Analog Elektronik Dersleri 1 Bolum 1 5

 

BÖLÜM 1

 

 YARIİİLETKENLER LETKENLERİİN TANITILMASI   YARI 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 olu şturulması; Katkı işlemi • PN eklemi ve temel işlevleri • PN ekleminin önbeslenmesi • Diyot karakteristikleri

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Şekil-1.1 Çeş Çeşitli elektronik devre elemanlar ının genel görünümü 

Kullandığımız pek çok cihazın üretiminde bir veya birkaç elektronik devre eleman ı  kullanılmaktadır. Elektronik devre elemanlar ı  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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Elektronik devre elemanlarının dolayısıyla elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak ı ı ı ı için yarıiletken materyallerinin yaptemel s   hakk nda yap bilgiye gereksinim duyar ulaşman ın en etkin yolu maddenin atomik ısını incelemekle başlar.z. Bu bilgiyi

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

1.1 ATOMİ ATOMİK YAPI

Tüm maddeler atomlardan oluş oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Elektrik enerjisinin oluş oluşturulmasını  ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı  belirler. Atomik yapıya ba ğ lı  olarak tüm elementler; iletken, yalıtkan veya yar ıiletken olarak sını fland ır ılırlar.  Elektronik endüstrisinde temel devre elemanlar ının üretiminde yar ıiletken materyaller kullanılır. Günümüzde elektronik devre elemanı  üretiminde kullanılan iki temel materyal vard ır. Bu materyaller; silisyum ve germanyumdur.  İ letken, letken, yalıtkan ve yar ıiletken maddelerin iş işlevlerini ve özelliklerini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir. Bu bölümde temel atomik yapıyı  inceleyece ğ iz. iz. Bölüm sonunda aş aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında bilgi edineceksiniz. • • • • •

Çekirdek, proton, nötron ve elektron  Atom a ğ ırlı ğ ı ve atom numarası  Yörünge Valans elektronlar ı   İ yonisazyon yonisazyon 

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 etraf ında sabit bir yörüngede dolaşırlar ve negatif yüklüdürler.

 

3

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan



 



 



 

 

Elektron  

 

Nötron 

 

Proton 



 

 



 



 

  Şekil-1.1 Bohr modeline göre at atom. om. 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 bulunmaktad ır.

     

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 atomlar ı 

 Ato  Atom m Numa Numaras rası ve A ğırlığı  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 say ıları  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 atomlar ındaki; elektron ve proton sayıları eşittir.   

4

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Elektron Kabukları ve Yörüngeler  Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirde olanbulunan yörüngedeki elektronlardan daha az ğe uzak ğe farkl enerjiye sahiptir. Çekirde ı  uzakl ıklarda 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 W5 2. Kabuk W4 W3

k

r3

1. Kabuk

l

r4

W2 W1 r1 r2

r6 r5

Çekirdek Bu elektron, en dü şük enerjiye sahiptir.

W= Enerji r = Çekirdekten uzakl ık

 

Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklar ına göre enerji seviyeleri.

 Valans ns Elektr Elektronla onlarrı   Vala ı ı Elektronlar çekirdekten r ve çekirdekten ayrÇünkü lma eğelektron ilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğuzaktad ilimini dengeleyecek güçtedir. negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazlad ır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayr ılmaya 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

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

YARIİİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN 1.2 YARI Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye ba ğ lı  olarak baş başlıca 3 gruba ayr ılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yar ıiletken olarak tanımlanır. Bu bölümde; özellikle yar ıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralar ındaki farklar ı ortaya koymaya çalışaca ğ ız. Bu bölümü bitirdi ğ   ğ inizde inizde aş aşa ğ ıda belirtilen konularda ayr ınt ılı bilgiye sahip olacaksınız. • • • • •

 Atomik yapının özü Bakır, silisyum, germanyum ve karbon v.b maddelerin atomik yapılar ı   İ letkenler letkenler Yar ıiletkenler  İ letken letken ve yar ıiletken arasındaki farklar

•

Silisyum ve germanyum yar ıiletken malzemelerin farklılıklar ı 

Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı  gösterecekleri tepkiyi belirler. Genel bir atomik yap ı; 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 olmalar ıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. Örneğin bakır, altın, gümüş v.b ….  

6

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 say ıda serbest elektron içerir. ı ı Dolay yla iletkenlik serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. ştir. DolayıBir bandı  s ile bandı  adeta birbirine girmi sıylailetkende harici ise; bir valans 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

İletim Bandı

İletim Bandı

Enerji Aralığı

Enerji Aralığı

Valans Band

0

                           

Enerji

İletim Bandı

Valans Band

0

a) Yalıtkan

              Valans Band

0

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. Bunlar ın 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

1.3 YARIİ LETKENLİİK YARIİLETKENLERDE İLETKENL ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

 Malzemenin elektrik ak m n   nas l iletti  ğ  ğ i, i, elektrik devrelerininı ğ ınas l çal şt  ğ  nn anlaşşılması bak anla ımından çok önemlidir. Gerçekte temel akım mant  nı bilmeden diyot veya transistör gibi yar ıiletken devre elemanlar ının çalışmasını anlayamazsınız. Bu bölümde iletkenli ğ   ğ in in nasıl meydana geldi  ğ  ğ ini ini ve bazı  malzemelerin di  ğ  ğ erlerinden erlerinden niye daha iletken oldu ğ  oldu ğ unu, unu, yar ıiletken malzemelerde iletkenli  ğ  ğ in in nasıl sa ğ land  land ı ğ ını    ö ğ reneceksiniz. reneceksiniz. 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 (d ışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir.

                                                                  Enerji

İletim Bandı

Enerji Aralıklar ı

Valans Band

Enerji Aralıklar ı

2. Band ( l kabuğu)

Enerji Aralıklar ı

1. Band ( k kabuğu)

Çekirdek 0

  Şekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı.

Elektronlar ve Bo şluklarda 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 band ında 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Özetle; saf silisyumunun iletkenlik band ındaki elektronların bir kısmı  oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine do ğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar. Serbest Elektron

Enerji

İletim Bandı

                        Enerji Aralıklar ı

Valans Band



Si

Serbest Elektron

Delik

Si Isı Enerjisi

Delik

Isı Enerjisi

b) Bağ Diyagramı

a) Enerji Diyagramı

 

Şekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boş bo şlu ğ  lu ğ unun unun oluş oluşturulması.

Elektron ve Delik (hole) ak ımı  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 ak ımı denir.

               Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

              

V +

 

Şekil-1.8 Serbest elektronlar ın sıcaklık oluş oluşturması ile meydana gelen hareket, silisyum içinde bir elektron ak ışına neden olur . Akımı  oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması  ile meydana gelir. Valans band ında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı  olup serbest de ğillerdir. Kristal yapı  içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu kom şu bo şluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir bo şluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yap ı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil-1-9‘da gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır.

 

10

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Şekil-1.9 Serbest elektronlar ın sıcaklık oluş oluşturması ile meydana gelen hareket silisyum içinde bir elektron akışına neden olur.

1.4 N-T İPİ VE P-T İPİ YARI İLETKENLER Yar ıiletken malzemeler, akımı  iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkand ırlar. Çünkü valans band ındaki boş boşluklar ın ve ilettim band ındaki serbest elektronlar ın sayısı  sınırlıd ır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boş boşluk sayısı  art ır ılarak iletkenli ğ  iletkenli ğ i ayarlanmalıd ır.  İ letkenli ğ  letkenli ğ i ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlar ının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenli  ğ  ğ i ise ancak saf malzemeye katkı  maddesi eklenmesi ile sa ğ lan lanır. Katkı  maddesi eklenerek oluş oluşturulan iki temel yar ıiletken materyal vard ır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlar ının üretiminde bu iki madde kullanılır. Bu bölümü bitirdi ğ   ğ inizde; inizde; • • • •

ı  Katk işlemini iş lemini     N-tipi (doping) yar ıiletken maddenin yapısını   P-tipi yar ıiletken maddenin yapısını  Ço ğ unluk unluk ve azınlık akım taş taşıyıcılar ını 

 Ayr ınt ılı olarak ö ğ  ö ğ reneceksiniz. reneceksiniz. 

Katk ı İş İşlemi lemi (Doping)  Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı  maddesi eklenir. Bu i şleme “doping” denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya bo şluk) sayısının artırılması  malzemenin iletkenliğini, azaltılması  ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde olu şur.   

11

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “ço ğunluk 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 di ğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur.

İşlevi levi  Deplasyon Katmanı ve İş P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlal ığı 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 oldu ğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip oldu ğundan P ı

ı

maddesindeki   iter.Yük Böylece maddesi ndaolu daha elektron PN ve ği şaras şmasfazla oyuk akmasını oyuklar engellerler. dağılPımve ın N belirtildi ekilde ı  sonucunda birleşiminin arasında “gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) olu şur.

                                

                                   

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

Delik (hole)

pn bitişimi N TİPİ MADDE

Elektron

Engel Potansiyeli

P TİPİ M  MA ADDE

N TİPİ MADDE

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

Deplasyon Bölgesi

  Şekil-1.13.a ve b PN birleş birleşiminin denge iletimi. Elektron boş boşluk çiftinin oluş oluşturdu ğ u sıcaklıkla, N bölgesindeki birkaç boş boşlu ğ un un azınlık taş taşıyıcılar ının 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 ak ım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.

 

14

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

1.6 PN Bİ RLEŞİ ŞİM MİNİN POLARMALANMASI  BİRLE ı

 PN biti bitişşıiminin nas l kullan oluşturuldu oluş turuldu ğ   ğ unu utemel nu gördük. bitişimi elektronik devre elemanlar  nın üretiminde ılan en yapıd ır. PN bitiş  PN birle birleşşimine elektronik biliminde “diyot” ad ı  verilmektedir. Diyot veya di ğ  di ğ er er bir elektronik devre elamanının DC gerilimler alt ında çalışt ır ılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte “Polarma” veya “bias” ad ı verilmektedir.  PN birle birleşşimi veya diyot; DC gerilim alt ında iki türde polarmaland ır ılır. Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” di ğ   ğ eri eri ise “ters yönde polarma” d ır.  İ leri leri veya ters yönde  polarma, tamamen diyot uçlar ına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. Bu bölümü bitirdi ğ   ğ inizde; inizde; • •

 İ leri leri yönde polarma (forward bias) Ters yönde polarma (reverse bias)

 Kavramlar ını ö ğ reneceksiniz. reneceksiniz.

İleri Yönde Polarma (Forward Bias) 

                                               

İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birle şiminden 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 ekil-1.14 İ   İ leri leri yönde polarma ba ğ  ba ğ lant  lant ısı. R, direnci akım sınırlamak amacıyla kullanılmışt ır.  İleri yönde polarma şöyle çalışır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adland ırılır) bağlanmıştır. Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlar ını  birleşim bölgesine doğru iter. Aynı  anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyuklar ı  birleşim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ula şınca; 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

elektronlarının bo şluklarla birleşme i şlemi 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 ak ışı görülmektedir. 

                        P TİPİ

N TİPİ

boşluk akımı

R

Elektron akımı

VD

-

+

Vpolarma

 

Şekil-1.15: PN birleş 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 ak ımı  P ve N bölgesinin direncine ba ğlı 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 birle şiminden ı . akım akmaz n negatifelektronlar ucu, PN bölgesindeki boşlukları  kendine doğru çeker. Pozitif ucu iseBataryan PN bölgesindeki ı kendine do ğru 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 ba ğ lant  lant ısı.  

16

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 ak ımdır.

                              P TİPİ -

N TİPİ

-

+ + + + + +

+ + + + + +

Engel Katmanı

-

+

V polarma

Şekil-1.17 Ters polarmada oluş 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 Ak ımı  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; uygulan ırken bazı  ı ı ı ı ı elektronlargeriliminin PN birleşimini geçecektir. m ayn  zamanda s s na veı ters şimin kutlama miktar ına bağlTers ıdır ak dolay ısı  ile ısının birle artmas ı  ters akım da artıracaktır. 

