
11
Kaplan
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.
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
Si
-
Fb
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Si
Kovelant Bağ
-
-
-
Fb atomunun
serbest elektronu
-
-
Si
-
-
Şekil-1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması.
Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine Ntipi 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.
12
Kaplan
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
B
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
Kovelant Bağ
-
B atomundan
oluşan delik (hole)
-
-
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.
•
•
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.
pn bitişimi
P TİPİ
MADDE
P TİPİ MADDE
N TİPİ MADDE
N TİPİ
MADDE
Delik (hole)
Şekil-1.12.a ve b Basit bir PN yapısının oluşumu.
Çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir.
13
Elektron
Kaplan
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, PN birleşiminde iletim elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler.
P TİPİ MADDE
Delik (hole)
pn bitişimi
N TİPİ MADDE
P TİPİ MADDE
Engel Potansiyeli
N TİPİ MADDE
-
+
-
+
-
+
+
+
+
Deplasyon
Bölgesi
Elektron
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.
14
Kaplan
1.6 PN BİRLEŞİMİNİN POLARMALANMASI
PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN
elemanlarının üretiminde kullanılan en temel yapıdır.
bitişimi
elektronik
devre
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.
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
R
n
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
15
Kaplan
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.
P TİPİ
N TİPİ
boşluk akımı
Elektron akımı
R
VD
+
-
Vpolarma
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.
16
Kaplan
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.
P TİPİ
-
N TİPİ
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Engel
Katmanı
-
+
V polarma
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.
17
1.7
Kaplan
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
18
Kaplan
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
Anot
Anot
Katod
Katod
P
N
Katod
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.
İdeal Diyot
İdeal Diyot
VF=0V
+
VDD
If
Vr
IF=VDD /R
R
VDD
+
R
Vr
Vf
Ir=0
Ir
a) Dogru Polarma
b) Ters Polarma
Şekil-1.21 İdeal diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları
19
c) V-I Karakteristiği
Kaplan
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; şekil1.22.a’da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön akım değeri IF;
IF =
VDD − VD
R
olarak belirlenir.
rd
0.7
+
rr
If
S
S
+
Vr
Vf
I
If
+
VDD
+
r
VDD
R
Vr
Vf
R
+
b) Ters Polarma
a) Dogru Polarma
Ir
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
20
Kaplan
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.
If (mA )
+
Vf
If
+
R
V DD
Kırılma noktası
Dogru Polarma
Sızıntı akımı
Vf ( V )
Vr ( V )
VF=0.7V
+
Vr
Ir
R
VDD
+
Ters Polarma
Ir (µA )
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.
21
Kaplan
Şekil-1.23’de verilen diyot karakteristiğinde; diyot’un kırılıp akım akıtmaya başlaması,
aşağıda verilen eşitlik ile açıklanabilir.
I = I0
qV
η
( e kT
− 1)
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.
If (mA )
Ge
Si
30
25
20
15
10
5
Ir(si)=10nA
Vr ( V )
2µA
0.3
0.5
0.7
Vf ( V )
4µA
6µA
Si
Ge
Ir (µA )
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.
22
Kaplan
rS (statik ) =
VD
ID
Alternatif akım altında gösterdiği direnç değerine “dinamik direnç” denir. Dinamik
direnç (rD) aşağıdaki gibi formüle edilir.
rD ( dinamik ) =
∆V
∆I
Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği
kullanılır. Şekil-1.25’de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristiği verilmiştir.
IF(mA)
Q3
I3
Q2
I2
Q1
I1
V 1 V 2 V3
.
VF (v)
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;
rS (Q1 ) =
V1
I1
rS (Q2 ) =
V2
I2
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.
rD =
∆V V3 − V1
=
I 3 − I1
∆I
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.
I F(mA)
VD
VDD
R
IF
Egim = −
VDD
R
Q
VF
23
VDD
1
R
V(v)
Kaplan
Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı;
IF =
V DD
R
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;
V F = V DD − I F ⋅ R
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=0 için
VF=VDD
IF=VDD/R
(Diyot yalıtkan)
(Diyot iletken)
Bulunan bu değerler karakteristik üzerindeki koordinatlara işaretlenir. İşaretlenen
noktalar karakteristik üzerinde birleştirilirse yük doğrusu çizilmiş olur. Bu durum şekil1.26 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.
24
Örnek:1.1
Kaplan
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
RA
RA
IF
VDD
1KΩ
10V
IR
VDD
VF
1KΩ
10V
VR
(b)
(a)
Şekil-1.27.a ve b Diyot devreleri
Çözüm:1.1 a)
İdeal Diyot Modeli;
VF=0V
10V
V
= 10mA
I F = DD =
1KΩ
RA
VA = I F ⋅ RA = ( 10mA) ⋅ ( 1KΩ ) = 10V
Pratik Diyot Modeli;
VF=0.7V
V − VF 10V − 0.7V
=
= 9.3mA
I F = DD
1KΩ
RA
VA = I F ⋅ RA = (9.3mA) ⋅ (1KΩ ) = 9.3V
b)
İdeal Diyot Modeli;
IR=0A
VR = VDD = 10V
VRA = 0V
Pratik Diyot Modeli;
IR=1µA
VRA = I R ⋅ RA = (1µA) ⋅ (1KΩ ) = 1mV
VR = VDD − VRA = 10V − 1mV = 9.999V
c)
d)
25
Kaplan
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?
Örnek:
1.2
b) Aynı devrede verilen diyot karakteristiğini kullanarak diyot’un ac dinamik
direncini bulunuz?
ID
VDD
I F(mA)
V F=0.3V
50
R
10V
10
0.72
0.9
VF (v)
Şekil-1.28 Diyot devresi ve V-I karakteristiği
Çözüm:
V DD = I D ⋅ R + V D
a)
R=
V DD − V D 10V − 0.3V
=
= 97Ω
ID
100mA
Direnç ve diyot üzerinde harcanan güçleri hesaplayalım.
PR = ( I F ) 2 ⋅ R = (100mA) 2 ⋅ (97Ω) = 0.97W
PD = ( I F ) ⋅ (V D ) = (100mA) 2 ⋅ (0.3V ) = 0.03W = 30mW
b) İleri yön karakteristiği verilen diyodt’un ac dinamik direnç değeri;
∆V 0.9V − 0.72V 0.18V
rD =
=
=
rD = 4.5Ω
∆I 50mA − 10mA 40mA
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 anotkatod 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.
26
0.70
Ω
1.20
Ω
mA
A
V
Off
10A
mA
Kaplan
COM
Katod
A
Off
VΩ
10A
Anot
a) Ileri Yönde polarma
Diyot Saglam
Ω
mA
V
10A
1.20
mA
10A
COM
VΩ
Anot
Katod
b) Ters Yönde polarma
Diyot Saglam
A
Off
Katod
Ω
mA
V
10A mA
0.00
A
Off
10A
COM
mA
V
VΩ
10A
Anot
c) Ileri Yönde polarma
Diyot Bozuk (açik devre)
mA
10A
COM
VΩ
Katod
Anot
d) Ileri Yönde polarma
Diyot Bozuk (kisa devre)
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.
yörüngesindeki elektron miktarı 8’den fazla olamaz.
Bir
atomun
son
• 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.
27
Kaplan
• 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.
28
BÖLÜM 2
Diyot Uygulamaları
Konular:
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
Yarım-Dalga Doğrultmaç
Tam-Dalga Doğrultmaç
Filtre Devreleri
Kırpıcı ve Sınırlayıcı Devreler
Gerilim Kenetleyici ve Gerilim Çoklayıcılar
Diyot Veri Sayfaları
Amaçlar:
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
2.1
Kaplan
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
Doğrultmaç
Devresi
Filtre
Devresi
Regülatör
Devresi
Vgiriş
AC
RL
Şekil-2.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi
Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transformatör 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.
30
Kaplan
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.
31
Kaplan
36V
Sekonder
24V
Primer
Primer
Sargısı
Sekonder
Sargısı
220Vrms
50Hz
220Vrms
50Hz
12V
220Vrms
50Hz
24V
12Vrms
50Hz
12V
12V
0V
a) Transformatör
c) Çok uçlu Transformatör
b) Orta uçlu Transformatör
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.
12Vrms
50Hz
220Vrms
50Hz
Diyot
RL
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.
Diyot İletimde
+
-
V Giriş
V Çıkış
+
0
t
12Vrms
50Hz
RL
0
t
Şekil-2.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması
32
Kaplan
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.
Diyot kesimde
+
V Giriş
V Çıkış
0
t
I=0A
12Vrms
50Hz
RL
0
t
+
Şekil-2.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması
Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil2.6’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
VTepe
0
t
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 şekil2.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine
uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;
VTepe = 2 ⋅ 12V ≅ 17V
civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-2.7
üzerinde gösterelim.
V
VTepe
Vort =VDC
0
t
T
Şekil-2.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri
33
Kaplan
Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri;
VOrt = V DC =
Vt 17V
=
= 5.4 volt
Π 3.14
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.
V F =0.7v
+
VGiriş
VTt =17-0.7
+
0
t
12Vrms
50Hz
RL
V DC=5.19
0
t
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);
VOrt = V DC =
Vt 16.3V
=
= 5.19 volt
Π
3.14
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
34
Kaplan
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.
V
Vt
0
t Vgiriş
Vt
YARIMDALGA
DOĞRULTMAÇ
DEVRESİ
Vçıkış
Vt
t
V
Vt
0
0
t Vgiriş
TAMDALGA
DOĞRULTMAÇ
DEVRESİ
Vçıkış
0
t
Şekil-2.9 Yarım dalga ve tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri
Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül
yardımıyla bulunur.
VOrtalama = VDC =
2Vt
Π
örneğin tamdalga doğrultmaç girişine 17V tepe değerine sahip sinüsoydal bir işaret
uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer;
VOrtalama = V DC =
2 ⋅ (17V )
= 10.8 volt
3.14
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.
35
Kaplan
VÇIKIŞ
Vsek/2
D1
Vgiriş
0
+
RL
_
0
t
0
t
Vsek/2
D2
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
-
+
Vgiriş
0
VÇIKIŞ
+
RL
_
t
0
t
+
-
D2
kesim
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.
36
Kaplan
D1
VÇIKIŞ
-
+
kesim
Vgiriş
RL
_
0
t
+
0
t
-
+
-
+
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;
VTepe = 2 ⋅ V rms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 17 volt
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;
VTepe = 17V − 0.7 = 16.3 volt
olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre bağlanarak
ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur.
VOrtalama =
2(VTepe − V D )
Π
=
2(17 − 0.7)
= 10.3 volt
3.14
çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-2.13 üzerinde gösterilmiştir.
V çıkış
VTepe =16.3V
VOrt =10.3V
t
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
37
Kaplan
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.
+
Vgiriş
D3
+
~
D1
~
-
V Çıkış
+
+
-
-
D2
~
D4
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.
Vgiriş
D3
-
~
+
D1
~
VÇıkış
+
+
+
D2
~
D4
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;
VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 17 volt
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;
38
Kaplan
VCikis (Tepe ) = VTepe − (V D1 + V D 2 )
VÇikis (Tepe) = 17 − (0.7 + 0.7) = 15.4 volt
değerine sahip olur. Bu durum şekil-2.16 üzerinde gösterilmiştir. Tamdalga doğrultmaç
devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise;
VOrtalama = V DC =
2VÇikis (Tepe )
Π
=
2(15.4)
= 9.8 volt
3.14
VÇıkış
V TE P E=15.4V
VORT=10.3V
0V
t
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.
39
Kaplan
V
V
V
t
0
Tamdalga
Doğrultmaç
Devresi
Filtre
Devresi
t
0
0
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.
+
_
VT(giriş)
VT(giriş)-0.7V
+
0V
Vgiriş
+
+
-
VC
RL
0V
t0
-
Şekil-2.18.a Poizitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj oluyor
40
Kaplan
_
+
0V
+
+
Vgiriş
-
VC
RL
0V
t0
t1
-
Şekil-2.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine deşarj oluyor.
+
_
+
0V
t0
t1
t2
Vgiriş
+
+
VC
-
RL
0V
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.
0V
Büyük 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.
41
Kaplan
rıpıl
rıpıl
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.
} Vr(t-t)
VDC
Şekil-2.21 Tamdalga doğrultmaçta rıpıl faktörünün bulunması
Rıpıl faktörü= Rf =
Vr
V DC
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
 ⋅ VT (in )
V r = 
 f ⋅ RL ⋅ C 


