-mersin-niversitesi-temel-elektronik-d

advertisement
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1
BÖLÜM 1
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ELEKTRİK AKIMI
ELEKTRİK AKIMI NASIL OLUŞUR ?
Bilindiği gibi metallerin atomlarındaki elektron sayıları metalin türüne göre değişir.
İletken metallerin atomlarının son yörüngelerinde 4 'den az elektron bulunur. Atomlar
bu elektronları 8 'e tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bu yüzden bir İletken
maddede milyonlarca serbest elektron bulunur. Bu iletkenlere gerilim uygulandığında
elektronlar negatif (-) 'den pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu
harekete "Elektrik Akımı" denir. Birimi ise "Amper" 'dir. İletkenin herhangi bir
noktasından 1 saniyede 6.25*10^18 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma eşittir.
Akımlar "Doğru Akım" (DC) ve "Alternatif Akım" (AC) olarak ikiye ayrılır.
Doğru Akım (DC) :
Doğru akımın kısa tanımı "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişmeyen akıma
doğru akım denir." şeklindedir. Doğru akım genelde elektronik devrelerde kullanılır. En
ideal doğru akım en sabit olanıdır. En sabit doğru akım kaynakları da pillerdir.
Alternatif Akım (AC) :
Alternatifin kelime anlamı "Değişken" dir. Alternatif akımın kısa tanımı ise "Zamana
bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akıma alternatif akım denir." şeklindedir. Alternatif
akım büyük elektrik devrelerinde ve yüksek güçlü elektrik motorlarında kullanılır.
Evlerimizdeki elektrik alternatif akım sınıfına girer. Buzdolabı, çamaşır makinesi,
bulaşık makinesi, klima ve vantilatörler doğrudan alternatif akımla çalışırlar.
Televizyon, müzik seti ve video gibi cihazlar ise bu alternatif akımı doğru akıma
çevirerek kullanırlar.
2
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DOĞRU VE ALTERNATİF AKIMIN KARŞILAŞTIRILMASI
Elektrik enerjisi, alternatif akım ve doğru akım olarak iki şekilde üretilir. Bugün
kullanılan elektrik enerjisinin %90’ından fazlası alternatif akım olarak üretilmektedir.
Bunun çeşitli nedenleri vardır. Bunları sıra ile inceleyelim.
Elektrik enerjisinin uzak mesafelere ekonomik olarak iletilmesi için yüksek gerilimlere
ihtiyaç vardır. Belirli bir güç, mesafe ve kayıp için iletim hattının kesiti, kullanılan
gerilimin karesi ile ters orantılı olarak değişir. Doğru akımın elde edilmesinde
kullanılan dinamolar (D.A. jeneratörü) yüksek gerilimli olarak yapılamazlar.
Komütasyon zorluklarından dolayı, ancak 1500 volta kadar D.A üreten genaratörler
yapılabilmiştir. Alternatif akım üreten alternatörlerden ise 230, 6300, 10500 ve 20000
volt gibi yüksek gerilimler elde edilebildiği gibi, transformatör denilen statik makinelerle
bu gerilimleri 60 kV, 100 kV ve daha yüksek gerilimlere yükseltmek de mümkündür.
Elektrik enerjisinin taşınması yüksek gerilimli alternatif akımlarla yapılır. Hattın
sonundaki transformatörlerle bu yüksek gerilim, kullanma gerilimine dönüştürülür.
Cıva buharlı redresörlerle yüksek gerilimli alternatif akımı, yüksek gerilimli doğru
akıma çevirerek enerjiyi taşımak ve hattın sonuna inverterlerle düşük gerilimli alternatif
akıma çevirmek mümkün olduğu halde, uygulamada fazla kullanılmamaktadır.
Büyük güçlü ve yüksek devirli DA jeneratörleri komütasyon zorluklarından
dolayı yapılamazlar. Alternatörler ise, büyük güçlü ve yüksek devirli olarak
yapılabilirler. Böylece elde edilen enerjinin kilovat saat başına maliyeti ve işletme
masrafları düşük olur. Alternatörler 200000 kVA, 400000 kVA gücünde yapılabilirler.
Sanayide sabit hızlı yerlerde alternatif akım motoru (endüksiyon motoru), doğru akım
motorundan daha verimli çalışır. Endüksiyon motoru, D.A. motorundan daha ucuz,
daha sağlam olup, bakımı da kolaydır. D.A. motorunun tek üstünlüğü, devir sayısının
düzgün olarak ayar edilebilmesidir.
Doğru akımın tercih edildiği veya kullanılmasının gerekli olduğu yerler de vardır.
Elektrikli taşıtlar, galvano teknik (maden kaplamacılığı) ve madenlerin elektrikle
arıtılması tüm elektronik sistemler ve haberleşme sistemlerinde D.A kullanılır. Bu gibi
yerlerde doğru akım genellikle, alternatif akımın D.A’a çevrilmesi ile elde edilir.
3
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ALTERNANS, PERİYOT, FREKANS
Alternatif akımın üretilmesi mekanik jeneratörlerden elektronik olarak ise sinyal
jeneratörlerinden elde edilebilir. Doğru akımda olduğu gibi alternatif akımında sembolü
ve dalga şekli, şekil 1.5 de görüldüğü gibidir.
Şekil1.5 A.A sembolü ve dalga şekli
Alternans: Alternatif akım şekil1.5 de görüldüğü gibi sıfırdan pozitif maksimum değere
daha sonra sıfıra gelme durumuna pozitif alternans, sıfırdan eksi maksimum değere
daha sonra tekrar sıfıra gelmesine negatif alternans denir. İki alternansının birleşmesi
ile bir saykıl (cycle) oluşur. Alternatif gerilimi bir devreye bağlanırsa akımın akışı
alternanslara göre değişir. Bu değişim şekil 1.6 da olduğu gibidir.
(a)
Pozitif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü
4
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
(b) Negatif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü
Şekil1.6
Periyot: Bir saykılın oluşması için geçen süreye periyot denir. N S kutbu arasındaki bir
iletken veya bobin 360° derece döndürüldüğünde indüklenen emk bir sinüs dalgalık
değişime uğrar. Bobine iki devir yaptırıldığında indüklenen emk iki sinüs dalgası çizer.
Bir periyot 360° dir. Periyot T harfi ile ifade edilir. Birimi ise saniyedir. Şekil1.7de
sinüzoidal dalganın periyodu görülmektedir.
Şekil1.7 Sinüzoidal dalganın periyodu
Frekans: Alternatif akım veya gerilimin bir saniyede oluşan periyot sayısına veya
saykıl sayısına frekans denir. Frekans f harfi ila ifade edilir. Birimi saykıl/saniye,
periyot/saniye veya Hertz’dir. Periyot ile frekans arasındaki ifade şu şekildedir.
Frekansın birimi olan hertz’in as katları mevcut değildir. Üst katları ise kiloherzt,
megaherzt ve gigaherzt olarak sıralanabilir. Bu dönüşümler ise;
1Hz = 10-9 GHz
1Hz = 10-6 MHz
5
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1Hz = 10-3 kHz kendi aralarında biner biner büyür ve küçülür. Şekil1.10da düşük ve
yüksek frekans görülmektedir. Dikkat edilirse (a) da bir saniyede iki saykıl oluşurken
(b)de ise üç saykıl oluşmaktadır. Bu duruma göre de dalgaların frekansı
değişmektedir. Türkiye de kullanılan alternatif gerilimin frekansı 50 Hz olduğu da
bilinmelidir. Bu demektir ki sinüzoidal dalga bir saniyede elli kez oluşmaktadır.
(a)
(b)
Şekil1.10
Örnek : Alternatif gerilimin bir periyodunun oluşması için geçen süre 10 ms ise bu
gerilimin frekansı nedir?
Çözüm : Alternatif gerilimin periyodu bilindiğine göre frekansla periyot arasındaki ilişki
formülünden;
T=10 ms = 10.10-3 s
bulunur
PASİF DEVRE ELEMANLARI
Elektronik düzenekleri anlayabilmek için temel elektronik devre elemanlarının yapı ve
işlevlerinin bilinmesi gereklidir. Bu dersimizde temel elektronik devre elemanları ve
elektronik düzenekler anlatılacaktır.
Elektronik Devre Elemanları İki Gruba Ayrılır:
1) Pasif Devre Elemanları
2) Aktif Devre Elemanları
Bunlarda kendi aralarında gruplara ayrılmaktadır..
6
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. PASİF DEVRE ELEMANLARI:
•
•
•
Dirençler
Kondansatörler
Bobinler
2. AKTİF DEVRE ELEMANLARI:
•
•
•
Diyotlar
Transistörler
Entegre devreler
Pasif devre elemanları, genel amaçlı elemanlardır. Hemen hemen her elektronik
devrede bulunurlar. Bu nedenle, bu elemanların genel yönleriyle tanınmaları, amaca
uygun olarak kullanılmaları bakımından yeterlidir.
Aktif devre elemanları, ise özel amaçlı elemanlardır. Kullanılacak devrenin özelliğine
göre, aktif devre elemanlarının özellikleri ve türleri de değişmektedir.
DİRENÇLER
Direnç kelimesi, genel anlamda, "bir güce karşı olan direnme" olarak tanımlana
bilir"
Elektrik ve elektronikte direnç, iki ucu arasına gerilim uygulanan bir maddenin
akıma karşı gösterdiği direnme özelliğidir.
Kısaca; elektrik akımına gösterilen zorluğa DİRENÇ denir.
Direnç "R" veya "r" harfi ile gösterilir, birimi ohm (W) dur.
Direnç Sembolleri:
Sabit Dirençler
(Eski)
Ayarlı Dirençler
(Yeni)
(Eski)
7
(Yeni)
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.1- Dirençli bir devre
Direncin devredeki rolü:
Bir "E" gerilim kaynağına "R" direncinden, Şekil 1.1'de gösterilmiş olduğu gibi,
bir " I " akımı akar.
Bu üç değer arasında Ohm kanununa göre şu bağlantı vardır.
E=I.R
Birimleri:
E: Volt
I: Amper
R: Ohm (W)
Direnç Türleri:
Dirençler iki gruba ayrılır:
1) Büyük güçlü dirençler
2) Küçük güçlü dirençler
•
BÜYÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER:
2W üzerindeki dirençler büyük güçlü direnç grubuna girer.
•
KÜÇÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER:
Küçük güçlü dirençlerin sınıflandırılması:
1)
2)
3)
4)
Sabit Dirençler
Ayarlı Dirençler
Termistör (Terminstans)
Foto Direnç (Fotorezistans)
Gerek büyük güçlü olsun, gerekse de küçük güçlü olsun, bütün dirençlerin belirli bir
dayanma gücü vardır.
8
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bir Direncin Harcadığı Güç;
1)
2)
3)
4)
U: Dirençteki gerilim düşümü (Volt)
R: Direncin değeri (Ohm)
I: Geçen akım (Amper)
P: Direncin gücü (Watt)
Direnç Üzerinde Harcanan Güç Üç Şekilde İfade Edilir:
1) Akım ve gerilim cinsinden: P=U.I 'dır
2) Akım ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): U=I.R 'dir.
Bu "U" değeri P=U.I 'da yerine konulursa: P=I²R olur.
3) Gerilim ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): I=U/R 'dir.
Bu "I" değeri, P=U.I 'da yerine konursa, P=U²/R olur.
SABİT DİRENÇLER
Yapısı ve çeşitleri:
Sabit dirençler yapıldığı malzemenin cinsine göre üçe ayrılır:
1) Karbon dirençler
2) Telli dirençler
3) Film dirençler
Film dirençler de ikiye ayrılır.
1) İnce film dirençler
2) Kalın film [Cermet "Sörmit" Okunur] dirençler
KARBON DİREÇLER
Karbon direncin yapısı:
Karbon direnç; kömür tozu ile, reçine tozunun eritilmesi ile elde edilir.
Karbon dirençler 1 Ohm 'dan başlayarak bir kaç mega Ohm 'a (MW) kadar
üretilmektedir.
9
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Başlıca kullanım alanları:
Bütün elektronik devrelerde en çok kullanılan direnç türüdür.
W
--------
3
2
1
1/2
şekil (a)
1/4
1/4
Şekil (b)
Şekil 1.2- Değişik karbon dirençler
a) Küçük güçlü direncin kesit görüntüsü
b) Değişik güçteki dirençlerin 1/1 görüntüsü
10
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TELLİ DİREÇLER
Telli dirençler gerek sabit direnç, gerekse de ayarlanabilen direnç olmak üzere,
değişik güçlerde ve omajlar da üretilebilmektedir.
Telli Direncin Yapısı:
Telli dirençlerde, sıcaklıkla direnç değerinin değişmemesi ve dayanıklı olması için,
Nikel-Krom, Nikel-Gümüş ve konstantan kullanılır.
Telli dirençler genellikle seramik gövde üzerine iki katlı olarak sarılır. Üzeri neme ve
darbeye karşı verniklidir. Yalnızca, Şekil 1.3(b)'de görüldüğü gibi ayarlı dirençte, bir
hat boyunca tellerin üzeri kazınır.
10 Ohm ile 100 KOhm arasında 30 W 'a kadar üretilmektedir.
Başlıca kullanım alanları:
Telekominikasyon ve kontrol doğrultucularda kullanılır.
Tellerin çift katlı sarılmasıyla endüksiyon etkisi kaldırılabildiğinden yüksek frekans
devrelerinde tercih edilir.
Küçük güçlülerde ısınmayla direnci değişmediğinden ölçü aletlerinin ayarında etalon
(örnek) direnç kullanılır.
Dezavantajları:
Direnç telinin kopması, çok yer kaplaması ve büyük güçlü olanlarının ısınması gibi
dezavantajları vardır.
11
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
FİLM DİRENÇLER
Film kelimesi dilimize İngilizce 'den geçmiştir. Türkçe karşılığı zar ve şerit anlamına
gelmektedir. Şekil 1.4 'ten anlaşıldığı gibi direnç şerit şeklinde yalıtkan bir gövde
üzerine sarılmıştır. Bu durumu, bir fotoğraf filminin sarılışına benzetebiliriz.
Şekil 1.4 - Film direncin iç görünümü
İki tür film direnç vardır:
1) İnce film dirençler
2) Kalın film dirençler
1- İnce Film Dirençler:
İnce film dirençler şu şekilde üretilmektedir.
Cam veya seramik silindirik bir çubuk üzerine "Saf Karbon","Nikel - Karbon","Metal Cam tozu" karışımı "Metal oksit" gibi değişik direnç sprey şeklinde püskürtülür.
Püskürtülen bu direnç maddesi, çok ince bir elmas uçla veya Lazer ışınıyla Şekil 1.4
'te görüldüğü gibi, belirli bir genişlikte, spiral şeklinde kesilerek şerit sargılar haline
dönüştürülür. Şerit sargıdan biri çıkarılarak diğer sargının sarımları arası izole edilir.
Şerit genişliği istenilen şekilde ayarlanarak istenilen direnç değeri elde edilir.
2- Kalın Film (Cermet) Dirençler:
Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal
tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye
şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir.
12
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yukarıda açıklanan yöntemle, hem sabit hem de ayarlı direnç yapılmaktadır.
Başlıca kullanım alanları:
Tablo 1.1 'de görüldüğü gibi, film dirençler toleransı en küçük olan dirençlerdir. Yani,
istenilen değer tam tutturulabilmektedir. Bu nedenle hassas direnç gerektiren
elektronik devreler için çok önemli bir dirençtir.
Ayrıca maksimum akımda bile değeri pek değişmemektedir.
Direnç tipi
İnce film dirençler
Karbon direnç
Karbon
Metal
Metal kalın
film (cermet)
direnç
Telli direnç
Büyüklüğü
10W-22MW
10W-2MW
10W-1MW
10W-68MW
0,25W-10KW
Toleransı
±%10
±%5
±%2
±%2
±%5
Maksimum
gücü
250mW
250mW
500mW
500mW
2,5W
Yükteki
değer
değişimi
%10
%2
%1
%0,5
%1
Maksimum
dayanma
gerilimi
150V
200V
350V
250V
200V
Yalıtkanlık
direnci
109W
10¹ºW
10¹ºW
10¹ºW
10¹ºW
Gerilim
sabiti
2000ppm/V
100ppm/V
10ppm/V
10ppm/V
1ppm/V
-40°C
-55°C
-55°C
-55°C
+125°C
+150°C
+150°C
+185°C
-1200 ppm/°C
±250 ppm/°C
±100 ppm/°C
±200ppm/°C
1µV/V
0,1µV/V
0,1µV/V
0,01µV/V
%0,5
%0,15
%0,15
%0,05
Çalışabildiği -40°C
sıcaklık
aralığı
+105°C
Sıcaklık
sabiti
±1200 ppm/°C
1 kW - 2µV/V,
Gürültüsü
10MW - 6µV/V
Lehim etkisi %2
13
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NOT:
1) 1ppm = 10-6 Ohm başına değişim miktarı.
2) Sıcaklık sabiti "+" ppm: Isındıkça artan direnç
3) Sıcaklık sabiti "-" ppm: Isındıkça azalan direnç
Örneğin; saf karbon direncin: Sıcaklık sabiti -1200ppm/°C olup sıcaklığın her 1
artışında, direnci Ohm başına, 1200ppm=1200*10-6 =0,0012 Ohm azalmaktadır.
4) Sıcaklık sabiti "±" ppm: ısındıkça artan, 0 ºC 'nin altında soğutulurken azalan
direnç.
Örneğin; Bakırın direnci -234 'ta sıfır olmaktadır.
5) Gerilim sabiti: Dirence uygulanan gerilimin büyüklüğü oranında, direnci
yukarıda verilen değer kadar düşmektedir.
Örneğin; 150 Ohm 'luk bir "karbon film dirence" 30V uygulandığında direnci
30*150*10-6=0,45 kadar düşecektir.
AYARLI SİRENÇLER
Yapıları:
Ayarlı dirençler, direnç değerinde duruma göre değişiklik yapılması veya istenilen bir
değere ayarlanması gereken devrelerde kullanılırlar.
Karbon, telli ve kalın film yapıda olanları vardır.