Ters Yönde K ırılma  E ğer dışar ıdan uygulanan ters polarma gerilimi a şır ı  derecede artır ılırsa çı ğ  kır ılması  meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcılar ı  olan iletkenlik bandı  elektronlar dışar ıdan uygulanan ters gerilim kayna ğının etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronlar ı  iletkenlik bandına do ğru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İ letkenlik letkenlik bandı  elektronlar ının hızla  ğ  etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Ço ğu ço ğalması  olayı , , çı ğ diyotlar genelde ters kır ılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte bazı  diyotlar sırf ters yönde çal ışacak yönde yapılmışlardır. Bunlara “Zener ı

 

 ad  verilir.  Diyot”  ad

17

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

1.7 D Dİİ YOT  YOT Önceki bölümlerde oluş oluşturulan PN birleş birleşimine elektronik endüstrisinde “diyot” ad ı  verilmektedir. Diyot, elektronik endüstrisinin temelini oluş oluşturan en basit aktif devre elemanıd ır. Üretici firmalar kullanıcının gereksinimine ba ğ lı  olarak farklı  akım ve  gerilim de ğ  de ğ erlerinde erlerinde çalışabilecek şekilde binlerce tip diyot üretimi yapmışlard ır. Bu bölümde diyodun nasıl çalışt ı ğ ını , akım-gerilim karakteristiklerini ayr ınt ılı  olarak inceleyece ğ iz. iz. Bu bölümde sıra ile; • • • • • • • •

 Diyot sembolünü  İ deal deal diyot modelini  Pratik diyot modelini  Diyot’un polarmaland ır ılmasnıı ,  Diyot’un V-I karakteristi ğ   ğ iini ni  Diyot direncini ğ iini  Diyotlarda yük do ğ  do ğ rusu rusu ve çalışma karakteristi  ğ  ni  Diyodun sıcaklıkla iliş ilişkisini

Ö ğ reneceksiniz. reneceksiniz. Bu bölümde ö ğ  ö ğ renece renece ğ iniz iniz temel çalışma prensipleri, ileriki bölümlerde diyotlarla yapaca ğ ınız uygulama ve tasar ımlara sizleri hazırlayacakt ır.

PN Bi ti şimi ve Diyot   Bir önceki bölümde oluşturulan P ve N maddesinin birle ştirilmesi, Diyot adı  verilen yarıiletken devre elemanını  meydana getirir. P ve N maddesinin birle ştirilmesi işlemi, diyot üreticileri tarafından bir yüzey boyunca veya belirli bir noktada yap ılabilir. 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 verilmi ştir.

Şekil-1.19 Diyot’larda kılı f tipleri ve terminal isimleri  

18

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Elektronik biliminde her devre eleman ı sembollerle ifade edilir. Sembol tespiti bir tak ım 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

I f 

Vr  IF=VDD /R

R

VDD +

R

Vr 

Vf 

Ir =0 I r 

a) Dogru Polarma

b) Ters Polarma

c) V-I Karakteristi ği

Şekil-1.21 İdeal diyot’un ileri ve ters polarmada davranışları 

 

19

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 dü şümü 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 de ğildir. 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 karakteristi ği ise şekil-1.22.c’de verilmiştir. Örneğin; şekil1.22.a’da görülen doğru polarma devresinde diyot üzerinden geçen ileri yön ak ım değeri IF; I F  =

V DD − V D R

 

olarak belirlenir. r d

0.7 +

r r 

I f 

S S

+

Vr 

Vf  I

I f  +

VDD

+

r 

VDD

R

V r 

V f 

R

+

a) Dogru Polarma

b) Ters Polarma

I r  c) V-I Karakteristiği

Şekil-1.22 Pratik bir diyot’un ileri ve ters polarmada davran ışlar ı 

Dİ YOT 1.8 Dİ  YOT KARAKTERİ KARAKTERİST İKLER KLERİİ   Diyot karak karakteri teristi sti ğ   ğ i; i; diyoda uygulanan polarma gerilimi ve akımlar ına ba ğ lı  olarak diyodun davranışını verir. Üretici firmalar; ürettikleri her bir farklı diyot için, gerekli karakteristikleri karakteristikle ri kullanıcıya sunarlar. Bu bölümde;  Diyot’un ’un V V-I -I kkarakt arakteris eristi ti ğ   ğ ini ini •  Diyot direncini cini •  Diyot diren rusu ve çalışma noktasını  • Yük do ğ rusu karakteri teristi sti ğ   ğ inin inin sıcaklıkla iliş ilişkisini •  Diyot karak ayr ınt ılı olarak inceleyece ğ iz. iz. 

 

20

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

karakteristiğ ği Diyot’un V-I karakteristi 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 sil silisyum isyum 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 alt ında 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 

I f  +

R

V DD

Kır ılma noktası

  Dogru Polarma

 Sızıntı akımı

Vf ( V )

Vr ( V ) VF=0.7V

Vr  +

I r       +

R

VDD Ters Polarma

Ir (µ A )

 

Şekil-1.23 Silisyum diyot’un V-I karakteristi  ğği  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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

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

I  = I 0 ( e ηkT  − 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 (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 (µ A )

 

Şekil-1.24 Silisyum ve germanyum diyot karakteristiklerinin kar şılaş laşt ır ılması 

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

 

22

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan r S (statik ) =

V D   I D

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

∆V  ∆I 

 

Diyotlarda; dinamik veya statik direnç değerlerinin hesaplanmasında diyot karakteristiği kullanılır. Şekil-1.25’de silisyum bir diyodun ileri yön karakteristi ği verilmiştir. IF(mA) Q3

I3

Q2

I2 Q1

I1

VF (v)

V 1 V 2 V3

.

 

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 de ğişim noktaları  Q1, Q2  ve Q3  olarak işaretlenmiştir. Örneğin Q1 ve  Q2  noktalarında diyot’un statik direnci; r S  (Q1 ) =

r S  (Q2 ) =

V 1  I 1 V 2  I 2

 

 

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 de ğişimini almamız gerekir. r  D =

∆V  V 3 − V 1 = ∆ I   I 3 −  I 1

 

Elde edilen bu eşitlik ters polarmada da kullanılabilir.

Doğ ğrusu ve Çalışma Noktası   Yük Do Diyot, direnç ve DC kaynaktan oluşan basit bir devre şekil-1.26.’da verilmiştir. Devrede diyot doğru yönde polarmalandırılmıştır. I F(mA)

VD

V  DD  R

IF VDD

R

 Egim

 

Q

VF

 

23

 

1

= −

VDD

R V(v)

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Diyot ideal kabul edilirse devreden akacak akım miktarı;  I  F  = 

V DD  R

  olacağı  açıktır. Gerçek bir diyot kullanıldığında ise; devreden akacak I ak ımı  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 aç ıktır. Çeşitli VDD de ğerleri veya IF de ğerleri 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 e ğriye 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 birle ştirilirse 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 kullan ımlarda 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Örnek:1.1

Kaplan

a) Şekil-1.27.a’da verilen devre için diyot üzerinden akan ileri yön ak ımını 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 ak ımı IR=1µA R A

R A 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; V FF =0V =   0V V DD 10V  I F  = R A = 1K Ω = 10mA   V  A = I F  ⋅ R A = (10mA) ⋅ (1K Ω) = 10V  

Pratik Diyot Modeli; V FF =0.7V =   0.7V

V  − V F  10V − 0.7V  = = 9.3mA   I F  = DD 1K Ω R A V  A = I F  ⋅ R A = (9.3mA) ⋅ (1K Ω ) = 9.3V   

b)

İdeal Diyot Modeli; I R=0A

V R = V DD = 10V    V RRAA = 0V   

Pratik Diyot Modeli; I R=1µA

V RA = I R ⋅ R A  = (1µ  A) ⋅ (1K Ω ) = 1mV    V R = V DD − V RA = 10V − 1mV  = 9.999V   

c)

d)

 

25

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

a) Şekil-1.28’de verilen devrede germanyum diyot kullan ılmıştır. Diyot’un dayanabilece ği 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

10 10V V

10 0.72

0.9

VF (v)

Şekil-1.28 Diyot devresi ve V-I karakteristi ğ  karakteristi ğ i

Çözüm:

 

V  DD =  I  D  ⋅ R + V  D  

a) 

 R = V  DD − V  D = 10   V  − 0.3V  = 97Ω    I  D 100mA

Direnç ve diyot üzerinde harcanan güçleri hesaplayalım. 2

 

2

 P  R = ( I  F  ) ⋅ R = (100  mA) ⋅ (97Ω) = 0.97W     

2

 P  D = ( I  F  ) ⋅ (V  D ) = (100mA   ) ⋅ (0.3V ) = 0.03W  = 30mW   

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

∆V  ∆ I 

=

0.9V  − 0.72V  50mA − 10mA

=

0.18V  40mA

 

r  D = 4  .5Ω  

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 de ğerdir. 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

0. 70 Ω V

10A

Ω

mA

mA

K atod



V

VΩ

10A

Anot

a) Ileri Y ö n nd de po la larma Diy o t Saglam

Ω

mA  A

Off 

10A

COM

1. 20

1. 20

 A

Off 

Kaplan

mA

 Anot



10A

COM

VΩ

Katod

b) Ters Y ö n nd de po po la larma Diy o t Sag lam

V Off  10A mA

K atod

0. 00 Ω

mA  A



V

 A

Off 

10A

COM

VΩ

10A

Anot

c) Ileri Yönde polarma Diy o t Bo zuk (aç ik dev re)

mA

mA

Katod



10A

COM

VΩ

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.

•

Atomun son yörüngesindeki elektronlar “valans elektron” olarak adland ırılırlar. 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 elemanlar ının 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

Bir

atomun

son

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

•

•

 

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 uygulan ırsa 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 dü şümü 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 ak ım 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 ak ımı 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

 

 

ı

Diyot Uygulamalar

 

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

• • • • • •

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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

2.1 YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir DC güç kayna ğ ına (DC power supply)  gereksinim duyarlar. Bu gerilimi elde etmenin en pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi  Do ğ rultmaç rultmaç (redresör) olarak adland ır ılan cihazlarla gerçekleştirilir.  Do ğ rultmaç rultmaç veya DC Güç kayna ğ ı  (DC power supply) denilen cihazlar, basitten karmaşı ğ a do ğ ru ru birkaç farklı  yöntemle tasarlanabilir. Bu bölümde en temel do ğ rultmaç rultmaç işlemi olan yar ım dalga do ğ rultmaç rultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve çalışmasını inceleyece ğ iz. iz. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı bilgilere sahip olacaksınız.

• Temel bir güç kayna ğ ı sistemi • Transformatörler ve işlevleri  rultmaç devresi • Yar ım dalga do ğ rultmaç •  Rı pıl faktörü 

Kaynağ ğı (Power Supply)  Temel DC Güç Kayna Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, bilgisayar v.b gibi) çal ışmak için bir DC enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. Bu oldukça pahalı  bir çözümdür. DC enerji elde etmenin di ğer 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 olu şmaktadır. Sistem girişine uygulanan ac gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş  dc gerilim olarak ı

ı

al nmaktad r. Transformatör 

 

Doğrultmaç Devresi

Vgiriş  AC

Filtre Devresi

Regülatör  Devresi

 

Şekil-2.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi 

RL

 

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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga do ğrultmaç (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 de ğerini 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 transformatörle transformatörlerr

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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

36V

Sekonder  Primer  Primer  Sargısı

Sekonder  Sargısı

220Vrms 50Hz

220Vrms 50Hz

24V

220Vrms 50Hz

12V 24V

12Vrms 50Hz

12V

12V 0V

a ) Tra ns ns ffo o rm rmatö r

b) Orta uçlu Trans ffo ormatö r  

 

c) Çok uçlu Transformatör 

 

Şekil-2.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç ba ğ lant  lant ılar ı 

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 Doğ Doğrultmaç  Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönü ştürmek için en basit yöntem yar ım 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 Yar ım Dalga Do ğ rultmaç rultmaç 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

0

+ t

12Vrms 50Hz

    

V Çıkış

RL

0

t

Şekil-2.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması 

 

32

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Giriş i şaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyodun anoduna negatif alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş  işaretinin negatif alternansında diyot yalıtımdadır. ı ı ı akım izin vermez. Açık Çünkü diyot ters yönde polarmalanm ş iÜzerinden şareti 0V olur. Buakmas durumnaşekil-2.5.b üzerinde devredir. RL direnci üzerinden alınan çışkt ır. gösterilmiştir.