1
 ⋅ VT (in )
V DC = 1 −
 2 f ⋅ RL ⋅ C 
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.
42
Kaplan
Yarım dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekans
T = 20ms ⇒
0
1  1 
f YD =   = 
 = 50 Hz
 T   20ms 
TYD
Tam dalga doğrutmaç devresinde çıkış işaretinin frekansı
 1 
T 
 = 2 ⋅ f YD
f TD =  YD  = 2 ⋅ 
 2 
 TYD 
f TD = 2 ⋅ 50 Hz = 100 Hz
0
T TD
Şekil-2.22 Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinde çıkış işaretinin frekansları
D1
D3
220Vrms
50Hz
D2
Aşağıda verilen tamdalga doğrultmaç devresinin analizini yapınız?
D4
Örnek:
2.1
24Vrms
50Hz
C
47 µF
RL
1KΩ
Önce transformatörün sekonder geriliminin tepe değerini bulalım.
Çözüm
VT ( sek ) = (1.414) ⋅ (24V ) = 34V
Doğrultmaç çıkışında elde edilen doğrultulmuş gerilimin değerini bulalım;
VT (in ) = (34V − 1.4V ) = 32.6V
Filtre çıkışından elde edilecek çıkış gerilimi değerini bulalım.


1
 ⋅ VT (in )
V DC = 1 −
 2 f ⋅ RL ⋅ C 


1
 ⋅ 32.6V
V DC = 1 −
 2 ⋅100 Hz ⋅1KΩ ⋅ 47 µF 
V DC = (1 − 0.10) ⋅ 32.6V
V DC = 29.3V
Devre çıkışından alınan işaretin tepeden tepeye rıpıl gerilimi Vr;


1
 ⋅ VT (in )
V r = 
 f ⋅ RL ⋅ C 
43
Kaplan


1
 ⋅ 32.6V
Vr = 
100
Hz
⋅
1
K
Ω
⋅
47
µ
F


Vr = (0.21) ⋅ 32.6V = 6.9V
Çıkış geriliminin rıpıl faktörünü bulalım.
Rf =
Vr
V DC
Rf =
6.9
29.3
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.
 VT ( sek ) − 1.4V
R ANI = 
IF

D4
D1
F
Sigorta




D3
D2
RA NI
C
47µF
S
RL
1KΩ
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.
L
AC
Giriş
Tamdalga
Doğrultmaç
LC
Filtre
C
Şekil-2.24 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre
44
RL
Kaplan
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.

XC
Vr ( out ) = 
 X −X
C
 L
Doğrultmaç
Devresi
AC
Giriş

 ⋅V
 r (in )

XL
Vr(in)
XC
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
L
V giriş
Vçıkış
C1
V giriş
L1
C2
L2
Vçıkış
C1
T - tipi filtre
? - tipi filtre
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
Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde
edeceksiniz.
• Kırpıcı diyot devrelerinin özellikleri ve işlevleri.
• Polarmalı kırpıcı devrelerin özellikleri ve analizi
45
Kaplan
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.
R1
VT
V giriş
+
RL
0
Vçıkış
+0.7V
0
-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.
R1
VT
V giriş 0
RL
Vçıkış
0
-0.7V
-VT
+
Şekil-2.25 Negatif kırpıcı devre
46
Kaplan
Her iki kırpıcı devrede çıkıştan alınan işaretin değerini belirlemede R1 ve RL dirençleri
etkindir. Çıkış işaretinin alacağı değer yaklaşık olarak;
 RL 
VÇikis (Tepe) = 
 ⋅ VGiriş
 R L + R1 
formülü ile elde edilir.
Örnek:
2.2
Aşağıda verilen kırpıcı devrenin analizini bir tam peryot için yapınız?
20V
R1=220Ω
+
RL
2.2KΩ
0
-20V
Giriş işaretinin pozitif alternansında diyot açık devredir. Dolayısıyla çıkışta RL yükü
üzerindeki gerilim düşümü;
 RL 
VT ( out ) = 
 ⋅ VT (in )
 R1 + R L 
2 .2 K Ω