Aşağıda çeşitlerini anlatırken yapıları da daha geniş olarak anlatacağım.
çeşitleri:
Ayarlı dirençler iki ana gruba ayrılır:
1) Reostalar
2) Potansiyometreler
REOSTALAR
Reostalar, Şekil 1.6 'da verilmiş olan sembollerinden de anlaşıldığı gibi iki uçlu
ayarlanabilen dirençlerdir. Bu iki uçtan birine bağlı olan kayıcı uç, direnç üzerinde
gezdirilerek, direnç değeri değiştirilir.
14
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.6 - Reostanın değişik semboller ile gösteriliş
Reostaların da karbon tipi ve telli tipleri vardır. Sürekli direnç değişimi yapan reostalar
olduğu gibi, kademeli değişim yapan reostalarda vardır.
Reostaların başlıca kullanım alanları:
Laboratuarlarda etalon direnç olarak, yani direnç değerlerinin ayarlanmasında ve
köprü metodunda direnç ölçümlerinde, değişken direnç gerektiren devre deneylerinde,
örneğin diyot ve transistor karakteristik eğrileri çıkarılırken giriş, çıkış gerilim ve
akımlarının değiştirilmesinde ve benzeri değişken direnç gerektiren pek çok işlemde
kullanılır.
POTANSİYOMETRELER
Potansiyometreler şekil 1.8 'de görüldüğü gibi üç uçlu ayarlı orta uç, direnç üzerinde
gezinebilir.
Tablo 1.8 - Potansiyometrenin gerilim bölücü olarak kullanılması
Potansiyometreler, yine Şekil 1.8 'de belirtilmiş olduğu gibi direnç değerinin
değiştirilmesi yoluyla gerilim bölme, diğer bir deyimle çıkış gerilimini ayarlama işlemini
yapar.
Potansiyometrelerin başlıca uygulama alanları Tablo 1.3 'de verilmiştir.
15
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Potansiyometre Çeşitleri:
Potansiyometreler aşağıdaki üç grup altında toplanabilir.
1) Karbon Potansiyometreler
2) Telli Potansiyometreler
3) Vidalı Potansiyometreler
1. KARBON POTANSİYOMETRELER
Karbon potansiyometreler, mil kumandalı veya bir kez ön ayar yapılıp, bırakılacak
şekilde üretilmektedir. Ayar için tornavida kullanılır. Bu türdeki potansiyometreye
"Trimmer potansiyometre" (Trimpot) denmektedir.
Şekil 1.10 - Lineer ve
logaritmik potansiyometrelerin
karakteristik eğrileri
A: Lineer potansiyometre çıkış
gerilimindeki değişim
B: Logaritmik potansiyometre
çıkış gerilimindeki
Şekil 1.10 'da gösterilmiş olduğu gibi karbon potansiyometreler. Lineer (doğrusal)
veya logaritmik (eğrisel) gerilim ayarı yapacak şekilde üretilir.
Şeklin köşesinde karakteristik eğrileri çıkarılan potansiyometre görülmektedir.
Yatay koordinat ekseni, potansiyometre fırçasının "a" ucuna göre dönüş açısını,
gösteriyor.
Düşey koordinat ekseni ise, a-s uçlarından alınan Vas geriliminin , a-e uçları
arasındaki Vae gerilimine oranını (Vas/Vae) göstermektedir.
Aynı şeyleri direnç değerleri üzerinde de söylemek mümkündür.
Şekilde, noktalı olarak çizilmiş olan A doğrusu, lineer potansiyometreye, B eğrisi ise
logaritmik potansiyometreye aittir.
16
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Potansiyometre fırçası "a" ucunda iken Vas çıkış gerilimi sıfır 'dır.
Fırçanın 90° döndürülmüş olduğunu kabul edelim:
•
•
Potansiyometre lineer ise; Vas = 32/100*Vae = 0,32Vae olur.
Potansiyometre logaritmik ise; Vas = 8/100*Vae = 0,08Vae olur.
Yükselteçlerde volüm
kullanılması uygun olur.
ve
ton
kontrolünde
logaritmik
potansiyometrelerin
Dirençlerin hangi türden olduğunun anlaşılmasını sağlamak için, omaj değerinden
sonra "lin" veya "log" kelimeleri yazılır.
2. TELLİ POTANSİYOMETRELER
Telli potansiyometreler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran
fırça düzeninden oluşmaktadır.bu tür potansiyometrelerin üzeri genellikle açıktır. Tel
olarak Nikel-Krom veya başka rezistans telleri kullanılır.
3. VİDALI POTANSİYOMETRELER
Vidalı potansiyometrede, sonsuz vida ile oluşturulan direnci taramaktadır. Üzerinde
hareket eden bir fırça, kalın film (Cermet) yöntemiyle oluşturulan direnci taramaktadır.
Fırça potansiyometrenin orta ayağına bağlıdır. Böylece orta ayak üzerinden istenilen
değerde ve çok hassas ayarlanabilen bir çıkış alınabilmektedir.
Potansiyometrelerin başlıca kullanım alanları:
Potansiyometreler elektronikte başlıca üç amaç için kullanılırlar;
1) Ön ayar için
2) Genel amaçlı kontrol için
3) İnce ayarlı kontrol için
Bu üç kullanılma amacı için potansiyometreden beklenen özellikler. Tablo 1.4 'te
özetlenmiştir. Ayrıca, Tablo 1.5 'te de yukarıda açıklanan üç potansiyometre türünün
kıyaslanması yapılmıştır.
17
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 1.4. Potansiyometrelerin Kullanılma yerlerine göre özellikleri
Tipi
Uygulama
örneği
Seçim
Töleransı
Doğrusallık
(Lineerite)
Kararlılık
(Stabilite)
Ömrü boyunca ayar
gereksinimi
Ön ayar
Darbe
jenaratorun de
darbe genişliği
ayarı
±%20
Önemli değil
Yüksek
±%2
50 'den az
Genel amaçlı
kontrol
Yükselteçte ses
ve ton ayarı
±%20
±%10
Orta
±%10
10000
İnce ayarlı
kontrol
Skoptaki genlik
ayarı,
haberleşmede
frekans ayarı
±%20
±%0.5
Yüksek
±%0.5
50000
Tablo 1.5. Potansiyometrelerin kıyaslama tablosu
Tipi
Türü
Değeri
Toleransı
Gücü (W)
Karbon pot. Lineer veya
100-10M
(Trimmer) logaritmik
±%20
0.5-2
Telli pot.
Lineer
10-100K
±%5
±%3
3
Vidalı pot.
Lineer
10-500K
±%10
1
Sıcaklık
sabiti
700
ppm/°C
100 K
±%20
altında 1000
ppm/°C 100
K üstünde
100
±%5
ppm/°C
±%2
50 ppm/°C
200 ppm/°C ±%5
DEĞİŞİK DİRENÇLER
TERMİSTÖR (TERMİNSTANS)
Termistörler ısınınca direnci değişen elemanlardır.
Termistörler sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılırlar:
1) Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC)
2) Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC)
18
Kararlılık
(Stablite)
Ömrü
20000
dönüş
20000 - 100000
arsı dönüş
500 kademe
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. PTC DİRENÇLER
Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür.
Metaller, özellikle de baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik
kullanım alanları vardır.
Örneğin: Röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin gecikmeli çekmesini sağlar.
Florasan lambalarda da starter yerine PTC direnç kullanılabilmektedir.
2. NTC DİRENÇLER
NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal
oksitler gibi maddelerden üretilir.
Şekil 1.13' de bir NTC termistöre ait karakteristik eğrileri verilmiştir.
Şekil 1.13- NTC Termistör karakteristik eğrileri
19
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
a) 40°C' ye kadar ısıtılan bir ortamdaki termistör
b) eğişik sıcaklıklardaki Akım-gerilim (I,V) bağıntısı
direncindeki
değişim;
NTC Termistörünün kullanım alanları:
NTC termistörlerin çok değişik kullanım alanları vardır.
•
Motor ve transformatör gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilen NTC
termistörün direnci fazla ısınmadan dolayı küçülen bir alarm ve koruma devresini
harekete geçirir.
Bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilen NTC direnci su seviyesi
•
düşünce, ısınarak pompa devresini çalıştırır.
Bir motora seri bağlanan NTC direnç önce küçük akım çekerek güvenli yol
•
almasını sağlar.
Röleye seri bağlanan NTC direnç rölenin gecikmeli çalışmasını sağlar.
•
FOTOREZİSTANS
Fotorezistansın çalışma prensibi NTC direncin çalışma prensibine yakındır.
Fotorezistanslar, ışık etkisi altında kalınca direnci küçülen elemanlardır. En çok
kullanılan fotorezistans maddesi kadmiyum sülfürdür. Kadmiyum sülfürden yapılmış
olan bir fotorezistansın karanlıktaki direnci 10 MOhm olduğu halde, gün ışığında 1
KOhm' a düşmektedir.
20
BÖLÜM 2
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KONDANSATÖRLER
Önbilgiler:
Kondansatör, DC akımı geçirmeyip, AC akımı geçiren devre elemanıdır.
Yapısı:
Kondansatör şekil 1.6' da görüldüğü gibi, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir
maddenin yerleştirilmesi veya hiç bir yalıtkan kullanılmaksızın hava aralığı
bırakılması ile oluşturulur. Kondansatörler yalıtkan maddenin cinsine göre
adlandırılır.
Kondansatörün sembolü:
Değişik yapılı kondansatörlere göre, kondansatör sembollerinde bazı küçük
değişiklikler vardır.
21
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Harf Olarak
"C"
KONDANSATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ:
Kondansatörün bir DC kaynağına bağlanması ve şarj edilmesi:
Şekil 1.17(a)' da görüldüğü gibi kondansatör bir DC kaynağına bağlanırsa, devreden
Şekil 1.17(b)' de görüldüğü gibi, geçici olarak ve gittikçe azalan Ic gibi bir akım akar.
Ic akımının değişimini gösteren eğriye kondansatör zaman diyagramı denir.
Akımın kesilmesinden sonra kondansatörün plakaları arasında, kaynağın Vk
gerilimine eşit bir Vc gerilimi oluşur.
Bu olaya, kondansatörün şarj edilmesi, kondansatöre de şarjlı kondansatör denir.
"Şarj" kelimesinin Türkçe karşılığı "yükleme" yada "doldurma" dır.
Şekil 1.17- Kondansatörün DC
kaynağına bağlanması
a) Bağlantı devresi
b) Zaman diyagramı
c) Vc gerilim oluşumu
22
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kondansatör Devresinden Akım Nasıl Akmalıdır?
Şekil 1.17(a)' daki devrede, S anahtarı kapatıldığında aynı anda kondansatör
plakasındaki elektronlar, kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir, kaynağın negatif
kutbundan çıkan elektronlar, kondansatöre doğru akmaya başlar. Bu akma işlemi,
kondnsatörün plakası daha fazla elektron veremez hale gelinceye kadar devam
eder.
Bu elektron hareketinden dolayı devreden bir Ic akımı geçer. Ic akımının yönü
elektron hareketinin tersi yönündedir.
Devreden geçen Ic akımı, bir DC ampermetresi ile gözlenebilir. S anahtarı
kapanınca ampermetre ibresi önce büyük bir sapma gösterir. Sonra da, ibre yavaş
yavaş sıfıra gelir. Bu durum devreden herhangi bir akım geçmediğini gösterir. Ic
akımına şarj akımı denir.
Devre akımının kesilmesinden sonra yukarıda da belirtildiği gibi kondansatör
plakaları arasında Vc=Vk oluşur.
Vc gerilimine şarj gerilimi denir.
Vc geriliminin kontrolü bir DC voltmetre ile de yapılabilir. Voltmetrenin "+" ucu,
kondansatörün, kaynağın pozitif kutbuna bağlı olan plakasına, "-" ucu da diğer
plakaya dokundurulursa Vc değerinin kaç volt olduğu okunabilir. Eğer voltmetrenin
uçları yukarıda anlatılanın tersi yönde bağlanırsa voltmetrenin ibresi ters yönde
sapar.
KONDANSATÖRDE YÜK, ENERJİ VE KAPASİTE
Şarj işlemi sonunda kondansatör, Q elektrik yüküyle yüklenmiş olur ve bir Ec
enerjisi kazanır.
Kondansatörün yüklenebilme özelliğine kapasite (sığa) denir. C ile gösterilir.
Q, Ec, C ve uygulanan V gerilimi arsında şu bağlantı vardır.
Q=C.V
1)
2)
3)
4)
Ec=CV2/2
Q: Coulomb (kulomb)
V: Volt
C: Farad (F)
Ec: Joule (Jul)
23
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, C kapasitesi ve uygulanan V gerilimi ne
kadar büyük ise Q elektrik yükü ve buna bağlı olarak devreden akan Ic akımı da o
kadar büyük olur.
Kondansatörün kapasite formülü:
0: (Epsilon 0): Boşluğun dielektrik katsayısı ( 0=8.854.1012)
r: (Epsilon r): Plakalar arsında kullanılan yalıtkan maddenin İZAFİ1 dielektrik
(yalıtkanlık) sabiti.(Tablo 1.6)
1) A: Plaka alanı
2) d: Plakalar arası uzaklık
A ve d değerleri METRİK sistemde (MKS) ifade edilirse, yani, "A" alanı (m) ve "d"
uzaklığı, metre (m2) cinsinden yazılırsa, C' nin değeri FARAD olarak çıkar.
Örneğin:
Kare şeklindeki plakasının her bir kenarı 3 cm ve plakalar arası 2 mm olan, hava
aralıklı kondansatörün kapasitesini hesaplayalım.
A ve d değerleri MKS' de şöyle yazılacaktır:
A=0,03*0,03=0,0009m2 = 9.10-4 m2
d=2mm=2.10-3m
0 = 8,854.10-12
Hava için r=1 olup, değerler yerlerine konulursa:
C=8,854.10-12.4,5.10-1=39,843.10-13
F=3,9PF (Piko Farad)1 olur.
NOT:
1
İZAFİ kelimesi, yalıtkan maddenin yalıtkanlık özelliğinin boşluğunkinden olan
farkını göstermesi nedeniyle kullanılmaktadır. İzafinin, öz türkçesi, "göreceli" dir.
24
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 1.6. Bazı yalıtkan maddelerin r sabitleri
CİNSİ
İzafi
Yalıtkanlı
k
Katsayısı
( r)
CİNSİ
İzafi
Yalıtkanlı
k
Katsayısı
( r)
Hava
1
Mika
5-7
Lastik
2-3
Porselen
6-7
Kağıt
2-3
Bakalit
4-6
Seramik
3-7
Cam
4-7
AC DEVREDE KONDANSATÖR:
Yukarıda DC devrede açıklanan akım olayı, AC devrede iki yönlü olarak tekrarlanır.
Dolayısıyla da, AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel teşkil
etmemektedir. Ancak bir direnç gösterir.
Kondansatörün gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir.
Kapasitif reaktans, Xc ile gösterilir. Birimi Ohm(W) dur.
'Ohm olarak hesaplanır.
1) Xc = Kapasitif reaktans (W)
2) = Açısal hız (Omega)
3) f = Frekans (Hz)
4) C = Kapasite (Farad)
Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, kondansatörün Xc kapasitif reaktansı; C
kapasitesi ve f frekansı ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün kapasitesi ve çalışma
frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır.
25
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
SABİT KONDANSATÖR:
Sabit kondansatörler kapasitif değeri değişmeyen kondansatörlerdir.
Yapısı ve Çeşitleri:
Kondansatörler, yalıtkan maddesine göre adlandırılmaktadırlar.
Sabit kondansatörler aşağıdaki gibi gruplandırılır:
1)
2)
3)
4)
5)
Kağıtlı Kondansatör
Plastik Film Kondansatör
Mikalı Kondansatör
Seramik Kondansatör
Elektrolitik Kondansatör
KAĞITLI KONDANSATÖR
Kondansatörlerin kapasitesini arttırmak için levha yüzeylerinin büyük ve levhalar
arasında bulunan yalıtkan madde kalınlığının az olması gerekir.
Bu şartları gerçekleştirirken de kondansatörün boyutunun mümkün olduğunca küçük
olması istenir.
Bu bakımdan en uygun kondansatörler kağıtlı kondansatörlerdir.
Çok yaygın bir kullanım alanı vardır.
Şekil 1.18 'de görüldüğü gibi bir kağıt, bir folyo ve yine bir kağıt bir folyo gelecek
şekilde üst üste konur. Sonra da bu şerit grubu silindir şeklinde sarılır.
Bağlantı uçları (elektrotlar) yine şekil 1.18 'de görüldüğü gibi, aliminyum folyolara
lehimlenir.
Oluşturulan silindir, izole edilmiş olan metal bir gövdeye konarak ağzı mumla
kapatılır. Yada üzeri reçine veya lak ile kaplanır. Şekil 1.22 'de kağıtlı
kondansatörlerin dış görüntüleri verilmiştir.
26
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.18 - Kağıtlı kondansatör
PLASTİK FİLM KONDANSATÖR
Plastik film kondansatörlerde kağıt yerine plastik bir madde kullanılmaktadır.
Bu plastik maddeler:
Polistren, poliyester, polipropilen olabilmektedir.
Hassas kapasiteli olarak üretimi yapılabilmektedir. Yaygın olarak filtre devrelerin de
kullanılır.
Üretim şekli kağıt kondansatörlerin aynısıdır.
27
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
MİKALIK KONDANSATÖR
Mika, " r" yalıtkanlık sabiti çok yüksek olan ve çok az kayıplı bir elemandır. Bu
özelliklerinden dolayı da, yüksek frekans devrelerinde kullanılmaya uygundur.
Mika tabiatta 0.025 mm 'ye kadar ince tabakalar halinde bulunur. Kondansatör
üretiminde de bu mikalardan yararlanılır.
İki tür mikalı kondansatör vardır:
1) Gümüş kapalnmış mikalı kondansatör.
2) Aliminyum folyolu kaplanmış mikalı kondansatör.