V Giriş

0

   

Diyot kesimde +

VÇ k ş ı ı

-

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 ı

ı

ı

ı

işaret art k AC işaret değildir. Çünkü ç k ş  işareti, negatif alternanslar   içermez. ğrultmaç Do çıkışbir ından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Ç ıkış i şareti bu nedenle DC işarete de benzememektedir dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yak ın bir işaret alınmalıdır. V VTepe

0

t

  Şekil-2.6 Yar ım dalga do ğ rultmaç rultmaç 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 ba ğladığımızda şekil2.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;

     

V Tepe

=

     

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 Yar ım dalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama de ğ eeri ri

 

33

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri;

= V  

V  Ort 

=

V t   

=

 DC 

17V 

= 5.4 volt 

Π   olarak bulunur. Yukarıda belirtilen değerler gerçekte ideal bir diyot içindir. Pratikte 1N4007 tip kodlu silisyum bir diyot kullandığımızı  düşünelim. Bu durumda çıkış  işaretinin dalga biçimi ve alacağı değerleri bulalım. 3.14

V F =0.7v + -

VGiriş

VTt =17-0.7

+ 0

t

12Vrms 50Hz

RL

V DC=5.19 0

t

  Şekil-2.8 Pratik Yar ım Dalga do ğ rultmaç rultmaç devresi

Çıkış işaretinin alacağı tepe değer;  V TTepe epe=17V-0.7V=16.3Volt  

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

V t 

Π

 =

16.3V  3.14

= 5.19 volt  

olarak elde edilir.

2.2 TAM DALGA DOĞRULTMAÇ

Basit ve ekonomik DC güç kaynaklar ının yapımında yar ımdalga do ğ rultmaç rultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç kaynaklar ının yapımında ise tam dalga do ğ rultmaç rultmaç devreleri kullanılır. Tam dalga do ğ rultmaç rultmaç devresi çıkışında dc gerilime daha yakın bir de ğ er er alınır. Tam dalga do ğ rultmaç rultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayr ı tipte tasarlanabilir. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı  bilgiler elde edeceksiniz.

• • • •

 

Yar ımdalga do ğ rultmaç rultmaç ile tam dalga do ğ rultmaç rultmaç arasındaki farklar. Tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi Orta uçlu tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinin analizi  Köprü tipi tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinin analizi

34

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüsoydal işaretin sadece tek bir ı

ı ı

ı

ı

alternans ndayardo lemi yap yor, diğeralınan alternans ise ortalama kullan lm yordu. ğrultmadoiğşrultmac Dolayısıyla kışından gerilimin de ğeri ımdalga ın lçı oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm de ğildir. Tamdalga doğrultmaç devresinde ise do ğrultma 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

0

t

V

Vt TAMDALGA 0

t Vgiriş

Vt

DOĞRULTMAÇ   DEVRESİ

Vçıkış

0

t

  Şekil-2.9 Yar ım dalga ve tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri

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

 

= V  DC    =

2V t 

Π

 

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

2 ⋅ (17V ) = V  DC  =   = 10.8 volt    3.14

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

Doğ ğrultmaç Devresi Tamdalga Do 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 sarg ılarında 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

VÇIKI Ş Vsek/2

D1 Vgiri ş

+ RL

0

 _  0

 

0

t

t Vsek/2

D2

  Şekil-2.10 Orta uçlu tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresi

Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin incelenmesi için en iyi yöntem şebeke geriliminin her bir alternansı  için devreyi analiz etmektir. Orta uç referans olarak  /2) dönüştürülmüştür. Örneğin; Vgiriş  sek /2 alınırsa, sekonder gerilimi iki ayrı  değere (V sek ı ibir alternans nda, transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif şaretinin gerilimpozitif oluşacakt ır.

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 olu şur. Akım yönü ve akımın izlediği yol şekil üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.  +

D1

  -

+

+

Vgiri ş

0

VÇIKI Ş RL  _ 

t

0

t

+

-

D2 kesim

  Şekil-2.11 Pozitif alternansta devrenin çal ışması 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 ba şlayarak D2  üzerinden ve RL yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-2.12’de belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim dü şümleri şekil üzerinde gösterilmiştir.  

36

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

D1 VÇIKI Ş

-

+

kesim

Vgiri ş

RL  _ 

0

t

+ 0

t

-

+

+   D2

 

Şekil-2.12 Negatif alternansta devrenin çal ışması ve akım yolu

Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen ç ıkış  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; = 2 ⋅ V rms ⇒  1.41 ⋅ 12V  = 17 volt   

V Tepe

olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullan ılacaktır. Bu nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe de ğeri; V Tepe

= 17V  −  0.7 = 16.3 volt   

olacaktır. Ç ıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre ba ğlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur. V Ortalama

=

2  (V Tepe

− V D )

Π

= 

2(17 − 0.7) 3.14

= 10.3 volt   

çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-2.13 üzerinde gösterilmiştir. Vç k ş ı

ı

VTepe =16.3V VOrt =10.3V t

0

  Şekil-2.13 Çıkış dalga biçiminin analizi

ğrultmaç  Doğ Köprü Tipi Tamdalga Do 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

anlatılacaktır. Şehir şebekesinin pozitif alternansında; transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif alternans olu şur. D1  ve D2  diyodu doğru yönde ı

ı

ı

L yük direnci ve D 2 diyodundan geçerek polarmaland ğ  için m devresini D1 diyodu, transformatörün alt ak ucunda tamamlar. R L yük R direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ve akım yönü şekil-2.14’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 

Vgiriş

D3

+

+

~

D1

~

-

VÇ k ş

+

ı

ı

+

-

-

D2

~

D4

RL t

 _ 

  Şekil-2.14 Pozitif alternansta tamdalga do ğ rultmaç rultmaç 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 D 3  diyodu üzerinden geçerek transformatörün üst ucunda tamamlar ve R L  yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil-2.15 üzerinde gösterilmiştir.

Vgiriş

D3

-

~

~

 

VÇ k ş

+

ı

ı

+

+

+

-

D1

D2

~

 

D4

RL  _ 

t

  Şekil-2.15 Negatif alternansta tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinin davranışı 

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

= 2 ⋅ V rms ⇒  1.41 ⋅ 12V  = 17 volt   

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

38

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

V Cikis (Tepe ) V Çikis (Tepe )

= V Tepe − (V  D1 + V  D 2 )

= 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; V Ortalama

 

= V  DC  =

2V Çikis (Tepe)  

Π

=

2(15.4) 3.14

= 9.8 volt   

VÇ k ş ı ı

V TEPE=15.4V VORT =10.3V 0V

t

 

Şekil-2.16 Köprü tipi tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi

2.3 DOĞRULTMAÇ FİLTRELERİ 

Yar ımdalga ve tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devrelerinin çıkışlar ından alınan do ğ rultmu rultmuş  sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzakt ır. Do ğ rultucu rultucu devrelerin çıkışından alınan bu sinyal, darbelidir ve bir çok ac bile şen bar ınd ır ır.  Elektronik devre elemanlar ının tasar ımında ve günlük hayatta kulland ı ğ ımız DC sinyal ise ideal veya ideale yakın olmalıd ır. AC bileşenler ve darbeler bar ınd ırmamalıd ır. Şehir şebekesinden elde edilen do ğ rultulmu rultulmuş  sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir.  En ideal filtreleme elemanlar ı kondansatör ve bobinlerdir. Bu bölümde bitirdi ğ inizde inizde aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı bilgiler elde edeceksiniz. •  Filtre işleminin önemi ve amaçlar ını , •  Kondansatör (C) ile gerçekleştirilen kapasitif filtre i şlemini •  Rı pıl gerilimini ve r ı pıl faktörünü •  LC filtre  ve T tipi filtreler •  Π  ve

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 uzakt ır. Çeşitli darbeler barındırır ve 100Hz’lik bir frekansa sahiptir. Bu durum şekil-2.17’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.

 

39

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

V

V

V t

0

Tamdalga Do Doğ ğrultmaç Devresi

Filtre t

0

0

Devresi

t

 

Şekil-2.17 Do ğ rultmaç rultmaç 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 i şlevi 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) 0V

 _  VT(giriş)-0.7V

+ Vgiriş

+ -

VC

0V

+ RL

t0

-

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

 

40

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

 _ 

+

Vgiriş

0V

+ RL

+ -

VC

0V

t0

t1

-

  Şekil-2.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör R L yükü üzerine de şarj oluyor. 

+

 _ 

+  

0V

t0

t1

t2

Vgirişş Vgiri

+

+ VC

-

0V

RL 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 i şlemi iyi yapılmalıdır. Kondansatörle yapılan filtrreleme işleminde kondansatörün kapasitesi büyük önem taşır. Şekil-2.19’de filtreleme kondansatörünün çıkış i şaretine etkisi ayrıntılı  olarak gösterilmiştir.

0V Büy ük k apas it eli C

Küç ük k apas it eli C

 

Şekil-2.19 Filtre kondansatörü de ğ erlerinin erlerinin çıkış işareti üzerinde etkileri

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

41

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

r ı pı l

r ı pı l

  Şekil-2.20 Tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde kapasitif filtreleme işlemi ve r ı pıl etkileri 

Filtreleme işlemi sonunda elde edilen ç ıkış i şaretinin dalga biçimi bir miktar dalgalanma içermektedir. Bu dalgalanmaya rıpıl ad ı 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 do ğ rultmaçta rultmaçta r ı pıl faktörünün bulunması  V r 

Rıpıl faktörü= Rf   = 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 do ğrultmaç 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. V r 

V 

 DC 

  1    ⋅ V T (in )   =     f    R C  ⋅ ⋅  L    

    1 =   1 − 2 f    ⋅ R L ⋅ C   ⋅V T (in )  

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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Yar ı m dalga doğrutmaç devresinde çı kı ş işaretinin frekan T  =   20   ms 0

TYD

  1  

 

1

 

 = 50 Hz  ⇒   f  YD =     =    T    20ms 

Tam dalga doğrutmaç devresinde çı kı ş işaretinin frekansı

  1    T YD    = 2 ⋅ f  YD  =  2  ⋅  T    2     YD      Hz    = 100 Hz    f  TD = 2 ⋅ 50

  f  TD =  0

T TD

  Şekil-2.22 Yar ımdalga ve tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devrelerinde çıkış işaretinin frekanslar ı 

Örnek: 2.1

Aşağıda verilen tamdalga doğrultmaç devresinin analizini yapınız? D    1   

  4    D

220Vrms 50Hz

24Vrms 50Hz    2    D

D    3   

C 47µF

RL

1KΩ 1KΩ

 

Çözüm 

Önce transformatörün sekonder geriliminin tepe değerini bulalım. V T ( sek ) = (1.414   ) ⋅ (24V ) = 34V    Doğrultmaç çıkışında elde edilen do ğrultulmuş gerilimin değerini bulalım; V T (in ) = (34V  −  1.4V ) = 32.6V    Filtre çıkışından elde edilecek çıkış gerilimi değerini bulalım. V  DC 

V  DC 

  ⋅ V T (in )   1 −   1 =      2 f  ⋅ R L ⋅ C  

    1  ⋅ 32.6V      = 1 −   2 ⋅100 Hz ⋅1 K Ω ⋅ 47 µ F   V  DC 

= (1 − 0 .10) ⋅ 32  .6V    V  DC 

=  29.3V   

Devre çıkışından alınan işaretin tepeden tepeye rıpıl gerilimi Vr; V r 

 

  1    ⋅ V T (in )   =      f  ⋅ R L ⋅ C  

43

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

V r 

    1  ⋅ 32.6V      =   100 Hz ⋅ 1 K Ω ⋅ 47 µ F   V r 

= (0.21) ⋅ 32   .6V    = 6.9V   

Çıkış geriliminin rıpıl faktörünü bulalım.  Rf   =

V r 

6.9

V  DC 

   Rf   = 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 (bo ş) olduğu için kısa devre etkisi göstererek aşırı ak ım 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 kullan ılan RANI direncinin değeri önemlidir. Bu direnç diyot üzerinden geçecek tepe ak ım değerini sınırlamalıdır. Uygulamalarda bu direnç üzerinde bir miktar güç harcamas ı olacağı dikkate alınmalıdır.  R ANI 

F Sigorta

− 1.4V    V     =  T ( sek )  I  F      D    1   

  4    D

   2    D

D    3   

R ANI C 47µF

S

RL

Ω 1K 1KΩ

  Şekil-2.23 Tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde aşır ı 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 C Filtre

Şekil-2.24 Tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde LC filtre  

44

RL

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktans ı  (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. V r ( out )

Doğrultmaç Devresi

 AC Giriş Giri ş

     X  =      C   ⋅ V r (in)       X  L −  X C    XL

Vr(in)

 

XC

Vr(out)

  Şekil-2.25 Tamdalga do ğ rultmaç rultmaç devresinde LC filtre

π ve T Tip i Filt re  

LC tipi filtre devreleri geli ştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri olu şturulmuştur. Π  ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. R ıpıl faktörünün minimuma indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullan ılabilir. Şekil-2.23’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmi ştir. Л  L

V giriş

Vç k ş ı ı

C1

V giriş

L2

L1

Vç k ş ı ı

C1

C2

T - tipi filtre

?  - tipi filtre

  Şekil-2.23  π  ve  ve T tipi filtre devreleri

2.4 KIRPICI Dİ YOT  YOT DEVRELERİ   Elektronik biliminin temel işlevi, elektriksel sinyalleri kontrol etmek ve ihtiyaca göre işlemektir. Pek çok cihaz tasar ımında elektriksel bir işareti istenilen seviyede kırpmak veya sınırland ırmak gerekebilir. Belirli bir sinyali k ırpma veya sınırlama işlemi için  genellikle diyotlardan yararlanılır. Bu bölümde kırpıcı  (Limiting) diyot devrelerini ayr ınt ılı olarak inceleyece ğ iz. iz. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı  bilgiler elde edeceksiniz.