VT ( out ) = 
 ⋅ 20V
100Ω + 2.2 KΩ 
VT ( out ) = 19.13V
Negatif alternansta ise diyot iletkendir. Dolayısıyla çıkışta -0.7V görülür. Devrenin
giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri aşağıda verilmiştir.
20V
19.3V
0
0
-0.7V
-20V
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.
47
Kaplan
R1
Vt
Vgiriş
+
Vçıkış
RL
0
+
VA+0.7V
0
VA
-Vt
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.
VT
Vgiriş
R1
+
RL
0
VA
-VT
Vçıkış
0
-VA-0.7V
+
Şekil-2.27 Polarmalı negatif kırpıcı devre
48
Kaplan
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.
R1
VT
Vgiriş
+
RL
0
+
VA
-VT
VA-0.7V
0
Şekil-2.28 Polarmalı pozitif sınırlayıcı devre
Giriş işaretinin negatif seviyesini istenilen bir değerde sınırlayan devre şeması şekil2.29’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.
R1
VT
Vgiriş
+
RL
0
VA
-VT
0
-VA+0.7V
+
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.
R1
+
Vg
+
Vç
+
R1
Vg
5V
+
5V
49
5+0.7V
Vç
0
t
Kaplan
R1
+
+
R1
Vg
Vç
Vg
Vç
5V
5V
+
+
R1
+
+
Vç
+
Vg
5V
+
t
5-0.7V
R1
Vg
0
-5-0.7V
Vç
0
t
Vç
0
t
5V
R1
+
+
R1
Vg
Vç
Vg
5V
5V
+
+
-5+0.7V
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.
50
Kaplan
+2V
Çıkış
İşareti
+V
+V
t
0
Pozitif
Kenetleyici
Devre
0
t
t
0
Negatif
Kenetleyici
Devre
t
0
-V
-V
Giriş
İşareti
Çıkış
İşareti
Giriş
İşareti
-2V
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.
T
0
t
+
-
+
VC
+
Diyot
İletimde
-
+
VC=VT-0.7V
RL
0.7V
+
RL
+
Vt
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;
51
Kaplan
VC = VT − (0.7V )
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;
V RL = VC + VT
V RL = (Vt − 0.7) + VT
V RL ≅ 2 ⋅ VT (−0.7)
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
T
+
+
2VT-(0.7)
VC=VT-0.7V
+
t
0
T
-
Diyot
yalıtımda
VT-(0.7)
RL
t
0
-0.7V
-Vt
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
0
T
+
+0.7V
0
-VT+(0.7)
VC=-VT+0.7V
+
t
-
Diyot
iletimde
RL
-2VT+(0.7)
-VT
Şekil-5.34 Negatif gerilim kenetleyici devre
52
t
T
Kaplan
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
VC=Vm-VA
T
+
t
0
-Vm
t1
t2
+
RL
100K
Vi
-
VA
+
Vi
-
VA
+
RL
100K
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;
−Vm sin wt + VC + V A = 0V
olur. Vc, kondansatör üzerindeki şarj gerilimidir. Kondansatör üzerinde düşen gerilimi
hesaplarsak;
VC = Vm ⋅ sin wt − V A
bulunur. Bu değerler ışığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan;
V RL = −VC + Vm ⋅ sin wt
olur. Kondansatör gerilimini (Vc=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek;
VRL = −(Vm ⋅ sin wt − V A ) + Vm ⋅ sin wt
değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin900=1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek;
VRL = −(Vm ⋅ 1 − V A ) + Vm ⋅ 1
VRL = −Vm − V A + Vm
VRL = +V A
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.
53
Kaplan
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.
+
+Vm
T
VC=Vm-VA
T
t
0
-Vm
-
t1
t2
Vi
100K
+
VA
VA
0
RL
t
+
-2Vm+VA
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.
Vc = Vm ⋅ sin wt − V A
RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan;
−V RL = −VC − Vm ⋅ sin wt
olur. Kondansatör gerilimini (VC=Vm sinwt-VA) eşitliğe yerleştirirsek;
−VRL = −(Vm ⋅ sin wt − V A ) − Vm ⋅ sin wt
değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin2700=-1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek;
−VRL = −(Vm ⋅ ( −1 ) − V A ) − Vm ⋅ ( −1 )
VRL = −2Vm + V A
değeri elde edilir. Polarmalı kenetleyici çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil2.36 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.
54
Kaplan
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. Şekil2.37’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.
Gerilim Kenetleyici
Yarımdalga Doğrultmaç
Vi
Vo
T
C1
+Vm
+
t
0
-Vm
D2
t1
+2Vm
+
Vi
D1
Vo
C2
-
t2
0
t
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
T
+2Vm
0
t
-Vm
T
Vm
0
a) Giriş İşareti
+2Vm
b) Kenetleyici Çıkışı
t
0
c) Doğrultucu Çıkışı
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.
55
+
Vi
C1
Kaplan
D2 Kesimde
-
+
Vc=Vm-0.7
+
Vi
Vi
-
D2 İletimde
-
-
+
D1
İletimde
C1
C2
D1
C2
Kesimde
Vi
Vc=2Vm
+
+
a) Vi pozitif alternans
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;
VC 1 − VC 2 + Vm = 0
VC 2 = VC 2 + Vm = 0
VC2 üzerinde, giriş işaretinin maksimum değeri olduğundan VC2=Vm’dir. Dolayısıyla
çıkışta C2 kondansatörü üzerinden alınan gerilim, giriş gerilimi tepe değerinin 2 katıdır.
VC 2 = V0 = Vm + Vm
VC 2 = V0 = 2Vm
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.
D1 İletimde
D1 Kesimde
Vi
Vi
+
+
C1
+
C1
Vm
Vm
+
2Vm
+
C2
C2
D2 Kesimde
D2 İletimde
Vm
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.
56
Kaplan
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;
V0 = +VC 1 + VC 2
V0 = +Vm + Vm
⇒
V0 = 2 ⋅ Vm
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.
_
Üçleyici Çıkışı= 3V T
VT
_
+
C1
2V T
+
C3
D2
D1
Vg
D3
C2
_
2V T
+
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.
_
VT
_
+
2VT
+
C1
Vg
C3
D2
D1
D3
D4
C4
C2
_
+
2VT
Dörtleyici Çıkışı= 4VT
Şekil-2.32 Gerilim dörtleyici devre
57
_
+
2VT
Kaplan
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.
58
Kaplan
Tablo-1.1 Bazı silisyum doğrultmaç diyotlarının karakteristikleri
VRRM
:
AÇIKLAMA
Peak repertitive reverse
voltage
Working peak reverse voltage
DC blocking voltage
SEMBO 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 BİRİ
L
1
2
3
4
5
6
7
M
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
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
Average rectified forward
current (single-phase,
resistive load, 60Hz, TA=750C
VRWM
:
VRSM
:
-65.....+175
VR(rms) :
I0
:
IFSM
:
TJ
:
Tstg
:
59
0
C
Kaplan
SİLİSYUM DOĞRULTMAÇ DİYOTLARI
If (A)
KILIF
1.0 A
DO-15
PLASTİK
1.5 A
DO-15
PLASTİK
3.0 A
SİLİSYUM HIZLI (FAST) DİYOTLAR
6.0 A
DO-27A
PLASTİK
1.0 A
P-6
PLASTİK
DO-15
PLASTİK
3.0 A
DO-27A
PLASTİK
6.0 A
P-6
PLASTİK
VRRM
VOLT
50
100
200
300
400
500
600
800
1000
If (ort)
If FSM
Tj
1N4001*
1N4002*
1N4003*
...........
1N4004*
..........
1N4005*
1N4006*
1N4007*
1A@75 C
50A
175 C
1N5391
1N5392
1N5393
1N5394
1N5395*
1N5396
1N5397
1N5398
1N5399
1.5A@75 C
50A
175 C
1N5540
1N5401
1N5402
.............
1N5404
.............
1N5406
1N5407
1N5408
P600A
P600B
P600D
.............
P600Q
.............
P600J
P600K
1N4933
1N4934
1N4935
.............
1N4936
............
1N4937
.........
.........
3A@105 C
200A
175 C
6A@60 C
400A
175 C
1A@50 C
30A
150 C
MR650
MR651
MR652
.............
MR654
............
MR656
.........
.........
3A@90 C
100A
175 C
MR820
MR821
MR822
.............
MR824
............
MR826
.........
.........
5A@55 C
300A
150 C
SİLİSYUM KÖPRÜ DİYOTLAR
If (A)
KILIF
1.0 A
PLASTİK
KILIF
1.5 A
PLASTİK
KILIF
1.5 A
PLASTİK
KILIF
+ ~ ~
4.0 A
PLASTİK
KILIF
10.0 A
METAL
KILIF
25.0 A
METAL
KILIF
35.0A
METAL
KILIF
-
VRRM
VOLT
50
100
200
400
600
800
1000
WL005F
WL01F
WL02F
WL04F
WL06F
WL08F
WL10F
If (ort)
If FRM
If FSM
Tj
1A@25 C
.......
30A
+175 C
W005F
W01F
W02F
W04F
W06F
W08F
W10F
1.5A@50 C
.......
50A
+125 C
PBF005
PBF01
PBF02
PBF04
PBF06
PBF08
PBF10
PBU4A
PBU4B
PBU4D
PBU4Q
PBU4J
PBU4K
PBU4M
4A@105 C
4A@65 C
.......
.......
50A
200A
-55 C to +150 C -55 C to +150 C
60
........
PB1001
PB1002
PB1004
PB1006
.........
.........
PB2500
PB2501
PB2502
PB2504
PB2506
........
........
PB3500
PB3501
PB3502
PB3504
PB3506
........
........
10A@55 C
50A
200A
+150 C
25A@55 C
75A
300A
+150 C
35A@55 C
75A
400A
+150 C
R62
R70
Kaplan
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.
61
Kaplan
•
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.
62
BÖLÜM 3
3
ÖZEL TİP DİYOTLAR
Konular:
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
Zener Diyot
Zener Diyot Uygulamaları
Varikap Diyot
Optik Diyotlar
Özel Amaçlı Diyotlar
Sistem Uygulamaları
Amaçlar:
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
Kaplan
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.
64
3.1
Kaplan
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.
Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip
olacaksınız.
•
•
•
•
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.
K
Katod
A
Anot
K
A
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.
65
Kaplan
I F ( mA )
I F ( mA )
Doğru
Polarma
Bölgesi
Kırılma
VR (V )
VBR
VF (V )
0.7V
Ters
Polarma
Bölgesi
Doğru
Polarma
Bölgesi
Kırılma
VR (V )
VZ
0.7V
Ters
Polarma
Bölgesi
I R ( µA )
VF (V )
I Z ( mA )
a) Silisyum Doğrultucu Diyot Karakteristiği
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
66
Kaplan
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.
VR (V )
VZ @ IZT
R
IZ min
Iz
+
VDD
I ZTest
Vz
I Z max
I R ( mA )
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
67
Kaplan
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.
ZZ =
∆VZ
∆I Z
Üretici firmalar normal koşullarda veri tablolarında test değerleri için zener akımını IZT
ve zener empedansını ZZT verirler. Zenerle yapılan tasarımlarda bu değerler dikkate
alınmalıdır.
∆VZ
0
VR (V )
IZ min
+
+
Zz
Vz
Vz
+
ZZ =
a) İdeal zener eşdeğeri
∆VZ
∆IZ
b) Pratik zener eşdeğeri
∆VZ
IZ max
c) zener karakteristiği
I R ( mA )
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;
PD = VZ ⋅ I Z(max)
formülü kullanılarak bulunur. Zenerlerde maksimum dayanma gücü genellikle 500C için
verilir. Çalışma koşullarındaki ısı değişimi, hesaplamalarda dikkate alınmalıdır.
68
Kaplan
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
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
Maxsimum zener impedance
Leakage Current
Tablo-3.1 Çeşitli tip zener diyotların bazı önemli karakteristikleri
69
3.2
Kaplan
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 şekil3.6’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.
R
IT
Regülesiz
DC kaynak
+
-
IZ
Vz
12V
VGİRİŞ
IL
VÇIKIŞ
RL
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.
12-
Zener diyot ters polarma altında çalıştırılmalı
Zener’e uygulanan gerilim, zener kırılma geriliminden (VZ) büyük olmalı. (Vin>Vz)
70
3-
Kaplan
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.
R
220Ω
Regülesiz
DC kaynak
+
-
I
IZ
Vz
12V
VİN
VOUT
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.
PD(max) = Vz ⋅ I Z max
I Z max =
PD(max)
VZ
=
500mW
= 41.6mA
12V
olarak bulunur. Zener akımı minimum olduğunda; R direnci üzerine düşen gerilim,
71
Kaplan
VR = R ⋅ I Z min = ( 220Ω) ⋅ (0.50mA) = 110mV
Dolayısıyla giriş geriliminin minimum değeri;
VR = VIN − VZ
VIN ( MIN ) = VR + VZ = 12V + 110mV = 12.11V
