Elektronik 1 - BJT Tranzistörler Özet Konu Anlatımı Ve Çözümlü Sorular

YARI İLETKEN MALZEMELER VE PN BİRLEŞİMİ

BJT’ler çoğunlukla yükseltme ve anahtarlama gibi uygulamalarda kullanılan bir elemandır. Transistör iki birleşimli PN yapısına ve Beyz, Emiter ve Kollektör olmak üzere üç bağlantı ucuna sahiptir. Bu kısımda incelenecek konular.        

Transistörün yapısı Transistörün çalışması Transistörün parametreleri Transistörün çalışma durumları Transistörün karakteristik eğrisi Transistörün yükseltici ve anahtar olarak kullanılması DC analiz Transistör testi anlatılacaktır.

Transistörün Yapısı: 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. Genel olarak transistör denilince akla BJT’ler gelir.

BJT' nin Yapısı: BJT’ler elektronik endüstrisinin en temel yarı iletken devre elemanlarındandır. BJT "bipolar junction transistor" – "Çift kutuplu yüzey birleşimli transistör" kelimelerinin başharfleridir. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır. Transistör ilk icat edildiğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara “Nokta Temaslı Transistör” denirdi. Günümüzde transistörler yapım itibarı ile bir tost görünümündedir. Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birleşimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılırlar.

Bipolar birleşimli transistörler katkılanmış üç tabakadan oluşur. Bu üç tabaka Emitter (emiter), Collector (Kolektör) ve Base (Beyz)’dir. P ve N tipi malzemelerin yerleşim sırasına bağlı olarak BJT’nin PNP ve NPN olmak üzere iki çeşidi vardır.

NPN

PNP

C (Kollektör)

C (Kollektör)

N

P

C

C IC

IC IB

IB P

2 m

0.3mm

B (Beyz)

I

B

IE N

E (Emiter)

B (Beyz)

N

I

B

IE

E P

E (Emiter)

BJT’lerde beyz bölgesi, emitere göre daha az katkılanır ve daha dar tutulur. Bunun nedeni taşıyıcıların geçişini kolaylaştırmaktır.

E

+ + + + +

+ + + + +

+ + + + +

Transistörün Çalışması:

NOT: Transistörlerin çalışma prensiplerinin benzer olması nedeniyle açıklamalarda sadece NPN tipi transistör verilecektir.

+

+

+

+

+

BJT nin çalışması için gerekli koşullar: BJT’nin çalışabilmesi için; baz-emiter birleşimi düz yönde, baz-kollketör birleşimi ise ters yönde kutuplandırılmalıdır. Bu çalışma biçimine transistörün aktif bölgede çalışması denir. Baz akımı olmadan, emiter-kollektör birleşimlerinden akım akmaz. Transistör kesimdedir. Baz akımı küçük olmasına rağmen transistörün çalışması için çok önemlidir. PN birleşimlerinin karakteristikleri transistörün çalışmasını belirler. Örneğin; transistör, VBE olarak tanımlanan beyz-emiter birleşimine doğru yönde bir başlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin değeri silisyum BJT’ lerde 0.7V, germanyum BJT’lerde ise 0.3V civarındadır.

BJT Akım ve Gerilimleri Emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı oluşur ve elektronların geri kalan büyük kısmı ile de kolektör akımı oluşur. Buradan hareketle emiterden enjekte edilen elektronların miktarının, beyze doğru ve kollektöre doğru akan miktarın toplamı kadar olduğu söylenebilir. Buna göre emiter akımı; IE = IB + IC

IC = βIB

IE = (1+β)IB

Akım yönü elektron akışının zıt yönü alınarak yandaki sembol gösterime gidilir.

TRANSİSTÖRÜN KARAKTERİSTİK EĞRİLERİ: Transistörün Giriş Karakteristiği: (IB = f (VBE)) Transistörler bağlantı türlerine göre ortak emiterli, ortak kolektörlü, ve ortak bazlı olmak üzere üçe ayrılır. Bir ortak emiterli devrede giriş gerilimi base-emiter arasındaki gerilimdir. Giriş karakteristiği base akımının base-emiter arası gerilimle değişimini göstermektedir.

IB = f(VBE) karakteristiği yanda çizilmiştir. Bu karakteristik bir diyodun I-V karakteristiği ile aynıdır.

Transistörün Giriş Karakteristiği: (IB = f (VBE)) Ortam sıcaklığı arttıkça bir diyot elemanı daha düşük gerilimlerde iletime geçer. B-E arası bir diyot görünümünde olan BJT’nin sıcaklıkla değişimi aşağıdaki gibidir.

B 1

2

3

1

2

BE

3

Transistörün Çıkış Karakteristiği: (IC = f(VCE)) Transistörlerin çıkış karakteristiği farklı base akımları için IC ve VCE nin değişimini göstermektedir. Çıkış karakteristiğini elde etmek için aşağıdaki devreden yararlanılır.

VCE = VCC – RC * IC

D BÖ OY LG UM ES İ

Karakteristiği çıkarmak için önce VBB gerilimi belli bir değere ayarlanır. Böylece IB, dolayısıyla IC akımı sabit tutularak VCC kaynağı ayarlanarak farklı VCE gerilimlerinde akan IC değerleri ölçülerek karakteristik çıkarılmış olur. Elde edilen bu eğri sadece o an geçerli olan base akımı içindir.