•  K ırpıcı diyot devrelerinin özellikleri ve i şlevleri. •  Polarmalı kırpıcı devrelerin özellikleri ve analizi   

45

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

K ırpıcı Devreler  ı

ı ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

ı

K  devreler, girişine Örne uygulanan işaretin bir kgörülen sm n  ç devrede k şana aktar sm n   ğer bir kpozitif ğin şekil-2.24’de şaretinin iserpkcırpan devrelerdir. girişp,  idi 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 giriş

+

RL

0

Vç k ş ı ı

0

+0.7V

-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. sadece 0.7Volu diyot önır.gerilimi elde edilir. Bu gerilim diyoda paralel şacakt bağlı RL yükÜzerinde direnci üzerindede R1

VT V giri girişş 0 -VT

RL

Vç k ş ı ı

0 -0.7V

+

  Şekil-2.25 Negatif kırpıcı devre

 

46

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

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

  R  =     L  ⋅ V Giri    R L +  R1   ş

formülü ile elde edilir.

Örnek: 2.2

Aşağıda verilen kırpıcı devrenin analizini bir tam peryot için yap ınız? 20 20V V

R1=220Ω

+

RL 2.2KΩ

0 -20V

  Giriş  işaretinin pozitif alternansında diyot açık devredir. Dolayısıyla çıkışta RL  yükü üzerindeki gerilim düşümü; V T ( out )

V T (out )

  R  =      L  ⋅ V T (in )    R1 +  R L 

2.2 K Ω ⋅ =    20V    100Ω + 2.2 K Ω  V T (out ) = 19.13V   

Negatif alternansta ise diyot iletkendir. Dolay ısıyla çıkışta -0.7V görülür. Devrenin giriş ve çıkış işaretlerinin dalga biçimleri aşağıda verilmiştir. 20V

19.3V

0

0 -0.7V

-20V

 

Polarmalı K ırpıcılar  Pozitif veya negatif alternansları kırpan kırpıcı devreleri ayrıntılı olarak inceledik. Dikkat ederseniz kırpma işlemi diyot öngerilimi hariç bir tam periyot boyunca gerçekle şiyordu. 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

R1

Vt Vgiriş giriş

+

RL

0

+

Vç k ş

VA+0.7V

ı ı

0

V A

-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. Giri şten uygulanan Vg geriliminin pozitif alternansı  VA  değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot doğru yönde polarmalanacaktır ve iletime geçecektir. Diyot iletime geçti ği anda VA gerilimi doğrudan çıkışa aktarılacak ve RL yükü üzerinde görülecektir. Giriş i şareti negatif alternansa ulaştığında ise diyot devamlı yal ıtımdadır. Dolayısıyla VA  kaynağı devre dışıdır. R L yükü üzerinde negatif alternans oldu ğu 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 edilmi ştir.

Şekil-2.27’de ise polarmalı negatif kırpıcı devre görülmektedir. Bu devre, giri ş i şaretinin negatif alternansını istenilen veya ayarlanan bir seviyede kırpmaktadır. Giriş  işaretinin tüm pozitif alternansı  boyunca devredeki diyot yal ıtkandır. 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. Dolay ısıyla çıkışta negatif alternans görülmeye devam eder. Giriş i şaretinin negatif alternansı V A gerilimi değerinden büyük olduğunda (Vg=0.7+VA) diyot iletime geçecektir. Diyot iletime geçtiği anda çıkışta VA  kaynağı görülür. VT

Vgiriş giriş

R1

+ RL

0

V A

-VT

Vç k ş ı ı

0 -VA-0.7V

+

  Şekil-2.27 Polarmalı negatif kırpıcı devre

 

48

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 V A kaynağı görülür. Girişten uygulanan işaret VA  değe-rinden büyük olduğunda ise diyot ters polarma olarak yal ıtıma gidecektir. Diyot yalıtım-da olduğunda devre çıkışında giriş  işareti aynen görülecektir. Dolayısıyla giriş  işaretinin tüm negatif alternansı  boyunca diyot iletimde oldu ğu için çıkışta VA  kaynağı  görülecektir. R1

VT Vgiri girişş

+

0

RL

+

V A

-VT

V A-0.7V 0

  Şekil-2.28 Polarmalı pozitif sınırlayıcı devre

Giri istenilen de ğerde sınırlayan devre şdiyot eması do ş  işaretinin şekilş  işaretinin ğru 2.29’da verilmişnegatif tir. Giriseviyesini tüm bir pozitif alternans ı  boyunca 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

V A

-VT

0

-V A+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 tasar ımında ve elektronik cihazlarda DC ve AC i şaretler iç içedir ve birlikte i şleme tabi tutulurlar. Dolaysıyla herhangi bir sinyalin işlenmesinde diyodun işlevi önem kazanır. Kırpıcı devreler, seri ve paralel olarakta tasarlanabilir. Bu bölümde seri ve paralel k ırpıcı  devreler sırayla verilmiştir. R1

+ Vg

+ Vg

Vç

+

R1

+

5V

 

 

49

5+0.7V

Vç 5V

0

t

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

R1

+

+ Vg

R1

Vg

Vç

Vç

5V

5V

+

0

t

-5-0.7V

+

  R1

+

+ Vg

+

Vç

5-0.7V

R1

Vg

+

5V

Vç

0

t

Vç

0

t

5V

  R1

+

+

Vg

R1

Vg

Vç 5V

5V

+

-5+0.7V

+

  Şekil-2.30 Paralel ve seri kırpıcı diyot devreleri 

2.5 GERİLİM KENETLEY İCİLER Gerilim kenetleyiciler; girişlerinden uygulanan bir işaretin alt veya üst seviyesini, istenilen ı

ı

ı

sabit bir gerilime kenetlemek veya tutmak amac  ile tasarlanm şlard  r.  Kenetleme  Kene tleme devreler devreleri; i; pozit pozitif if veya negat negatif if kenet kenetleme leme olmak üzere ikiye ayr ılırlar. Pozitif kenetlemede, girişten uygulanan işaretin en alt seviyesi sı f ır referans noktasında kenetlenir. Negatif kenetlemede işleminde ise, girişten uygulanan işaretin en üst seviyesi sı f ır referans noktasına kenetlenir. Bu bölümde; pozitif ve negatif kenetleme i şlemlerinin nasıl gerçekleştirildi ğ i 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

+2V +V t

0

Pozitif  Kenetleyici Devre

+V 0

t

t

0

Negatif  Kenetleyici Devre

Çıkış İş İşareti areti t

0

-V

-V Giri Girişş İş İşareti areti

Giriş Giriş İş İşareti areti

Çıkış İşareti İşareti

-2V

  Şekil-2.31 Pozitif ve negatif gerilim kenetleme i şlemi

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 i şaretinin, pozitif seviyesi 0V referans al ınarak kaydırılmıştır. Çıkıştan alınan işaret artık 0V ile –2V de ğerleri arasında salınmaktadır. Pozitif ve negatif gerilim kenetleyici devreleri ayr ı ayrı inceleyelim.

Pozitif Gerilim Kenetleyici

0 Vt



Şekil-2.32’de pozitif gerilim kenetleyici devre görülmektedir. Bu devre bir diyot, bir kondansatör ve direnç kullanarak gerçekle ştirilmiştir.

T

t

+

-

+ VC

+

Diyot İletimde

-

+

VC=VT-0.7V

RL

0.7V

+

+

RL

  Şekil-2.32 Pozitif gerilim kenetleyici devre

Kenetleme işleminin gerçekleşmesi için bu elemanların kullanılması  zorunludur. Devrede kullanılan R ve C elemanlar ının 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 k ısa devre etkisi göstereceğinden RL  direncinin etkisini ortadan kaldırır. Kondansatör, anında sarj olarak dolar. Kondansatör üzerindeki gerilim;

 

51

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

V C  = V T 

− (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 uygulan ırsa çıkış gerilimi; V  RL = V  C  + V T    V  RL

= (V t  −   0.7) + V T   

V  RL

≅  2  ⋅ V T  (−0.7)  

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

+VT

T

+ t

0 -Vt

+

2VT-(0.7)

VC=VT-0.7V

+

-

Diyot yalıtımda

T

VT-(0.7) RL

t

0 -0.7V

  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 elemanlar ı  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 -VT

T

+ t

+0.7V 0 -VT+(0.7)

VC=-VT+0.7V

+

-

Diyot iletimde

t

RL -2VT+(0.7)

T

  Şekil-5.34 Negatif gerilim kenetleyici devre  

52

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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

Vi

-

V A

RL 100K

+

Vi

-

V A

+

RL 100K

 

Şekil-2.35 Polarmalı kenetleyici devresi  devresi 

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

−Vm

sin wt  + V C  + V   A

= 0V   

olur. Vc, kondansatör üzerindeki şarj gerilimidir. Kondansatör üzerinde düşen gerilimi hesaplarsak; V C  = Vm   ⋅ sin   wt  − V  A   bulunur. Bu değerler ışığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimi; K.G.K’dan; V  RL = −V C   + Vm ⋅ sin wt    olur. Kondansatör gerilimini (Vc=Vm sinwt-V  A) eşitliğe yerleştirirsek; V RL = −( Vm ⋅ sin wt − V  A ) + Vm ⋅ sin wt   değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin900=1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek; V RL = −( Vm ⋅ 1 − V  A ) + Vm ⋅ 1   V RL = −Vm − V  A + Vm   V RL = +V  A  

değerine eşit olur. Dolayısı ile giriş i şaretinin pozitif tepe değerinde; kenetleyici çıkışı V A gerilim kaynağının değerine eşittir. Çünkü RL  yük direnci, VA  kaynağına paralel hale  

gelir. Bu durum şekil-2.35’de verilmiştir. 53

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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

t1

T

VC=Vm-V A

T

0 -Vm

-

t2

Vi

+

V A

100K

+

RL

V A 0

t

-2Vm+V A

  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 = −V C   − Vm ⋅ sin wt    = olur. Kondansatör gerilimini (V CC =Vm   Vm sinwt-V   A) eşitliğe yerleştirirsek; −V RL = −( Vm ⋅ sin wt − V  A ) − Vm ⋅ sin wt  

değeri elde edilir. Burada; sinwt=sin2700=-1 ’ e eşittir. Eşitliği yeniden düzenlersek; −V RL = −( Vm ⋅ ( −1 ) − V  A ) − Vm ⋅ ( −1 )   V RL = −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 iste ğ e ba ğ lı  olarak birkaç kat yükseltip çıkışına aktaran devrelerdir. Gerilim çoklayıcılar; gerilim kenetleyici ve do ğ rultmaç rultmaç devreleri birlikte kullanılarak tasarlanır. Gerilim çoklayıcı devreler; yüksek gerilim alçak ak ım gereksinilen yerlerde kullanılır. TV alıcılar ı kullanım alanlar ına örnek olarak verilebilir. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; • Yar ımdalga ve tamdalga gerilim çiftleyiciler • Gerilim üçleyiciler • Gerilim dörtleyiciler  Hakkında ayr ınt ılı bilgiye sahip olacaksınız.   

54

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Gerilim Çiftleyici Gerilim çiftleyiciler girişlerine uygulanan gerilim değerini, ikiye aktaran Doupling) elektronik düzeneklerdir. Gerilim çiftleyicilerin girişlerine katlayarak çıkışlarına(Voltage uygulanan gerilim, ac veya darbeli bir i şaret 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. Ge Geri rili lim m Kene Kenetl tley eyic icii

Yar  Yar ımdalga Doğrultmaç

Vi

Vo

T

C1

+Vm

+ t

0 -Vm

D2

t1

t2

+2Vm

+

Vi

D1

Vo

C2

-

t

0

  Şekil-2.37 Yar ımdalga 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 Yar ımdalga gerilim çiftleyici devrenin dalga biçimleri  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 oldu ğundan yalıtımdadır. Dolayısı ile çıkış gerilimi “0V” dur.