Dolayısıyla zener diyot’un regüle işlemini yerine getirebilmesi için giriş gerilimi (VIN)
minimum 12.11V olmalıdır. Şimdi giriş geriliminin alabileceği maksimum değeri
bulalım.
VR = R ⋅ I Z max = ( 220Ω) ⋅ ( 41.6mA) = 9.166V
Dolayısıyla giriş gerilimini alabileceği maksimum değer;
VR = VIN − VZ
VIN ( MAX ) = VR + VZ = 12V + 9.166V = 21.16V
Şekil-3.7’de verilen regüle devresinde yapılan hesaplamalar sonucunda aşağıdaki veriler
elde edilmiştir.
Örnek:
3.1
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.
Şekil-3.8’de verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için
giriş geriliminin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız.
R
100Ω
Regülesiz
DC kaynak
+
-
VİN
I
Vz
1N4758
IZ
VOUT
Şekil-3.8 Değişken giriş gerilimlerinde regülasyon
72
Kaplan
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
Çözüm:
Değerinde olmalıdır. Devrenin maksimum giriş gerilimini bulmak için önce zenerin
dayanabileceği maksimum akımı bulmalıyız.
I Z max =
PD(max)
=
VZ
1W
= 17.8mA
56V
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.
R
+
-
IT
Vz
12V
VIN
IL
IZ
VOUT
RL
Şekil-3.9 Değişken yük akımında regülasyon
Konuyu daha iyi irdeleyebilmek amacı ile çeşitli uygulama örnekleri verilerek
matematiksel analizleri yapılmıştır.
73
Örnek:
3.2
Kaplan
Şekil-3.10’da verilen regüle devresinde zenerin regüle işlevini yerine getirebilmesi için
RL yük direncinin alabileceği değerler aralığını hesaplayınız.?
R
IT
470Ω
+
24V
-
IL
IZ
Vz
10V
1W
VIN
RL
VOUT
Çözüm:
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;
I Z(max) =
PD(max)
VZ
=
1W
= 100mA
10V
Önce devrede yük direnci kullanılmadığında (RL=∞) zener regüle işlemini yerine
getirebilir mi? İnceleyelim. Bu durumda IL=0A olacağından, IT=IZ(max) olacaktır.
Dolayısıyla;
VIN = R ⋅ I T + VZ
I T = I Z (max) =
V I N − VZ
R
=
24 − 10
470 Ω
I T = I Z(max) = 29.7 mA
elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine
getirilebiliyor. Devreden;
74
Kaplan
elde edilen bu sonuca göre devrede yük direnci yokken regüle işlemi yerine
getirilebiliyor. Devreden;
I T = I Z(max) + I L(min)
I T = I Z (min) + I L (max)
olacağı açıktır. Buradan yük akımının alabileceği maksimum değeri bulabiliriz.
I L(max) = I T − I Z(min)
I L (max) = 29.7 − 1mA = 28.7 mA
Devre çıkışından alınabilecek maksimum yük akımını hesapladık. Bu veriyi kullanarak
çıkışa bağlanabilecek RL yük direncini hesaplayalım.
R L(min) =
VZ
I L (max)
=
10V
= 348Ω
28.7 mA
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?.
R
IT
+
20V
-
Vz
10V
1W
VIN
IZ
IL
1KΩ
RL
Şekil-3.11 Zenerle gerilim regülasyonu
75
VOUT
Kaplan
Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; VZ=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA
olarak verilmiştir. Devrede kullanılan zener diyodun dayanabileceği maksimum akım
değerini bulalım;
PD (max)
I Z (max) =
I Z (max) =
Çözüm:
VZ
1W
= 100mA
10V
Devrede kullanılan RL yük direnci 1KΩ değerindedir. Dolayısıyla yük akımı sabittir.
IL =
VZ = VOUT
10
=
= 10mA
RL
1KΩ
R ön direncinden geçecek akım IT olarak belirtilmiştir. IT akımının alabileceği değerleri
hesaplayalım.
I T (min) = I Z (min) + ⋅I L( = 1mA + 10 mA = 11mA
I T (max) = I Z (max) + ⋅I L ( = 100 mA + 10 mA = 110 mA
Devrede akım sınırlamak amacıyla kullanılan R ön direnci bu değerleri sağlamalıdır.
Dolaysıyla R direncinin minimum ve maksimum olmak üzere iki sınır değeri olacaktır.
VIN = R min ⋅ I T (max) + VZ
R min =
R max =
V I N − VZ
I T (max)
V I N − VZ
I T (min)
=
20 − 10
= 90Ω
110mA
=
20 − 10
= 909Ω
11mA
Devrede kullanacağımız R ön direnci yukarıda belirtilen değerler aralığında olmalıdır.
Sağlıklı çalışma için limit değerler kullanmak önerilmez. Ortalama bir değer kullanalım.
R=
R max + R min 90Ω − 909Ω
=
≅ 470Ω
2
2
R=
90Ω − 909Ω
≅ 470Ω
2
76
Kaplan
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.
VIN
VOUT
R
+10V
+
0
t
Vz
5V
VIN
5V
VOUT
t
-0.7V
-10V
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.
VIN
+10V
0
VOUT
R
+
t
VIN
Vz
7V
VOUT
+0.7V
-7V
-10V
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.
77
Kaplan
VIN
+10V
Vz1
+
0
VOUT
R
t
Vz1
t
VOUT
VIN
Vz2
-10V
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.
78
Kaplan
p
n
Fakirleştirilmiş
Bölge
-
+
VDD
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.
C(pF)
R
60
+
40
VDD
-
20
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
VR (v)
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.
R
D1
Vi
L
+V
D2
Şekil-3.18 Paralel rezonans devresinde varikap diyodun kullanılması
79
Kaplan
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;
Fr =
1
2 Π LC
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.
Kodu
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
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
6V
10nA
20mA
0.6Ω@470
MHz
32V
200nA
20mA
1.2Ω@100
MHz
[email protected] [email protected]
F
F
BB152
1V@52p 1V@62
F
pF
2.48pF
2.89pF
BB190
1V@18p 1V@20 10V@6p 10V@6p
F
pF
F
F
10V
3nA
BBY40 3V@26p 3V@32 [email protected] 25V@6p
F
pF
pF
F
30V
10nA
0.4Ω@470
MHz
20mA
Şekil-3.19 Bazı Varikap diyotların genel karakteristikleri
80
0.7Ω@200
MHz
3.4
Kaplan
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
+
Işık Enerjisi
n tipi
madde
_
Anot
n tipi
madde
Anot
a) Led’in şematik gösterimi
b) Işık enerjisinin oluşması
Şekil-3.19.a ve b Led sembolleri ve ışık enerjisinin oluşması
81
Kaplan
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.
R
+ VRD -
IF
+
VDD
Işık şiddeti
IF
IF(mA)
+
VF
-
-
IF
V F(v)
1. 5V
a) LED’in Doğru polarmalanması
IF (mA)
2. 0V
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.
82
1.0
0.9
0.9
0.8
0.8
K ırmız
0.7
Nispi ı şı k şiddeti
Sa rı
Y eşil
ı
1.0
0.7
Nispi ı şı k şiddeti
Kaplan
0.6
0.5
0.4
0.6
0.5
0.4
0.3
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
500
540
580
620
λ, dalga boyu (nm)
660
700
0
740
a) Görülebilir ışık (visible light)
880
900
920
940
960
λ , dalga boyu (nm)
980
1000
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.
83
Kaplan
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.
E
A
G
D
B
F
E
G
D
F
GND
GND
C
E
F
GND
G
C
A
C
dp
A
dp
B
D
Led göstergenin oluşturulması
Ortak katodlu gösterge
B
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 fotodiyot’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
Katod
λ
Anot
Anot
Şekil-3.25 Foto-Diyot’un şematik gösterimleri ve görünümleri
84
GND
Kaplan
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
Işık Yok
λ
Ampermetre
VR
A
0
A
0
Iλ
Işık Var
λ
Ampermetre
VR
VR
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. Şekil3.27’de bir foto-diyot için gerekli karakteristikler verilmiştir.
100
2
H=20mW/cm
Foto akımı, (Iλ )
IL, Foto akımı (µA)
50
10
20
5
10
2
5
1
2
0.5
1
0
0
Karanlık, H
20
40
60
80
100
VR , ters gerilim (V)
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
85
Kaplan
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.
+
Anot
Metalleşme
N tipi katman
P
P Duvarı
N Duvarı
Pn bitişimi
N
P tipi katman
Metalleşme
_
Katod
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.
86
Kaplan
• 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.
87
Kaplan
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.
88
Kaplan
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
Metal-Slikon
bitişimi
Katod
Katod
Anot
N
Anot
Anot
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 polarmalandırıldığında 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.
Özel Bölge
Katod
N
i
Anot
+
P
CR
_
b) Ters polarma eğdeğeri
+
_
c) Doğru polarma eşdeğeri
a) Temel Yapısı
Şekil-3.27 Pin Diyot’un temel yapısı ve eşdeğer devreleri
89
RF
Kaplan
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
Negatif
Direnç
Bölgesi
B
IF
Katod
Tunel
Akımı
C
A
VF
Anot
Anot
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 devresinde nasıl kullanıldığını küçük bir örnekle açıklayalım. Şekil--3.28’de paralel bir rezonans
devresi verilmiştir. Bu devre, S anahtarı kapatıldığında sönümlü bir osilasyon üretilir.
S
V
S
R
C
L
V
R
C
L
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
90
Kaplan
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.
D1
Tank Devresi
IF
S
V
D1
R1
R
C
L
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.
91
Kaplan
• 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.
Doğrultmaç Diyodu
Zener Diyot
LED
Şotki Diyot
Tunel Diyot
λ
Foto Diyot
Şekil-3.30 Özel tip diyotların şematik sembolleri
92
BÖLÜM 4
4
BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖR
Üretilen ilk yarıiletken transistör ve bulan bilim adamları
Konular:
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
Transistörün Yapısı
Transistörün Çalışması
Transistör Karakteristikleri ve parametreleri
Transistörün anahtar olarak çalışması
Transistörün Yükselteç olarak çalışması
Transistörlerde kılıf tipleri
Kaplan
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
94
4.1
Kaplan
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
Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere
sahip olacaksınız.
•
•
•
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.
Metal Kontaklar
Oxide
Emiter
Beyz
Kollektör
Substrate (taban)
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.
95
Kaplan
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”, beyzkollektör 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.
C (Kollektör)
N
B (Beyz)
C (Kollektör)
C (Kollektör)
Beyz-Kollektör
Jonksiyonu
B (Beyz)
B (Beyz)
P
N
P
C (Kollektör)
Beyz-Kollektör
Jonksiyonu
B (Beyz)
N
P
Beyz-Emiter
Jonksiyonu
E (Emiter)
E (Emiter)
Beyz-Emiter
Jonksiyonu
E (Emiter)
a) NPN tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembolü
E (Emiter)
b) PNP tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembol
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.
96
Kaplan
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
VBE
+
BE Doğru
Polarma
-
+
VBC
R
R
BC Ters
Polarma
VBE
BE Doğru
Polarma
-
+
-
R
VBC
+
BC Ters
Polarma
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, beyzkollektör 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.
Çoğunluk Akım Taşıyıcıları
N
P
E
Azınlık Akım Taşıyıcıları
N
N
C
Geçiş
Bölgesi
P
N
E
B
C
B
VEB
Geçiş
Bölgesi
VCB
Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlarının doğru ve ters polarmadaki
davranışları
97
Kaplan
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.
N
N
P
Azınlık Akım
T aşıyıcıları
IC0
E
C
Çoğunluk Akım Taşıyıcıları
IE
IC
Geçiş
Bölgeleri
VEB
B
IB
VCB