GÜMÜŞ KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR
Bu tür kondansatörlerde mikanın iki yüzüne gümüş üskürtülmektedir. Oluşturulan
kondansatöre dış bağlantı elektrotları lehimlenerek mum veya reçine gövde içerisine
yerleştirilir.
ALÜMİNYUM FOLYO KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR
Gümüş kaplama çok ince olduğundan, bu şekilde üretilen kondansatör büyük
akımlara dayanamamaktadır. Büyük akımlı devreler için, mika üzerine alüminyum
folyo kaplanan kondansatörler üretilmektedir.
Mikalı kondansatör ayarlı (trimmer) olarak ta üretilmektedir.
SERAMİK KONDANSATÖR
Seramiğin yalıtkanlık sabiti çok büyüktür. Bu nedenle, küçük hacimli büyük kapasiteli
seramik kodansatörler üretilebilmektedir.
Ancak, seramik kondansatörlerin kapasitesi, sıcaklık, frekans ve gerilim ile %20 'ye
kadar değiştiğinden, sabit kapasite gerektiren çalışmalarda kullanılamaz. Fakat,
frekens hassasiyetinin önemli olmadığı kuplaj, dekuplaj (by-pass) kondansatörü
olarak ve sıcak ortamlarda kullanılmaya uygundur.
28
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ELEKTROLİTİK KONDANSATÖR
Elektrolitik kondansatörler büyük kapasiteli kondansatörlerdir.
Yaygın bir kullanım alananı vardır. Özellikle, doğrultucu filtre devrelerinde, gerili
29
BÖLÜM 3
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BOBİNLER
SABİT BOBİNLER VE YAPILARI
Bobin bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmış tel
grubudur.
Kullanım yerine göre, makara içerisi boş kalırsa havalı bobin, demir bir göbek (nüve)
geçirilirse nüveli bobin dı verilir. Bobinin her bir sarımına spir denir. Şekil 1.28' de
bobin sembolleri verilmiştir.
Aşağıdaki üst sırada bulunan semboller eski alt sırada bulunan semboller yeni
gösterilim şeklidir.
Şekil 1.27 - Değişik Bobin Sembolleri
BOBİNDEKİ ELEKTRİKSEL OLAYLAR
Bilindiği gibi bir iletkenden akım geçirildiğinde, iletken etrafında bir magnetik alan
oluşur. Bu alan kağıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir.
Bir bobinden AC akım geçirildiğinde, Şekil 1.29' da görüldüğü gibi bobin sargılarını
çevreleyen bir magnetik alan oluşur.
Akım büyüyüp küçülüşüne ve yön değiştirmesine bağlı olarak bobinden geçen kuvvet
çizgileri çoğalıp azalır ve yön değiştirir.
Bobine bir DC gerilim uygulanırsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede
bir direnç özelliği gösterir.
30
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.29 - içinden akım geçen bobindeki Magnetik alan kuvvet çizgileri
ZIT ELEKTRO MOTOR KUVVETİ (EMK)
Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt
EMK Ez) adı verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü Şekil 1.30 'da gösterilmiş
olduğu gibi kaynak gerilimine ters yöndedir.
Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin oluşturduğu akıma ters yönde
bir akım akıtmaya çalışır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin oluşturduğu "I" devre
akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya başlar.
Zıt EMK 'nın işlevi, LENZ kanunu ile şöyle tanımlanmıştır.
LENZ kanununa göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü,
küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar.
ENDİKTİF REAKTANS (X)
Bobinin, içinden geçen AC akıma karşı gösterdiği dirence endüktif reaktans denir.
Endüktif reaktans XL ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur.
Şöyle ifade edilir:
: Açısal hız
f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir.
L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir.
31
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.30. Zıt EMK 'nın etkisi
a) AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı.
b) Kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (Ez) arasındaki bağıntı
"L" nin değeri bobinin yapısına bağlıdır.
Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur.
Dolayısıyla AC akıma gösterdiği dirençte o oranda büyür.
"L" nin birimi yukarıda da belirtildiği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle değerler çok
küçük olduğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar.
Bunun için miliHenry (mH) ve mikrohenry (µH) değerleri kullanılır.
Henry, miliHenry ve mikroHenry arasında şu bağıntı vardır.
32
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KARŞILIKLI ENDÜKTANS (M)
Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildiğinde, bunun nüvede
oluşturduğu kuvvet çizgileri diğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının
iki ucu
arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir.
Bu şekilde iletişim, karşılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir değere göre
olmaktadır.
Karşılıklı endüktans (M) ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir:
M=
L1 ve L2, iki bobinin self endüktansıdır.
M 'in birimi de Henry(H) 'dir.
Şöyle tanımlanır:
Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede,
ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin arasındaki karşılıklı
endüktans M=1 Henry 'dir.
Bobinler seri bağlanırsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+..........
Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri bağlanırsa: L=L1+L2±2M olur.
Şekil 1.31 'de değişik bobin görüntüleri verilmiştir.
BOBİNİN KULLANIM ALANLARI
Bobinin elektrik ve elektronikte yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunlar kullanım
alanlarına göre şöyle sıralanabilir.
Elektrikte:
•
•
•
•
Doğrultucular da şok bobini
Transformatör
Isıtıcı v.b.
Elektromıknatıs (zil, elektromagnetik vinç)
33
olur.
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Elektronikte:
•
•
•
•
•
Osilatör
Radyolarda ferrit anten elemanı (Uzun, orta, kısa dalga bobini)
Telekomünikasyonda frekans ayarı (ayarlı göbekli bobin)
Telekomünikasyonda röle
Yüksek frekans devrelerinde (havalı bobin)
Özellikle de radyo alıcı ve vericilerinde de anten ile bağlantıda değişik frekansların
(U.D,O.D,KD) alımı ve gönderiminde aynı ferrit nüveyi kullanan değişik bobinler ve
bunlara paralel bağlı kondansatörlerden yararlanır.
a) Ayarlı hava nüveli bobin
b) Ayarlı demir nüveli bobin
c) Ayarlı ferrit nüveli bobin
d) Sabit hava nüveli bobinler
e) Demir çekirdekli bobin
f) Şiltli ses frekansı şok bobini
g) Güç kaynağı şok bobini
h) Toroid
i) Şiltli, yüksek endüktanslı şok bobini
Konular:
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
Atomik Yapı
Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan
Kovelant Band
Yarıiletkenlerde iletim
N ve P tipi Madde
PN Bitişimi ve Diyot
Elektronik devre tasarımı ve elektronik cihazların üretiminde kullanılan diyotlar,
transistörler, gelişmiş entegre devreler (Ic’s) yarı iletken materyallerden yapılmıştır.
Diyot, transistör, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre
elemanlarının bir çoğu şekil-1.1’de resimlenmiştir.
Elektronik sistemlerde bu gibi cihazlar özel şekillerde birbirlerine bağlandıklarında
sahip oldukları karakteristikleri tam anlamıyla yerine getirirler.
Sonraki bölümlerde, çeşitli cihazların olası sistem uygulamalarında kullanılışını
öğreneceksiniz. Elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için atomik teorinin
temel bilgisine ve yarı iletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye ihtiyaç
duyarsınız ki; iki çeşit yarı iletken materyalin birleşiminden oluşan PN birleşimi bu
birleşimle ortaya çıkan bir çok yarı iletken cihazın çalışmasına temel oluşturur.
34
TEMEL ELEKTRONİK
1.1
Kaya
ATOMİK YAPI
Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar
ve nötronlardan meydana gelir. Yarıiletken maddelerin nasıl
çalıştığını anlamak için atomlar hakkında bilgiye ihtiyaç duyarsınız.
Bu bölümde; atomlar, elektron yörüngeleri ve kabuklar, saçak
elektronları, iyonlar ve iki büyük yarı iletken materyal olan silisyum
ve germanyum elementinin temel yapısı hakkında bilgi edineceksiniz.
Germanyum ve silisyum elementleri oldukça önemlidir. Çünkü
elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan temel yarıiletken
materyallerdir. Yarıiletken materyaller elektrik akımı ve geriliminin
iletilmesi ve kontrol edilmesinde oldukça etkin rol oynarlar.
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-1.2’de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan
oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron’dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar
merkezdeki çekirdeği oluşturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede
dolaşırlar.
Şekil 1-1 : Bohr modeline göre atom.
Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden
ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir
atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom,
hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil-1.2.a’da gösterildiği gibi bir proton ve bir
elektrona sahiptir. Şekil-1.2.b’de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki
elektron, çekirdeğinde ise iki proton ve iki nötron bulunmaktadır.
35
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Çekirdek yörüngesinde
1 elekton
Çekirdek yörüngesinde
2 elekton
-
+
+
+
2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek
1 Protonlu çekirdek
b) Helyum Atomu
a) Hidrojen Atomu
Şekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları
Atom Numarası ve Ağırlığı
Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen
içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel
açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen
içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron
sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1’dir ve atom ağırlığı
da 1’dir. Helyumun atom numarası 2’dir ve atom ağırlığı ise 4’ tür. Normal veya
tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve
proton sayıları eşittir.
Elektron Kabukları ve Yörüngeler
Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe
yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan
daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki
elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış
yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına
sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler.
Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji
seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa
küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha
büyüktür.
Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler.
Çekirdeğe en yakın olan kabuk k ‘dır. k ve l kabukları şekil-1.4 ‘de gösterilmiştir.
36
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
enerji seviyesi
Bu elektron en yüksek
enerjiye sahiptir.
W6
2. Kabuk
k
1. Kabuk
l
W5
W4
W3
W2
W1
Çekirdek
W= Enerji
r = Çekirdekten uzaklık
Bu elektron en düşük
enerjiye sahiptir.
Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri.
Valans Elektronları
Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek
elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü,
çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha
fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki
kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan
ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (değer) (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.
37
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
İyonizasyon
Bir atom ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji
seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye
yerleşir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma
eğilimi artar. Atomun bu enerji eğilimi sonucu elektronlar daha yüksek yörüngelere
atlarlar. (Dışarıdan enerji uygulandığı zaman) Bir valans elektronu yeterli miktarda bir
enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir.
Pozitif şarjın aşırı artması ile (protonları elektronlardan daha fazla olması) atomu bir
önceki nötr değere getirmek için valans elektronları harekete geçer. 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 ve pozitif iyon adını aldığında 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 (şarj edildiğinde) (elektronların, prontonlardan fazla olması) negatif iyon
diye adlandırılırlar ve H- olarak gösterilirler.
1.2
YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN
Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak
başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken
olarak tanımlanır.Bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel
yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları
ortaya koymaya çalışacağız.
Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik
enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirlerler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir
çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken
veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir.
İletken
Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir
iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu
sayabiliriz.
Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip
olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler;
1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler.
38
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
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.
Yarıiletken
Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan
özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere
örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu
elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar.
Enerji Bandı
Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında
enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin
enerji bandları şekil-1.4’de verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok
geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest
elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı
ile iletkenlik bandı birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji
uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir.
Şekil-1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı;
yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir.
Enerji
Enerji
Enerji
İletim Bandı
İletim Bandı
Enerji Aralığı
Valans Band
Enerji Aralığı
İletim Bandı
Valans Band
Valans Band
0
0
a) Yalıtkan
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. Bunların birbirinden
farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır.
Şekil-1.5‘de her iki malzemenin
atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki
malzemenin en çok kullanılanıdır.
39
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
En dış yörüngede 4 valans
elektronu bulunur.
+32
+14
a) Silikon Atomu
b) Germanyum Atomu
Şekil-1.4 Silisyum ve germanyum atomları.
Kovelant Bağ
Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir
materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen
bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile
etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir.
Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak
bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki
sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu,
komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ
oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece
paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve
birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil-1.5 saaf silisyum kristallerinin
kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir.
Onunda sadece dört valans elektronu vardır.
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
Valans Elektronlar
Kovelant Bağlar
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Şekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları.
40
TEMEL ELEKTRONİK
1.3
Kaya
YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK
Bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini
göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur.
Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise
elektron bulunmaz. Bu durum şekil-1.6‘da silisyum kristalinde (dışarıdan
ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir.
Enerji
İletim Bandı
Enerji Aralıkları
Valans Band
Enerji Aralıkları
2. Band (l kabuğu)
Enerji Aralıkları
1. Band (k kabuğu)
Çekirdek 0
Şekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı.
Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik
Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı
valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına
atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil1.7.(a)‘da enerji diyagramında, şekil-1.7.(b)‘de ise bağ diyagramında gösterilmiştir.
Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında
boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara “delik=boşluk” veya “hole” denir. Isı veya ışık
enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik
oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki
elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her
şey yine eski haline döner.
Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında
hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir.
Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına
atlar.
41
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Serbest
Elektron
Enerji
Si
Serbest
Elektron
İletim Bandı
Isı
Enerjisi
Enerji Aralıkları
Delik
Si
Valans Band
Delik
Isı
Enerjisi
b) Bağ Diyagramı
a) Enerji Diyagramı
Şekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması.
Silisyuma karşı Germanyum
Germanyum kristallerinin durumu silisyuma benzer. Çünkü atomik yapıları da aynıdır.
Saf germanyum, silisyumdan daha fazla serbest elektrona sahiptir ve daha yüksek
bir iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte silisyum daha çok kullanılan bir malzeme olup
germanyumdan daha geniş bir alanda kullanılır. Bunun bir sebebi de silisyum
germanyumdan daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesidir.
Elektron ve Delik (hole) akımı
Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil-1.8‘de
gösterilmektedir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan
pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin
oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir.
Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest
elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında
kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal
yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu
boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir
boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda
bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil-1-9‘da gösterilmiştir.
Boşlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır.
1.4
N-TİPİ VE P-TİPİ YARI İLETKENLER
Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede
iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim
bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya
germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak
iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya
germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır.
Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı
maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki
temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde
denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır.
42
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Katkı İşlemi (Doping)
Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü
olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme
“doping” denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması
malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping
olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde oluşur.
N-Tipi Yarıiletken
Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi
ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor
(P), bizmut (Bi) veya antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans
elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl
bir kovelent bağ oluşturulduğu gösterilmiştir. Fosfor atomunun dört valans elektronu,
silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor’un bir valans
elektronu açıkta kalır ve ayrılır (şekil-1.10). Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır.
Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik elektron sayıları ile kontrol
edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan
bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz.
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Fb
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
Kovelant Bağ
-
-
-
Fb atomunun
serbest elektronu
-
-
Si
-
-
Şekil-1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması.
Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine
N-tipi yarıiletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım
taşıyıcıları diye adlandırılır. Böylece N-tipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır.
Buna rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. Bu
boşluklar 5-değerli akım katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. N-tipi malzemede
boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır.
43
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
P-Tipi Yarıiletken
Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir
oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk)
sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum
(Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine
belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans
elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak
valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. Buna
“boşluk” veya “delik=hole” denir.
Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle
elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif
yüklüdür. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile P-tipi malzemede çoğunluk
akım taşıcıları boşluklardır. Elektronlar ise P tipi malzemede azınlık akım
taşıyıcılarıdır. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda oluşmuştur. Bunlar
ısı ile oluşan boşluk çifti esnasında oluşturulmuştur. Bu serbest elektronlar, silisyuma
yapılan katkı esnasında oluşturulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede azınlık akım
taşıyıcılarıdır.
-
-
-
-
-
Si
Si
Si
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
-
B
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
-
-
Si
Kovelant Bağ
-
B atomundan
oluşan delik (hole)
-
-
Şekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 bağlı katkı atomu. Bohr katkı atomu merkezde
gösterilmiştir.
44
TEMEL ELEKTRONİK
1.5
Kaya
PN BİRLEŞİMİ
Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri
eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler
yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi
malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi denir. PN
birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b
devre elemanlarının yapımında kullanılır.
PN Birleşmesi
N-Tipi
Silisyum
P TİPİ MADDE
N TİPİ MADDE
P-Tipi
Silisyum
Delik (hole)
Elektron
Şekil-1.12 Basit bir PN yapısının oluşumu. Çoğunluk ve azınlık
taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir.
Şekil-1.12.(a)‘da yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir
silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine “yarı iletken diyot” denir.
N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım taşıyıcıcısı olarak
görev yaparlar ve “çoğunluk akım taşıyıcısı” olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca
ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise “azınlık akım
taşıyıcıları” adı verilir.
P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “çoğunluk akım
taşıyıcıları” denir. Bu bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur.
Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” denir. Bu durum şekil-1.12.(b)‘de gösterilmiştir.
PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı
hal devrelerinin temelini oluşturur.
Deplasyon Katmanı ve İşlevi
P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı
meydana gelmişti. Elektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki
madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi şekil-1.13.a’da
görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. Birleşim olduğu anda N maddesindeki
serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşluk=delik) birleşirler. P
maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise N maddesine gelip elektronlarla birleşirler.
Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmış olur. Bu olay
olurken P maddesi (-) yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı
şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter.
Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler.
45
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında
“gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) oluşur. Bu durum şekil-1.13.b’de
resmedilmiştir. İletim dengesi sağlandığında deplesyon katı P-N birleşiminde iletim
elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler.
P TİPİ MADDE
Delik (hole)
Gerilim Seddi
P TİPİ MADDE
N TİPİ MADDE
pn bitişimi
N TİPİ MADDE
-
+
-
+
+
+
+
+
Deplasyon
Bölgesi
Elektron
Şekil-1.13.a ve b PN birleşiminin denge iletimi. Elektron boşluk çiftinin oluşturduğu
sıcaklıkla N bölgesindeki birkaç boşluğun azınlık taşıyıcılarının meydana getirilmesi.
Şekil-1.13.b’de PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim
seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 250 C’de silisyum için engel 0.7 volt,
germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot
öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 10C’lik artış, diyot
öngeriliminin yaklaşık 2.3mV azalmasına neden olur.
Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin
oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN
birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.