Transistörlerin Çalışma Durumları B-E arasındaki PN birleşimi ve B-C arasındaki PN birleşimleri birer diyot gibi modellenebilirler. Bir BJT için; emiter diyotun iletimde olduğu durumda B-E gerilimi VBE ≈ 0,7V civarında, B-C arası ise VBC ≈ 0,5V civarındadır. Her zaman için emiter diyotun eşik gerilimi kollektör diyottan daha büyüktür. -

C

+ N

Kollektör diyot VBC

VBC

- C + IC

+ +

P

B

B

VCE

+ I B VCE

+ IE Emiter Diyot VBE N

-

E

VBE

-

E

-

Emiter ve kollektör diyotların durumları BJT’nin çalışma durumunu belirlemektedir. Eğer hem VBE ve hem de VBC kendi eşik gerilimlerinden daha düşük iseler her iki diyotta yalıtımdadır. Bu şekliyle transistör “KESİM” bölgesindedir. Eğer her iki diyot iletimde ise (VBE ≈ 0,7 ve VBC ≈ 0,5V) transistör iletimdedir ve kollektörden maksimum akım akar. Bu durumda transistör “DOYUM (Saturasyon)” bölgesindedir. Eğer emiter diyot iletimde kollektör diyot yalıtımda olacak şekilde transistör kutuplanırsa (VBE ≈ 0,7 ve VBC 0 VCE = VC – VE = 10 – 0 = 10V P = VCE * IC = 130mW

ÖRNEK: VB = VE + 0,7 = 0,7V

VE = 0V

VBE = 0,7V

BJT’ nin AKTİF bölgede olduğu kabul edilirse; IC = β * IB = 100 * 0,03mA = 3mA VC = VCC – RC * IC = 5 – 1K * 3mA = 2V IB = 0,03mA,

IC = 3mA,

IE = 3.03mA

VB = 0,7V,

VC = 2V,

VE = 0V

VCB = VC – VB = 2 – 0,7 = 1,3V>0 VCE = VC – VE = 2 – 0 = 2V P = VCE * IC = 2 * 3mA = 6mW

Kesim ve Doyum Durumları: a)Kesim Durumu: Kesim durumunda her iki diyotta yalıtımdadır. (VCB > 0, VBE < 0,7)

VE = 0V, VB = 0,7V alalım;

Base akımı negatif olamaz. Bu nedenle transistör kesim durumundadır. Öyleyse gerçekte IB = 0A’dir. Eğer Base akımı 0A ise transistörün tüm akımları sıfırdır. VB = 0V, VE = 0V, VC = 5V, VCB = 5V

b) Doyum Durumu: +5V RC 2K

BJT’ nin AKTİF bölgede çalıştığı kabul edilirse;

VE = 0V, VB = 0,7V, +5V

100K

IC = 100 . IB = 100 . 0,043mA = 4,3mA =100 VBE = 0,7V

VC = VCE = VCC – RC * IC = 5 – 2K * 4,3mA = -3,6V Uygulanan gerilim 5V olduğundan Kollektör gerilimi negatif olamaz. Yani VCE 0 ile 5V arasında olmak zorundadır. Dolayısıyla hesaplanan tüm akım ve gerilimler doğru değerler değildir. VCB ve VCE bu devre için hiçbir zaman negatif olamaz. O halde bu transistor AKTİF bölgede değildir.

Eğer kollektör-base gerilimi negatif ise kollektör diyodu iletimdedir ve aynı şekilde emiter diyot da iletimdedir. Her iki diyodun iletimde olması doyum durumunu belirtir Kollektör-base PN birleşimi iletimde olduğunda, buna karşılık gelen gerilim yaklaşık 0,5V’tur. Kollektör diyot iletimde olduğunda gerçek base-kolektör gerilimi; VBC ≈ 0,5V ve VCEsat = VBE - VBC = 0,7 – 0,5 = 0,2V Basitlik amacıyla kollektör gerilimi yaklaşık emiter gerilimine eşit alınır. VCEsat ≈ 0V → VC ≈ VE Eğer transistör doyumda ise base akımındaki değişim kollektör akımında değişime neden olmaz.

Transistör doyumda ise; VC≈ VE = 0

IB = 0,043mA

IE = IB + IC = 0,043A + 2,5mA = 2,543mA VB = 0,7V VC = 0V (transistör doyumda VC = VE) VCB = -0,5V VCE = 0V (yaklaşık) P = VCE * IC ≈ 0W

ÖRNEK:

Şekildeki devrede transistörü doyuma götürmek için VBB’nin min. değeri ne olmalıdır? (VCEsat 0)

Çözüm: IBmin noktasında transistör doyum ile aktif bölgenin sınırındadır. Dolayısıyla bu nokta; IC = β * IBmin = IC(sat)

(VCEsat 0)

  200

Çözüm:

ICsat 5mA Transistörün doyumda olabilmesi için VBB ≥1,95 olmalıdır.

ÖRNEK: Transistörün doyumda olması için RB direncinin max. değeri ne olmalıdır? Çözüm:

  200

RB ≤ 52K olduğu sürece transistör doyumda çalışır.

ÖZET: KESİM DURUMU → VBE < 0,7V

VBC < 0,5V

IB = IC = IE = 0A

AKTİF DURUMU

→ VBE = 0,7V

VBC < 0,5V

VC > VE

IB, IC, IE > 0A

DOYUM DURUMU → VBE = 0,7V

VBC = 0,5V

VC ≈ VE

IC = IC(sat)

IC = β * IB

1. Eğer VBB ≤ 0,7V ise transistör kesimde, tüm akımlar 0A 2. Eğer VBB > 0,7V ise transistörün AKTİF durumda olduğu kabul edilir. 3. Eğer IB > 0 ise IC = β . IB bağıntısı kullanılabilir. 4. VCB > 0.5 ise transistör AKTİF bölgededir. Analiz sonlandırılır. 5. VCB < 0.5 ise transistör doyumdadır. Doyuma göre yeniden çözüm yapılmalıdır.