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 Ntipi 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.
I E = IC + I B
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, beyzkollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine
transistörün aktif bölgede çalışması denir.
98
4.3
Kaplan
•
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.
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
IC
RB
VBB
RC
RB
VCC
IB
V BB
IE
IC
VCC
IB
IE
Şekil-4.7 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması
Bir transistörün analizi yapılırken iki önemli parametresi vardır. Bunlar; βDC akım
kazancı veDC akım kazancıdır. Bu parametreleri inceleyelim.
99
Kaplan
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.
β=
IC
IB
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.
β = h FE
Kollektör akımını yukarıdaki eşitlikten;
IC = β ⋅ I B
olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; IE=IC+IB idi. Bu ifadeyi yeniden
düzenlersek;
IE = β ⋅ IB + IB
I E = I B (1 + β )
değeri elde edilir. Ortak beyzli bağlantıda akım kazancı olarak bilinen  değeri; kollektör
akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır.
α=
IC
IE
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;
I E IC I B
=
+
IC IC IC
⇒
IE
I
= 1+ B
IC
IC
DC=IC/IE ve βDC=IC/IB olduğundan, yukarıdaki formüle yerleştirilirse
1
α
= 1+
1
β
değeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ilişki;
α=
β
1+ β
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.
100
Kaplan
Transistörlerde β akım kazancı, gerçekte sabit bir değer değildir. Değeri bir miktar
transistörün çalışma ısısına bağımlıdır.
Örnek 4-1
Bir transistörün β akım kazancı değeri 200’dür. Beyz akımının 75µA olması
durumunda, kollektör akımı, emiter akımı ve α akım kazancı değerlerini bulunuz.
Çözüm:
β DC =
IC
IB
⇒ I C = β ⋅ I B = ( 200 ⋅ 75 µA) = 150mA
I E = I C + I B = (1 + β ) ⋅ I B = (1 + 200 ) ⋅ 75 µA = 150.75mA
α=
β
⇒ α=
1+ β
200
= 0.99
1 + 200
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.
Minimum akım ka za ncı (βD C)
70
T=125 0C
50
T=250 C
30
T=-15 0C
20
T=-55 0C
10
1 .0
2.0
3.0
10
20
30
50
10 0
200
IC ( mA )
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.
101
Kaplan
RC
IC
II.GÖZ
IB
IE
IC
V CB + +
RB
_
IB
VBB
VBE
VCC
VCE
+
: Beyz akımı (dc)
: Emiter akımı (dc)
: Kollektör akımı (dc)
VBE : Beyz-emiter gerilimi (dc)
VCB : Kollektör-beyz gerilimi (dc)
VCE : Kollektör-emiter gerilimi (dc)
_ _
IE
I.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.
VBE ≅ 0.7V
Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa;
VBB = I B ⋅ R B + VBE
olur. Buradan beyz akımı çekilirse;
VBB − VBE = I B ⋅ R B
IB =
VBB − VBE
RB
olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz.
I C = β .I B
I E = I C + .I B
RC direnci üzerine düşen gerilim;
V
R C
olur.
102
= IC ⋅R
C
Kaplan
Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlanırız.
II.Göz için K.G.K yazılırsa;
VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCE
VCE = VC C − ( I C ⋅ RC )
olarak bulunur.
Örnek 4-2
RC
Yanda verilen devrede;
transistörün polarma akım ve
gerilimlerini bulunuz?
100Ω
VCB + +
RB
10KΩ
_
+
V BE
_
I B=?, I C=?, IE =?
VC C
VC E
10V
V BE =?, V CE =?, V CB =?
_
5V
VBE=0.7V
β=200
VBB = I B ⋅ R B + VBE
Çözüm:
β DC =
IB =
VBB − VBE 5V − 0.7V
=
= 430 µA
RB
10K
IC
IB
⇒ I C = β ⋅ I B = ( 200 ⋅ 430 µA) = 86mA
α=
β
1+ β
⇒ α=
200
= 0.99
1 + 200
VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCE
VCE = VC C − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (86mA ⋅ 100Ω) = 3.4V
VCB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır.
VCC = ( I C ⋅ RC ) + VCB + VBE
VCB = VCC − ( I C ⋅ RC ) − VBE
VCB = 12 − (86mA ⋅ 100Ω) − 0.7V = 2.7Volt
103
Kaplan
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
IB (mA)
T1 T2 T3
RB
IB
VCC
T1>T2>T3
VBB
VBE
0
0.5
0.7
VBE (V)
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.
RC
IC
IC (mA)
IC
B
C
VCC
RB
VCE
IB
VBB
A
0
0.7
VCE (V)
Şekil-4.11 Transistörün çıkış karakteristiklerinin çıkarılması ve çıkış karakteristikleri
104
Kaplan
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.
IC (mA )
I C (mA)
I B6
I B6
I B5
I B5
I B4
I B4
I B3
I B3
I B2
I B2
I B1
I B1
VC E (V)
VC E (V)
Transist örde kırılma gerilimi sınırı
I B1 <I B2<IB 3<IB4 <I B5<I B6
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.
105
Kaplan
I C (mA)
I B6
DOY UM BÖLG ESİ
I B5
I B4
AK TİF
BÖ LGE
I B3
I B2
I B=0
I B1
VCE (V )
KES İM BÖLG ESİ
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, beyzemiter 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
RC
I C0
IC
+
VCE ≅ V CC
I B =0A
+
RB
VCE ≅ VCC − IC ⋅ R C
V CC
IB
-
VCC
-
VBB
a) Transistörün kesim bölgesinde çalışması
b) Transistörün doyum bölgesinde çalışması
Şekil-4.13.a ve b Transistörün kesim ve doyum bölgesinde çalışması
106
Kaplan
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)), kollektöremiter 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.
IC =
PD( MAX )
VCE
I C (mA)
Ma ksimum
güç
sınırı
IC (max)
V CE (V)
V CE (max)
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
107
Kaplan
Çözüm:
IC =
Örnek:
4.4
RC
PD(max)
=
VCE
300mW
= 37.5mA
8V
1K Ω
RB
33 KΩ
VC C
V BB
5V
Çözüm:
Şekildeki devrede transistörün
maksimum sınır değerleri verilmiştir.
Transistörün zarar görmeden
çalıştırılabileceği maksimum VCC gerilimi
değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız?
PD(MAX) =1W
V CE(MAX) =20V
IC(MAX) =100mA
β DC
=150
Transistörün VCE gerilimi değerini belirleyen faktörler; VCC, IC ve IB değerleridir. İlk
etapta devredeki IB değerini belirleyelim.
VBB = I B ⋅ R B + VBE ⇒ I B =
VBB − VBE
5V − 0.7V
⇒ IB =
= 130 µA
RB
33KΩ
IC = β ⋅ I B
I C = 150 ⋅130 µA ⇒ 19.5mA
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.
VCC = I C ⋅ RC + VCE
VCC = 19.5mA ⋅1KΩ + 20V
VCC = 39.5V
Buradan transistörün maksimum güç şartlarında çalışabilmesi için VCC geriliminin
alabileceği değeri belirledik. Şimdi transistörde harcanabilecek maksimum gücü
bulalım.
PD = VCE( MAX ) ⋅ I C ⇒ PD = 20V ⋅ 19.5mA
PD = 390mW
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.
108
4.4
Kaplan
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.
+VC C
I C=0
RC
RB
C
+V CC
+VC C
IC
RC
RC
C
RB
0V
+VC C
RC
C
C
E
E
+VBB
IB=0
E
IB
E
b) Transistör doyumda -Anahtar KAPALI
a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK
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.
109
Kaplan
Transistör kesimdeyken;
Beyz-emiter jonksiyonu iletim yönünde polarmalanmamıştır. Dolayısıyla transistörün
kollektör-emiter gerilimi;
VCE = VCC − I C ⋅ RC
değerine eşittir. Bu değer aynı zamanda transistörün çıkış gerilimidir. Transistör
kesimdeyken IC=0 olduğunu biliyoruz. Çünkü transistörün kollektör-emiter arası açık
devredir. Bu durumda;
VCE( KESIM ) = VCC
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;
VCC = VCE( DOYUM ) + I C ⋅ RC
I C ( DOYUM ) =
VCC
RC
değerine eşit olur. Bu değerden hareketle transistörü doyumda tutacak beyz akımının
minimum değeri belirlenebilir.
I
I B(min) = C
β
Örnek
4.5
Şekildeki devrede transistör anahtarlama
amacı ile kullanılmaktadır.
VC C=+12V
RC
1KΩ
a) VB =0V olduğunda V0 değerini bulunuz?
RB
VO
b) Transistörü doyumda tutacak minimum
beyz akımını bulunuz?
Β=150
Çözüm:
c) V B=6V olduğunda transistörü doyumda
tutacak RB değerini bulunuz?
a) VB=0V olduğunda transistör kesimdedir. Kollektör akımı IC=0A olur. Dolayısıyla
transistörün V0 gerilimi;
V0 = VCE = VCC = +12V
b) Transistör doyumda olduğunda; VCE(DOYUM)=0V olacaktır. Buradan IC akımını
bulalım.
VCC = I C ⋅ RC + VCE
110
Kaplan
I C ( DOYUM ) =
VCC
12V
=
= 12 mA
RC
1K
olacaktır. Buradan transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum değerini
buluruz.
I B( MIN ) =
I C ( DOYUM )
β
=
12 mA
= 80 µA
150
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, beyzemiter gerilimi VBE=0.7V olacaktır. Dolayısıyla devreden RB değerini bulabiliriz.
VB = I B ⋅ R B + VBE
RB =
VB − VBE
6V − 0.7V
=
= 66.2KΩ
IB
80 µA
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.
+V CC=12V
RO LE
12V/100mA
+VCC
RC
RB
RB
BC547
β = 150
5V
+V
VBE=0.6V
0V
a) Transistörün anahtar olarak çalışması
b) Transistörle role kontrol
Şekil-4.15.a ve b Transistörün anahtar olarak kullanılması
111
Kaplan
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.
IB =
I C 100mA
= 0.6mA
=
β
150
Bulunan bu değer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz
akımının minimum değerdir. Şimdi bu akımı akıtacak RB değerini bulalım.
Devreden;
+5V = I B
RB =
4.5
R B + VBE
VB - VBE 5V - 0.6V
= 7.3KΩ
=
IB
0.6mA
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.
112
Kaplan
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
+V CC
RC
V out
RB
V in
V BB
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.
113
Kaplan
+V CC
RC
RB
RC
Vout
RB
Vout
Vo
Vin
Vin
Vin
Vg
VBB
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;
AV =
V0
Vg
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.
114
Kaplan
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.
2.
3.
4.
Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron)
Amerikan jedec standardı (EIA-jedec)
Japon (JIS)
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:
BC:
BD:
BF:
BL:
BU:
Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür.
Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi...
Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, düşük güçlü alçak frekans transistörüdür
ve Silisyumdan yapılmıştır. BC107, BC547 gibi...
Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, alçak frekans transistörü.
BD135, BD240, BD521 v.b. gibi
Avrupa (pro electron) standart seri, Si, düşük güçlü, yüksek frekans transistörü.
BF199, BF240, BF521, gibi...
Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, yüksek frekans transistörü.
BL240, BL358, BL521 gibi...
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...
115
Kaplan
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.
116
Kaplan
C
C
B
E
C
B
E
C
E
B
E
C
E
B
B
TO-92 veya TO-226AA
TO-92 veya TO-226AE
SOT-23 veya TO-236AB
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
B
B
B
E
C
C
C
C
E
E
TO-18 veya TO-206AA
TO-46 veya TO-206AB
E
TO-39 veya TO-205AD
C
C
C
B
B
B
E
E
TO-52 veya TO-206AC
TO-5
E
C
B E
G
G=GÖVDE
TO-72 veya TO-206AF
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.
117
Kaplan
C
C
C
B
B
E
C
B
C
TO-126 ve TO-225AA
E
E
TO-218
B
E
C
C
TO-218AC
TO-220AB
GÖVDE C
GÖVDE C
C
B
E
SMD TİPİ
TO-66
TO-3 veya TO204AE