 

55

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

+

C1

Kaplan

D2 Kesimde

-

+

Vc=Vm-0.7 Vi

+

C1

D2 İletimde

-

Vi

+

D1 İletimde

Vi

-

-

C2

D1 C Kesimde 2

Vi

+

+ a) Vi pozitif alternans

Vc=2Vm

b) Vi negatif alternans

  Şekil-2.39 Yar ımdalga 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 oldu ğu için boşalamaz. Çıkış  işareti C2 kondansatörü üzerinden alınabilir. C2 üzerindeki gerilim ise; K.G.K’dan; V C 2 = V C 2 + Vm = 0   V C 1 − V C 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. V C 2 = V 0 = Vm + Vm  

V C 2 = V 0 = 2Vm  

Not: Devre analizinde diyotlar üzerine düşen öngerilimler (0.7V) ihmal edilmi ştir. Gerilim kenetleyici tasarımında bir diğer alternatif ise  “Tamdalga gerilim çiftleyici”  devresidir. Şekil-2.40’da tamdalga gerilim çiftleyici devresi görülmektedir. D1 Kesimde

D1 İletimde Vi

Vi

+

+ C1

+ C1

Vm

Vm

+ 2Vm 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. D 2 diyodu ise kesimdedir. D1 diyodu iletimde olduğunda; C1 kondansatörü giriş işaretinin maksimum değerine şekilde belirtilen yönde şarj olur.

 

56

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Transformatörün sekonderinde negatif alternans olu ştuğunda ise D2  diyodu doğru yönde polarmalanır ve iletime geçer. D1  diyodu ise kesimdedir. D2  diyodu iletimde olduğunda; C2 kondansatörü giriş i şaretinin maksimum değerine (Vm) şekilde belirtilen yönde şarj olur. Gerilim çiftleyici devre ç ıkışından C1  ve C2  kondansatörlerinde oluşan gerilimlerin toplam ı alınır. Dolayısıyla çıkış işareti; V 0 = +V C 1 + V C 2  

V 0 = +Vm + Vm

⇒

V 0 = 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 yar ım saykılda gerilim çiftleyici gibi çalışır. C1  üzerinde şekilde belirtilen yönde giri ş  işaretinin tepe değeri (VT) görülür. C2 üzerinde ise giri ş i şaretinin yaklaşık 2 katı (2V T) 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. V  _  T

Üçleyici Ç ık ışı= 3V T +

2V  _  T +

C1

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 çal ışır. C 1 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 diyotlar ın s ırayla iletken olacağı dolayısı ile kondansatörlerin dolaca ğı görülür. V  _  T

2V  _  T+

+

C1 Vg

C3 D2

D1 C2

C4

 _  + 2VT

 _  + 2VT

Dörtleyici Çıkışı= 4VT

 

D4

D3

Şekil-2.32 Gerilim dörtleyici devre 57

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Çıkış işareti C2 ve C4 kondansatörleri üzerinden alınmıştır. Dolayısı ile bu kondansatörler üzerinde oluşan gerilimler toplamı; Vç=(2V T  ) + (2V T  ) Vç=4V TT   

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

2.7 Dİ YOT  YOT VERİ SAYFALARI

Uluslarası yar ıiletken üretecisi pek çok firma farkl ı özelliklere sahip yüzlerce tip diyot üretimi yaparlar. Üretilen her bir diyot belirli standartlara göre kodlan ı p tüketicinin kullanımına sunulur. Üretici firmalar; ürettikleri her bir diyot tipinin çeşitli özelliklerini ve karakteristiklerin veri kitapçıklar ı  (data book) halinde kullanıcıya ı

ı

ı

ı

sunarlar. Devre tasar  mlar  kullan lacak diyot seçimi, bu ıverilerden larak seçilir. Veri kitapç ıklar  ındanda aşa ğ  ıda belirtilen özellikler hakk nda kullanyararlan ıcıya ayr  ınt  ılı  bilgiler verilmektedir. Bu bölümde sizlere örnek olarak seçilmiş  bazı  diyotlar ın veri sayfalar ı  ve karakteristikleri verilecektir. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; erleri • Çalışma akım ve geriliminin maksimum de ğ erleri •  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 al ır. Veri tablosunda üreticilerin kulland ığı  sembollere sadık kalınmıştır. Sembollerle ilgili gerekli açıklamalar tablo sonunda verilmiştir. Pek çok üretici veri kitapç ıklarında bu sembol tanımlarına uymaktadır.

 

58

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Tablo-1.1 Bazı silisyum do ğ rultmaç rultmaç diyotlar ının karakteristikleri

VRRM

:

AÇIKLAMA

SEMBO 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 1N400 L 1 2 3 4 5 6 7

BİRİ 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  ju  jun nctio tion te tem mpera ratu ture re ra ran nge

TJ, Tstg 

Peak repertitive reverse voltage Working peak reverse voltage DC blocking voltage

 Av  Average rectifi tifie ed fo forrward current resistive(single-phase, load, 60Hz, TA=750C

-65.....+175

VRWM :  VRSM :  R(rms) :

 

V I0

:

IFSM

:

T J

: 

Tstg

:

59

0

C

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

SİLİSYUM HIZLI (FAST) Dİ YOTLAR  YOTLAR

SİLİSYUM DOĞRULTMAÇ D YOTLARI  İYOTLARI If (A) KILIF

1.0 A DO-15 PLASTİK

VRRM VOLT

1.5 A

3.0 A

DO-15 PLASTİK

6.0 A

DO-27A PLASTİK

1.0 A

P-6 PLASTİK

3.0 A

DO-15 PLASTİK

6.0 A

DO-27A PLASTİK

P-6 PLASTİK

      

50 100 200 300 400 500 600 800 1000

1N4001* 1N4002* 1N4003* ........... 1N4004* .......... 1N4005* 1N4006* 1N4007*

If (ort) If FSM T j

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



 



 



 

3A@105 C 200A 175 C



P600A P600B P600D ............. P600Q ............. P600J P600K

1N4933 1N4934 1N4935 ............. 1N4936 ............ 1N4937 ......... .........

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

 

If (A) KILIF

  1 .0 A

PLASTİK KILIF

İ YOTLAR SİLİSYUM KÖPRÜ D YOTLAR 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)

1A@25 C ....... 30A +175 C

If FRM If FSM T  j

 

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

........ 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

 

60

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

R62

R70

Kaplan

R72

DO-200

DO-5

DO-8

DO-9

Şekil-2.33 Çeşitli diyot kılı f tipleri ve kılı f kodlar ı 

BÖLÜM ÖZET İ 

 

•

AC gerilimin DC gerilime dönü ştürülmesinde 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 kullan ılarak 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 i şlemleri sonucunda çıkış işaretindeki rıpıllar (dalgalanma) minimum düzeye iner.

61

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

• •

 

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 gerçekle ştirilir.

•

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 T İP Dİ Dİ YOTLAR  YOTLAR  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: Bu bölümü bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiye sahip olacaksınız.

• • • • •

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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 ö ğrendiniz. 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 inceleyece ğiz.

 

64

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

 YOT 3.1 ZENER Dİ YOT

Zener diyot; ters polarma alt ında kır ılma bölgesinde çalışt ır ılmak üzere tasarlanmış pn bitişşimli bir devre elemanıd ır. Referans gerilimi temin etmek ve gerilim regülasyonu biti sa ğ lamak lamak amacı ile kullanılır. Bu bölümü bitirdi ğ   ğ inizde; inizde; aş aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı bilgilere sahip olacaksınız. Zener diyot sembolü Zener diyot’un çalışma bölgeleri ve kır ılma gerilimi Zener karakteristiklerinin analizi Zener veri sayfalar ı 

• • •

•

Zener diyot; pn bitişiminden oluşturulmuş  ve silisyumdan yapılmış  yarı  iletken devre ı

ı

ı ı

elemanlar ndand r. Zener diyot; ters polarma bölgesinde zener k r lma geriliminde çal ıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru polarma altında çalışması  doğrultucu diyot’la benzerlik gösterir. Şekil-3.1’de zener diyot’un şematik sembolleri verilmiştir.

K

Katod

 A

 Ano  An ot

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 biti şimi 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 verilmi şlerdir.

 

65

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

I F ( mA )

I F ( mA )

Doğru Polarma Bölgesi

Kır ılma

V R ( V  )

VBR Ters Polarma Bölgesi

Kır ılma

V R ( V  )

V F ( V  )

0.7V

Doğru Polarma Bölgesi

VZ 0.7V

Ters Polarma Bölgesi

V F ( V  )

I Z ( mA )

I R ( µ A )

a) Zener Diyot Karakteristiği

a) Silisyum Doğrultucu Diyot Karakteristiği

 

Şekil-3.2 Silisyum do ğ rultucu rultucu diyot ve zener diyot karakteristikleri  Zenerılıklar diyotvard ile silisyum diyot karakteristikleri arasında ters polarma bölgesinde önemli farkl ır. Silisyum diyot ters polarma dayanma gerilimi değerine kadar aç ık devre özelliğini korur. Zener diyot ise bu bölgede zener k ırılma 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 aras ında farklı k ırılma 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 kılı f tipleri  

66

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Zener K ırılma Karakteristiğ 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 de ğeri; 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. V R ( V  )

V Z  @ I ZT 

I Z  min

R Iz

+ VDD

I Z Test 

Vz

I Z  max 

I R ( mA )  

Şekil-3.5 Zener diyot’un ters polarma alt ında karakteristi  ğ  ğ i Zener diyot üzerinden geçen akım miktarı; Izmax değerini geçtiğinde zener bozularak işleviniveyitirir. detutulmal görüldüıd ğüır. gibi zener diyot üzerinden geçen Iz akımı; Izmin IzmaxKarakteristikten değerleri arasında 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 Eş değ ğer Devreleri Eşde 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 e şdeğer 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 =

∆V Z ∆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

V R ( V  )

IZ min

+ +

Zz Vz

Vz

+ ZZ =

∆VZ

∆VZ

∆IZ

a) İdeal zener eşdeğeri

b) Pratik zener eşdeğeri

IZ max c) zener karakteristiği

I R ( mA )

 

Şekil-3.3 Zener diyot eş eşde ğ er er devresi

Isıl Kararlılık   Tüm yarıiletken devre elemanları  gibi, zener diyotlarda çalışma ortamlarındaki ısıdan etkilenirler. Üretici firmalar zener diyot için gerekli karakteristikleri genellikle 25 0C oda sıcaklığı  için veririler. Is ı  artımında zener geriliminde oluşabilecek değişimler üretici kataloglarında belirtilir. ı

ı

0

ı ı

ı ı

ı

Örneğinoran çalında koışullar ndakiBuherözellik 1 C’likuygulamalarda s   art ş , zener geriliminde şma art şk %0.05   gösterir. dikkate alınmal(Vz) Yüksek ıdır. yakla 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 = V    Z ⋅ I Z(max)  

formülü kullanılarak bulunur. Zenerlerde maksimum dayanma gücü genellikle 500C için  

verilir. Çalışma koşullarındaki ısı değişimi, hesaplamalarda dikkate alınmalıdır. 68

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Zener Diyot veri sayfası  ı

ı

ı

karakteristiklerine sahip zener diyot ürettiklerini Üretici binlerce sizlere tip farklörnek  çal şma belirtmifirmalar ştik. Bu nbölümde olmas diyotlar firma ı  amacı  ile bazı zener ın üretici 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 (Kategori (Kategoriler) ler)

Symbol (Sembol (Sembol))

Value (De (Değer)

Unit (Birim)

DC power dissipation @ T A=500C Derete above 500C

PD 

1.0 6.67

Watt mW/C0 

Opereting and stor junction Temperature range

TJ, Tstg 

-65 to +200

0C

0

Electrical Characteristics (T A=25 C unless otherwise noted) VF=1.2Vmax IF=200mA for all types 0 Elektriksel karakteristikler (Aksi not olarak belirtilmedikçe T A=25 C’de) Tüm tipler için VF=1.2Vmax IF=200mA