TRANSİSTÖRLERDE KODLAMA VE KILIF TİPLERİ  Uluslar arası birçok firma transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen her bir transistör farklı özellikler içerebilir. Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen her bir transistör; üreticiler tarafından bir takım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler bu kodlarla anılırlar. Üretilen her bir transistörün çeşitli karakteristikleri üretici tarafından kullanıcıya sunulur. Uluslararası Standart Kodlama: Transistörlerin kodlanmasında bir takım harfler kullanılmaktadır. Örneğin; AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 vb gibi birçok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rastgele değil uluslararası standartlara göre belirlenir ve anlamlıdır. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan başlıca 4 tip kodlama vardır: Avrupa Pro-Electron Standardı (Pro-Electron) Amerikan Jedec Standardı (EIA-Jedec) Japon (JIS) Doğu Blok (eski SSCB)

Pro-Electron Standardı: Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlamaya örnekler: AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 vb. Kodlamada genel kural; önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. İlk harf: Transistörlerin yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile başlar. Ör: AC121, AD161 vb. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise B harfi ile başlar. Ör: BC121, BF254 vb. İkinci harf: Transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar aşağıda verilmiştir. AC:düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmıştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi.. BC:düşük güçlü alçak frekans transistörüdür. Silisyumdan yapılmıştır. BC147, BC547 gibi…. BD:düşük güçlü, yüksek frekans transistörü. BD135, BD240, BD521 gibi…. BF:düşük güçlü, yüksek frekans transistörü. BF199, BF240, BF521 gibi…. BL:büyük güçlü, yüksek frekans transistörü. BL240, BL358, BL521 gibi… BU:büyük güçlü anahtarlama transistörü. BU240, BU521 gibi.. Üçüncü harf: Üçüncü harf endüstriyel amaçla özel yapıldığını belirtir. Örnek olarak; BCW245,BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A vb gibi.

Diğer Kodlama Türleri ve Standartlar: Avrupa pro-electron standardına göre kodlamaya ilave olarak Amerikan ve Japon üreticilerinin uydukları kodlamalar ve anlamları aşağıda liste olarak verilmiştir. Bazı büyük üretici firmalar ise kendi kodlarıyla özel üretim yapmaktadırlar. Özelliklerini kataloglardan temin edebilirsiniz.

Transistör kategorileri ve kılıf tipleri Uluslar arası transistör üreticileri üretimlerini genellikle 3 temel kategoride gerçekleştirir. Bu kategoriler; Genel amaçlı/alçak frekans transistörleri Güç transistörleri Radyo frekans (RF) transistörleri Genel Amaçlı/Küçük Sinyal Transistörleri: Bu tip transistörler genellikle orta güçlü yükselteç veya anahtarlama devrelerinde kullanılır. Metal veya plastik kılıf içinde üretilirler. Şekilde plastik kılıfa sahip standart transistör kılıf tipleri, kılıf kodları ve terminal isimleri verilmiştir.

Genel amaçlı alçak sinyal plastik transistör kılıfları ve terminal isimleri

Aşağıdaki şekilde ise “genel amaçlı/alçak frekans transistörleri” kategorisinde bulunan ve metal kılıf içinde üretilen bazı transistörlerin kılıf kodları ve terminal isimleriyle birlikte verilmiştir. Farklı terminal bağlantılarına ve kılıf tipine sahip onlarca tip transistör vardır. Ayrıntılı bilgileri üretici kataloglarından elde edebilirsiniz.

Genel amaçlı alçak sinyal metal transistör kılıfları ve terminal isimleri

Güç Transistörleri: Güç transistörleri yüksek akım ve gerilim değerlerinde çalıştırılmak üzere tasarlanmıştır. Dolayısıyla boyutları oldukça büyüktür. Bu tip transistörler genellikle metal kılıf içinde üretilirler. Transistorün gövdesi metaldir ve kollektör terminali metal gövdeye monte edilmiştir. Şekilde yaygın olarak kullanılan bazı güç transistörlerinin kılıf kodları ve terminal bağlantıları verilmiştir.

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

ÖRNEK-19:

2N3904’ün katalog değerleri

Sembol

Karakteristik

Min.

Max.

Test Koşulları

BVCB0 BVEB0  . . . VBE(sat) VCE(sat)

Kolektör-base dayanma gerilimi Emiter-Base dayanma gerilimi DC Akım Kazancı . . . Base-Emiter Saturasyon Gerilimi Kollektör-Emiter Sat. Gerilimi

60V 6,0V 40 90 60 40 -

360 0,85 0,25

IC = 10μA, IE =0A IE = 10μA, IC = 0A IC = 0,1mA,VCE= 5,0V IC = 1,0mA,VCE= 5,0V IC = 10mA,VCE= 5,0V IC = 50mA,VCE= 5,0V IC = 50mA, IB= 5,0mA IC = 50mA, IB= 5,0mA

5.5. TRANSİSTÖRLERDE DC ÇALIŞMA NOKTASI Transistorün bir yükselteç olarak çalışabilmesi için DC kutuplandırma gereklidir. Uygulanan DC kutuplandırma nedeniyle çıkış karakteristiği üzerinde bir noktaya karşılık gelen belirli bir akım ve gerilim değeri vardır. Transistörün sahip olduğu akım ve gerilim değerini gösteren bu nokta “çalışma noktası” ya da “sükunet noktası” olarak adlandırılır (Quiet-Q).

Çalışma noktası örnekleri

Lineer yükseltme

Lineer olmayan yükseltme

Lineer olmayan yükseltme

Lineer olmayan yükseltme

5.6. DC YÜK DOĞRUSU: DC yük doğrusunu çizmek için aşağıdaki devreyi örnek alalım. Çıkış çevresinden; 200

IC

22K

VCC 0-10V

VBB 0-5V

IB

Çıkış karakteristiği üzerinde bu iki noktanın birleştirilmesiyle yük doğrusu çizilmektedir.