46
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1.6 PN BİRLEŞİMİNİN POLARMALANMASI
PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN bitişimi elektronik
devre elemanlarının üretiminde en temel yapıdır. Elektronik endüstrisinin
en temel işlevi ise akım ve gerilimin kontrolüdür.
PN birleşimine elektronik biliminde “diyot” adı verilmektedir. Diyot veya
diğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında
çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte
“Polarma” veya “bias” adı verilmektedir.
PN birleşimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır.
Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” diğeri ise “ters yönde polarma”
dır. İleri veya ters yönde polarma tamamen diyot uçlarına uygulanan
gerilimin yönü ile ilgilidir.
Bu bölümü bitirdiğinizde;
•
•
İleri yönde polarma (forward bias)
Ters yönde polarma (reverse bias)
•
Kavramlarını öğreneceksiniz
İleri Yönde Polarma (Forward Bias)
İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin
yönü ile ilgilidir. PN birleşiminden akım akmasını sağlayacak şekilde yapılan
polarmadır. Şekil-1.14‘de bir diyoda ileri yönde polarma sağlayacak bağlantı
görülmektedir.
p
R
n
Vpolarma
+
Şekil-1.14 İleri yönde polarma bağlantısı. R, akımı sınırlamak ve diyot’u
korumak için kullanılmıştır.
İleri yönde polarma şöyle çalışır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak
adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) bağlanmıştır.
Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birleşim bölgesine
doğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birleşim bölgesine iter.
Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ulaşınca; N bölgesindeki elektronların ve
P bölgesindeki oyukların engel bölgesini aşmasını sağlar.
N bölgesinden ayrılan elektronlara karşılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda
elektron girmesini sağlar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi
(çoğunluk akım taşıyıcıları) eklem bölgesine doğrudur.
47
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Karşıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde boşluklar ile birleşirler. Valans
elektronları boşluklara taşınır ve boşluklar ise pozitif anot bölgesine taşınır. Valans
elektronlarının boşluklarla birleşme işlemi PN uçlarına voltaj uygulandığı sürece
devam eder ve devamlı bir “akım” meydana gelir. Bu durum şekil-1.15’de
resmedilmiştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron akışı görülmektedir.
P TİPİ
N TİPİ
boşluk akımı
Elektron akımı
R
VD
+
-
Vpolarma
Şekil-1.15: PN birleşimli diyot ‘ta elektron akışı.
İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi
PN birleşiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise
0.3V civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu değere ulaştığında, PN
birleşiminde iletim başlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime
geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akışı devam eder. Bu akıma ileri yön
akımı If denir. If akımı P ve N bölgesinin direncine bağlı olarak çok az değişir. Bu
bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir voltaj kaybına
sebep olur.
Ters Polarma (Revrese Bias)
Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine
bağlanmıştır. Bu durum şekil-1.16‘da gösterilmiştir. Ters polarmada PN birleşiminden
akım akmaz. Bataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki boşlukları kendine doğru
çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine doğru çeker ve bu arada
(deplesyon bölgesi) yalıtkan katman genişler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar,
P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar oluşturulur.
p
n
Vpolarma
+
-
Şekil-1.16 Ters Polarma bağlantısı.
48
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas voltajına eşit oluncaya
kadar genişler. Bu noktada boşlukların ve elektronların hareketi durur. Birleşimden
çoğunluk akım taşıyıcılarının harekete başlaması (transient ) akımı diye adlandırılır.
Bu ise ters kutuplama yapıldığında çok kısa bir anda akan bir akımdır.
P TİPİ
-
N TİPİ
-
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Engel
Katmanı
-
+
V polarma
Şekil-1.17 Ters polarmada oluşan engel katmanı
Diyot ters kutuplandığında engel katmanının yalıtkanlığı artacak ve her iki taraftaki
iyonlar şarj olacaktır. Bu durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça
engel katmanı genişler. Bu arada kapasitans’da artacaktır. Bu durum, deplesyon
katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sağlar.
Azınlık Akımı
Şimdiye kadar öğrendiğimize göre; diyoda ters gerilim uygulandığında çoğunluk
akımı çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut
olacaktır. Bu ters akım germanyumda, silisyum‘a göre daha fazladır. Bu akım
silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile
oluşan elektron boşluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim;
uygulanırken bazı elektronlar PN birleşimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda
birleşimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına bağlıdır dolayısı ile ısının
artması ters akımı da artıracaktır.
Ters Yönde Kırılma
Eğer dışarıdan uygulanan ters polarma gerilimi aşırı derecede artırılırsa çığ kırılması
meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcıları olan iletkenlik bandı
elektronlar dışarıdan uygulanan ters gerilim kaynağının etkisi ile P bölgesine itilirler.
Bu esnada valans elektronları iletkenlik bandına doğru hareket ederler. Bu anda iki
tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar;
valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının
hızla çoğalması olayı, çığ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar.
Çoğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler.
Bununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalışacak yönde yapılmışlardır. Bunlara
“Zener Diyot” adı verilir.
49
BÖLÜM 4
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
YARI İLETKENLER
Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra
sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir.
Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3. ve 5. gruba girerler. Bu demektir ki son
yörüngelerinde elektron alıcılığı veya vericiliği iletkenden fazla yalıtkandan daha
azdır.
İletkenler: Pt, Ni, Au, Cu, Al, Fe...........
Yalıtkan: Ebonit, Cam, Tahta, Su..........
Yarı iletkenler: S, Ge, Br, Al, In(indiyum)........
Kısmen Dolu bant ile iletkenlik şeridi çakışmışsa iletken olurlar.
DB ile BŞ birbirine yaklaştığı zaman iletken hale gelir.
Eğer yarı iletkenlere belirli bir gerilim uygulanırsa YAE yok edilir ve bağlama şeridi ile
iletkenlik bandı bitişir ve iletkenleşir.
50
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
İLETKEN, YALITKAN VE YARI İLETKENLER
Yeryüzündeki bütün maddeler, atom 'lar dan oluşmuştur.
Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket
eden elektronlardan oluşmaktadır.
Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptirler.
Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi,
elektrik akımını oluşturur.
Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir.
Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır:
•
•
•
İletkenler
Yalıtkanlar
Yarı iletkenler
İLETKENLER
İletkenlerin başlıca özellikleri:
•
•
Elektrik akımını iyi iletirler.
Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve
elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar.
Dış yörüngedeki elektronlara Valans Elektron denir.
•
Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır.
•
Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir.
•
Metaller de, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.
•
Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak,
•
altın, gümüş, bakır gösterilebilir.
Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden, altın ve gümüşe göre biraz daha
•
kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılan metaldir.
Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve
•
alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol
olduğu için geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.
51
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
YALITKANLAR
Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir.
Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler
gösterilebilir.
Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır.
Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda olduğundan
atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır.
YARI İLETKENLER
Yarı iletkenlerin başlıca şu özellikleri vardır:
İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar,
Normal halde yalıtkandırlar.
Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim
uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği
kazanır.
Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar
•
tekrar atomlarına dönerler.
Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman
•
halinde de elde edilir.
Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi
•
denilen belirli bir düzende sıralanmıştır.
Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim
•
uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler
katılarak ta iletkenlikleri arttırılmaktadır.
Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte ayrı bir yeri
•
vardır. Bunun nedeni Tablo 2.1 'de görüldüğü gibi, elektronik devre elemanlarının
üretiminde kullanılmalarıdır.
•
•
•
Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan
germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak
incelenecektir.
52
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 2.1 - Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri.
ADI
KULLANILMA YERİ
Germanyum (Ge) (Basit eleman)
Diyot, transistör, entegre, devre
Silikon (Si) (Basit eleman)
Diyot, transistör, entegre, devre
Selenyum (Se) (Basit eleman)
Diyot
Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik
eleman)
Diyot
Galliyum Arsenid (Ga As) (Bileşik eleman)
Tünel diyot, laser, fotodiyot, led
Indiyum Fosfur (In P) (Bileşik eleman)
Diyot, transistör
Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik eleman)
Güneş pili (Fotosel)
Not:
Germanyum ve silikon periyodik tabloda yer alan iki elementtir.
Çoğu ülke periyodik tabloyu kendi dillerinde hazırlamaktadır.
Ülkemizde ise, bazı terimler gelişmiş ülke dillerinden alınarak Türkçe 'ye uyarlama
yoluna gidilmiştir.
Germanyum adı, en çok kullanılan, İngilizce, Almanca ve Fransızca dillerinde
"Germanium" olarak yazılmakta ve "germanyum" olarak okunmaktadır. Türkçe 'ye
de "germanyum" olarak alınmış ve herkesçe de benimsenmiştir.
Silikon 'da durum farklıdır.
Silikon yabancı dillerde şöyle yazılmakta ve okunmaktadır:
İngilizce 'de; Silicon (Silikon),
Almanca 'da; Silikon (silikon)
Fransızca 'da; Silicium (silisyum)
Türkçe de ise yararlanılan yabancı kaynaktan esinlenerek kimilerince silikon,
kimilerince de silisyum denmiştir.
53
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ENERJİ SEVİYELERİ VE BANT YAPILARI
Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli
dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir.
Hareket halindeki elektron, şu iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır:
1) Çekirdeğin çekme kuvveti
2) Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti
ENERJİ SEVİYELERİ
Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir
enerjiye sahiptir.
Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji
uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer.
Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder.
Yukarıda belirtildiği gibi valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin
iletkenlik kazanması demektir.
Valans elektronlara enerji veren etkenler:
1)
2)
3)
4)
5)
Elektriksel etki
Isı etkisi
Işık etkisi
Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi
Manyetik etki
Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde
yapısına göre şöyle değişmektedir:
•
•
•
İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir.
Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir.
Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.
54
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BANT YAPILARI
Maddelerin iletkenlik dereceleri, en iyi şekilde, aşağıda açıklandığı gibi, bant
enerjileri ile tanımlanır.
Valans bandı enerji seviyesi:
Şekil 2.1 'de görüldüğü gibi her maddenin, valans elektronlarının belirli bir enerji
seviyesi vardır. Buna valans bandı enerjisi denmektedir.
İletkenlik bandı enerji seviyesi:
Valans elektronu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken bir enerji vardır. Bu
enerji, iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır.
İletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:
İletkenlerin, Şekil 2.1.(a) 'da görüldüğü gibi, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlik
bandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çok valans
elektron serbest hale geçer.
Yarı iletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji:
Yarı iletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında Şekil 2.1.(b) 'de görüldüğü
gibi belirli bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmek için
valans elektronlarına, boşluk bandınınki kadar ek enerji vermek gerekir.
Yalıtkanlarda iletim için verilmesi gereken enerji:
Yalıtkanlarda ise, Şekil2.1.(c) 'de görüldüğü gibi oldukça geniş bir boşluk bandı
bulunmaktadır. Yani elektronları, valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmek
için oldukça büyük bir enerji verilmesi gerekmektedir.
55
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil - 2.1 İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri
(a) İletken, (b) Yarı iletken, (c) Yalıtkan
SAF GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL YAPISI, KOVALAN
BAĞLARI
Germanyum ve Silikon yarı iletkenleri, kristal yapılarının kazandırdığı bir takım
iletken özelliğine sahiptir.
Germanyum ve Silikon, elektroniğin ana elemanları olan, DİYOTLARIN,
TRANSİSTÖRLERİN ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılmaktadır. Bu
nedenle, elektronik devre elemanları hakkındaki temel bilgilerin edinilebilmesi
bakımından bu iki yarı iletkenin yapılarının iyi bilinmesi gerekir.
Her iki yarı iletken de tabiattan elde edilmekte ve saflaştırılarak monokristal haline
getirildikten sonra devre elemanların üretiminde kullanılmaktadır.
56
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
GERMANYUMUN ELDE EDİLİŞİ:
Germanyum başlıca iki kaynaktan sağlanır:
1) Bazı cins maden kömürünün baca tozlarından,
2) Çinko rafine endüstrisi yan ürünlerinden
Yukarıda belirtilen kaynaklardan germanyumun oluşturulabilmesi için uzun işlemler
gerekmektedir.
Bu iki evrede oluşturulan germanyum henüz saf değildir. içerisinde bazı yabancı
maddeler bulunur. Germanyumun kullanılabilinmesi için önce içindeki yabancı
madde oranının 1/108 'in altına düşürülmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak içinde
ikinci evre olarak saflaştırma işlemi yapılır.
GERMANYUMUN SAFLAŞTIRILMASI:
Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma"
dır.
Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık 100 gram ağırlığındaki germanyum şekil 2.2 'de
görüldüğü gibi özel bir pota içerisine konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla, endüksiyon
yolu ile ısıtılan bir fırının içerisinden geçirilir.
Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanıştır.
Germanyum çubuğun ısıtıcı içerisine giren ucu erimeye başlar ve çubuğun hareketi
ile erime bir uçtan öbür uca doğru devam eder.
Aynı anda germanyum içerisinde ki yabancı maddeler de eriyerek çubuğun arka
tarafına toplanır. Saflaştırma sonunda bu uç kesilerek alınır.
57
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kesilecek uç direnç kontrolü ile belirlenir. Germanyum saflaştıkça direnci
artmaktadır.
Gerekirse bu işlemler birkaç kez daha tekrarlanarak germanyumun saflık derecesi
arttırılabilir. Bu halde germanyum henüz polikristal 'dir.
SİLİKONUN ELDE EDİLMESİ VE SAFLAŞTIRILMASI:
Silikon tabiatta silika (Kuartz yahut kum) halinde bol miktarda bulunur. Silikon,
germanyum için anlatılan yöntemle saflaştırılmaz. İçerisinde bulunan BOR "bölgesel
saflaştırma" yolu ile tamamen alınamamaktadır.Saflaştırma işlemi çok uzun
sürmektedir.......
GERMANYUMUN MONOKRİSTAL HALİNE GETİRİŞMESİ:
Germanyum ve silikon ancak MONOKRİSTAL haline getirildikten sonra DİYOT,
TRANSİSTÖR ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılabilir. "Monokristal"
kelimesi uluslararası bir terimdir ve TEK TİP KRİSTAL anlamına gelmektedir.
Şekil 2.3 - Germanyumun monokristal haline getirilmesi
58
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Germanyumda monokristal yapı şöyle oluşmaktadır:
Poli kristalli saf germanyum grafit bir pota içerisinde ergime derecesine kadar ısıtılır.
Ergimiş germanyum içerisine, Şekil 2.3 'te görüldüğü gibi monokristal halindeki
germanyum çubuk daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek çekilir.
Çekme işlemi ilerledikçe, eriyik halindeki germanyum da yüzeysel gerilim etkisiyle
çubuk etrafında toplanır ve aynı zamanda çubuğun kristal yapısına uygun olarak
katılaşır. Bütün eriyik katılaşıncaya kadar aynı işlemle çekmeye devam edilir.
Sounda, monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi ortaya çıkar.
SİLİKONUN MONOKRİSTAL HALİNE GETİRİLMESİ:
Her ne kadar, monokristal silikon da Germanyum gibi tek kristal çekirdekten üretilse
de, ergime derecesinin yüksek (1420°C) olması ve başka maddelerle birleşmemesi
nedeniyle işlem ayrıntılarında farklılıklar vardır.
SAF GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL YAPISI
Gerek Germanyum gerekse de Silikon kristal yapı bakımından aynı olduğundan,
anlatımda örnek olarak birinin veya diğerinin alınması fark etmemektedir.
Daha önce de açıklandığı gibi, germanyum ve silikonun yararlı hale gelebilmesi için
monokristal yapıya dönüştürülmeleri gerekmektedir.
MONO KRİSTAL YAPI NEDİR?
Monokristal yapıda atomlar Şekil 2.4 'te üç boyutlu olarak gösterildiği gibi, bir kübik
kafes sistemi oluşturmaktadır. Sistemdeki kürecikler, atomları gösteriyor. Atomlar
arasındaki yollar da kovalan bağları sembolize ediyor.
59
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KOVALAN BAĞ
Monokristal yapılarda, valans elektronlar komşu iki atomun dış yörüngelerinde
birlikte bulunmaktadır. Bu durum iki elektron arasıda sanki bir bağ varmış gibi
yorumlanmaktadır. İşte bu sembolik bağa kovalan bağ adı verilir.
Şekil 2.5 'te Germanyum monokristalin atomları arasındaki kovalan bağlar
gösterilmiştir. Kovalan bağların ucundaki elektronlar her iki atoma da bağlı
bulunduğundan atomların dış yörüngeleri 8 elektronlu olmaktadır.
Dış yörüngesinde 8 elektron bulunan atomlar elektron almaya ve vermeye
istekli olmazlar.
NOT: Kimilerince "kovalan" yerine İngilizce yazılımına uyarak "kovelent" terimi
kullanılmaktadır. "KOVALAN" kelimesi Türkçe ses uyumu bakımından daha
uygundur.
Bir monokristal ısıtıldığında veya ışık ve elektriksel gerilim etkisi altında
bırakıldığında, kovalan bağ kuvvetini yenen çok az sayıdaki elektron atomdan
uzaklaşır. Bu durum bir yarı iletkenlik belirtisi olmaktadır.
60
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
SAF OLMAYAN (KATKILI MADDELİ) GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL
YAPISI
Diyotlar, transistörler, entegre devreler v.b. gibi aktif devre elemanlarının yapımında
kullanılan germanyum ve silikon yarı iletken kristallerinin önce N ve P tipi kristaller
haline dönüştürülmeleri gerekmektedir.
N veya P tipi kristal yapısını elde edebilmek için. Şekil 2.6 'da görüldüğü gibi bir
pota içerisine konulan germanyum veya silikon monokristali eritilir, belirli oranlarda
katkı maddesi karıştırılır. Sonrada özel olarak hazırlanmış monokristal çekirdek,
eriyiğe daldırılıp döndürülerek çekilir.
Konulan katkı maddesinin cinsine göre çekilen kristal N veya P tipi olur.
61
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. N TİPİ İLETKEN KRİSTAL
N TİPİ İLETKEN KRİSTALİN OLUŞUMU
•
Eritilen Germanyum veya Silikon kristaline Tablo 2.2 'de verilen 5 valans
elektronlu fosfor, arsenik,
antimuvan gibi katkı maddelerinden biri katılır.