JEDEC Type no

Nominal Zener Voltage VZ@IZT  Volts

Test Current IZT  mA

Maxsimum zener impedance impedanc e

Leakage Current

ZZT@IZT  Ohms

ZZK@IZK   Ohms

IZK  mA

IR  ų  A max m ax

VR  Volts

1N4728 1N4729 1N4730 1N4731 1N4732

3.3 3.6 3.9 4.3 4.7

76 69 64 58 53

10 10 9.0 9.0 8.0

400 400 400 400 500

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

100 100 50 10 10

1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

1N4733 1N4734 1N4735 1N4736 1N4737

5.1 5.6 6.2 6.8 7.5

49 45 51 37 34

7.0 5.0 2.0 3.5 4.0

550 600 700 700 700

1.0 1.0 1.0 1.0 0.5

10 10 10 10 10

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

1N4758 1N4759 1N4760

56 62 68

4.5 4.0 3.7

110 125 150

2000 2000 2000

0.25 0.25 0.25

5.0 5.0 5.0

42.6 47.1 51.7

Tablo-3.1 Çeş Çeşitli tip zener diyotlar ın bazı önemli karakteristikleri  

69

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

3.2 ZENER Dİ YOT  YOT UYGULAMALARI

Zener diyotlar genellikle dc güç kaynaklar ında gerilim regülasyonunu sa ğ lamak lamak amacı  ile kullanılırlar. Kar şıla laşşt ırma yapmak için referans gerilimi temininde de zener diyotlar sıklıkla kullanılır.  Regülasyon işlemi bir büyüklü ğ  büyüklü ğ ü, ü, baş başka bir büyüklük kar şısında kararlı  tutmakt ır. Örne ğ in in gerilim regülasyonu terimi; gerilimi, akımdan veya yükten ba ğ ımsız hale  getirip sabit bir de ğ  de ğ erde erde tutma anlamına gelmektedir. Bu bölümde; zener diyotla gerilim regülasyonunun nasıl gerçekleş gerçekleştirildi tirildi ğ   ğ ini ini ö ğ reneceksiniz. reneceksiniz. Ayr ıca 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. K ısaca 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 olu şturulmuştur. 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 IZ

IT Regülesiz DC kaynak

+

-

VGİRİŞ

 

Vz 12V

IL VÇIKIŞ

RL

 

Şekil-3.6 Zener diyotla gerçekleş 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. K ısaca tekrar hatırlayalım.

1-

Zener diyot ters polarma altında çalıştırılmalı 

2-

Zener’e uygulanan uygulanan gerilim, zener k r lma geriliminden (VZ) büyük olmal . (Vin>Vz) 

ı ı

 

70

ı

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

3-

Kaplan

Zener’den geçecek akım; Izmin  değerinden büyük, Izmax  değerinden küçük olmalı (Izmin57.8V

aralığında olmalıdır.

Değ ğişken yük ak ımında regülasyon De 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 De ğ işken yük akımında regülasyon Konuyu daha iyi irdeleyebilmek amacı  ile çeşitli uygulama örnekleri verilerek matematiksel analizleri yapılmıştır.

 

73

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Örnek:

Kaplan

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

3.2 R 470Ω

IT

+ 24V

-

 

IL

IZ

Vz 10V 1W

VIN

 

RL

VOUT

 

Çözüm:

Şekil-3.10 De ğ işken yük direncinde gerilim regülasyonu Devrede kullanılan zener diyodun karakteristikleri; V Z=10V, PD(max)=1W, IZmin=1mA olarak verilmiştir. Bu veriler ışığında gerekli analizleri yapalım. Devrede kullanılan zener diyodun dayanabilece ği maksimum akım değerini bulalım;

I Z(max) =

PD(max) V Z

=

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;

V IN  = R  ⋅ I T  + V Z  

 

I T  = I Z (max) =

V I N  − V Z R

=

24 − 10 470 Ω  

I T  = I Z(max) = 29.7 mA  

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

 

74

 

  ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

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

I T  = I Z(max)   +  I L(min)  

I T  = I Z (min)   +  I L (max)  

olacağı açıktır. Buradan yük ak ımının 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) =

V Z I L (max)

=

10V  28.7 mA

= 348Ω

 

Sonuç: Elde edilen bu veriler ışığında devremizin regüle işlemini yerine getirebilmesi

için RL Yük direncinin alabileceği değerler aralığı; 398Ω>RL>∞ 

ı Zener’le birş gerilimindeki gerilim regülatörü tasarlan rkenakdikkat edilmesi gereken faktörler vard ır. Bunları giri değişimler ve yük ımındaki 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 i şlevini yerine getirebilmesi için gerekli R ön direncinin olması gereken değerini hesaplayınız?. R I

T

+

Vz V

20V

10V

IN

-

 

I

Z

I

L

  Ω 1K

R

L

V

OUT

1W

 

Şekil-3.11 Zenerle gerilim regülasyonu  

75

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

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

 I  Z (max)

Çözüm:

=

=

 P   D (max) V  Z 

1W  10V 

 

= 100mA

 

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

V Z = V OUT  RL

=

10 = 10mA   1K Ω

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 ( = 100mA + 10mA = 110mA  

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

V IN  = R min ⋅  I T (max) + V Z   V I N  − V Z

R min =

R max =

I T (max) V I N  − V Z

I T (min)

=

20 − 10

= 90Ω  

110mA 20 − 10 = = 909 Ω   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

2  R

 

=

=

90Ω − 909Ω 2

90Ω − 909Ω 2

76

≅ 470Ω  

≅

470Ω  

 

  ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Zener’le k ırpıcı devreler Zener diyot’un sıklıkla kullanılan bir diğer uygulama alanı  ise kırpıcı  devre tasarımıdır. ı

ı

ı

ı

ı

Özellikle işaretlerin lmas   ve farkl formlar dönü ve türülmesi için zener diyotlar sıac klıkla kullanılkır.rpBu bölümde ac   idalga şaretlerin kırpna dalga formlar ılmasını  ş ının 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 iş işaretin pozitif alternansının kırpılması  Şekil-3.13de görülen devrede ise sinüsoydal giri ş  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 iş 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

VIN +10V t

Vz1

Vz1

+

0

VOUT

R

t

VOUT

VIN

Vz2 Vz2

-10V

 

Şekil-3.14 Sinüsoydal bir iş işaretin negatif ve pozitif alternanslar ının kırpılması 

3.3 VARİ Dİ YOT  YOT VARİKAP Dİ Varikap diyot, pn ekleminden üretilmiş üretilmiş  yar ıiletken bir devre elemanıd ır. Kimi kaynaklarda “varaktör (varactor) diyot” olarak adland ır ılır. P-N bitiş bitişimi ters gerilim alt ında bir miktar kapasitif etki gösterir. Bu özellikten yararlanılarak varikap diyotlar üretilmişştir. üretilmi Varikap diyot, genellikle iletiş iletişim sistemlerinde kanal seçici (tuning) devrelerin tasar ımında kullanılır. Bu bölümü bitirdi ğ   ğ inizde; inizde; aş aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı bilgilere sahip olacaksınız. • •

•

Varikap diyot’un temel yapısı ve sembolü Varikap diyot’un çalışma karakteristikleri Varikap diyot’un veri sayfalar ı 

P-N bitişimi ters yönde polarmalandığında bir miktar kapasitif etki oluşturur. P-N bitişiminin bu özelliğinden yararlanılarak varikap diyotlar geli ştirilmiştir. Varikap diyodu; ters polarma altında kapasitansı  değişen diyot veya yar ıiletken 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 eş eşde ğ er er devresi Varikap diyodun kapasitif değerini, pn bileşiminin fakirleştirilmiş  bölgesinde belirlenmektedir. Üretimde kullanılan katkı  maddesi ve fiziksel boyut kapasitif de ğeri etkileyen diğer faktörlerdir. Kapasitif etkinin nasıl oluştuğu şekil-3.16 yardımıyla görselleştirilmiştir. Varikap diyoda uygulanan ters polarma de ğerine bağlı  olarak kapasitif etkinin değiştiğine dikkat ediniz.  

78

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

p

n

Fakirleştirilmiş Bölge

-

+ VDD

VDD

 

Şekil-3.16 Varikap diyodun temel yapısı ve çalışması  Varikap diyodun kapasitesi uygulanan ters gerilimin de ğerine bağlı  olarak bir kaç pF’dan yüzlerce pF’a kadar de ğiştirilebilir. Şekil-3.17’de tipik bir varikap diyodun karakteristiği verilmiştir. Karakteristik eğriden görüldü ğü gibi ır.varikap diyoda uygulanan ters polarite artışı, diyodun kapasitif değerini azaltmaktad C(pF) R 60

+ 40

VDD

-

20

0

-2

-4

-6

-8

--1 10

-12

--1 14

VR (v)

 

Şekil-3.17 Varikap diyodun karakteristi  ğ  ğ i 

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 kullan ılması   

79

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 frekans ı (Q ≥  10 için) Fr; 1 F r  =   2 Π LC 

Genel veriler  Üretici firmalar kullanım amaçlarına bağlı  olarak yüzlerce farkl ı  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

CD, Diyod

Ters Yön

Kapasitesi VR=0.5VDC, f=1.0MHz

Kapasitesi VR=28VDC, f=1.0MHz

Gerilimi (VR)

Ters

İleri

Yön Yön  Ak ım ı   Ak ım ı  (IR) (IF)

Direnci r S 

Min

Max

Min

Max

Max

Max

Max

BB131

8pF

17pF

0.7pF

1. 1.05pF 05pF

30V

10nA

20mA 3Ω@200MH z

BB135

17.5pF

21pF

1.7pF

2.1pF

30V

10nA

20m 20mA A

0.7Ω@470 MHz

BB145

6.4pF 6.4pF

7.4pF 7. 4pF

6V

10nA

20mA

0. 0.6 6Ω@470 MHz

32V

200nA

20m 20mA A

1.2Ω@100

10V

3nA

30V

10nA

BB152 1V@52p 1V@62

4V@2. 2.7p 7p [email protected] F F 2.48pF

2.89pF

F pF BB190 1V@18p 1V@20 10V@6p 10V@6p F pF F F BBY40 3V@26p 3V@32 [email protected] 25V@6p F pF pF F

80

Max

MHz 0.4Ω@470 MHz 20mA

Şekil-3.19 Bazı Varikap diyotlar ın genel karakteristikleri

 

Seri Diyod

0. 0.7 7Ω@200 MHz

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

3.4 OPT İK Dİ Dİ YOTLAR  YOTLAR

Bu bölümde; optik özellik gösteren iki tür diyodu ayr ınt ılı  olarak inceleyece ğ  inceleyece ğ iz. iz. Bunlardan ilki ışık yayan diyot’tur. Bu diyot, genellikle LED ( Light Emitting Diode) olarak adland ır ılır. Optik özellik gösteren bir di ğ  di ğ er er diyot ise Foto-Diyot olarak adland ır ılır. Foto-diyot, ters polarma alt ında çalışacak şekilde tasarlanmışt ır. Ters polarma alt ında iletkenli  ğ  ğ i ışı ğ a duyarlıd  ır. Her iki diyot türü, özellikle optik uygulamalarda sıklıkla kullanılırlar. Bu bölümde;  I şık yayan diyotlar ın (LED) özellikleri ve karakteristikleri  Foto-Diyot özellikleri ve çal ışma karakteristikleri  Lazer Diyot

• • •

 Hakkında ayr ınt ılı 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 miktar ı  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 do ğru 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. Kat ot

Kat ot

+

n tipi madde

ı   k 

   ş 

I  

E  n  e r   j   i    s  i  

 _   Anot

n tipi madde

 Anot

a) Led’in ş em at ik gös t erim i

b) I ş ı k enerjisinin oluş mas ı

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

 

81

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 ak ım 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 farkl ılık gösterebilir. Gerekli maksimum değerler üretici kataloglarından temin edilebilir. Şekil-3.20’de LED’in doğru polarma altında çalışması ve V-I karakteristiği verilmiştir. IF(mA)

R IF

VDD

  + VRD

+

IF

VF

-

   i    t   e    d    d    i

+

      ş

-

   k    ı       ş    I

IF V F(v) 1. 5 5V V

a) LED’in ’in Doğru polarmalanmas polarmalanması

IF (mA)

2. 0V

b) LED’in ’in V-I Karakteristiği

c) LEDakımına bağlı olarak ış ık şiddeti

 

Şekil-3.20 Do ğ  Do ğ ru ru polarma alt ında 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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

1. 1.0 0

1.0

0. 0.9 9

0.9

0. 0.8 8     i     t    e     d     d     i

     l i        ş     e      Y

0. 0.7 7

    z     m     r      K

 r    a      S

0.8

 ı

              ı

              ı

 ı

    i     t    e     d     d     i

0. 0.6 6

        ş

0.7 0.6

        ş

    k

    k

   ı 0. 5    ı 0.5     i

   ı 0.5    ı     i

        ş

        ş

   p    s     i     N

   p    s     i     N

0. 0.4 4

0.4

0. 0.3 3

0.3

0. 0.2 2

0.2

0. 0.1 1

0.1

0

500

540

580  λ,

620

660

700

0

740

dalga ga boy u (nm)

880

900

920

a) Görülebilir ış ık (v i s i bl e l i ght)

940

960

980

1000

λ , dalga boy u (nm)

 

b) Görül emey en ış ık (Nonvisible infrared)

Şekil-3.21 Renklerin dalga boyuna göre ba ğ  ba ğ ıl şiddetinin grafi  ğ  ğ i  ı

ı

ı

Pek çok üretici kullan alankı rm veızgereksinime ba l   olarak LED üretilmektedir. üretimi yapar. Günümüzde sarıfirma, , turuncu, yeşm il ve ı  renklerde ış ıkğveren LED’ler Mavi ışık yayan LED üretimi şimdilik pek ekonomik değildir. Yakın gelecekte bu tür LED’lerinde seri tüketime sunulacak şekilde geliştirilebileceğini söyleyebiliriz. Bir çok farklı k ılıfa (yuvarlak, kare, diktörtgen v.b) ve boyuta sahip LED üretimi yap ılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bazı LED tiplerinin görünümü şekil-3.22’de verilmiştir.