IB akımı ayarlanarak farklı base akımlarına karşılık çalışma noktaları yük doğrusu üzerinde hareket eder. Doğrusal yükseltme için çalışma noktası yük doğrusunun tam ortası seçilmelidir

DC kutuplamanın etkisini ve önemini anlamak üzere şekildeki devrede IB akımını farklı değerlere ayarlayalım. Ayarladığımız her bir akım değerine karşılık transistörün ve değerlerinin nasıl değiştiğini inceleyelim. İlk olarak VBB kaynağını ayarlayarak değerini IB=200µA yapalım. Bu durumda transistörün kollektör akımı IC ve kollektör-emiter gerilimi VCE; IC=IB=100.200A=20mA VCE=VC-(ICRC)=10-(20mA.220=5.6V Bu değerlere karşılık gelen çalışma noktası transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi olacaktır.

Transistörün beyz akımının IB=300µA yapılması durumunda ise kollektör akımı; IC=IB=100.300A=30mA Kollektör-emiter gerilimi: VCE=VC-(ICRC)=10-(30mA.220=3.4V Bu değere karşılık gelen transistörün çalışma noktası transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q2 olacaktır

Son olarak beyz akımının IB=400µA olması durumunda çalışma noktası; IC=IB=100.400A)=40mA Kollektör-emiter gerilimi: VCE=VC-(ICRC)=10-(40mA.220=1.2V Bu değere karşılık gelen transistörün çalışma noktası transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q3 olacaktır.

Transistörün beyz akımındaki değişim kolektör akımını değiştirmekte dolayısıyla transistörün kollektör-emiter gerilimi de değişmektedir. Örneğin IB akımındaki artma IC akımını arttırmaktadır. Buna bağlı olarak VCE gerilimi azalmaktadır. Bu durumda VBB geriliminin ayarlanması ile IB değeri ayarlanmaktadır. IB‘nin ayarlanması ise transistorün DC çalışma noktasını düzgün bir hat üzerinde hareket ettirmektedir. Q1, Q2 ve Q3 olarak belirtilen çalışma noktalarının birleştirilmesiyle bir DC yük doğrusu elde edilir.

DC yük doğrusu yatay ekseni 10V’da kesmektedir. Bu değer VCE=VCC noktasıdır. Bu noktada transistör kesimdedir. DC yük doğrusunun düşey ekseni kestiği nokta ise 45.45mA’dir. Bu değer ise transistör için doyum noktasıdır. Transistörün doyum noktasında IC maksimumdur. Kollektör akımı;

ÖRNEK: Şekildeki devrenin yük doğrusunu çizerek Vi girişine karşılık çıkış işaretlerini çiziniz.

VBB = 1V RC

VCC = 10V RC = 1KΩ

RB

VCC (2)

Vİ (1) VBB

RB = 8KΩ β

= 100

VBE =0,6V Vİ

= 0,35 sint

RC

RB

VCC (2)

Vİ (1) VBB

DC Analiz (Vi = 0): Giriş Çevresinden;

Çıkıştan Çevresinden;

-VBB - Vİ + RB . IB + VBE = 0

ICQ = β . IB = 5mA

VCEQ = VCC – RC . IC = 10 – 1KΩ . 5mA = 5V

AC Analiz (Vi = 0,35 sint) RC

RB

VCC (2)

Vİ (1) VBB

IC = β . IB = 5mA + 3,75 sint mA VCE = VCC – RC . IC = 10 – 1K . (5mA + 3,75 sint mA) = 5 – 3,75 sint

AC Analiz (Vi = 0,35 sint) IB=0,05 + 0,0375 sint mA VCE =5 – 3,75 sint Kazançlar: Akım Kazancı (AI) = Çıkış Akımındaki Değişim / Giriş Akımındaki Değişim

Gerilim Kazancı (AV) = Çıkış Gerilimindeki Değişim / Giriş Gerilimindeki Değişim

Güç Kazancı(AP) =AV.AI = 100 . 12,5 =1250

AC Analiz (Vi = 0,35 sint)

IC (mA) 10

Yük doğrusu Giriş baz akımının AC sinyali

8,75 5

IBQ = 0,05mA Q

1,25

Çıkış kollektör akımının AC sinyali

1,25

5

8,75

VCE(V) 10

Çıkış kollektör-emiter geriliminin AC sinyali

5.7. ÇIKIŞIN BOZULMASI:

Q çalışma noktası doyum veya kesim bölgelerine yakın seçilirse giriş işaretine bağlı olarak çıkış işaretinde bozulmalar olabilir. Bununla birlikte Q çalışma noktası tam orta noktada olsa bile giriş işaretinin genliği büyükse yine çıkışta bozulmalar olabilir.

Doyum bölgesine yakın çalışma IB

IC Doyum

Q

IC

VCE(V)

Doyum

VCE

Kesim bölgesine yakın çalışma IB

IC(mA)

IC Q VCE(V) Kesim Kesim

VCE

Büyük genlikli giriş işareti ve yük doğrusunun orta noktasında çalışma IB

IC(mA) Doyum

Doyum

IC

Kesim

Q

VCE(V)

Kesim

Doyum

VCE Kesim

5.7. TRANSİSTÖR DEVRELERİNİN DC ANALİZİ 5.7.1. TRANSİSTÖRLERİN ÖNGERİLİMLENMESİ

DC öngerilimlemenin amacı, transistorün belirli bir çalışma noktasında çalışmasını sağlamaktır. Bir transistorü istenilen çalışma noktasına getirip öngerilimleme yapıldıktan sonra, sıcaklığın etkisi de göz önünde bulundurulmalıdır. Sıcaklık, akım kazancı ve kaçak akım gibi transistör karakteristiklerinin değişmesine yol açar. Sıcaklık artışı, oda sıcaklığına göre daha fazla akıma yol açar ve böylece öngerilimleme devresiyle belirlenen çalışma koşulunu değiştirir. Bu nedenle, öngerilimleme devresinin belirli bir oranda sıcaklık kararlılığını sağlayarak transistordeki sıcaklık değişimlerinin çalışma noktasında meydana getireceği değişimi en aza indirmesi gerekir.