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
118
4.7
Kaplan
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
119
Kaplan
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.
C
C
C
p
n
p
B
B
n
B
E
E
Yapısı
B
B
B
n
Sembolü
C
C
C
p
E
Diyot eşdeğeri
a) npn tipi transistör ve diyot eşdeğeri
E
Sembolü
E
Yapısı
E
Diyot eşdeğeri
a) npn tipi transistör ve 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.
120
Kaplan
0.70
0.70
E B C
Ω
E B C
1.20
E B C
V
off
V
off
A mA COM VΩ
a) E-B jonksiyonu doğru
polarma
Sonuç: Doğru değer
A mA COM VΩ
b) B-C jonksiyonu doğru
polarma
Ω
E B C
Ω
c) E-C jonksiyonu testi
1.20
E B C
V
off
V
off
Ω
V
off
A mA COM VΩ
1.20
1.20
E B C
Ω
Ω
V
off
A mA COM VΩ
A mA COM VΩ
A mA COM VΩ
d) E-B jonksiyonu ters
polarma
Sonuç: Doğru Değer
e) B-C jonksiyonu ters
polarma
f) E-C jonksiyonu testi
1.20
E B C
Ω
0.00
E B C
Ω
V
off
V
off
A mA COM VΩ
A mA COM VΩ
g) E-B jonksiyonu doğru
polarma
Sonuç: E-B Bozuk açık devre
h) B-C jonksiyonu doğru
polarma
Sonuç: E-B Bozuk kısa devre
1.20
E B C
Ω
V
off
A mA COM VΩ
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.
121
Kaplan
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.
+V CC=12V
RC
680Ω
VC
RB
BC108
VB B=+3V
47KΩ
VBE
β (DC)=hFE =200
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;
VBE = 0.7V
değerinde olur. Transistörün diğer polarma akım ve gerilimlerini bulalım.
IB =
VBB − VBE 3V − 0.7V
2.3V
=
=
= 48 µA
RB
47 KΩ
47 KΩ
I C = β ( DC ) ⋅ I B = ( 200) ⋅ ( 48 µA) = 9.6mA
122
Kaplan
VC = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (9.6mA ⋅ 680Ω) = 12 − 6.5V = 5.5V
hesaplamalar sonucunda sağlam bir transistör üzerinde bulunan değerler şekil-4.24
üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
+12V
RC
680Ω
5.5v
RB
BC108
+3V
47KΩ
0.7v
β (DC)=hFE =200
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.
+12V
+12V
RC
680Ω
Açık Devre
RC
680Ω
12v
12v
RB
RB
BC108
BC108
+3V
+3V
47KΩ
µv
47KΩ
0.5..0.7v
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.
123
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..
Kaplan
+12V
Açık
Devre
+12V
RC
680Ω
RC
µv
12v
RB
RB
BC108
+3V
BC108
+3V
47KΩ
47KΩ
3v
05...0.7v
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.
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,
+12V
Açık
Devre
+12V
RC
680Ω
RC
680Ω
12v
12v
RB
RB
BC108
BC108
+3V
+3V
47KΩ
3v
0v
Açık
Devre
0v
47KΩ
3v
2.5v
Açık Devre
Test
: Beyz-Emiter
terminalinde 3V,
Kollektörde
12V,Emiterde 0V ölçülmüştür.
Yorum : Transistörün iletime
geçmemektedir.
Sonuç : Emiter terminalşase bağlantısı kopmuştur.
Çözüm : Bağlantı
sağlanmalıdır.
Test
: Beyz-Emiter
terminalinde 3V,
Kollektörde
12V,Emiterde 0V
ölçülmüştür.
Yorum : Transistörün iletime
geçmemektedir.
Sonuç : Beyz terminali
içten açık devre olmuştur.
Çözüm : Transistör bozuktur,
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.
124
4.9
Kaplan
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 polarmalandırılmıştır. 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 polarmalandırılmıştır. 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.
125
BÖLÜM 5
5
TRANSİSTÖRLERİN DC ANALİZİ
Konular:
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
Transistörde DC çalışma noktası
Transistörde temel polarama
Beyz polarma
Gerilim bölücülü polarma devresi
Geribeslemeli polarma devresi
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.
5.1
Kaplan
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.
IC (mA)
Q3
IC2
Q2
IC3
Q4
IC4
Q1
VCE (V)
VCE 2
VCE 3 VCE 4
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 şekil5.2.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.
127
Kaplan
A
A
a) Lineer Çalışma
A
b) Çıkış gerilimi kesim sınırında kırpılmış
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.
IC (mA)
RC
200Ω
IC
300µ
60
250µ
50
RB
VCC
0-10V
22KΩ
VBB
0-5V
βDC =200
200µ
40
30
150µ
20
100µ
10
50µ
1
Şekil-5.3
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VCE (V)
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;
I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 100 µA = 20mA
olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim
düşümü VCE;
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC )
= 10V − ( 20mA ⋅ 200Ω ) = 6V
olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.a da
transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q1 olacaktır.
128
Kaplan
Transistörün beyz akımının IB=150µA yapılması durumunda ise kollektör akımı;
I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 150 µA = 30mA
olacaktır. Bu kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim
düşümü VCE;
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 10V − ( 30mA ⋅ 200Ω) = 4V
olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.b de
Son olarak IB akımını 200µA yapalım bu durumda transistörün çalışma noktasını
bulalım.
I C = β ⋅ I B = 200 ⋅ 200 µA = 40mA
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC )
= 10V − ( 40mA ⋅ 200Ω ) = 2V
olacaktır. Bulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.c de
Her IB akımı değerine bağlı olarak transistörün çalışma bölgesindeki değişimler şekil-5.4
üzerinde toplu olarak verilmiştir.
129
RC
200Ω
Kaplan
60
IC =20mA
IC (mA)
50
I B=100µA
40
VCC
22KΩ
30
Q1
20
VBB
100µ
10
βDC =200
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V CE (V)
10
a) IB=100µA değeri için transistörün Q1 çalışma noktası
RC
200Ω
60
IC =30mA
IC (mA)
50
I B=150µA
40
VCC
22KΩ
Q2
30
150µ
20
VBB
10
βDC =200
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V CE (V)
10
b) IB=150µA değeri için transistörün Q2 çalışma noktası
60
RC
200Ω
IC =40mA
IC (mA)
50
I B=200µA
Q3
40
VCC
22KΩ
200µ
30
20
VBB
10
βDC =200
1
2
3
4
5
6
7
8
9
V CE (V)
10
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.
130
Kaplan
IC (mA)
60
DOYUM
50
YÜK ÇİZGİSİ
Q3
40
200µ
Q2
30
150µ
Q1
20
100µ
KESİM
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
VCE (V)
10
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;
IC =
VCC
RC
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 yükselecektir. 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.
131
Kaplan
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.
V CC=+10V
IC (mA)
IC
RC
200Ω
I CQ
RB
40
IB
A
200µ
Q
30
150µ
B
20
100µ
20KΩ
VS
2
4
6.7V
6
VCE (V)
VCE
VBB
β DC=200
VCEQ
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. Şekil5.7’de transistör devresinde oluşabilecek distorsiyonlar çıkış karakteristikleri üzerinde
gösterilmiştir.
132
Kaplan
IC (mA)
I
B
Q
IC (mA)
IB
Q
Doyum
I CQ
Q
V CE (V)
0
ICQ
Q
0
V CC
VCC
VCE (V)
Kesim
Doyum
Kesim
VCEQ
VCEQ
a) Çalışma bölgesi doyuma sürülmüş
b) Çalışma bölgesi kesime sürülmüş
IC (mA)
I
B
Q
Doyum
Q
I CQ
0
Kesim
V CC
VCE (V)
Doyum
VCEQ
Kesim
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?
133
Kaplan
RC
220Ω
IC
RB
33KΩ
VCC
20V
VS
VBB
12V
Çözüm
β DC =100
Önce transistörün Q çalışma noktasını bulalım. Q noktası IC ve VCE değerleriyle
belirlendiğine göre IC’yi bulmak için önce IB’yi buluruz.
IB =
VBB − VBE 12 − 0.7
=
= 342.42 µA
RB
33KΩ
I C = β ⋅ I B = (100 )( 342.42 µA) = 34.242 mA
Buradan transistörün çalışma noktasındaki VCE değerini buluruz. Kirşof’un gerilim
yasasından;
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 20V − (7.533V ) = 12.467V
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;
VCE = VCC = 20V
değerine eşit olur. Transistörün doyum noktasındaki değerlerini bulalım. Doyum
anında VCE=0V olacağına göre IC akımı;
I C ( DOY ) =
VCC
20
=
= 90.90mA
RC
220Ω
Bulunan bu değerlere göre transistörün dc yük hattı aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.
.
134
Kaplan
IC (mA)
Doyum
90.90
Q
34.24
Kesim
0
Çözüm
12.46
VCE (V)
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;
I CP = 34.24mA
olmalıdır. Transistör için DC akım kazancı değeri (βDC) bilindiğine göre giriş beyz
akımının maksimum değeri;
IB =
I CMax 34.24
=
= 342.42 µA
β
100
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.
135
Kaplan
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.
+VCC
RC
RC
VCC
RB
RB
+
VB E _
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.
+VCC
VRB
RB
RC
IB
VCC
IC
VRC
VCC
IB
+
VBE _
VBE
VCE
IE
Şekil-5.9 Beyz polarmasında polarma akım ve gerilimleri
136
Kaplan
Devrenin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9’da
gösterildiği gibi VCC-beyz-emiter çevresinden;
VCC = I B ⋅ R B + V BE
yazılabilir. Denklemden beyz akımı çekilirse,
IB =
VCC − V BE
RB
elde edilir. Beyz akımının bulunması ile devredeki diğer tüm polarma akım ve
gerilimleri bulunabilir.
IC = β ⋅ I B
VCE = VCC − I C ⋅ RC
VCE = VCC − ( β ⋅ I B ) ⋅ RC
Bu devrede dc yük hattı sınırlarını bulmak için, doyum sınırında VCE=0V olduğu kabul
edilerek (ideal durum),
I C ( DOYUM ) =
VCC
RC
yük hattının diğer noktasını ise transistör kesimde iken IC=0 kabul ederek,
VCE = VCC
olarak belirleriz.
Örnek:
5.2
+VCC=+12V
RC
2.2KΩ
RB
620KΩ
+
VBE _
137
Şekilde verilen devrede transistör
için dc yük hattını çizerek çalışma
noktasını belirleyiniz?
IB =
Kaplan
VCC − VBE 12 − 0.7
11.03
=
=
= 0.017 mA = 17 µA
RB
620 KΩ 620 KΩ
I C = β ⋅ I B = (100) ⋅ (17 µA) = 1700µA = 1.7 mA
VCE = VCC − I C ⋅ RC = 12V − (1.7 mA ⋅ 2.2 KΩ) = 8.26V
Çözüm:
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;
VCE = VCC = 12V
olarak belirlenir. Doyum gerilimi ise, doyum anında VCE=0V alınarak;
I C ( DOYUM ) =
VCC
12
=
= 5.45mA
RC
2.2 KΩ
olarak bulunur. Dc yük üzerinde çalışma noktası, aşağıda görüldüğü gibi kesim
bölgesine yakın bir yerdedir.
I C (mA)
Doyum
5.45
Q
1.70
Kesim
0
8.26
12
VCE (V)
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.
138
Örnek:
5.3
VCC =+12V
RC
620Ω
RB
100KΩ
Kaplan
Şekil-5.10’da verilen beyz polarmalı devrenin
çalışma ortamı ısısı 250C ile 500C arasında
değeri
değişmektedir.
Transistörün
βDC
250C=100, 500C=150 olmaktadır. Bu koşullar
altında transistörün Q çalışma bölgesinde
davranışını (IC, VCE) analiz ediniz. Sıcaklıktaki
değişimin devreye etkilerini belirleyiniz.
Şekil-5.10
Çözüm
Önce 250C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden;
VCC = VCE + ( I C ⋅ RC )
VCC = VCE + [( β ⋅ I B ) ⋅ RC ]
veya yine devreden;
VCC = V RB + V BE
VCC = I B ⋅ R B + V BE
eşitliklerini yazabiliriz. Bize IC akımı gerekmektedir. Yukarıdaki eşitlikte IB değerini
IC cinsinden ifade edelim.
VCC =
IC
β DC
+ V BE
Bulunan bu eşitilkten IC’yi çekelim ve değerini hesaplayalım.
 V − V BE 
12 − 0.7
11.03
I C = β DC  CC
= 100 ⋅
= 11.3mA
 = 100 ⋅
RB
100 KΩ
100 KΩ


Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım.
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (11.3mA ⋅ 620Ω) = 5V
Şimdi 500C ısı altında transistör devresinde VCE ve IC değerlerini bulalım. Devreden;
V − V BE 
12 − 0.7
11.03
I C = β DC  CC
= 150 ⋅
= 17 mA
 = 150 ⋅
RB
100 KΩ
100 KΩ


Buradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi VCE değerini bulalım.
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (17mA ⋅ 620Ω) = 1.46V
Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE
değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım.
139
Kaplan
VCE = VCC − ( I C ⋅ RC ) = 12V − (17mA ⋅ 620Ω) = 1.46V
Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi VCE
değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım.
%∆I C =
I C ( 750 ) − I C ( 250 )
I C ( 250 )
⋅ %100 =
17 mA − 11.3mA
⋅ %100 ≅ %50 ( Artma)
11.3mA
Neticede sıcaklık artışıyla oluşan βDC değerindeki değişim IC akımında %50 oranında
bir artışa neden olmaktadır. Aynı şekilde transistörün çalışma noktasında oluşan
değişim oranını hesaplayalım.
%∆VCE =
VCE ( 750 ) − VCE ( 250 )
VCE ( 250 )
⋅ %100 =
1.46V − 5V
⋅ %100 ≅ −%70 ( Azalma)
5V
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.
+VCC
RB
+VCC
RC
VRB =IB R B
RB
RC
IC
IB
VRC=IC RC
VCE
+
VBE _
VB =VB E +VRE
RE
RE
IE
V RE =IE RE
Şekil-5.11 Emiter dirençli Beyz polarması ve polarma akım ve gerilimleri
140
Kaplan
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;
VCC = I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E
denklemi elde edilir. IE akımını IB cinsinden ifade edelim.
I E = I C + I B ⇒ I E = ( β ⋅ I B ) + I B ⇒ I E = I B ( β + 1)
VCC = I B ⋅ R B + V BE + ( β + 1) I B ⋅ R E
Bu denklem beyz akımı (IB) çekilirse;
IB =
VCC − V BE
R B + ( β + 1) ⋅ R E
değeri elde edilir. Artık beyz akımı kullanılarak kolektör ve emiter akımları belirlenebilir.
Transiströrün kolektör-emiter gerilimini (VCE) bulmak için kolektör-emiter çevresinden
yararlanalım.
VCC = I C ⋅ RC + VCE + I E ⋅ R E
Buradan VCE gerilimini çekelim.
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E
olarak bulunur.
Örnek:
5.4
β DC=100
VB E=0.7V
Çözüm
a.
a) Şekilde verilen devrede oda
sıcaklığında çalıştırılmaktadır (250C)
transistörün polarma akım ve gerilim
değerlerini bulunuz?
RC
1KΩ
RB
470KΩ
b) Aynı devrede transistörün βDC
değeri 750C ısı altında 150 olsaydı
polarma akım ve gerilimlerindeki
değişimi hesaplayarak yorumlayınız.
RE
470Ω
250C oda sıcaklığında, βDC=100 için gerekli analizleri yapalım. Beyzemiter çevresinden beyz akımı (IB);
IB =
VCC − V BE
12V − 0.7V
11.3
=
= 0.021mA = 21µA
=
R B + ( β + 1) ⋅ R E 470 KΩ + (101) ⋅ 470Ω 517470
elde edilir. Buradan kolektör ve emiter akımları buluruz.
141
Kaplan
I C = β ⋅ I B = 100 ⋅ 0.021mA = 2.1mA
I E = ( β + 1) ⋅ I B veya I E = I C + I B = 2.1mA + 0.021mA = 2.12mA
değerleri elde edilir. Buradan transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE;
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E ⇒ VCE = 12 − (2.1mA ⋅ 1KΩ) − (2.12mA ⋅ 470Ω)
VCE = 8.9V
b.
750C oda sıcaklığında, βDC=150 için gerekli analizleri yapalım. Beyz-emiter
çevresinden beyz akımı (IB);
IB =
VCC − V BE
12V − 0.7V
11.3
=
= 0.020mA = 20 µA
=
R B + ( β + 1) ⋅ R E 470 KΩ + (151) ⋅ 470Ω 517470
I C = β ⋅ I B = 150 ⋅ 0.020mA = 3mA
I E = ( β + 1) ⋅ I B veya I E = I C + I B = 3mA + 0.020mA = 3.02mA
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E ⇒ VCE = 12 − (3mA ⋅ 1KΩ) − (3.02mA ⋅ 470Ω)
VCE = 7.5V
Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi
VCE değerini değiştirmektedir. IC akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım.
%∆I C =
I C ( 750 ) − I C ( 250 )
%∆VCE =
I C ( 250 )
⋅ %100 =
VCE ( 750 ) − VCE ( 250 )
VCE ( 250 )
3.02mA − 2.12mA
⋅ %100 ≅ %42 ( Artma)
2.12mA
⋅ %100 =
7.5V − 8.9V
⋅ %100 ≅ −%15 ( Azalma )
8.9V
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.
142
5.3
Kaplan
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.
+VCC
IC
+
+VCC
RC
RC
RB
RB
+
IB
VBE
IE
+
VB
RE
RE
VE
VC
VEE
-VE E
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.
143
Kaplan
I. Yaklaşım: Beyz akımını yaklaşık sıfır kabul edelim.
VB=0V
VE=-VEE
IE =
VE − VEE
RE
IC=IE
VC = VCC − I C ⋅ RC
VCE = VC − VE
II. Yaklaşım: Beyz akımının varlığını kabul edip devrenin analizini yapalım.
−VEE = I B ⋅ R B + VBE + I E ⋅ RC
Yukarıdaki denklemde beyz akımı yerine; I B =
IE
eşitliğini yazarsak;
β+1
 I 
− VEE =  E  ⋅ R B + VBE + I E ⋅ R E
 β + 1
bu denklemde gerekli IE akımını çekersek;
IE =
Devrede eğer , R E =
−VEE − VBE
R
RE + B
β+1
RB
ise yukarıdaki eşitlik yeniden düzenlenebilir. Bu durumda;
β+1
IE =
−VEE − VBE
RE
devrede VEE>>VBE olması durumunda bir basitleştirme daha yapabiliriz. Bu durumda
eşitlik;
IE =
−VEE
RE
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;
I C ( DOYUM ) =
144
VCC − VEE
RC + R E
Kaplan
belirleriz. Transistörün kesim anında ise kollektör akımını yaklaşık sıfır kabul ederek
kollektör-emiter arasındaki toplam gerilim bulunur. Bu değer;
VCE = VCC − VEE
Örnek:
5.5
+VCC =12V
Yandaki emiterli polarma devresinde
transistörün çalışma noktası değerlerini
bulunuz. Hesaplamalarda beyz akımını
ihmal ediniz.
RC
1KΩ
RB
47KΩ
VB
RE
VE
5.6KΩ
VC
-VE E
-12V
Çözüm
Devrede VB gerilimini yaklaşık olarak sıfır kabul edersek;
VE = −VBE = 0.7V
IE =
VEE − VEE −0.7V − ( −12V )
=
RE
5.6KΩ
IE =
11.3V
= 2.01mA
5.6KΩ
I C ≅ I E = 2.01mA
VC = VCC − I C ⋅ RC = 12 − ( 2.01mA ⋅ 1KΩ) = 10V
VCE = VC − ( −VE ) = 10V − ( −0.7V ) = 11.7V
Emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerleri elde edilmiştir. DC
yük hattı değerlerini bulalım. Doyum anında VCE=0V kabul edersek;
I C ( DOYUM ) =
VCC − VEE 12V − ( −12V )
24V
=
=
= 3.36mA
RC + R E
1KΩ + 5.6KΩ 6.6KΩ
bulunur. Transistör kesimdeyken ise IC=0 kabul edersek;
VCE = VCC − VEE = 12V − ( −12V ) = 24V
145
Kaplan
değerlerini elde ederiz. Bulunan bu değerler kullanılarak karakteristikte yük doğrusu
aşağıdaki gibi çizilir.
I C (mA)
3.36
Q
2.01
0
Örnek:
5.6
8.26
24
VCE (V)
+VCC =15V
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.
RC
2.2KΩ
RB
15KΩ
VB
RE
V
8.2KΩ E
VC
-VE E
-15V
Çözüm
βDC=100 ve VBE=0.7 olması durumunda gerekli analizleri yapalım.
IE =
−( −15V ) − 0.7V
−VEE − VBE
14.3V
=
=
= 1.71mA
RB
15KΩ
8
.34KΩ
8.2 KΩ +
RE +
100 + 1
β+1
I C ≅ I E = 1.71mA
VC = VCC − I C ⋅ RC = 15 − (1.71mA ⋅ 2.2KΩ) = 11.23V
VE = VEE + I E ⋅ R E = −15V + (1.71mA ⋅ 8.2KΩ) = −0.98V
VCE = VC − VE = 11.23V − ( −0.98V ) = 10.25V
146
Kaplan
βDC=150 ve VBE=0.6 olması durumunda gerekli analizleri yapalım.
IE =
−( −15V ) − 0.6V
−VEE − VBE
14.4V
=
=
= 1.72 mA
R
15KΩ
8.34KΩ
8.2 KΩ +
RE + B
100 + 1
β+1
I C ≅ I E = 1.72 mA
VC = VCC − I C ⋅ RC = 15 − (1.72 mA ⋅ 2.2 KΩ) = 11.21V
VE = VEE + I E ⋅ R E = −15V + (1.72mA ⋅ 8.2KΩ) = −0.896V
VCE = VC − VE = 11.21V − ( −0.896V ) = 10.31V
Bulunan bu değerleri kullanarak; kolektör akımı (IC) ve kollektör-emiter gerilimi (VCE)
değişim yüzdelerini bulalım.
%∆ I C =
%∆VCE =
I C ( β = 150 0 ) − I C ( β = 100 )
I C ( β = 100 )
⋅ %100 =
VCE ( β =150 ) − VCE β = 100 )
VCE ( β = 100 )
1.72 mA − 1.71mA
⋅ %100 ≅ %0.5 ( Artma)
1.71mA
⋅ %100 =
10.31V − 10.25V
⋅ %100 ≅ %0.50 ( Artma)
10.25
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.
147
Kaplan
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
R1
RC
IC
R1
V R1 =I1 .R1
RC
V RC=IC.RC
I1
IB
V CC
R2
V R2 =I2.R2
RE
R2
I2
V CE=V CC-V RC-V RE
VB
IE
RE
V RE=IE.RE
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.
148
Kaplan
+VCC
R1
+VCC
I1
RC
IB
Rin >>R2
I1 =I 2>>I B
R2
R1
İSE
I2
R2
Rin
RE
Şekil-5.14.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve eşdeğer gösterimi
Transistörün beyz’inde elde edilen VB geriliminin değeri;
VB =
R2
⋅ VCC
R1 + R2
olarak bulunur. Beyz gerilimi; beyz noktası ile şase arasındaki gerilim olduğundan
yazılacak çevre denkleminden;
V B = V BE + I E ⋅ R E
Buradan IE akımını çekersek;
IE =
V B − V BE
RE
devrede IB çok küçük olduğundan IE=IC kabul edebiliriz. Dolayısıyla;
VC = VCC + I C ⋅ RC
transistörün çalışma noktası ise;
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E
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.
149
Örnek:
5.7
Kaplan
+VCC =20V
Yandaki devrede polarma akım ve
gerilimi değerlerini bulunuz.
βDC=100
VBE=0.7V
RC
5K6
R1
100KΩ
R2
10KΩ
RE
1KΩ
Çözüm
VB =
R2
10KΩ
⋅ VCC =
⋅ 20V = 1.82V
100KΩ + 10KΩ
R1 + R2
V − VBE 1.82 − 0.7
=
= 1.12 mA
IE = B
RE
1KΩ
I E ≅ IC
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.12 mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.12mA ⋅ 1KΩ)
VCE = 20 − 6.27V − 1.11V = 20 − 7.38 = 12.6V
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.
R1
+VCC
+VCC
RC
RC
R TH
A
R2
IB
VTH
RE
a) Gerilim bölücülü polarma devresi
RE
b) Theve’nin eşdeğer devresi
Şekil-5.15 Gerilim bölücülü polarma devresi ve Theve’nin eşdeğeri
150
Kaplan
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.
VCC
⋅ R2
VTH =
R1 + R2
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.
RTH = R 1 // R 2 =
R1 ⋅ R2
R1 + R2
+VCC
R1
R1
VTH
RTH
R2
R2
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.
VTH = I B ⋅ RTH + VBE + I E ⋅ R E
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.
VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1) ⋅ I B ⋅ R E
Buradan gerekli olan IB akımını çekelim.
IB =
VTH − VBE
RTH + ( β + 1) ⋅ R E
olarak bulunur. Bulanan bu değerden IE, IC ve VCE değerleri sırayla elde edilir.
151
Örnek:
5.8
Kaplan
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.
+VCC =20V
+VCC=20V
RC
5.6KΩ
RC
5.6KΩ
R1
100KΩ
R TH
IB
R2
10KΩ
Çözüm
RE
1KΩ
V TH
VB E
IE
RE
1KΩ
Çözüm için ilk adım thevenin eşdeğer devresini çizmektir. Eşdeğer devre yukarıda
çizilmiştir. Önce theve’nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulalım.
VTH =
VCC
20
⋅ R2 =
⋅ 10KΩ = 1.82V
R1 + R2
100KΩ + 10KΩ
RTH = R 1 // R 2 =
R1 ⋅ R2
100KΩ ⋅ 10KΩ
=
= 9.09KΩ
R 1 + R 2 100KΩ + 10KΩ
Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım.
VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1)I B ⋅ R E
IB =
Yorum
VTH − VBE
1.82V − 0.7V
1.12V
=
=
= 10 µA
RTH + ( β + 1) ⋅ R E 9.09KΩ + (101) ⋅ 1KΩ 110KΩ
I E = ( β + 1) ⋅ I B = 101 ⋅ 10 µA = 1.02 mA
I C = I E − I B = 1.02 mA − 0.01mA = 1.01mA
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.01mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.02 mA ⋅ 1KΩ)
VCE = 20V − ( 5.65V ) − (1.02V ) = 20V − 6.67V = 13.33V
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.
152
Örnek:
5.9
Kaplan
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.
+VC C =20V
+VC C=20V
RC
5.6KΩ
RC
5.6KΩ
R1
100KΩ
R TH
IB
R2
10KΩ
VTH =
Çözüm
VTH =
VB E
V TH
RE
1KΩ
IE
RE
1KΩ
VCC
⋅ R2
R1 + R2
20
⋅ 10 KΩ = 1.82V
100 KΩ + 10 KΩ
RTH = R1 // R2 =
RTH =
R1 ⋅ R2
R1 + R2
100 KΩ ⋅ 10 KΩ
= 9.09 KΩ
100 KΩ + 10 KΩ
Eşdeğer devreden giriş için çevre denklemini yazalım.
VTH = I B ⋅ RTH + V BE + I E ⋅ R E
Denklemde IB ve IE olmak üzere iki adet bilinmeyen var. O halde IE akımını IB
cinsinden yazalım. IE=IB (β+1) denklemde yerleştirilirse;
VTH = I B ⋅ RTH + VBE + ( β + 1)I B ⋅ R E
Analiz için gerekli olan IB akımını çekelim.
IB =
VTH − VBE
1.82V − 0.7V
1.12V
=
=
= 5.3 µA
RTH + ( β + 1) ⋅ R E 9.09KΩ + ( 201) ⋅ 1KΩ 210KΩ
Polarma devresinde diğer akım ve gerilim değerlerini bulalım.
I E = ( β + 1) ⋅ I B = 201 ⋅ 5.33 µA = 1.072 mA
I C = I E − I B = 1.072 mA − 0.005mA = 1.067 mA
Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE;
VCE = VCC − I C ⋅ RC − I E ⋅ R E = 20V − (1.067 mA ⋅ 5.6KΩ) − (1.07 mA ⋅ 1KΩ)
VCE = 20V − ( 5.97V ) − (1.07V ) = 20V − 6.67V = 13V
Yorum:
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.
153
Örnek:
5.10
Kaplan
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?
+VCC =12V
R1
RC
2.2KΩ
+VCC =12V
C2
C1
10µF
R1
RC
2.2KΩ
V0
10µF
Vi
R2
22KΩ
RE
470Ω
R2
22KΩ
CE
47µF
a) Yükselteç devresi
RE
470Ω
b) DC analiz için eşdeğeri
Şekil-5.17. a ve b Yükselteç devresi ve dc analizi
Çözüm
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 transistörün 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;
VCQ (max) = VCC
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;
VCQ (min) =
VCC
⋅ RE
R E + RC
değerine eşit olacaktır. Bizim amacımız kesim ve doyum noktalarına gitmeden
ikisinin tam ortasında çalışmaktır. O halde aktif bölgenin ortasında çalışmak için;
154
Kaplan
VCQ =
VCQ (max) + VCQ (min)
2
=
VCC
2