Yukarıda anlatılan yöntem uygulanarak bu katkı maddesi atomlarının kristal içine
•
yayılıp etrafındaki
Germanyum veya Silikon atomları ile kovalan bağ oluşturması sağlanır.
62
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 2.2. N ve P tipi kristallerin yapımında kullanılan elementler.
Atom
Eleman
Sembolü
numarası
adı
13
Alüminyum
Al
14
Silikon
Si
15
Fosfor
P
31
Galliyum
Ga
32
Germanyum
Ge
33
Arsenik
As
49
İndiyum
In
51
Antimuvan
Sb
K
2
2
2
2
2
2
2
2
Yörüngedeki elektron sayısı
M
N
O
3
4
5
18
3
18
4
18
5
18
18
3
18
18
5
L
8
8
8
8
8
8
8
8
Katkı maddesinin kristal yapı içerisinde yer alışı:
Şekil 2.7 'de katkı maddesi olarak en çok kullanılan Arseniğin Germanyum
kristalinde yer alışı gösterilmiştir.
Arsenik 5 valans elektronlu olduğundan ancak 4 elektronu komşu germanyum
atomlarıyla kovalan bağ oluşturur. 5. elektron ise çekirdeğin pozitif çekme
kuvvetinin etkisi altında zayıf olarak atoma bağlı kalmakta ve ufak bir enerji altında
serbest hale geçmektedir. Hatta, bir kısmı başlangıçta, ısı ve ışık etkisiyle atomdan
ayrılır.
Böylece Arsenik, Germanyum kristali için bir elektron kaynağı olmaktadır ve
kristal içerisinde pek çok serbest elektron bulunmaktadır.
Bu yapı, N tipi yarı iletken kristali olarak tanımlanır.
63
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
"N tipi kristal" deyimindeki harfi, "Negatif" kelimesinin ilk harfidir. Kristal
içerisindeki SERBEST ELEKTRONLARIN yarattığı "negatif elektrik yükünü"
sembolize etmektedir. N tipi kristaldeki AKIM TAŞIMA İŞLEMİNİ bu elektronlar
gerçekleştirmektedir.
N TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALLİNDE BULUNANLAR
•
Ge veya Si ATOMLARI: Kristal yapıyı oluşturmaktadır. Aralarında Kovalan bağ
vardır.
VERİCİ KATKI MADDESİ: Atomları kolaylıkla elektron veren katkı
•
elementleridir. Bu nedenle Verici Katkı Maddesi denmiştir.
POZİTİF İYONLAR: Verici katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Ge
•
veya Si atomları ile kovalan bağ oluşturarak 1 elektronunu kaybetmiş olduğundan
POZİTİF İYON halindedirler. Ancak, kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi
bulunmamaktadır.
ÇOĞUNLUK TAŞIYICILARI: Verici katkı maddesinden ayrılmış olan
•
elektronlardır.
Bu elektronlara, çok sayıda olduğundan ve akım taşıma görevini de yürüttüğünden,
çoğunluk taşıyıcıları adı verilmiştir.
AZINLIK TAŞIYICILARI: N tipi germanyum veya silikon kristalinde, ısı ve
•
ışık emişi nedeniyle, veya gerilim etkisiyle kovalan bağlarını koparan bir kısım
elektronun atomdan ayrılması sonucu, geride pozitif elektrik yüklü Ge veya Si
atomları kalmaktadır.
64
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
•
Bu tür atomlar da elektrik akımı taşıma özelliğine sahiptir. Ancak azınlıkta
kaldığından, bunlara da azınlık taşıyıcıları denmiştir. Normal çalışma düzeninde
önemli sayılabilecek rolleri bulunmamaktadır.
Şekillerde Gösterilenler:
Kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca,
kristale asıl özelliğini kazandıran atom ve elektrolar gösterilmektedir.
N tipi bir kristale, Şekil 2.8 'de gösterilmiş olduğu gibi şunlar özellik
kazandırmaktadır:
1) Serbest elektronlar: Akım taşıyıcılardır.
2) Verici katkı maddesi atomları: Etkisiz "pozitif iyon" halinde olduğundan,
daire içerisinde gösterilmiştir.
Şekil 2.8 - N tipi yarı iletken kristali
(-): Serbest elektronlar. (Akım iletimini sağlar.)
(+):Verici katkı maddesi atomları. (Etkisiz "+" iyon halindedir.)
2. P TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALİ
Germanyum veya Slikon kristaline Alüminyum gibi 3 valans elektrona sahip bir
katkı maddesi ilave edildiğin de, Şekil 2.9 'da da görüldüğü gibi, şu gelişmeler olur.
•
Bu katkı maddelerinin 3 valans elektron bulunduğundan, atom teorisi
gereğince bunu 4 'e tamamlamak ister, Bu nedenle, komşu Ge veya Si atomundan
1 elektron alır ve 4 kovalan bağ oluşturur.
1 elektron alan katkı maddesi atomu, NEGATİF İYON haline gelir. Ancak,
kovalan bağlı olduğundan herhangi bir elektriksel etkinliği olmaz. 1 elektronu
kaybeden Ge veya Si atomunda 1 ELEKTRON BOŞLUĞU oluşur. Bu boşluk,
genellikle delik veya oyuk olarak adlandırılır. Ancak bu terimler elektriksel
yönden atomun durumunu yansıtmamaktadır.
•
65
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bir elektronu veren atom, pozitif elektrik yükü hale geldiğinden, delik veya oyuk
yerine "POZİTİF ELEKTRİK YÜKÜ" demek daha doğrudur. Nitekim oluşan kristale,
" pozitif elektrik yükleri" amaçlanarak P TİPİ KRİSTAL denmiştir. P tipi kristalde akım
taşıma işlemi "pozitif elektrik yükleri" tarafından gerçekleştirilir.
P TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALİNDE BULUNANLAR
•
•
•
Ge veya Si ATOMLARI: Kristal yapıyı oluşturmaktadır.
VERİCİ KATKI MADDESİ: Elektron almak üzere, katılan madde.
NEGATİF İYONLAR: Katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Si veya
Ge atomlarından 1 elektron olarak negatif elektrik yüklü hale gelmektedir. Ancak,
bunlar kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi bulunmadan negatif iyon
halinde kalmaktadır.
ÇOĞUNLUK TAŞIYICILARI: 1 elektronu kaybetmiş olan ve dolayısıyla da,
•
pozitif elektrik yüklü (oyuklu) hale gelen çok sayıdaki Si ve Ge atomlarıdır. Bunlar
P tipi kristalde akım taşıma görevi yaparlar. AZINLIK TAŞIYICILARI: P tipi kristalde
bulunabilen çok az sayıdaki serbest elektronlardır. Bunlara da, akım taşıyıcı olarak
az sayıda bulunduğundan, azınlık taşıyıcıları denmiştir.
66
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekillerde Gösterilenler:
Şekil 2.10 'da görüldüğü gibi, kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde,
sadelik bakımından yalnızca, kristale özellik kazandıran atomlar ve elektronlar
gösterilir.
P tipi kristalde şunlar gösterilmektedir:
1) Pozitif elektrik yükleri (oyuklar): Akım iletimini sağlamaktadırlar.
2) Alıcı katkı maddesi atomları: Etkisiz (-) iyon halindedirler.
Şekil 2.10 - P tipi yarı iletken kristali
(+): Pozitif elektrik yükleri. (oyuklar) (Akım iletimi sağlamaktadır.)
(-): Alıcı katkı maddesi atomları. (Etkisiz "-" iyon halindedirler.)
N VE P YARI İLETKEN KRİSTALLERİNDE ELEKTRİN VE POZİTİF
ELEKTİK YÜKÜ (OYUK) HAREKETLERİ
N TİPİ KRİSTALDE ELEKTRONLARIN HAREKETİ
N tipi yarı iletken kristaline gerilim uygulandığında, kristal içerisindeki serbest
elektronlar, şekil 2.11 'de görüldüğü gibi, gerilim kaynağının pozitif kutbunun çekme
kuvveti ve negatif kutbunun da itme kuvveti etkisiyle, kaynağın pozitif (+) kutbuna
doğru
akar.;
Bu arada, kaynağın negatif (-) kutbundan çıkan elektronlar da kristale doğru hareket
eder.
Burada önemli bir hususu belirtmek gerekiyor:
Eskiden beri uygulanan uluslar arası kurallara göre, dış devredeki akım yönü, şekil
2.11 'de görüldüğü gibi gerilim kaynağının, pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru,
yani elektron akışının tersi yönde gösterilmektedir.
67
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Akımın bir devredeki işlevi bakımından, yönün önemi yoktur. Ancak bazı devre
hesaplarında yön işareti koymak gerekebilir. Böyle bir durumda "+" --> "-" yönü
pozitif yön ve "-" --> "+" yönü negatif yön alınır.
P TİPİ KRİSTALLERDE POZİTİF ELEKTRİK YÜKÜNÜN (OYUK) HAREKETİ
"Pozitif elektrik yükü" (oyuk) bir elektron gibi hareket etmemektedir. Ancak anlatım
kolaylığı bakımından, hareket ettiği kabul edilmiştir.
Katkı maddesi yokken, Ge ve Si atomlarının kovalan bağlarını kırarak bir
elektronunu almak çok zor olduğu halde, katkı maddesi bu işlemi
kolaylaştırmaktadır. Ve bir gerilim uygulandığında akım iletimi sağlanmaktadır.
P tipi bir kristale şekil 2.12 'deki gibi bir gerilim kaynağı bağlanırsa şu gelişmeler
olmaktadır.
1) Durum: Kaynağın pozitif kutbuna yakın bulunan ve bir elektronunu katkı
maddesine vererek "+" elektrik yüklü hale gelmiş olan Ge ve Si atomu,
kaynağında çekme kuvveti yardımıyla, bir sonraki atomun kovalan bağını kırarak,
1 elektronunu alır.
Ancak, dengesi bozulmuş olan atom bu elektronu sıkı tutamayacağından,
kaynağın pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisine kapılan elektron atomdan
ayrılarak kaynağa doğru hareket eder.
2) Durum: Bir elektronunu kaybeden ikinci atom da ondan sonraki atomun
elektronunu alır.
68
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3) -5. Durum: Böylece, elektron bir atomdan diğerine geçecek ve son atom da
kaybettiği elektronu kaynağın negatif kutbundan alacaktır.
6. Durum:Tekrar birinci duruma dönülmekte ve olay devam etmektedir.
Sıra ile bir elektronu kaybeden her bir atom, pozitif elektrik yüklü hale geldiğinden
pozitif elektron yükü (oyuk) hareket ediyormuş gibi olmaktadır.
Her ne kadar pozitif elektrik yükü, yani bu yükü taşıyan atom, elektron gibi bir
noktadan kalkıp diğerine doğru hareket edemese de, ard arda oluşan "+" elektrik
yüklü atomlar, "+" elektrik yükünün (oyuğun) hareket ettiği görüntüsünü vermektedir.
Böyle bir açıklama şekli, diyotların ve transistörlerin çalışma prensibini daha
kısa yoldan anlatımını sağlamaktadır.
Elektronların atomdan atoma geçişi, hareket hızını düşürdüğünden P tipi kristaldeki
akım hızı N tipine göre daha yavaştır.
69
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu açıklamalar yardımıyla, P tipi kristaldeki akım iletimi şu şekilde yorumlanır:
Şekil 2.13 'de görüldüğü gibi, P tipi kristale bir gerilim kaynağı bağlansın. P tipi
kristaldeki akım iletimi de N tipi kristale benzer şekilde açıklanır.
Gerilim kaynağı, N tipi kristaldeki elektronları nasıl etkiliyorsa, P tipi kristalde de
pozitif elektrik yüklerini benzer şekilde etkilediği düşünülür.
Şöyle ki:
Şekil 2.13 'ten takip edilirse,
Gerilim kaynağının "+" kutbu, kristaldeki "+" elektrik yüklerini iter ve "-" kutbu da
çeker. Böylece, "+" elektrik yükleri, şekilde oklar ile gösterilmiş olduğu gibi, kaynağın
negatif kutbuna doğru hareket eder. Bu hareket devreden bir akımın akışını sağlar.
Devredeki akımın oluşumu, bu şekilde kısa yoldan açıklanmış olmaktadır.
Ancak pozitif elektrik yüklerinin hareketi yalnızca kristal içerisinde kalmaktadır. Dış
devrede hareket eden yine elektronlardır.
Dış devrede elektronların hareket yönü, yine kurallara uygun olarak kristalden
kaynağın "+" kutbuna ve kaynağın "-" kutbundan kristale doğrudur.
Dış devre akım yönü de yine kurallar gereğince, kaynağın "+" kutbundan çıkıp, "-"
kutbuna doğru olan yöndür.
Şekil 2.13 - P tipi gerilim kaynağı bağlanması halinde pozitif elektrik yükü (oyuk) ve
elektron hareketleri
70
BÖLÜM 5
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DİYOT ÇEŞİTLERİ
1)
2)
3)
4)
5)
6)
KRİSTAL DİYOT
ZENER DİYOT
TÜNEL DİYOT
IŞIK YAYAN DİYOT (LED)
FOTO DİYOT
AYARLANABİLİR KAPASİTELİ DİYOT (VARAKTÖR - VARİKAP)
DİĞER DİYOTLAR
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
MİKRODALGA DİYOTLARI
GUNN DİYOTLARI
IMPATT (AVALANŞ) DİYOT
BARITT (SCHOTTKY) DİYOT
ANİ TOPARLANMALI DİYOT
PİN DİYOT
BÜYÜK GÜÇLÜ DİYOTLAR
71
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DİYOTUN TEMEL YAPISI
DİYOT NEDİR?
Diyotlar, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır.
Diğer bir deyimle, bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki
dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır.
Direncin küçük olduğu yöne "doğru yön" ,büyük olduğu yöne "ters yön" denir.
Diyot sembolü, aşağıda görüldüğü gibi, akım geçiş yönünü gösteren bir ok
şeklindedir.
Diyot Sembolü:
Ayrıca, diyodun uçları pozitif (+) ve negatif (-) işaretleri ile de belirlenir.
"+" ucu anot, "-" uca katot denir.
Diyodun anaduna, gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, katoduna kaynağın negatif (-)
kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandığında diyot iletime geçer.
Diyodun kullanım alanları:
Diyotlardan,
elektrik
alanında
redresör
(doğrultucu),
elektronikte
doğrultucu,detektör, modülatör, limitör, anahtar olarak çeşitli amaçlar
yararlanılmaktadır.
Diyotların Gruplandırılması:
Diyotlar başlıca üç ana gruba ayrılır:
1) Lamba diyotlar
2) Metal diyotlar
3) Yarı iletken diyotlar
72
ise;
için
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. LAMBA DİYOTLAR
Lamba diyotlar en yaygın biçimde redresör ve detektör olarak kullanılmıştır. Sıcak
katotlu lamba, civa buharlı ve tungar lambalar bu gruptandır. Şekil 3.1 'de sıcak
katotlu lamba diyodun iç görünüşü ve çalışma şekli verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi
ısınan katotdan fırlayan elektronlar atom tarafından çekilmekte ve devreden tek yönlü
bir akım akışı sağlanmaktadır. Eskiden kalanların dışında bu tür diyotlar artık
kullanılmamaktadır.
2.METAL DİYOTLAR
Bakır oksit (CuO) ve selenyumlu diyotlar bu gruba girmektedirler.
Bakır oksitli diyotlar ölçü aletleri ve telekominikasyon devreleri gibi küçük gerilim ve
küçük güçle çalışan devrelerde, selenyum diyotlar ise birkaç kilowatt 'a kadar çıkan
güçlü devrelerde kullanılır. Şekil 3.2 'de metal diyotların kesiti gösterilmiştir.
73
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3. YARI İLETKEN DİYOTLAR
Yarı iletken diyotları, P ve N tipi germanyum veya Silikon yarı iletken kristallerinin
bazı işlemler uygulanarak bir araya getirilmesiyle elde edilen diyotlardır. Hem
elektrikte hemde elektronikte kullanılmaktadır. Şekil 3.3 'te tipik bir örnek olarak
kuvvetli akımda kullanılan bir silikon diyot verilmiştir.
74
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 3.1 'de metal ve yarı iletken diyotlarına ait bazı değerler verilmektedir.
DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ Birimi
Ters yöndeki dayanma gerilimi
Aktif yüzeydeki akım
yoğunluğu
Maksimum doğru yön akımı
Gerilim düşümü
Maksimum dayanma sıcaklığı
Ters yön akımının doğru yön
akımına oranı
V
Selenyum
40 - 60
DİYOT CİNSİ
Germanyum
Silikon
500 - 800
1500 - 4000
A / cm2
0.89 - 0.9
100 - 300
100 - 300
A
V
°C
400
0.6 - 1
80°C
200
0.6
65°C
1000
1.2
140°C
IR / ID
0.1 - 0.03
0.0002
0.00001
Diyotlar arasında bir kıyaslama yapabilmek için Şekil 3.4 'te bazılarının karakteristik
eğrileri verilmiştir
3. YARI İLETKEN DİYOTLARIN TEMEL YAPISI
Yarı iletken diyotları, PN yüzey birleşmeli (jonksiyon) diyotlar ve nokta temaslı
diyotlar olmak üzere iki ana grupta toplanır.
Yarı iletken diyotları, ilk olarak nokta temaslı kristal diyot halinde kullanıma
girmiştir. Zamanla bunların yerini yüzey birleşmeli diyotlar almıştır. Nokta temaslı
diyotlar bugün bazı özel alanlarda kullanıldığından özel amaçlı diyotlar bölümünde
incelenmiştir.
PN yüzey birleşmeli diyot diğer adıyla jonksiyon diyot, P ve N tipi kristallerin, özel
yöntemler ile, Şekil 3.5 'te görüldüğü gibi, ard arda birleştirilmesi yoluyla elde edilir.
Birleşme yüzeyine jonksiyon da denir. Jonksiyon diyot deyimi buradan
gelmektedir. Jonksiyon kalınlığı 0.01 mm 'dir.