5.7.1. TRANSİSTÖRLERİN ÖNGERİLİMLENMESİ Sabit öngerilimli devre

Bir BJT’ nin öngerilimlenmesi baz-emiter ve baz-kollektör DC öngerilimlenme çevre denklemleri ayrı ayrı ele alınarak analiz edilebilir. BJT’ nin doğrusal bölgede çalışabilmesi için baz-emiterin ileri, baz-kollektörün ise ters öngerilimli olması gerekir.

RB

RC

AC Çıkış İşareti AC Çıkış İşareti

VCC

5.7.1. TRANSİSTÖRLERİN ÖNGERİLİMLENMESİ Baz-Emiterin ileri öngerilimlenmesi

IB

RB

Kollektör-Emiterin ileri öngerilimlenmesi

RC IC

+ VCC

VCE

+

VBE

-

V V IB  CC BE RB

-VCC+IB RB+ VBE=0

VCC

-

IC=βIB -VCC+IC RC+ VCE=0 VCE= VCC-IC RC

ÖRNEK: RB

Şekildeki devrede, VCC=12V, RB=240kΩ, RC=2.2KΩ olduğuna göre b=50 ve b=100 için IB=?, IC=?, IE=?, VCE=?

RC

AC Çıkış İşareti

VCC

AC Giriş İşareti

Çözüm: Devrenin baz-emiter çevresinden; β=50 için I B 

V C C  V B E 1 2  0 .7   4 7 .0 8 μ A , I C  β I B  2 .3 5 4 m A , RB 240K

I E  ( 1  β )I B  2 .4 0 1 m A

β=100 için I B 

V C C  V B E 1 2  0 .7   4 7 .0 8 μ A , I C  β I B  4 .7 0 8 m A , RB 240K

I E  ( 1  β )I B  4 .8 0 2 m A

Devrenin kollektör-emiter çevresinden; β=50 için VCE= VCC-IC RC=12-2.354*2.2kΩ

VCE=6.83V

β=100 için VCE= VCC-IC RC=12-4.708*2.2kΩ

VCE=1.642V

kolektör akımı (IC) ve kollektör-emiter gerilimi (VCE)’nin değişim yüzdeleri: % I C 

I C( b100)  I C( b50)

% VCE 

I C( b50)

*100 

VCE( b100)  VCE( b50) VCE( b50)

4.708mA  2.354mA *100  %100 2.354mA

*100 

1.642  6.83 *100  %75,95 1.642

ÖRNEK: RB

Şekildeki devrede, VCC=12V, RB=240kΩ, RC=2.2KΩ, RE=0.8KΩ olduğuna göre b=50 ve b=100 için IB=?, IC=?, IE=?, VCE=?

RC

AC Çıkış İşareti

VCC

AC Giriş İşareti

RE

Çözüm: Devrenin baz-emiter çevresinden; β=50 için

IB 

β=100 için I B 

V CC  V BE 1 2  0 .7   4 0 .2 4 μ A , I C  β I B  2 .0 1 2 m A , RB 2 4 0 K  ( 5 0  1 ) 0 .3 K

I E  ( 1  β ) I B  2 .0 5 2 m A

V CC  V BE 1 2  0 .7   3 5 .2 2 4 μ A , I C  β I B  3 .5 2 2 m A , RB 2 4 0 K  ( 1 0 0  1 ) 0 .8

I E  ( 1  β ) I B  3 .5 5 7 m A

Devrenin kollektör-emiter çevresinden; β=50 için VCE= VCC-IC RC-IE RE =12-2.012*2.2kΩ-2.052*0.8kΩ VCE=5.932V

β=100 için VCE= VCC-IC RC-IE RE =12-3.522*2.2kΩ-3.557*0.8kΩ VCE=1. 406V

kolektör akımı (IC) ve kollektör-emiter gerilimi (VCE)’nin değişim yüzdeleri: % I C 

I C( b100)  I C( b50)

% VCE 

I C( b50)

*100 

VCE( b100)  VCE( b50) VCE( b50)

3.522mA  2.012mA *100  %75 3.012mA

*100 

1.406  5.932 *100  %76 5.932

Emiter Kutuplamalı Devre Emiter kutuplaması transistörün kararlı çalıştırılması için geliştirilmiş bir diğer kutuplama yöntemidir. Bu kutuplama tipinde pozitif ve negatif olmak üzere iki ayrı besleme gerilimi kullanılır. VCC ve VEE olarak adlandırılan bu kaynaklar transistörün kutuplama akım ve gerilimlerini sağlarlar. Bu devrede VCC ve VEE eşit olduğu takdirde beyz gerilimi yaklaşık 0V’dur. Bu nedenle bu kutuplama şekli bazı kaynaklarda simetrik kutuplama olarak da adlandırılmaktadır. Giriş çevresinden, RC

RC

IC

- VEE  VBE  I B R B  I E R E IC

VCC

VB

RE

VEE

VEE  VBE R BB  (1  β)R E

VCC RB

RB

IB 

IB

RE

IE

IE VEE

Çıkış çevresinden, 0 = -VCC-VEE+ VCE – ICRC - IERE VCE = VCC+VEE – ICRC - IERE

ÖRNEK Yanda verilen devrede β değerinin 50’den 100’e çıkması durumunda çalışma noktasında meydana gelecek değişimleri analiz ediniz. VCC=15V RC 22K