Şekil-3.22 LED’lerde kılı f tipleri ve görünümleri Sınır Değ Değerler

Son yıllarda reklam sektöründeki gelişmeler, LED tüketimi ve kullan ımını  artırmıştır. Enerji tüketimlerinin oldukça az olması yaygın kullanımda etkendir. LED kullan ımında iki sınır de ğere özellikle dikkat edilmelidir. Bunlar ileri yönde maksimum geçirme akımı  IFM, ve maksimum ters tepe gerilimi V RM  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 ak ım 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

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 adland ırılan 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

D

B

F

E G

G D

F GND

G

GND C

E

F GND C

 A

 A

C dp

dp B

D

 

Led göstergenin oluşturulması  Ortak katodlu gösterge Ortan anotlu gösterge

Şekil-3.23 Led göstergenin temel yapısı ve tipik görüntüleri

Foto-Diyot Foto-diyot (Photo-diode), ışık enerjisine duyarlı  aktif devre elemanlarındandır. Ters polarma altında çalıştırılmak üzere PN bitişiminden üretilmiştir. Şekil-3.24’de fotodiyot’un sembolü ve birkaç farklı tip foto-diyot’un görünümü verilmi ştir. 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

B

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Foto-diyot; doğru polarma altında normal diyotlar gibi iletkendir. Ters polarma altında ise, üzerine uygulanan ışık yoğunluğuna bağlı olarak çok küçük bir ak ım akmasına izin verir. Dolayısıyla karanlık bir ortamda bulunan foto-diyot yal ıtkandır. Bir foto-diyot’un ışık enerjisine bağlı  olarak nasıl çalıştığı  şekil-3.26’da gösterilmiştir. Öncelikle foto-diyot ters polarma alt ında çalıştırılmıştır. Şekilde görüldüğü gibi karanlık ortamda foto-diyot’un direnci maksimumdur ve üzerinden ak ım akmasına izin vermez. Foto-diyot üzerine bir ışık kaynağı  uygulandığında ise µA’ler seviyesinde bir ak ım akmasına izin verir.

λ 

Işık Yok  

   0

Iλ

A  

 Amperme rmetre

VR

Işık Var   

   0

 

λ 

A  

 Ampermetre

 

λ 

VR

VR

 

Şekil-3.26 Foto-diyot’un çalışması  Bir foto-diyot’un karakteristiği üzerine gelen ışık gücüne bağlı olarak üreteceği foto-akım (I λ) miktarıdır. Karakteristikler genellikle watt ba şına akım miktarı olarak belirtilir. Şekil3.27’de bir foto-diyot için gerekli karakteristikler verilmi ştir. 100

2

mW/cm m H=20mW/c

50

10

   )    A   µ 20    (

   )    I    (  ,    ı   m    ı    k   a   o    t         λ

5

   ı   m10    ı    k

2

  a   o 5    t   o    F    L 2    I  ,

   F   o

1 0.5

1

0

0

Karanl ık, H

20

40

60

80

VR , ters gerilim (V)

100

 

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, ayn ı fazda, birbirine paralel, tek renkli (monochromatic), hemen hemen aynı frekanslı dalgalardan ibarettir. Optik frekans bölgesi yaklaşık olarak  

85

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 yar ıiletken lazere örnektir. Lazer diyot; Yarı  iletken diyot gibi p-n malzemenin birle şmesinden 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 elektronlar ın daha çok foton üretmesine sebep olurlar. Neticede yeterli seviyeye ula şan foton neşri, lazer ışınını meydana getirir. Bu tür lazerler verimli ışık kaynaklarıdır. Genellikle boyları  bir milimetreden büyük de ğildir. Ancak çok verimli çalışma için ortam sıcaklığı oda sıcaklığının çok altına düşürülmelidir. Lazer diyot’un görünümü ve yap ısı şekil-3.25’de verilmiştir.

+  Anot

Metalleşme N tipi katman

P P Duvar ı N Duvar ı

Pn biti şimi

N

P tipi katman 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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 haberle şmede 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 olmas ından ise holografi ve ölçüm biliminde yararlanılır.

•

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

Lazer çe çeşşitleri: 

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 çal ıştırılırdı.

İlk gaz lazer’in üretiminde helyum ve neon kar ışımı  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 i şlemi 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 ç ıkmasıyla olur. Örneğin; hidrojen ve flüor elementleri tersine çevrilmiş  bir toplumda hidrojen flüorur meydana getirmek üzere reaksiyona girdiklerinde lazer etkisi ortaya ç ıkar. En çok kullanılan sıvı lazer türü, organik bir çözücü içindeki organik boyan ın 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 yay ınlarında olduğu gibi lazer yayını  için uygun bir ortam de ğildir. 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 de ğişik 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 i şlerinde kullanılır. Lazer, uzayda mesafe ölçmede kullanılır. Peykler arasındaki mesafeyi 25cm hata ile ölçebilmektedir. Lazerle ilk mesafe ölçümü, 1962 senesinde, Ay’a yerle ştirilen argon-iyon lazeri ile yapılmıştır. Lazer, inşaatlarda, boru ve tünel yapımında, yön ve doğrultu ı

ı

ı

tayininde ve tespitinde klasik teodolitlerden çok daha mükemmel ve kullan şl d r.  

87

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Lazer; askeri alandaki mesafe bulma ve yer tan ıma maksadıyla kullanıldığı  bilinmektedir. Gece karanlığında gece görüş  dürbünleri ile operasyon yap ılabilir. Çok ba lıklıın füzelerin hafızalarına yerleştirilen hedef resmi, füze hedefe yaklaşınca lazer ışını  ileştan ır. 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 tekni ğidir. Tıpta lazer “kansız ameliyat” maksatları ile kullanılır. Yırtılmış göz retinası, lazer ışını ile acısız ve süratle dikilir. Vücudun çe şitli 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. gelişmeler: Lazer teknolojisinde beklenen geliş

Nükleer enerji alanında lazerin çeşitli gelişmelere yol açacağı umulmaktadır. En önemlisi başlatılması zor olan termonükleer-füzyon olay ının (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 T İP Dİ Dİ YOTLAR  YOTLAR

Bu bölümde elektronik endüstrisinde azda olsa kullan ılan bazı özel amaçlı diyot türleri tanıt ılacak 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 yap ısı , sembolü ve karakteristikleri Tunel diyot’un yapısı , sembolü ve karakteristikleri

 İ ncelenecektir. ncelenecektir. 

 

88

 

  ANALOG ELEKTRONİK- I

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 de ğiştiremezler (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. Kullan ım 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

Katod

bitişimi

Kat od

Anot N

 Anot

Anot

 

Şekil-3.26 Şotki Diyot’un sembolü ve yapısı 

Pin Diyot Pin diyotlarda P ve N eklemleri yo ğun bir şekilde katkılandırılmıştır. Fakat bu iki malzeme katkısız bir silisyum malzeme ile ayrılmıştır. Ğin diyot, Ters yönde polarmalandırıldığında sabit bir kondansatör gibi davran ır. Doğru yönde polarmalandığında ise değişken bir direnç gibi çalışır. Pin diyot bu özelliklerinden dolay ı 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

Kat od

Anot N

i

+

P

CR

 _ 

b) Ters polarma eğdeğer i

+

 _ 

c) Doğru polarma eşdeğeri

a) Temel Yapısı

 

Şekil-3.27 Pin Diyot’un temel yapısı ve eş eşde ğ  de ğ er er devreleri  

RF

89

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Tunel Diyot Tunel Diyot (Tunnel diode), di ğer diyotlar gibi PN bitişiminden üretilmiştir. Üretiminde germanyum veya galyum arsenit kullan ılır. 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 karakteristi ğ  karakteristi ğ i Tunel diyot, doğru polarma altında çok küçük gerilim de ğerlerinde dahi iletimdedir ve üzerinden bir akım akmasına izin verir. Bu durum karakteristikte A-B noktaları arasında görülmektedir. Tunel diyot üzerine uygulanan do ğru yöndeki polarma gerilimi, tunel diyot kırılma (barrier) gerilimi değerini aştığında tunel diyot negatif direnç özelliği gösterir. Bu noktada (B noktası) tunel diyot üzerinden geçen ak ım miktarı arttığı halde, üzerine düşen gerilim azalır. Bu durum negatif direnç özelli ğidir. 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 aç ıklayalım. 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 oluş oluşumu Bu devreye bir tunel diyot ilavesiyle osilasyon sürekli hale gelir. Devrenin çal ışmasını  kısaca açıklayalım. S anahtarı  kapatıldığında tunel diyot tetiklenerek tank devresine enerji pompalar. Tank devresinde salınım oluşur ve tunel diyot kesime gider. Tank  

90

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 gerçekleş gerçekleştirilen osilatör devresi

3.7 BÖLÜM ÖZET İ  •

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 yap l r. Zenerin temel işlevi üzerine uygulanan ters gerilimi, k r lma gerilimi değerinde sabit tutmakt r.

•

ı ı

ı ı

 

ı

•

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 oldu ğunda 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 ileti şim sistemlerinde; modülatör, otomatik frekans kontrolü ve filtreleme devrelerinde kullan ılır.

91

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

•

Şotki (Schottky) diyotlar, çok yüksek frekanslarda anahtarlama elemanı  olarak ı

•

Kaplan

ı ı

ı

ı

çal şt r lmak üzere tasarlanm şlard r. Pin diyot, özellikle mikro dalga devrelerinde çal ıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Doğru yönde sabit bir kondansatör etkisi, ters yönde ise ayarl ı  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 yap ılmaktadır.

•

Fasklı  dalga boylarında gözle görülemeyen ışık yayan LED üretimi de yapılmaktadır. Bu tür LED’lere infrared ad ı 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.

Do ğrult m aç D iy odu

Zener Diyot

LED

Şot k i Diy ot

T unel D iy ot

λ 

Foto Diyot

Şekil-3.30 Özel tip diyotlar ın şematik sembolleri 

 

92

 

 

BÖLÜM 4

 

 

4

BİPOLAR JONKSİ JONKSİ YON  YON TRANSİ TRANSİSTÖR 

Üretilen ilk yar ıiletken transistör ve bulan bilim adamlar ı 

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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Elektronik bilimi, 1904-1947 yılları  arasında elektron lambalarının kullanımıyla gelişip önem kazandı. İlk diyot lamba 1904 y ılında J.A. Fleming tarafından yapıldı. 1906 yılında Lee De Forest, diyot lambaya üçüncü elektrodu ilava ederek Triyot lambay ı  geliştirdi. zleyen yıllarda elektron lambalarındaki gelişmelere paralel olarak ilk radyo ve İtelevizyon üretildi. 1931-1940 yılları kat ı maddeler elektroniği hakkında daha ziyade teorik çal ışmalar 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 att ı. 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 yak ın şekilde bağlanmasından ibaretti. Kolay tahrip olması  ve fazla dip gürültüsü olmas ı sebebiyle çok tutulmamıştır. 1949'da William Schockley taraf ından 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 yap ısını, özelliklerini ve çalışmasını inceleyeceğiz.