Diyodun anot ve katot uçları:
Diyodun P bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna (elektroduna) ANOT ucu, N
bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna da KATOT ucu denir. Anot "+" katot "-" ile
gösterilir.
75
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
POLARMASIZ PN BİLEŞİMİ
Gerilim uygulanmamış olan, diyoda POLARMASIZ diyot denir.
Polarmasız diyotta şu yapısal değişiklikler olmaktadır:
Şekil 3.6 'dan takip edilirse, N tipi kristalin birleşme yüzeyine yakın kısmındaki
serbest elektronlar, P tipi kristaldeki pozitif (+) elektrik yüklerinin, yani pozitif elektrik
yüklü atomların, çekme kuvveti etkisiyle birleşme yüzeyini geçerek, bu yüzeye yakın
atomlardaki elektron boşluklarını doldururlar. Ve kovalan bağ kurarak P kristali
içerisinde nötr (etkimesiz) bir bölge oluştururlar.
N tipi kristalin belirli bir bölümündeki elektronların tamamı P tipi kristale geçtiğinden,
N tarafında da nötr bir bölge oluşur. P kristali nötr bölgesinin gerisinde kalan pozitif
elektrik yüklü atomların çekme kuvveti, N tipi kristalin nötr bölgesinin öbür tarafında
kalmış olan elektronları çekmeye yetmeyeceğinden belirli bir geçişten sonra elektron
akışı duracaktır.
Sonuçta, birleşme yüzeyinin (jonksiyonun) iki tarafında hareketli elektriksel yükü
bulunmayan bir boşluk bölgesi oluşur.
76
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Boşluk bölgesinin pil ile tanımlanması:
Boşluk bölgesinin özelliğini daha iyi tanımlaya bilmek için, Şekil 3.6 'da görüldüğü
gibi, pozitif kutbu N tipi kristale bağlı, yaklaşık 1/2V 'luk bir pil bağlıymış gibi
düşünülür.
Pilin "+" kutbu, serbest elektronları çeker ve "-" kutbu da, "+" atomlara elektron
vererek onları nötr hale getirir. Böylece boşluk bölgesi oluşur.
Şekil 3.6 - Yüzey birleşmeli diyotta boşluk bölgesinin pil ile gösterilişi.
POLARMALI PN BİLEŞMESİ
Gerilim uygulanmış olan diyoda, POLARMALI diyot denir.
Yapılan işleme de, diyodun POLARILMASI denir.
"Polarma" nın Türkçe karşılığı "kutuplandırma" dır. Yani, gerilim kaynağının "+" ve
"-" kutuplarının bağlanmasıdır.
Gerilim kaynağının bağlanış şekline göre, polarma şu iki şekilde olur:
a) Doğru polarma
b) Ters polarma
77
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
A. DOĞRU POLARMA
Gerilim kaynağının, akım akıtacak yönde bağlanmasına, DOĞRU POLARMA denir.
Doğru polarma bağlantısı:
Doğru polarmada, Şekil 3.7 'de görüldüğü gibi; gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu,
diyodun anoduna (P bölgesi), negatif (-) kutbu, diyodun katoduna (N bölgesi)
bağlanır.
Diyodun uçları arasındaki gerilim için de "polarma" veya "polarizasyon" gerilimi
deyimleri kullanılır.
Şekil-3.7 İleri yönde polarma bağlantısı. R, akımı sınırlamak ve diyot’u korumak
için kullanılmıştır
DOĞRU POLARMADA DİYOT İÇERİSİNDEKİ GELİŞMELER
Şekil 3.7 'den de anlaşılacağı gibi, doğru yönde polarılmış diyotta, N bölgesindeki
serbest elektronlar, gerilim kaynağının negatif kutbu tarafından itilir, pozitif kutbu
tarafından çekilir.
Benzer şekilde, P bölgesi pozitif elektrik yükleri de kaynağın pozitif kutbu
tarafından itilir, negatif kutbu tarafından çekilir.
Bu sırada, pozitif elektrik yüklerinin tersi yönde hareket eden elektronlar da, P
bölgesinden çıkarak kaynağın pozitif (+) kutbuna doğru akar. P bölgesinden kaynağa
giden her elektrona karşılık, kayağın negatif kutbundan çıkan bir elektron da N
bölgesine gelir. Böylece devrede bir akım doğar.
78
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Dış devredeki akım yönü:
Herkes tarafından kabul edilen, elektron akışının tersi yönde, yani kaynağın pozitif
kutbundan diyoda doğru ve oradan da kaynağın negatif kutbuna doğrudur. Kısacası;
akım "+" dan, "-" ye doğru akar.
Diyottan geçirilebilecek akımın büyüklüğü:
Bir diyottan geçirilebilecek olan akımın büyüklüğü diyot türüne ve yapısına göre
değişir. Geçirilebilecek maksimum akım değeri diyot kataloglarında verilmiştir.
Eğer akımın büyük değerlere ulaşmasına izin verilirse, meydana gelen sıcaklık
diyodun yapısını etkiler ve diyot bozulur. Böyle bir durumu önlemek için, şekil 3.7 'de
görüldüğü gibi, diyoda seri bir R direncinin bağlanmasında yarar vardır. R direncinin
seçimi diyodun akım kapasitesine ve gerilim kaynağının büyüklüğüne göre yapılır.
Diyodun Anot ve Katodu:
Doğru polarmalı bağlantıda, gerilim kaynağının pozitif kutbu, diğer adıyla ANODU
diyodun P bölgesine bağlandığından, diyodun bu ucuna da ANOT ucu denmiştir.
Benzer şekilde diğer uca da KATOT denmiştir.
Diyodun dış görüntüsünde ANOT - KATOT ayrımını sağlayabilmek için, genellikle
katot tarafına aşağıda gösterildiği gibi bir çizgi konulur.Bazı diyotlarda bu durum ok
işareti konularak belirtilir.
79
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
B. TERS POLARMA
Şekil 3.8 'de görüldüğü gibi, gerilim kaynağının negatif (-) ucu, diyodun anoduna (P
tarafına), gerilim kaynağının pozitif (+) ucu ise, diyodun katot (N) ucuna gelecek
şekilde bağlantı yapılırsa, diyot çok büyük bir direnç gösterecek ve akım akışına
engel
olacaktır.
Ancak
çok
küçük
bir
kaçak
akım
akar.
Bu
halde
diyot
ters
polarmalıdır
veya
ters
bağlantılıdır
denir.
Büyük direnç yönüne de diyodun ters yönü adı verilmektedir.
TERS POLARMA HALİNDE DİYOT İÇERİSİNDEKİ GELİŞMELER
P bölgesindeki pozitif elektrik yükleri (oyuklar) kaynağın negatif kutbu tarafından,
N bölgesindeki serbest elektronlar ise pozitif kutbu tarafından çekilecek ve
jonksiyondan herhangi bir akım geçmeyecektir. Bu durumda, ortadaki boşluk bölgesi
de büyümektedir. (Şekil 3.8)
Şekil-3.8 Ters Polarma bağlantısı.
80
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kaçak akım (leakage current):
P ve N tipi yarı iletken kristalinin incelenmesi sırasında, P tipi kristalde, azınlık
taşıyıcısı olarak bir miktar serbest elektronun bulunduğu, keza N tipi kristalde de bir
miktar, aktif halde pozitif elektrik yükü (oyuk) bulunduğunu belirtmiştik. İşte ters
polarma sırasında, bu azınlık taşıyıcıları etkinlik göstererek, diyot içerisinden ve
dolayısıyla da devreden ters yönde çok küçük bir akım geçmesine neden olur. Bu
akıma "KAÇAK AKIM" denir.
Kaçak akım şekil 3.9 'da görüldüğü gibi, mikro amper mertebesinde (µA) ihmal
edilebilecek kadar küçük olup normal çalışma şartlarında diyodun çalışmasını
etkilememektedir. Ancak ısınmayla artma gösterir.
DİYOT KARAKTERİSTİĞİ
Şekil 3.9 'da Ge ve Si diyotlara ait gerilim akım bağıntısı gösterilmiştir.
Buradaki gibi, bir eleman veya devrenin çeşitli değerleri arasındaki bağıntıyı yansıtan
eğrilere karakteristik eğrisi, bazen de kısaca karakteristiği denmektedir.
DOĞRU POLARMA DURUMUNDA
Doğru polarmada, şekil 3.9 'da görüldüğü gibi germanyum diyodun karakteristik eğrisi
0,2V civarında, silikon diyodun karakteristik eğrisi ise 0,6V civarında yukarıya doğru
kıvrılmaktadır. Yani, ancak bu gerilim değerlerinden sonra diyot iletime geçmektedir.
İletime geçiş gerilimine başlangıç veya eşik gerilimi denir.
Diyodun hemen iletime geçmemesinin nedeni birleşme yüzeyinin iki yanındaki boş
(nötr) bölgesidir. Elektronlar, ancak yukarıda belirtilen gerilimlerden sonra bu
bölgeyi geçebilmektedir.
Şekilde görüldüğü gibi, küçük değerli gerilim artışında, doğru yön akımı hızla
büyümektedir. Bu akım fabrikasında verilen akım limitini aşarsa diyot yanar.
81
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TERS POLARMA DURUMUNDA
Ters polarmada, daha öncede belirtildiği gibi, belirli bir gerilime kadar ancak mikro
amper mertebesinde ve önemsenmeyecek kadar küçük bir kaçak akımı akmakta, bu
gerilimi aşınca ise ters akım birden büyümektedir.
DİYODUN DELİNMESİ
Ters akımın birden büyümesi halinde, diyodun delinmesi, bu andaki gerilime de
delinme gerilimi denir.
Delinme olayında, ters akımın birden büyümesinin nedenleri:
1) Şekil 3.8 'de görüldüğü gibi, uygulanan büyük değerli ters gerilimin pozitif kutbu, N
bölgesindeki serbest elektronları kuvvetle çekmekte, negatif kutbu da P bölgesindeki
azınlık taşıyıcı durumundaki elektronları kuvvetle itmektedir.
2) Büyük bir hareketlilik kazanan elektronlar, atomlara hızla çarparak, valans
elektronlarında serbest hale geçmesine neden olur.
3) Bu şekilde hem P, hem de N bölgesinde hızla çoğalan elektronlar kaynağın pozitif
kutbunun çekme kuvvetine kapılarak, büyük oranda kaynağa doğru akar.
4) Bu arada P - N bölgeleri arasındaki boşluk bölgesi kalkmış ve P bölgesinde de
çok sayıda elektron oluşmuş bulunduğundan P - N ayrımı kalmaz. Diyot iletken bir
madde haline dönüşür.
5) Aşırı elektron hareketinden dolayı diyot ısınarak yanar.
6) Ayrıca dış ortamın sıcak olması da olayı hızlandırmaktadır.
Bu nedenle, diyotlar çok sıcak ortamlarda kullanılmamalı veya soğutucu ile
kullanılmalıdır. Germayum diyodun maksimum çalışma sıcaklığı 90°C, Silikon
diyodu ise175°C dir.
Ayrıca ters polarma halinde, uygulanan gerilimin büyük değerlerinde diyodun yüzeyi
boyunca bir miktar da yüzeysel kaçak akımı akar.
Diyot yüzeyinin kirlenmesi ve rutubetlenmesi durumunda yüzeysel kaçak akımı
büyür. Her iki polarma halinde de vardır. Fakat ters polarma halinde, istenmeyen
akım olarak, etkisini daha da çok göstermektedir.
Şekil 3.9 'da görüldüğü gibi, siliko diyodun delinme gerilimi, germanyum diyoda göre
daha büyüktür. Diyer taraftan kaçak akım ise daha küçüktür.
82
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Sonuç olarak:
Diyot, doğru polarmada küçük dirençli bir devre elemanı, ters polarmada ise büyük
dirençli bir devre elemanı niteliği gösterir ve akımın tek yönde akmasını
sağlamaktadır.
Fabrikasınca verilen, doğru yön akımı ve ters yön gerilimi geçilirse diyot yanar.
DİYODUN KONTROLÜ
Bir diyot şu iki amaçla kontrol edilir:
1) Anot ve Katodun belirlenmesi
2) Sağlamlık kontrolü
Diyot kontrolü, pratik olarak ölçü aleti (avometre) ile yapılır. İbreli (analog) ölçü aleti
kullanılması, hızlı ölçüm ve takip kolaylığı bakımından daha uygundur.
Amaç hassas bir ölçüm olmayıp, büyük veya küçük direnç şeklinde bir ölçüm yapmak
suretiyle diyodun durumunu saptamaktır.
Ayrıca, bir hususa dikkat etmek gerekir:
Diyot direncinin kontrolüyle, normal bir direncin kontrolü arasında önemli farklar
vardır.
Direnç ölçümünde, gerilim kaynağı olarak ölçü aleti içerisindeki pilden
yararlanılmaktadır. Ölçü aleti içerisindeki pil genelde 1.5V 'luk tur. Bazı ölçü
aletlerinde 9V 'luk pil bulunur.
1.5V 'luk ohm ile yapılan en küçük normal bir direncin bile, kısa zamanlı ölçümü için
tehlikeli değildir. Ancak diyot için tehlikeli olabilir.
Her diyodun, doğru yönde geçirebileceği akım sınırlıdır. Bu nedenle, küçük akımlı
diyotların ve özelliklede yüksek frekans (YF) diyotlarının ölçümü sırasında dikkatli
olmak gerekir. Bu gibi hallerde diyotlarda 100-500 Ohm arasında seri bir direnç
bağlamak gerekir.
Ayrıca;
Galvano teknikte ve DC motorlar için kullanılan büyük güçlü doğrultucu diyotlarına
benzer diyotları iletime geçirmek için büyük gerilim gerektiğinden 1.5V 'luk Ohm
metre böyle diyotları ölçmez. İki yönde de büyük direnç gösterir. Böyle diyotlar için 9V
'luk pili bulunan avometreler kullanılır ve R*100, R*1000 kademelerinde ölçüm yapılır.
83
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şunuda bilmek gerekir:
Ölçü kademesi büyüdükçe, ölçü aletinin iç direnci küçülür ve dış devreye uyguladığı
gerilim ve verdiği akım büyür.
DİYODUN, ANOT VE KATODUNUN BELİRLENMESİ
Diyotlar devreye mutlak surette doğru şekilde bağlanmalıdır. Bunun içinde anot ve
katodun bilinmesi gerekir.
Diyot anot ve katodunun hangisi olduğundan şüphe ediliyorsa, kontrol şekil 3.10 'da
görüldüğü gibi iki yönlü yapılır. Normal bir diyot, bir yönde küçük direnç, öbür yönde
çok büyük direnç gösterecektir.
Doğru yön direnci diyottan diyoda birkaç 10 ohm 'dan birkaç 100 ohm 'a kadar,
değiştiği gibi, aynı diyodun direnci uygulanan gerilime göre de değişir. Uygulana
gerilim büyüdükçe diyodun direnci küçülür.
Ters yön direnci, bütün diyotlarda Mega ohm 'a yakın veya üzerindedir.
Diyot direncinin küçük çıktığı yönde, ölçü aletinin pozitif (+) probunun bağlı olduğu uç
ANOT diğer uç KATOT 'dur.
Bu noktada diğer bir hususa daha dikkat edilmesi gerekir:
Bazı ölçü aletlerinde pilin negatif ucu, aletin "+" yazılı çıkışına bağlanmaktadır. Bu
nedenle, kullanılan ölçü aletinde pilin çıkışa nasıl bağlandığının bilinmesi gerekir.
Prensip olarak, ölçü aletinin "+" çıkışındaki kablonun rengi KIRMIZI "-" çıkışındaki
kablonun rengi SİYAH 'tır.
DİYODUN SAĞLAMLIK KONTROLÜ
Bir diyot şu iki nedenle bozulur:
1) Doğru yönde katalog değerinin üzerinde akım geçirilirse,
2) Ters yönde yine katalog değerinin üzerinde gerilim uygulanırsa.
Her iki halde de diyottan geçen aşırı akım diyodun bozulmasına neden olacaktır.
84
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Üzerinden aşırı akım geçen bir diyotta üç durum gözlenebilir:
•
•
•
Aşırı akım çok fazla değilse ve kısa dönem akmışsa, hem P, hem de N
bölgesindeki kristal atomları arasındaki kovalan bağlar kopmakta ve
elektronlar serbest hale geçmektedir. Bu durumda diyot bir iletken haline
dönüşmekte ve omaj ölçümü yapıldığında her iki yönde de kısa devre
göstermektedir.
Aşırı akım çok büyük olursa diyot aynen bir sigorta teli gibi eriyip yanar ve
omaj kontrolü yapıldığında her iki yönde de açık devre gösterir. Diğer bir
deyimle, sonsuz ( ) gösterir.
Yanan bir diyottaki renk değişimi dışarıdan bakıldığında da belli olur.
85
BÖLÜM 6
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KRİSTAL DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ
Nokta temaslı diyot elektronik alanında ilk kullanılan diyottur. 1900-1940 tarihleri
arasında özellikle radyo alanında kullanılan galenli ve prit 'li detektörler kristal
diyotların ilk örnekleridir. Şekil 3.12 (a) 'da görüldüğü gibi galen veya prit kristali
üzerinde gezdirilen ince fosfor-bronz tel ile değişik istasyonlar bulunabiliyordu.
Günlük hayatta bunlara, kristal detektör veya diğer adıyla kristal diyot denmiştir.
1940 'tan sonra, Şekil 3.12 (b) 'ye benzeyen nokta temaslı germanyum veya silikon
diyotlar geliştirilmiştir.
Germanyum veya silikon nokta temaslı diyodun esası; 0.5 mm çapında ve 0.2 mm
kalınlığındaki N tipi kristal parçacığı ile "fosfor-bronz" veya "berilyum bakır" bir telin
temasını sağlamaktan ibarettir.