β=50 için; Giriş çevresinden, IB 

VEE  VBE 15  0,7   I B  33μA R BB  (1  β)R E 15k  51 * 8,2k

IC  βI B  1.65mA I E  (1  β)I B  1,683mA RB 15K

VC VB

RE 82K

VE

Çıkış çevresinden, 0 = -VCC-VEE+ VCE – ICRC - IERE VCE = 30-1,65m*2,2k-1,683m*8,2k VCE =12,569V

-VEE=-15V

β=100 için; Giriş çevresinden, IB 

VBB  VBE 15  0,7   I B  16,96 μA R BB  (1  β)R E 50k  101 * 8,2k

IC  βI B  1.696mA ( %2.8) I E  (1  β)I B  1,713mA

Çıkış çevresinden, 0 = -VCC-VEE+ VCE – ICRC - IERE VCE = 30-1,696m*2,2k-1,713m*8,2k VCE =12,222V (-%2,83 değişim)

Akım Kazancı Kararlı Devre Yukarıdaki öngerilimleme devresinde, kolektör akım ve gerilim değerleri akım kazancıyla orantılı olarak artmaktadır. Ancak β değeri özellikle silisyum tabanlı transistörlerde sıcaklığa karşı oldukça duyarlıdır. Ayrıca β nın anma değeri tam olarak tanımlanmadığından öngerilimleme devrelerinin beta değişimlerinden fazla etkilenmemesi istenir. Aşağıdaki devre bu tip devreler için bir örnektir.

R1

RC C2 AC Çıkış

C1 AC Giriş

VCC

R2

RE

CE

Devrenin çözümünde iki temel yöntem vardır. Birinci yöntem devrede beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük ise uygulanır. Bu yöntemde I1=I2 varsayılarak çözüm üretilir. İkinci yöntemde ise devre analizi beyz akımı dikkate alınarak yapılır. Çözüm tekniğinde thevenin teoreminden yararlanılır. Yöntem 1: Bu yöntemde beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük kabul edilir. Rin direncinden akan akımın R2 direncinden çok büyük olduğu kabul edilir (Rin>>R2). Devrenin eşdeğeri aşağıdaki şekilde verilmiştir. Eşdeğer devrede; R1 ve R2 dirençlerinin birleştiği noktada elde edilen gerilim, transistörün beyz kutuplama gerilimi olacaktır. +Vcc R1

I1 R I

VCC

in

1

 R

 I

2

RE

R1

2

 I

IB=0 B

I2 R2

VB geriliminin değeri;

RC

IB ihmal edildiğinden IE=IC olur. R2

Rin

VC= VCC – ICRC VCE =VCC-ICRC-IERE

Yöntem 2: Gerilim bölücülü kutuplama devresinde bir diğer yöntem ise Thevenin teoremini kullanmaktır. Bu yöntem tam çözüm sunar. Devrenin Baz ucunun Thevenin eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çıkarılabilir. +Vcc RC

R1 R1

I2

RBB

R BB  R1//R 2

R2

R2

V  * VCC BB R  R 1 2

R2

VCC VBB

RE I1

Giriş çevresinden, -VBB+IBRBB+VBE+IERE=0 VBB  VBE IB  R BB  (1  β)R E I C  βI B I E  (1  β)I B

Çıkış çevresinden,

-VCC+ICRC+VCE+IERE=0 VCE =VCC-ICRC-IERE

ÖRNEK Yukarıdaki devrede R1=39kΩ, R2=3.9kΩ, RC=10kΩ, RE=1,5kΩ, VCC=22V olduğuna göre, devreyi tam çözüm yönteminden yararlanarak β=50 ve β=100 için çözünüz.

Çözüm: Devreye thevenin teoremi uygulanırsa, VB 

R2 39k VCC  22  2V R1  R 2 39k  3,9k

β=50 için; Giriş çevresinden, IB 

VBB  VBE 2  0,7  R BB  (1  β)R E 3,545k  51*1,5k

R BB 

R1R 2 39k.3,9k   3,545kΩ R1  R 2 42,9k

β=100 için; Giriş çevresinden, IB 

VBB  VBE 2  0,7  R BB  (1  β)R E 3,545k  101*1,5k

I B  16.24 μA

I B  8,384 A

IC  βI B  0.812mA

IC  βI B  0.838mA (%3.2 deg isim )

I E  (1  β)I B  0,828mA

I E  (1  β)I B  0,846mA

Çıkış çevresinden,

Çıkış çevresinden,

VCE =VCC-ICRC-IERE =22-0,812m*10k-0,828m*1,5k VCE =12,638V

VCE =VCC-ICRC-IERE =22-0,838m*10k-0,846m*1,5k VCE =12,351V (-%2,27 değişim)

ÖRNEK:

Şekildeki devrede DC analiz yaparak transistörün hangi bölgede çalıştığını belirleyiniz.

+12V

RC

2,2K

Çözüm: Base toprağa bağlı olduğundan base-emiter birleşimi iletimde olamaz. Dolayısıyla, IB, IC, ve IE sıfırdır. Her iki diyot yalıtımda olduğundan transistör kesim bölgesindedir.