RE 
1 +

 R E + RC 
olmalıdır. Buradan transistörün aktif bölgenin ortasında çalışabilmesi için gerekli
olan VCQ değerini bulalım.
VCQ =
VCC 
R E  12 
470Ω

= 7.05V
1 +
 = 1 +
2  R E + RC  2  470Ω + 2.2 KΩ 
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.
I CQ =
I BQ =
VCC − VCQ
RC
I CQ
=
β
=
12 − 7.05
= 2.25mA
2.2 KΩ
2.25mA
= 0.01125mA = 11.25µA
200
Analiz kolaylığı için devreyi yeniden çizelim.
+VCC =12V
V R1
IR1
RC
2.2KΩ
R1
ICQ
V RC
VCE Q
IBQ
VR2
R2
22KΩ
IR2
VCQ
RE
470Ω
IE Q
VRE
Devreden VR2 geriliminin; VR2=VCC-VR1 veya VR2=VBE+VRE değerine eşit olacaktır.
Buradan;
V R 2 = V BE + I B ( β + 1) ⋅ R E = 0.7V + 11.25µA ⋅ (201) ⋅ 470Ω = 1.76V
Buradan I2 akımını bulabiliriz.
I2 =
V R 2 1.76V
=
= 0.080mA = 80µA
R2
22 KΩ
VR1 değerini bulalım. Devreden VR1=VCC-VR2 olarak görülmektedir.
V R1 = VCC − V R 2 = 12V − 1.76V = 10.24V
155
Kaplan
I1 akımını bulmak için devreden; I1=I2-IB olduğu görülür.
I 1 = I 2 − I B = 80 µA − 11.25µA = 68.75µA
Bulunan bu değerleri kullanarak R1’in olması gereken değerini bulabiliriz.
R1 =
V R1 10.24V
=
= 148.9 KΩ
I1
68.75µA
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.
+VCC
+VCC
I C+IB
RC
RB
RC
VRC
RB
IB
IC
V CE
VB E
VB E
a) Kollektör-geribeslemeli polarma devresi
IE
b) Polarma akım ve gerilimlerinin gösterimi
Şekil-5.18.a ve b Kollektör-geribeslemeli polarma devresi ve polarma değerleri
156
Kaplan
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;
VCC = I RC ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE
olur. Burada IRC akımı, RC direnci üzerinden geçen akımdır ve IRC=IB+IC değerine eşittir.
VCC = ( I B + I C ) ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE
IB+IC değeri ise IE akımına eşittir.
VCC = I E ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE
IE akımını IB cinsinden yazarak IE=(β+1)IB yukarıdaki denklemi sadeleştirelim
VCC = ( β + 1) ⋅ I B ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE
elde edilen bu denklemden IB akımını çekelim.
IB =
VCC − V BE
R B + ( β + 1) ⋅ RC
denklemi elde edilir.
Devrede çalışma noktası değerlerini bulmak için kollektör-emiter çevresi için gerilimler
yazılırsa;
VCC = I RC ⋅ RC + VCE
IRC=IE’dir. Denklem yeniden düzenlenirse;
VCE = VCC − I E ⋅ RC
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.
157
Kaplan
+VCC
+VCC
I C+IB
RC
RB
RC
V RC
RB
IC
IB
VCE
VB E
VBE
VB=VB E+IE R E
RE
IE
RE
VRE
Şekil-5.19.a ve b Kollektör-geribeslemeli emiter dirençli polarma devresi
VCC = I RC ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E
denklemi elde edilir. Elde edilen denklemde IRC akımı yerine, IRC=IB+IC=(β+1)IB eşitliğini
kullanırsak;
VCC = ( β + 1) I B ⋅ RC + I B ⋅ R B + V BE + I E ⋅ R E
denklemi elde edilir. Elde edilen denklemden IB akımını çekelim.
IB =
VCC − V BE
R B + ( β + 1) ⋅ ( RC + R E )
Transistörün çalışma noktasındaki değerleri bulmak için polarma devresinden;
VCC = I RC ⋅ RC + VCE + I E ⋅ R E
Formüldeki IRC yerine IE kullanırsak IRC=IE;
VCE = VCC − I E ( RC + R E )
denklemi elde edilir.
158
Örnek:
5.11
Kaplan
VCC =+12V
Yanda verilen kollektör-geribeslemeli
polarma devresinde gerekli polarma
akım ve gerilimlerini hesaplayınız?
RC
2.2KΩ
RB
βDC=150
VBE=0.7V
100KΩ
VBE
Çözüm
Devrede önce beyz akımını bulalım.
IB =
VCC − V BE
12V − 0.7V
11.3V
=
=
= 0.026mA = 26 µA
R B + ( β + 1) ⋅ RC 100 KΩ + (151) ⋅ 2.2 KΩ 432.2 KΩ
I C = β ⋅ I B = 150 ⋅ 26µA = 3900 µA = 3.90mA
I E = ( β + 1) ⋅ I B = 151 ⋅ 26 µA = 3926µA = 3.92mA
Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise;
VCE = VCC − I E ⋅ RC = 12V − (3.92mA ⋅ 2.2 KΩ) = 3.376V
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.
IB =
VCC − V BE
12V − 0.7V
11.3V
=
=
= 0.017 mA = 17 µA
R B + ( β + 1) ⋅ RC 100 KΩ + (251) ⋅ 2.2 KΩ 652.2 KΩ
I C = β ⋅ I B = 250 ⋅ 17 µA = 4250µA = 4.25mA
I E = ( β + 1) ⋅ I B = 251 ⋅ 17 µA = 4267 µA = 4.26mA
Transistörün çalışma noktası gerilimi VCE ise;
VCE = VCC − I E ⋅ RC = 12V − (4.2mA ⋅ 2.2 KΩ) = 2.76V
Yorum
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.
159

bölüm 1 - 320Volt

Transkript

Benzer belgeler

Temel Elektronik - Galvanoteknik.org

TEMEL YARI İLETKENLER projeleri

tc nuh naci yazgan üniversitesi mühendislik fakültesi elektrik

SMA STP 15000TL - Krannich Solar

Vblock 740 Product Overview

Otomatik Tekrar Kapamalı Kesici

DKM-430

Lab 1 On-Calisma