Şekil 3.12 - Nokta temaslı diyot
Şekil 3.13 - Nokta temaslı germanyum
diyodun karakteristik eğrisi
a) Genel yapısı
b) P bölgesinin oluşumu
86
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu tür diyotta, N tipi kristale noktasal olarak büyük bir pozitif gerilim uygulanır. Pozitif
gerilim temas noktasındaki bir kısım kovalan bağı kırarak elektronları alır. Böylece,
çok küçük çapta bir P tipi kristal ve dolayısıyla da PN diyot oluşur. Bu oluşum şekil
3.12 (b) 'de gösterilmiştir.
Bugün nokta temaslı diyotların yerini her ne kadar jonksiyon diyotlar almış ise de,
yinede elektrotları arasındaki kapasitenin çok küçük olması nedeniyle yüksek
frekanslı devrelerde kullanılma alanları bulunmaktadır.
Ters yön dayanma gerilimleri düşük olup dikkatli kullanılması gerekir. Şekil 3.13 'teki
karakteristik eğrisinde de görüldüğü gibi
Böyle bir diyodun elektrotlar arası kapasitesi 1 pF 'ın altına kadar düşmektedir.
Dolayısıyla yüksek frekanslar için diğer diyotlara göre daha uygun olmaktadır.
Nokta temaslı diyotların kullanım alanları:
Nokta temaslı silikon diyotlar en çok mikro dalga karıştırıcısında, televizyon, video
dedeksiyonunda, germanyum diyotlar ise radyofrekans ölçü aletlerinde (voltmetre,
dalgametre, rediktör vs...) kullanılır.
ZENER DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ
Zener diyot jonksiyon diyodun özel bir tipidir.
Zener Diyodunun Özellikleri:
•
•
•
•
•
•
Doğru polarmalı halde normal bir diyot gibi çalışır (Şekil 3.14).
Ters polarmalı halde, belirli bir gerilimden sonra iletime geçer.
Bu gerilime zener dizi gerilimi, veya daha kısa olarak zener gerilimi denir
(Şekil 3.14-VZ).
Ters gerilim kalkınca, zener diyotta normal haline döner.
Devrelerde, ters yönde çalışacak şekilde kullanılır.
Bir zener diyot zener gerilimi ile anılır. Örn: "30V 'luk zener" denildiğinde,
30V 'luk ters gerilimde çalışmaya başlayan zener diyot demektir.(Şekil 3.14).
Silikon yapılıdır.
Zener diyot, ters yön çalışması sırasında oluşacak olan aşırı akımdan dolayı
bozulabilir. Bu durumu önlemek için devresine daima seri bir koruyucu direnç
bağlanır (Şekil 3.16-RS).
87
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Her zaman zener diyodun kataloğunda şu bilgiler bulunur:
•
•
•
•
•
•
Gücü
Ters yön gerilimi(VZ),
Maksimum ters yön akımı(IZM),
Ters yöndeki maksimum kaçak akımı,
Maksimum direnci
Sıcaklık sabiti.
Şu limit değerlerde çalışan zener diyotlar üretilmektedir:
•
•
•
•
•
Maksimum zener akımı (IZM): 12A
Zener gerilimi (VZ): 2 - 200V arası
Maksimum gücü: 100Watt
Maksimum ters yön kaçak akımı: 150µA (mikro amper)
Maksimum çalışma sıcaklığı: 175°C.
Çalışma ortamı sıcaklığı arttıkça zener gerilim küçülür.
Zener geriliminin ayarı:
Zener gerilimin ayarı birleşme yüzeyinin iki tarafında oluşan boşluk bölgesinin (nötr
bölge) genişliğinin ayarlanması yoluyla sağlanmaktadır. Bunun içinde çok saf silikon
kristal kullanılmakta ve katkı maddesi miktarı değiştirilmektedir. Boşluk bölgesi
daraldıkça zener diyot daha küçük ters gerilimde iletime geçmektedir.
88
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Zener gücünün ayarı:
Zener gücü, birleşme yüzeyinin büyüklüğüne ve diyodun üretiminde kullanılan
silikonun saflık derecesiyle, katkı maddesinin miktarına bağlıdır. Ayrıca diyot
ısındıkça gücüde düşeceğinden, soğutulmasıyla ilgili önlemlerin alınması da
gerekir.
ZENER DİYODUN KULLANIM ALANLARI
1 - Kırpma Devresinde:
Şekil 3.15 'de görüldüğü gibi iki zener diyot ters bağlandığında basit ve etkili bir
kırpma devresi elde edilir.
Örneğin:
Devre girişine tepe değeri 10V olan bir AC gerilim uygulansın ve kırpma işlemi için,
zener gerilimi 5V olan iki Z1, Z2 zener diyodu kullanılsın.
Şekil 3.15 - İki zener diyotlu tam dalga kırpma devresi
AC gerilimin pozitif alternansı başlangıcında Z1 zeneri doğru polarmalı ve iletimde,
Z2 zeneri ise ters polarmalı ve kesimde olacaktır. Giriş gerilimi +5V 'a ulaştığında Z2
'de iletime geçer ve dolayısıyla da çıkış uçları arasında +5V oluşur. Keza, R direnci
üzerindeki gerilim düşümü de 5V 'tur.
AC gerilimin diğer alternansında da Z1 ters polarmalı hale gelir ve bu defa da çıkışta
tepesi kırpılmış 5V 'luk negatif alternans oluşur. R direnci, devreden akacak akımın
Zener diyotları bozmayacak bir değerde kalmasını sağlayacak ve 5V 'luk gerilim
düşümü oluşturacak şekilde seçilmiştir.
2 - Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması:
Zener diyottan, çoğunlukla, DC devrelerdeki gerilim regülasyonu için
yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir değerde sabit
tutulmasıdır.
89
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bunun için zener diyot, şekil 3.16 'da görüldüğü gibi, gerilimi sabit tutmak istenen
devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak bağlanır.
Diyot uçlarına gelen gerilim, zener değerine ulaştığında diyot iletime geçer ve uçları
arasındaki gerilim sabit kalır.
Örnek:
Şekil 3.16 'da verilmiş olan devrede RL yük direnci uçları arasındaki VL gerilimi 6.2V
'ta sabit tutulmak istensin.
Bunu sağlamak için, şekilde görüldüğü gibi RL 'e paralel bağlı zener diyodun ve seri
bağlı bir RS direncinin seçimi gerekir.
Ayrıca, bir de C kondansatörünün paralel bağlanmasında yarar vardır. Bu
kondansatör, gerilim dalgalanmalarını ve başka devrelerden gelebilecek parazit
gerilimlerini önleyici görev yapar. Değeri, devre geriliminin büyüklüğüne göre,
hesaplanır. Şekildeki bir devre için 30V - 1000µF 'lık bir kondansatör uygundur.
Burada birinci derecede önemli olan, RS direnci ile zener diyodun seçimidir.
Şekil 3.16 - Zener diyodun gerilim regülatörü olarak kullanılması
Seri RS direncinin seçimi:
Önce RS direncine karar vermek gerekir;
Kaynak gerilimi: E=V=9V
Yük direnci ve uçları arasındaki gerilim: RL=33 Ohm, VL=6.2V
Bu durumda, zener diyot dikkate alınmadan, VL=6.2V 'u oluşturabilmek için kaç ohm
'luk bir RS direncinin gerektiği hesaplanmalıdır.
E=IL*RS+VL
ve IL=VL/RL 'dir.
90
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Birinci formüldeki IL yerine, ikinci formüldeki eşitini yazıp, değerler yerine konulursa :
9=6,2/33*RS+6,2 olur.
Buradan RS çözülürse:
RS=(9-6,2)33/6,2 'den,
RS=14.9 = 15 (ohm) olarak bulunur.
RS=15 Ohm 'luk direnç bağlandığında, "E" gerilimi 9V 'ta sabit kaldığı sürece RL yük
direnci uçları arasında sürekli olarak 6.2V oluşacaktır.
"E" geriliminin büyümesi halinde, A-B noktaları arasındaki VA-B gerilimi de 6.2V 'u
aşacağından, 6.2V 'luk bir ZENER diyot kullanıldığında, RL uçları arasındaki gerilim
sabit kalacaktır. Ancak, yalnızca gerilime göre karar vermek yeterli değildir.
Bu durumda nasıl bir zener diyot kullanılmalıdır?
Zener diyodun seçimi:
Zener gerilimi 6.2V olan bir zener diyot RL direncine paralel bağlandığında VL=6.2V
'ta sabit kalır.
Ancak, E giriş geriliminin büyümesi sırasında zener diyottan akacak olan akımın,
diyodun dayanabileceği "maksimum ters yön zener akımından" (IZM) büyük
olması gerekir. Zener diyot buna göre seçilmelidir.
6.2V 'luk olup ta değişik IZM akımlı olan zener diyotlar vardır.
Örneğin:
Aşağıdaki tabloda, bir firma tarafından üretilen, 6.2V 'luk zenerlere ait IZM akımı ve
güç değerleri verilmiştir.
Zener
Maksimum
akımı (IZM)
(mA)
Zener Gücü (W)
33
60
146
1460
7300
0.25
0.4
1
10
50
Bu zenerler den hangisinin seçileceğine karar vermeden önce yük direncinden
geçecek akımı bilmek gerekir:
Şekil 3.16 'daki devrenin yük direncinden geçen akım aşağıdaki gibi olur.
91
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
IL=VL/RL = 6.2/33 = 0.188A = 188mA
E geriliminin büyümesi halinde oluşacak devre akımının 188mA 'in üstündeki miktarı
zener diyottan akacaktır.
Örneğin:,
E geriliminin ulaştığı maksimum gerilim; E = 12.2V olsun.
Zener diyottan geçecek olan akımın değeri şu olacaktır:
Kirchoff kanununa göre:
12.2 = It*RS+6.2 (It devreden akan toplam akımdır.)
RS = 15 yerine konarak It çözülürse;
It = 1.22-6.2/15 = 6/15 'den It = 0,4A = 400mA olur.
Bu 400mA 'den 188mA 'i RL yük direncinden geçeceğine göre;
Zener diyottan geçecek olan IZ akımı: IZ = 400-188 = 212mA 'dir.
Bu değer, yukarıdaki tabloya göre:
10W 'lık zenerin maksimum akımı olan 1460mA 'den küçük, 1W 'lık zenerin
maksimum akımı olan 146mA 'den büyüktür.
Böyle bir durumda 10W 'lık zener kullanılacaktır.
Aslında, 212mA 'lik zener için 1460mA 'lik zener kullanmakta doğru değildir. Daha
uygun bir zener seçimi için başka üretici listelerine de bakmak gerekir.
3 - Ölçü Aletlerinin Korunmasında Zener Diyot
Döner çerçeveli ölçü aletlerinin korunmasında, zener diyot şekil 3.17 'deki gibi paralel
bağlanır. Bu halde zener gerilimi, voltmetre skalasının son değerine eşittir. Ölçülen
gerilim zener gerilimini aşınca diyot ters yönde iletken hale geçerek ölçü aletinin
zarar görmesini engeller. Ayar olanağı sağlamak için birde potansiyometre
kullanılabilir.
92
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.17 - Döner çerçeveli ölçü aletinin zener diyot ile korunması
4 - Rölenin Belirli Bir Gerilimde Çalıştırılmasında Zener Diyot
Şekil 3.18 'deki gibi zener diyot, röleye seri ve ters yönde bağlanmıştır. Röle, ancak
uygulanan gerilimin, Zener gerilimi ile röle üzerinde oluşacak gerilim düşümü
toplamını aşmasından sonra çalışmaktadır.
Şekil 3.18 - Ancak zener gerilimi üstünde çalışabilen röle devresi
TÜNEL DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ
Tünel diyotlar, özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak
yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, esaslarını 1958 'de ilk ortaya koyan
Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" dan denmektedir.
Yapısı:
P-N birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve
yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz
'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı
olarak kullanılır.
93
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.19 - Tünel diyodun karakteristik eğrisi.
Çalışması:
Şekil 3.19 'da da görüldüğü gibi, tünel diyoda uygulanan gerilim Vt1 değerine
gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artıyor. Gerilim büyümeye devam edince,
akım A noktasındaki It değerinden düşmeye başlıyor. Gerilim büyümeye devam
ettikçe, akım B noktasında bir müddet Iv değerinde sabit kalıp sonra C noktasına
doğru artıyor. C noktası gerilimi Vt2, akımı yine It 'dir. Bu akıma "Tepe değeri akımı"
denilmektedir.
Gerilimi, Vt2 değerinden daha fazla arttırmamak gerekir. Aksi halde geçen akım,
It tepe değeri akımını aşacağından diyot bozulacaktır.
I=f(V) eğrisinin A-B noktaları arasındaki eğimi negatif olup, -1/R ile ifade edilmekte ve
diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olmaktadır.
Tünel diyot A-B bölgesinde çalıştırılarak negatif direnç özelliğinden yararlanılır.
Tünel Diyodun Üstünlükleri:
1) Çok yüksek frekansta çalışabilir.
2) Güç sarfiyatı çok düşüktür. 1mW 'ı geçmemektedir.
94
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tünel Diyodun Dezavantajları:
1) Stabil değildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur.
2) Arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır.
Tünel Diyodun Kullanım Alanları:
1. Yükselteç Olarak Kullanılması:
Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan
çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandığı devredeki gücün
yükselmesini sağlamaktadır.
2. Osilatör Olarak Kullanılması:
Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir.
Bir tünel diyot ile osilasyon sağlayabilmek için negatif direncinin diğer rezonans
elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekil
3.20 'de görüldüğü gibi seri bir rezonans devresi bağlanabilecektir. Tünel diyodun
negatif direnci - R=80 Ohm olsun.
Rezonans devresinin direnci 80 Ohm 'dan küçük ise tünel diyot bu devrenin
dengesini bozacağından osilasyon doğacaktır.
3. Tünel Diyodun Anahtar Olarak Kullanılması:
Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde
multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri
elektronik sistemlerde anahtar görevi görmesidir. Ancak bu gibi yerlerdeki
kullanılma durumları daha değişik özellik gösterdiğinden ayrı bir inceleme
konusudur.
Şekil 3.20 - Tünel diyot osilatörü
95
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
IŞIK YAYAN DİYOT (LED)
Işık yayan diyotlar, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle
elektriksel enerjiyi ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır.
Bu diyotlara, aşağıda yazılmış olduğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir
araya getirilerek LED veya SSL denir.
LED: Light Emitting Diode (Işık yayan diyot)
SSL: Sloid State Lamps (Katkı hal lambası)
Sembolü:
Işık yayan diyotlar şu özelliklere sahiptir:
•
•
•
•
•
•
•
•
Çalışma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
Çalışma akımı 10-50mA arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.)
Uzun ömürlüdür. (ortalama 105 saat)
Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır.
Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir.
Çalışma zamanı çok kısadır. (nanosaniye)
Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür.
Işık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi, ışık çıkan
kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak ta yapılır.
1.IŞIK YAYMA OLAYI NASIL GERÇEKLEŞMEKTEDİR
Bilindiği gibi, bir PN diyoda, doğru polarmalı bir besleme kaynağı bağlandığı zaman,
N bölgesindeki, gerek serbest haldeki elektronlar, gerekse de kovalan bağlarını
koparan elektronlar P bölgesine doğru akın eder.
Yine bilinmektedir ki, elektronları atomdan ayırabilmek için, belirli bir enerji verilmesi
gerekmektedir. Bu enerjinin miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyük
olmaktadır. Ve bir elektron bir atomla birleşirken de aldığı enerjiyi geri
vermektedir.
96
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ışık enerjisi şeklinde etrafa
yayılmaktadır.
Bir LED 'in üretimi sırasında kullanılan değişik katkı maddesine göre verdiği ışığın
rengi değişmektedir.
Katkı maddesinin cinsine göre şu ışıklar oluşur:
•
•
•
•
GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık)
GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - yeşile kadar (görülür)
GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür)
GaP (Nitrojenli): Yeşil ve sarı (görülür)
Şekil 3.21(a) ve (b)' de gerilim uygulanan bir LED devresi ve ışık yayan diyodun tabii
büyüklükteki resmi verilmiştir.
Diyot kristali, Şekil 3.21(c) 'de görüldüğü gibi iki parçalı yapıldığında uygulanacak
gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini vermektedir.
Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalmaktadır.
Bu hal Şekil 3.21(d) 'de etkinlik eğrisi olarak gösterilmiştir. Bazı hallerde fazla
ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine monte edilir.
Ayrıca LED 'in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akımı
aşmamak gerekir. Bunun için Şekil 3.21(b) 'de gösterilmiş olduğu gibi devresine seri
olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED 'in dayanma gerilimi ile
besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır.
Örneğin:
Şekil 3.21(b) 'deki devrede verilmiş olduğu gibi, besleme kaynağı 9V 'luk bir pil ve
LED 'de 2V ve 50mA 'lik olsun.
R direnci:
Kirşof kanununa göre: 9=I*R+2 'dir.
I=0.05A olup
R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur.
140 Ohm 'luk standart direnç olmadığından en yakın standart üst direnci olan 150
Ohm 'luk direnç kullanılır.
97
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2. LED İÇİNDEKİ ELEKTRİK-OPTK BAĞLANTILAR
Akım-Işık şiddeti bağlantısı:
LED diyodunun ışık şiddeti, içinden geçen akım ile doğru orantılı olarak artar.Ancak
bu artış; Şekil 3.22 'de görüldüğü gibi akımın belirli bir değerine kadar doğrusaldır.
Daha sonra bükülür.
Eğer diyoda verilen akım, eşik değeri adı verilen doğrusallığın bozulduğu noktayı
aşarsa diyot aşırı ısınarak bozulur. Bu nedenle diyotlar kullanılırken, firmalarınca
verilen karakteristik eğrilerine uygun olarak çalıştırılmalıdır.
98
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.22 - Led ışık şiddetinin akıma göre değişimi
Sıcaklık-ışık şiddeti bağıntısı:
Diyot ısındıkça, akım sabit kaldığı halde, verdiği ışık şiddeti Şekil 3.21(d) 'de
görüldüğü gibi küçülür.
Bu düşme diyodun cinsine göre şöyle değişir.