RE

1K

VC = VCC = 12V

ÖRNEK: DC analiz yaparak transistörün hangi bölgede çalıştığını belirleyiniz. VCC

-11V

RC

VE = VEB = 0,7V

1K

b  100 VEB= 0,7 IE RE

Çözüm:

2,2K

IE 

V E E  V E 1 1V  0 ,7 V   4 ,6 8 m A RE 2 ,2 K

IB 

IE 4 ,6 8 m A   0 ,0 4 6 3 m A 1 b 101

I C  b I B  4 .6 3 m A I E  (1  b ) I B  4 , 6 8 m A IC . RC = VC – VCC →VC = VCC + IC . RC

+11V VEE

VC = -11V + (4,63mA) * (1K) = - 6,37V VCB < 0 olduğundan BJT Aktif bölgededir

ÖRNEK: Şekildeki devrede DC analiz yaparak tüm noktalardaki gerilimleri ve tüm kollardaki akımları bularak transistörün hangi bölgede çalıştığını belirleyiniz. (VCESAT = 0.2V) Çözüm:

+15V

(1) numaralı çevre denkleminden; RC

5K

VBB = RB . IB + VBE + IE . RE +5V

= RB.IB + VBE + (1 + β) . RE . IB

RB (2)

IB 

33,3K

(1)

RE

3K

V BB  V BE R B  ( 1  b ). R

IC = 1.27mA,

 E

5  0 ,7 4 ,3 V   0 ,0 1 2 7 m A 3 3 , 3 K  ( 1 0 1 ). 3 K 3 3 6 , 3 K

IE = 1,282mA

VB = VBB – RB.IB = VBE + RE . IE

VB = 0,7V + (1,282mA).3K = 4,548V

(2) numaralı çevre denkleminden;

+15V

RC

VC = VCC – RC . IC

5K

= 15V – (1,27 mA) *.5K = 8,65V +5V

RB (2)

VCB = VC – VB = 4,1V

33,3K

(1)

VC > VB olduğundan kollektör diyot ters kutuplanmıştır. Dolayısıyla transistör AKTİF bölgededir. RE

3K

ÖRNEK: Q1 ve Q2 transistörlerinin hangi bölgelerde çalıştıklarını belirleyiniz (IB akımları ihmal edilecektir). +15V R1

RC1

100K

4,3K

Çözüm : I. Transistöre thevenin teoremi uygulanırsa;

Q2

E TH 

50K .1 5 V  5 V 150K

Q1

RTH = 50K // 100K = 33,3K R2

RE1

50K

3K

RE2

b1b2100

3K

Bu şekildeki ard arda kuplajlı devrelerde önce birinci katın çözümü yapılarak analizi tamamlanır. Sonra bu katta bulunur ve kollektör gerilimi ikinci katın giriş gerilimi alınarak işleme devam edilir. Bu şekilde yapılan çözüm yaklaşık çözümdür.

Çözüm:

I B1 

Q1 için; +15V

5  0 ,7  1 2 ,7 8  A 3 3 ,3 K  1 0 1,3 K

IC1 ≈ IE1 = 1,278mA

RC1 4,3K

VE1= IE1 . RE1 = 3,835V Q2

RTH=33.3K

VCE1 = 4,775V

Q1

VTH =5V

VB1 = VBE1+IE1.RE1=0,7+3,834 = 4,534V

RE1 3K

VCE1 = VCC – IC1 . RC1 – VE1 =15 – 3,835 – 6,39

RE2

3K

VC1 = VCC – IC1 . RC1 = 15 – (1,278mA) . 5K = 8,61V VCB1 = 8,61 – 4,534 = 4,076V VC1 > VB1 Q1 AKTİF bölgededir.

Q2 için; VB2 = VC1 = 8,61V +15V R1

RC1

100K

4,3K

IE2 

V B 2  V B E 2 8 ,6 1  0 ,7   2 ,6 3 6 m A 3K 3K

Q2

VE2 = IE2 * RE2 = 7,91V Q1

R2

RE1

50K

3K

VC2 = VCC = 15V VCE2 = VC2 – VE2 = 15 – 7,91 = 7,09V RE2

3K

VC2 > VB2 olduğundan Q2 AKTİF bölgede çalışmaktadır.

5.6. TRANSİSTÖRÜN SAĞLAMLIK TESTİ Bir transistör, devrede ya da devrede değilken test edilebilir. Aşağıdaki basit bir transistör devresinde 4 adet test noktası seçilmiş ve çeşitli arızalar için olabilecek olası durumlar verilmiştir (4)

Test Noktaları

RC

OLASI DURUM

(3)

(1)

VBB

RB

(2)

VCC

1

2

3

4

VBB kısa devre

0V

0V

VCC

VCC

VCC kısa devre

VBB

0,7V

0V

0V

RB açık devre

VBB

-

VCC

VCC

RC açık devre

VBB

0,7

-

VCC

B-E birleşimi açık devre

VBB

VBB

VCC

VCC

B-C birleşimi açık devre

VBB

0,7

VCC

VCC

5.6. TRANSİSTÖRÜN SAĞLAMLIK TESTİ Transistorü test etmenin en basit yollarından birisi, transistörü devreden çıkararak tek başına sağlamlığını kontrol etmektir.

Bu amaçla bir avometrenin diyot konumundan yaralanılır. NPN ve PNP transistorlerin eşik gerilimlerinin okunması suretiyle bacakları saptanabilir ve sağlamlığı test edilebilir.

Ko

ll

r tö k e

yo Di

t

C Ko

B Em

ll

r tö k e

yo Di

t

C

Hatırlatma:

Emiter diyot eşik gerilimi ≈ 0,7V

B

ite

Em rD

i yo

t

E

ite

Kolektör diyot eşik gerilimi ≈ 0,5V rD

i yo

t

E

5.10. DARLİNGTON BAĞLANTI: Yüksek akım kazancı elde etmek için transistörler “darlington” olarak adlandırılan bir bağlantı şekliyle kullanılırlar. İki tip darlington bağlantı mevcuttur. i. npn-npn Darlington Bağlantısı:

VC IC

Akım Kazancı

VC1 IB1

IC = IC1 + IC2

IC = β1 . IB1 + β2 . IB2

VB

VC2 Q1 IC1

VB1

VE1

IC = β1 . IB1 + β2 . IE1 IC = β1 . IB1 + β2 . (1 + β1) . IB1 IC = IB1 . [β1 + β2 . (1 + β1)]