Çeşitli tip transistörlerin görünümleri

 

94

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

TRANSİİSTÖRÜN YAPISI  YAPISI  4.1 TRANS

Transistörler, kat ı-hal "solid-state" devre elemanlar ıd ır. Transistör yapımında silisyum, germanyum yada uygun yar ıiletken kar ışımlar kullanılmaktad ır.  Bu bölümde; Bipolar Jonksiyon transistörlerin temel yapısını  inceleyece ğ iz. iz. Transistör sözcü ğ ü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Di ğ er er transistörler adlar ı  ile anılırlar. FET,  MOSFET, UJT... gibi. Bipolar Transistörler npn ve pnp olm olmak ak üzere iki temel yap ıda üretilirler Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; aşa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı  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 ço ğunluk 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 Temasl ı Transistör" denirdi. Günümüzde transistörler yapım itibari ile bir tost görünümündedir. Transistör imalat ında 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 kullan ılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yar ıiletken 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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Transistörün her bir terminale i şlevlerinden 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 yap ısı  ve şematik ı sembolleri verilmiştir. Fiziksel yaparas dan da görüldü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter bölge ğü“beyz-emiter jonksiyonu”, beyzındaki kollektör arasındaki bölge ise “ beyz-kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katk ılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur.

B (Beyz)

N P N

Beyz-Kollektör  Jonksiyonu

B (Beyz)

B (Beyz) Beyz-Emiter  Jonksiyonu

P N P

Beyz-Kollektör  Jonksiyonu

B (Beyz) Beyz-Emiter  Jonksiyonu

E (Emiter)

E (Emiter)

E (Emiter)

C (Kollektö ( Kollektör) r)

C (Kollektö ( Kollektör) r)

C (Kollekt ( Kollektör) ör)

C (Kollektö ( Kollektör) r)

a) NPN tipi T ransistö ransistörr fizik se sell yap yap ı ssı  veş emati k sem sembolü bolü

E (Emiter)

b) PNP tipi T r an ansistör sistör fi zikse ziksell yap yap ı ssı  veş emati emati k ssem embol bol

 

Şekil-4.2 NPN ve PNP tipi transistörlerin fiziksel yap ısı ve şematik sembolleri

TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞ 4.2 TRANSİ ÇALIŞMA İLKELER LKELERİİ  Bipolar transistörlerin genelde iki çalışma modu vard ır. 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 ve akımlar ının yönleri terstir. Buinedenle  NPN tipi transistörlerin çalgerilimi ışması  incelenecektir. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; nizde; asadece şa ğ ıda belirtilen konular hakkında ayr ınt ılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • •

Transistörlerin do ğ ru ru ve ters yönde polarmaland ır ılması  Transistörlerde polarma gerilimlerinin ba ğ lant  lant ı yönleri Transistörlerde oluşan akım ve gerilim ilişkileri Transistörde beyz, emiter ve kollektör akımlar ı arasındaki ilişkiler  

Transistörler genellikle çalışma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalışma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adland ırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar i şlevi 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

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 verilmi ştir. 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 Doğ ru Polarma

-

+  

- +

R

VBC BC Ters Polarma

 

Şekil-4.3 NPN ve PNP transistörlerin polarmaland ır ılması 

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 geçi ş  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 çal ıştırılacak 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 Ta şıyıcılar ı

N

P

E

 Az ınlık Akım Ta şıyıcılar ı

N

N C

Geçiş Bölgesi

P

N

E

B

C

B

VEB

Geçi ş Bölgesi

VCB

Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlar ının do ğ ru ru ve ters polarmadaki davranışlar ı 

 

97

 

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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

 Azınl ık Akım Taşıyıcılar  lar ı

IC0 E

C

Çoğ unluk Akım Taşıyıcılar  lar ı

IC

IE Geçi ş Bölgeleri

VEB

B VCB

IB

 

Şekil-4.5 NPN tipi transistörde ço ğ unluk unluk ve azınlık akım taşıyıcılar ının 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) iletkenli ği düşüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda taşıyıcı  yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör ak ımlarına 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 ba ğlı 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 elektronlar ın küçük bir miktarı  ile beyz akımı olu şmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir k ısmı 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

= I C  + I B

 

Kısaca, kollektör akımının miktarı  beyz akımının miktarı  ile doğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden ba ğımsızdır. 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 do ğru yönde, beyzkollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir. 98

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

•

Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz ak ımı küçük olmasına rağmen transistörün ı

•

Kaplan

ı

çal şmas  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.

TRANSİİSTÖR PARAMETRELERİ PARAMETRELERİ VE KARAKTERİ KARAKTERİST İKLER KLERİİ  4.3 TRANS

Transistörle yapılan her türlü tasar ım ve çalışmada dikkat edilmesi gereken ilk konu, transistörün dc polarma gerilimleri ve akımlar ıd ır. Transistörlerin dc analizlerinde kullanılacak iki önemli parametre vard ır. Bu parametreler;  β DC  (dc akım kazancı ) ve  DC olarak tanımlanır. Bu bölümü bitirdi ğ inizde; inizde; aşa ğ ıda belirtilen konular hakk ında ayr ınt ılı bilgilere sahip olacaksınız. Transistörde dc beta (  β DC ) parametrelerinin tanıt ımı  • Transistörde dc alfa (  DC ) parametrelerinin tanıt ımı  •  β DC ve  DC parametrelerinin kar şılaşt ır ılmalar ı 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 polarmaland ır ılması 

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

99

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

DC Beta (ßDC) ve DC Alfa (αD 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  =

I C    I B

β ak ım kazancı bir transistör için tipik olarak 20-200 aras ında 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; I C  =  β  ⋅ I B  

olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; IE=IC+IB  idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek; I E =  β  ⋅ I B + I B   I E

=

I B (1  + β )  

değeri elde edilir. Ortak beyzli ba ğlantıda akım kazancı olarak bilinen  değeri; kollektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır. α  =

I C    I E

Emiter akımının kollektör akımından biraz daha büyük oldu ğu belirtilmişti. Dolayısıyla transistörlerde   akım kazancı 1’den küçüktür.   akım kazancının tipik değeri 0.95-0.99 arasındadır. Emiter akımı; I E=IC+IB de ğerine eşitti. Bu eşitlikte eşitliğin her iki tarafı IC’ye bölünürse; I E I  C 

=

I  C  I C 

+

I B I  C 

⇒

I E I  C 

=

I B   1 + I  C 

DC=IC/IE ve βDC=IC/IB olduğundan, yukarıdaki formüle yerleştirilirse 1 1 = 1+   α   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  ak ım kazancı de ğerinde çok küçük bir değişimin, β akım kazancı de ğerinde çok büyük miktarlarda değişime neden olacağı yukarıdaki formülden görülmektedir.

 

100

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

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 

I E

=

I C  I B

  ⋅ I B I C  =  β 

⇒

= I C  + I B =

α  =

(1 +  β ) ⋅  I B  β 

  1 +  β 

=

=

( 1 + 200) ⋅ 75 µ  A = 150.75mA  

α  =

⇒

( 200 ⋅ 75 µ  A) = 150mA  

200 1 + 200

=

0.99  

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 de ğerini 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.    )

   C    D

        β    (    ı   c   n   a   z   a    k  

  m    ı

70

T=125 0C

50 T=250 C

30

T=-15 0C

   k   a   20   m   u   m    i 10   n    i    M

1.0

0

T=-55 C

2.0

3.0

1 10 0

20

30

50

100

200

IC (mA)

 

Şekil-4.8 Sıcaklık ve kollektör akımındaki de ğ işime ba ğ lı olarak  β DC’nin de ğ işimi

Transistörde Ak ım ve Gerilim İli lişşkileri  Bir transistör devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ilişkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri aras ında oluşan gerilim ve akımlar birbirinden bağımsız değildir. Transistörün her bir jonksiyonundan geçen ak ımlar ve jonksiyonlar arasında oluşan gerilimler şekil-4.9 üzerinde gösterilmiş ve adlandırılmıştır.  

101

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

II.GÖZ

RC

IB IE IC

IC V CB + + RB

 _  +

IB VBB

V BE

VCC

VCE

: Beyz ak ı m ı  (dc) : Emiter ak ı m ı  (dc) : Kollektör ak ı m ı  (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

VBB  gerilim kaynağı  ile doğru

Transistörün beyz-emiter jonksiyonu

yönde

polarmalanmıştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise V CC  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. V BE ≅ 0.7V    Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa; V BB

=

I B ⋅ R B + V BE  

olur. Buradan beyz akımı çekilirse; V BB − V BE

I B

=

=

I B ⋅ R B  

V BB − V BE   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

=

I C 

⋅

R

C 

 

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlan ırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa; V CC  = ( I C  ⋅ RC  ) + V CE   V CE

= V C C  −

( I C  ⋅ RC  )  

olarak bulunur. Örnek 4-2 RC

Yanda verilen devrede; transistörün polarma ak ım ve gerilimlerini bulunuz?

100Ω

VCB + + RB 10KΩ

 _  +

 

VCE

V BE

I B=?, I C=?, IE =?

VCC 10V

V BE=?, V CE=?, V CB=?

 _   _ 

5V

V =0.7V BE β=200

  Çözüm: 

V BB I B  β DC  =

=

I C  I B

=

I B ⋅ R B + V BE  

V BB − V BE RB

5V − 0.7V    = 430 µ   A   10K 

I C  =  β   ⋅ I B

⇒

α  =

=

 β 

  1 + β 

⇒

=

α  =

( 200 ⋅ 430 µ  A) = 86mA   200 = 0.99   1 + 200

V CC  = ( I C  ⋅ RC  ) + V CE   V CE

= V C C  −

( I C  ⋅ RC  ) = 12V − (86mA ⋅ 100Ω) = 3.4V  

VCB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır.

V CC  = ( I C  ⋅ RC  ) + V CB + V BE   V CB V CB

 

=

= V CC  −

( I C  ⋅ RC  ) − V BE  

12 − (86mA ⋅ 100Ω) − 0.7V  = 2.7Volt  

103

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Transistörün Giriş  Karakteristiğ ği  Giriş Karakteristi Karakteristik eğri, herhangi bir elektriksel elemanda ak ım-gerilim ilişkisini gösterir. ı

ı

ı

iki ayr   karakteristik riye sahiptir. Transistörün giriş  Transistör; ş  ve ç k ş  için karakteristiğgiri i beyz-emiter gerilimi ile beyz akımı  araseğındaki ilişkiyi verir. Transistörün giriş karakteristiğini çıkarmak için şekil-4.10’daki bağlantıdan yararlanılır. Transistörün giriş  karakteristiklerini elde etmek için, kollektör-emiter gerilim (V CE) parametre olarak alınır ve bu gerilime göre beyz ak ımı  (IB) değiştirilir. Beyz akımındaki bu değişimin beyz-emiter gerilimine (V BE) 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) T  T  T 1

2

3

RB

VCC

IB

T1>T2>T3

VBB

VBE 0 0.5

0 .7

VBE (V)

  Şekil-4.10 Transistörün giriş karakteristi ğ inin inin çıkar ılması ve giriş karakteristi ğ i

Transistörün Çık ış Karakteristi  Karakteristiğ ği   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 düzene ği ve transistörün çıkış karakteristik eğrileri şekil-4.11’de ayrıntılı olarak verilmiştir. RC

IC

IC

RB

IC (mA)

C

B

VCC

VCE

IB VBB

 A 0 ı

 

ı

ı

VCE (V)

0 .7 ı

ı

ı

 

ı

Şekil-4.11 Transistörün ç k ş karakteristiklerinin ç kar  lmas  ve ç k ş karakteristikleri 104

 

 

ANALOG ELEKTRONİK- I

Kaplan

Devredeki VBB  kaynağı  beyz akımını  ayarlamada kullanılır. Bu kaynağın oluşturduğu beyz akımı  değerine bağlı olarak transistörün kollektör akımı de ğişecektir. Karakteristik ı

ı

B

C

CE

ç karmak I   ve V  belirli gerilimleri kaydedilir. şlangıçtaiçin Ba VCCfarkl =0, I C=0 ve IV CEde =0ğerleri iken için VBB’nin bir IB ölçülür değeri ve 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 V CE 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 giri ş  ve çıkış  karakteristik eğrilerini kataloglarında kullanıcıya sunarlar. Şekil-4.12’de farklı beyz akımlarında transistörün çıkış karakteristik ı

ı

ı

ı

ekarakteristik tir. Transistörlerle ğrileri verilmi eğşrilerden yararlanılır.yap lan devre tasar mlar nda üretici firman n verdiği 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

VCE (V)

VCE (V) Transistörde kır ılma gerilimi sın ır ı

I B1