IC2

IE1

VB2 Q2 IB2

IE2 VE2 IE VE

5.10. DARLİNGTON BAĞLANTI: ii. npn-pnp Darlington Bağlantısı:

IE2 IB2 Q2 IB1

IC = IC2 + IE1

IC1

IC = β2 . IB2 + (1 + β1) . IB1

Q1

IC = β2 . IC1 + (1 + β1) . IB1 IC2

IC = β2 . β1 . IB1 + (1 + β1) . IB1 IC = [β1 . β2 + (1 + β1)] . IB1

IE1

IC

5.10. DARLİNGTON BAĞLANTI: ÖRNEK: Şekildeki devrede VCE2 = 6V olabilmesi için R direncinin değeri ne olmalıdır. β1 = β2 =25

+24V I1 330

IB1

IC1

IC2

R

ÇÖZÜM: I1 = I2 ve I1 =IB1 + IC1 + IC2

Q1

= IB1 [1 + β1 + β2 + β1 . β2] = 676 IB1 Çıkıştan; 24 – 6 = 330 I1 + 120 I2 → I1 = I2 = 40mA I B1 

18  5 9 .1 7 µA 4 5 0 .6 7 6

Girişten; 24 – 0,7 – 0,7 = 330 I1 + R . IB1 + 120 I2 R 

Q2

2 2 ,6  4 5 0 .4 0 m A  7 7 .7 4 K  5 9 .1 7  A

120 I2

5.11. KASKAD BAĞLANTI Örnek: Şekildeki devrede Q1 ve Q2 transistörlerinin hangi bölgede çalıştığını belirleyin (IB akımları ihmal edilecek). +12V Çözüm:

R1 40K

RC 5K

Q2 R2 10K

Q1

Kaskad bağlı yükselteçler yüksek giriş direnci ve yüksek kazanç sağlamak için kullanılırlar. Devrede kullanılan kapasiteler dc analizde açık devre, ac analizde ise kısa devre yapılarak çözüm devam ettirilir. β1 = β2 = 100 VBE1 = VBE2 = 0,7

Vİ

R3 10K

RE 1K

5.11. KASKAD BAĞLANTI Yukarıdaki devre dc analiz için yeniden düzenlenirse; (IB1 ≈ IB2 ≈ 0 ) +12V

V B1 

10K .1 2  2 V 10K  10K  40K

VE1 = VB1 – 0,7 = 2 – 0,7 = 1,3V

IE1

1,3 V   1 ,3 m A 1K

IC1  I

E 1

ve I

E 2

 I C 1 o ld u g u n d a n

R1 40K

VB2

VC2 Q2

R2 10K

I C 2  I E 2  I C 1  I E 1 = 1 ,3 m A

5K

VE2 VC1

VC2 = VCC – RC . IC2 = 12 – 5K . 1,3mA = 5,5V

V B2 

R2R3 20K . V CC  .1 2  4 V R1 R2  R3 60K

VC1 = VE2 = VBE2 – 0,7 = 3,3V VC2 > VE2 ve VC1 > VE1 Her iki transistör AKTİF bölgededir

Q1

VB1 R3 10K

VE1 1K

ÖRNEK Şekildeki devrede V1 ve V2 girişlerine karşılık VO1 ve VO2 çıkışlarının ne olacağını belirleyiniz (Öngerilimleme transistörleri doyumda tutacak şekilde tasarlanmıştır). +VCC

RC

RC RB3 Q3

VO2

RB1 V1

Q1

RB2 V2

Q2

VO1

V1

V2

VO1

VO2

0 0 1 1

0 1 0 1

1 1 1 0

0 0 0 1

ÖRNEK:

+15V

RC

VBE1 = VBE2 = 0,7

RC

β1 = β2 = 60 RB = 10K , RC = 6,8K

V1

V2

VCE1 = VCE2 = 8V ise IE1 = ? RE = ?

RB

RB RE

IE

VEE =-15V

+15V

ÇÖZÜM: RC

RC

(1) V1

V2

Simetriden dolayı;

RB RB

(2)

RE

15  15 

IE

VEE =-15V

β1 = β2 = 60, RB = 10K , RC = 6,8K VCE1 = VCE2 = 8V, VBE1 = VBE2 = 0,7

I E1 * R B  V BE1  2 I E1 * R E 1  b1

(1  b 1 ) * ( V C C  V C E 1  V B E 1 )  1 ,1 8 m A b1 * R C  R B

V CC  V BE 1  RE 

b1 . I E1 . R C  V CE1  2 I E1 . R E 1  b1

1 5  I B1 * R B  V BE1  I E * R E 

IE1 

IE = IE1 + IE2 = 2IE1

RB * I E1 1  b1

2 I E1



 (2 )

10 K * (1,18 mA ) 61  5 ,97 K  2 * 1,18 mA

15  0 , 7 

 (1 )

ÖRNEK Şekildeki devrede S anahtarı kapalı R anahtarı açık tutulduğunda VO1 ve VO2 gerilimlerinin değerini hesaplayınız +5V

VCEsat = 0,2

R4 2K

R1 2K

β1 = β2 = 50

VO1 VO2

VB = 5V

R2 20K

R3 20K

R5

R6 Q2A

25K

Q2

Q1

Q1A 25K

S

R

VB

VB

+5V R4 2K

R1 2K

β1 = β2 = 50 VB = 5V VCEsat = 0,2

VO1 VO2 R2 20K

R3 20K

R5

R6 Q2A

Q1

Q2

Q1A 25K

25K S

R

VB

VB

ÇÖZÜM: I B 2  V B  V B E 2 A  5  0 , 7  1 7 2 µA R

5

25K

IC2 = 50 * 172µA = 8,6 mA

I C2 A - sat 

5  0 .2  2,4mA 2K

IC2A-sat