GaAs diyotta düşme: Her derece için %0,7
AaAsP diyotta düşme: Her derece için %0,8
GaP diyotta düşme: Her derece için %0,3
Normal çalışma şartlarında bu düşmeler o kadar önemli değildir. Ağır çalışma
şartlarında ise soğutucu kullanılır veya bazı yan önlemler alınır.
Güç-zaman bağıntısı:
Işık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak düşer. Bu güç normal gücünün
yarısına düştüğünde diyot artık ömrünü tamamlamıştır.
Bir LED diyodun ortalama ömrü 105 saattir. Şekil 3.23 'te, LED diyodun yayım
gücünün, normal şartlarda (IF=100mA, T ortam=25°C iken,) zamana göre değişim
eğrisi verilmiştir. Bu tip değerlendirmede, gücün düşme miktarı direk güç değeri
olarak değil de, normal güce oranı olarak alınmaktadır.
99
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.23 - Led diyodun yayım gücünün zamana karşı değişimi
3. IŞIK YAYAN DİYODUN VERİMİ
Işık yayan diyodun verimi; yayılan ışık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine
oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ışık enerjisine
dönüşmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir pozitif atom ile
birleşmemekte, sağa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir.
4. IŞIK YAYAN DİYOTLARIN KULLANIM ALANLARI
Işık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı
bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma
şeklinde, çoklu ışık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ışık yayan
diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik
kuplör de bir LED uygulamasıdır.
5. OPTOELEKTRONİK KUPLÖR
Optoelektronik kuplör veya daha kısa deyimle Opto Kuplör ya da Optik Kuplaj Şekil
3.24 'te görüldüğü gibi bir ışık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya
fototransistörden oluşmaktadır. Bunlar aynı gövdeye monte edilmişlerdir. Gövde
plastik olup ışık iletimine uygundur.
100
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Işık yayan diyot genellikle Ga As katkı maddeli olup kızıl ötesi ışık vermektedir. Işık
yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandığında çıkan ışık ışınları fotodiyot
veya fototransistörü etkileyerek çalıştırmaktadır. Böylece bir devreye uygulana bir
gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilmektedir. Aradaki bağlantı, bir takım tellere
gerek kalmaksızın ışık yoluyla kurulmaktadır. Bu nedenle, optoelektronik kuplör edı
verilmiştir.
Optokuplör bir elektronik röledir.
Optokuplörün mekanik röleye göre şu üstünlükleri vardır:
•
•
•
Mekanik parçaları yoktur.
İki devre arasında büyük izolasyon vardır.
Çalışma hızı çok büyüktür.
Dezavantajları:
•
Gücü düşüktür.
Şekil 3.24 - Opto elektronik kuplör.
Opto kuplör dere şeması Şekil 3.25 'te görüldüğü gibi çizilir. Burada LED 'in doğru
polarmalı, fotodiyodun ise ters polarmalı olduğuna dikkat edilmelidir. R1 ve R2
dirençleri koruyucu dirençlerdir.
"K" anahtarı kapatılarak giriş devresi çalıştırıldığında, çıkış devresi de enerjilenerek
bir işlem yapar. Örneğin, devreye bir motorun kontaktarü bağlanırsa motor çalışır.
101
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.25 - Opto kuplör ile bir kontaktörün çalıştırılması.
FOTO DİYOT
Foto diyot ışık enerjisiyle iletime geçen diyottur.
Foto diyotlara polarma geriliminin uygulanışı normal diyotlara göre ters yöndedir.
Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır.
Sembolü:
Başlıca foto diyotlar şöyle sıralanır:
•
•
•
Germanyum foto diyot
Simetrik foto diyot
Schockley (4D) foto diyodu
1. GERMANYUM FOTODİYOT
Aslı alaşım yoluyla yapılan bir NP jonksiyon diyotudur. Cam veya metal bir koruyucu
içerisine konularak iki ucu dışarıya çıkartılır. (Şekil 3.26).
Koruyucunun bir tarafı, ışığın jonksiyon üzerinde toplanmasını sağlayacak şekilde bir
mercek ile kapatılmıştır.
102
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Diyodun devreye bağlanması sırasında firmasınca uçlarına konulan işarete
dikkat etmek gerekir. Hassas yüzeyi çok küçük olduğundan, 1.-3mA 'den daha fazla
ters akıma dayanamaz.
Aşırı yüklemeyi önlemek için, bir direnç ile koruyucu önlem alınır. Işık şiddeti
arttırıldıkça ters yön akımı da artar.
Şekil 3.26 - Germayum Foto diyot
FOTODİYODUN ÇALIŞMA PRENSİBİ:
Foto diyot ters polarmalı bağlandığından üzerine ışık gelmediği müddetçe çalışmaz.
Bilindiği gibi ters polarma nedeniyle P-N birleşme yüzeyinin iki tarafında "+" ve "-"
yükü bulunmayan bir nötr bölge oluşmaktadır.
Şekil 3.27 'de görüldüğü gibi birleşme yüzeyine ışık gelince, bu ışığın verdiği enerji ile
kovalan bağlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kaynağının pozitif kutbunun
çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile
birlikte kaynağa doğru akmaya başlar.
Diğer taraftan, kaynağın negatif kutbundan kopan elektronlar, diyodun P bölgesine
doğru akar.,,
103
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.27 - Foto diyodun çalışması
a) Yapısal gösterimi
b) Sembolik gösterimi
2. SİMETRİK FOTODİYOTLAR
Alternatif akım devrelerinde kullanılmak üzere, Şekil 3.28 'de görüldüğü gibi NPN
veya PNP yapılı simetrik fotodiyotlar da üretilmektedir.
Şekil 3.28 - Simetrik foto diyot
104
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Işığa Duyarlı Diyotların Kullanım Alanları:
Uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik
hesap makineleri, gibi çeşitli konuları kapsamaktadır.
Şekil 3.29 'da ışığa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (Iph) ışık şiddetine göre
değişimleri verilmiştir.
Şekil 3.29 - Çeşitli ışığa hassas elemanların akımlarının ışık şiddeti ile değişimleri
AYARLANABİLİR KAPASİTELİ DİYOT (VARAKTÖR-VARİKAP)
Bir P-N jonksiyon diyoda ters yönde gerilim uygulandığında, temas yüzeyinin iki
tarafında bir boşluk (nötr bölge) oluştuğu ve aynen bir kondansatör gibi etki
gösterdiği, kondansatörler bölümünde de açıklanmıştı.
Varaktör diyotta da P ve N bölgeleri Şekil 3.30 'da görüldüğü gibi kondansatörün
plakası görevi yapmaktadır.
C = A/d = *Plaka Yüzeyi / Plakalar Arası Açıklık
kuralına göre:
Küçük ters gerilimlerde "d" boşluk bölgesi dar olduğundan varaktör kapasitesi ("C")
büyük olur.
Gerilim arttırıldıkça d boşluk bölgesi genişleyeceğinden, "C" de küçülmektedir.
105
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.30 - Ters polarmalı bağlantı
Varaktör değişken kondansatör yerine kullanılabilmekte ve onlara göre hem
ucuz olmakta, hem de çok daha az yer kaplamaktadır.
Kaçak akımının çok küçük olması nedeniyle varaktör olarak kullanılmaya en uygun
diyotlar silikon diyotlardır.
Varaktörün Tipik Özellikleri:
•
•
•
•
•
Koaksiyel cam koruyuculu, mikrojonksiyon varaktör 200GHz 'e kadar görev
yapabilmektedir.
Kapasitesi 3-100pF arasında değiştirilebilmektedir.
0-100V gerilim altında çalışabilmektedir.
Varaktöre uygulana gerilim 0 ile 100V arasında büyütüldüğünde, kapasitesi
10 misli küçülmektedir.
Varaktörün eşdeğer devresi Şekil 3.31 'de verilmiştir. Yüksek frekanslarda L
selfi birkaç nanohenri (nH), Rs birkaç Ohm olmaktadır.
Şekil 3.31 - Bir varaktörün eşdeğer devresi
Şekil 3.32 'de, VT ters yön gerilimine göre "C" kapasitesinin değişim eğrisi verilmiştir.
106
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.32 - Varaktör kapasitesinin ters yön gerilimine göre değişimi.
Varaktörün başlıca kullanım alanları:
Ayarlı devrelerin uzaktan kontrolü, TV ve FM alıcı lokal osilatörlerinde otomatik
frekans kontrolü ve benzeri devrelerde kullanılır.
Telekominikasyonda basit frekans modülatörleri, arama ayar devreleri, frekans
çoğaltıcılarda, frekansın 2-3 kat büyütülmesi gibi kullanım alanları vardır.
DİĞER DİYOTLAR
MİKRODALGA DİYOTLARI
Mikrodalga frekansları; uzay haberleşmesi, kıtalar arası televizyon yayını, radar,
tıp, endüstri gibi çok geniş kullanım alanları vardır. Giga Hertz (GHz) mertebesindeki
frekanslardır.
Mikro dalga diyotlarının ortak özelliği, çok yüksek frekanslarda dahi, yani devre
akımının çok hızlı yön değiştirmesi durumunda da bir yönde küçük direnç gösterecek
hıza sahip olmasıdır.
Mikrodalga bölgelerinde kullanılabilen başlıca diyotlar şunlardır:
•
•
•
Gunn (Gan) diyotları
Impatt (Avalanş) diyotları
Baritt (Schottky)(Şotki) diyotları
107
TEMEL ELEKTRONİK
•
•
Kaya
Ani toparlanmalı diyotlar
P-I-N diyotları
GUNN DİYOTLARI
İlk defa 1963 'te J.B. Gunn tarafından yapıldığı için bu ad verilmiştir.
Gunn diyodu bir osilatör elemanı olarak kullanılmaktadır.
Yapısı, N tipi Galliyum arsenid (GaAs) veya İndiyum fosfat (InP) 'den yapılacak ince
çubukların kısa kısa kesilmesiyle elde edilir.
Gunn diyoda gerilim uygulandığında, gerilimin belirli bir değerinden sonra diyot belirli
bir zaman için akım geçirip belirli bir zamanda kesimde kalmaktadır. Böylece bir
osilasyon oluşmaktadır.
Örnek: 10µm boyundaki bir gunn diyodunun osilasyon periyodu yaklaşık 0,1
nanosaniye tutar. Yani osilasyon frekansı 10GHz 'dir.
IMPATT (AVALANŞ) DİYOT
Impatt veya avalanş (çığ) diyotlar Gunn diyotlara göre daha güçlüdürler ve çalışma
gerilimi daha büyüktür. Mikrodalga sistemlerinin osilatör ve güç katlarında yararlanılır.
1958 'de Read (Rid) tarafından geliştirilmiştir.Bu nedenle Read diyodu da denir. Şekil
3.33 'te görüldüğü gibi P+ - N - I - N+ veya N+ - P - I - P+ yapıya sahiptir. Ters
polarmalı olarak çalışır.
Yapımında ana elemanlar olarak Slikon ve Galliyum arsenid (GaAs) kullanılır. Diyot
içerisindeki P+ ve N+ tipi kristaller, içerisindeki katkı maddeleri normal haldekinden
çok daha fazla olan P,N kristalleridir.
"I" tabakası ise iyonlaşmanın olmadığı bir bölgedir. Taşıyıcılar buradan sürüklenerek
geçer ve etrafına enerji verirler.
108
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BARITT (SCHOTTKY) DİYOT
Baritt Diyotlar 'da nokta temaslı diyotlar gibi metal ve yarı iletken kristalinin
birleştirilmesi ile elde edilmektedir. Ancak bunlar jonksiyon diyot tipindedir. Değme
düzeyi (jonksiyon) direnci çok küçük olduğundan doğru yön beslemesinde 0.25V 'ta
dahi kolaylıkla ve hızla iletim sağlamaktadır.Ters yöne doğru akan azınlık taşıyıcıları
çok az olduğundan ters yön akımı küçüktür. Bu nedenle de gürültü seviyeleri düşük
ve verimleri yüksektir.
Farklı iki ayrı gruptaki elemandan oluşması nedeniyle baritt diyotların dirençleri
(lineer) değildir.
Dirençlerin düzgün olmaması nedeniyle daha çok mikrodalga alıcılarında karıştırıcı
olarak kullanılır. Ayrıca, modülatör, demodülatör, detektör olarak ta yararlanılır.
ANİ TOPARLANMALI DİYOT
Ani toparlanmalı (Step-Recovery) diyotlar varaktör diyotların daha da
geliştirilmişlerdir. Varaktör diyotlar ile frekansların iki ve üç kat büyütülmeleri mümkün
olabildiği halde, ani toparlanmalı diyotlar ile 4 ve daha fazla katları elde
edilebilmektedir.
PİN DİYOT
P-I-N diyotları P+-I-N+ yapıya sahip diyotlardır. P+ ve N+ bölgelerinin katkı maddesi
oranları yüksek ve I bölgesi büyük dirençlidir.
Şekil 3.34 'te P-I-N diyodunun yapısı verilmiştir.
Alçak frekanslarda diyot bir P-N doğrultucu gibi çalışır. Frekans yükseldikçe I bölgesi
de etkinliğini gösterir. Yüksek frekanslarda I bölgesinin doğru yöndeki direnci küçük
ters yöndeki direnci ise büyüktür.
Diyodun direnci uygulama yerine göre iki limit arasında sürekli olarak veya kademeli
olarak değiştirilebilmektedir.
P-I-N diyotlar değişken dirençli eleman olarak, mikrodalga devrelerinde, zayıflatıcı,
faz kaydırıcı, modülatör, anahtar, limitör gibi çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır.
109
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.34 - P-İ-N Diyot.
BÜYÜK GÜÇLÜ DİYOTLAR
2W
'ın üzerindeki diyotlar Büyük Güçlü Diyotlar olarak tanımlanır.
Bu tür diyotlar, büyük değerli DC akıma ihtiyaç duyulan galvano-plasti, ark kaynakları
gibi devrelere ait doğrultucularda kullanılmaktadır.
Tablo 3.1 'de belirtilmiş olduğu gibi 1500-4000V arası ters gerilime ve 1000A 'e kadar
doğru akımına dayanabilen SİLİKON DİYOTLAR üretilebilmektedir.
Şekil 3.35 'te 200A 'lik bir silikon diyot örneği verilmiştir. Bu tür diyotlar aşırı akım
nedeniyle fazla ısındığından Şekilde görüldüğü gibi soğutuculara monte edilirler.
110
BÖLÜM 7
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2.1 YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ
Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir DC güç kaynağına (DC
power supply) gereksinim duyarlar. Bu gerilimi elde etmenin en
pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan AC gerilimi, DC
gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi Doğrultmaç (redresör)
olarak adlandırılan cihazlarla gerçekleştirilir.
Doğrultmaç veya DC Güç kaynağı (DC power supply) denilen
cihazlar,
basitten karmaşığa doğru birkaç farklı yöntemle
tasarlanabilir. Bu bölümde en temel doğrultmaç işlemi olan yarım
dalga doğrultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve
çalışmasını inceleyeceğiz.
Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı
bilgilere sahip olacaksınız.
•
•
•
•
Temel bir güç kaynağı sistemi
Transformatörler ve işlevleri
Yarım dalga doğrultmaç devresi
Rıpıl faktörü
Temel DC Güç Kaynağı (Power Supply)
Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, v.b gibi) çalışmak için bir DC
enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir.
Bu oldukça pahalı bir çözümdür. DC enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir
şebekesinden alınan AC gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan AC formdaki
sinüsoydal gerilim, DC gerilime dönüştürülür. Dönüştürme işlemi için DC güç
kaynakları kullanılır.
Temel bir DC güç kaynağının blok şeması şekil-3.1’de görülmektedir. Sistem;
doğrultucu (rectifier), Filtre (filter) ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır.
Sistem girişine uygulanan AC gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş ve DC gerilim
olarak alınmaktadır.
Transformatör
Doğrultmaç
Devresi
Filtre
Devresi
Regülatör
Devresi
Vgiriş
AC
RL
Şekil-1.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi
111
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir
transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüş türülür. Transformatör,
dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör
yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen AC gerilim, doğrultmaç devreleri
kullanılarak doğrultulur. Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör)
devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da
olsa AC bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl
faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için
kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile
inceleyelim.
TRANSFORMATÖRLER
Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel
saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur.
Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. Bu sargılara primer ve
sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların
sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan
AC gerilim, sekonder sargısından alınır.
Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya
istenilen bir AC gerilim değerine dönüştürülmesinde genellikle transformatörler kullanılır.
Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı
olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. Bu durumda 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-3.2’de örnek olarak
bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir.
Şekil-3.2 Farklı model ve tipte transformatörler
Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer
(rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220Vrms/50Hz, sekonderler sargıları ise
farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil-3.3'de farklı sargılara
sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir.
112
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
36V
Sekonder
24V
Primer
Primer
Sargısı
220Vrms
50Hz
Sekonder
Sargısı
220Vrms
50Hz
12V
220Vrms
50Hz
24V
12Vrms
50Hz
12V
12V
0V
a) Transformatör
b) Orta uçlu Transformatör
c) Çok uçlu Transformatör
Şekil-3.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç bağlantıları
Üç uçlu transformatörler doğrultucu tasarımında tasarruf sağlarlar. Transformatör
seçiminde; primer ve sekonder gerilimleri ile birlikte transfomatörün gücüne de dikkat
edilmelidir. Güç kaynağında kullanılacak transformatörün toplam gücü; trafo üzerinde
ve diğer devre elemanlarında harcanan güç ile yükte harcanan gücün toplamı kadardır.
Transformatör her durumda istenen akımı vermelidir. Fakat bir transformatörden uzun
süre yüksek akım çekilirse, çekirdeğin doyma bölgesine girme tehlikesi vardır. Bu
nedenle transformatör hem harcanacak güce, hem de çıkış akımına göre töleranslı
seçilmelidir.
YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ
Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye
ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmek için en basit yöntem yarım dalga
doğrultmaç devresi kullanmaktır. Tipik bir yarım dalga doğrultmaç devresi şekil-3.4’de
verilmiştir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms değere sahip AC gerilim bir
transformatör yardımıyla 12Vrms değerine düşürülmüştür.
220Vrms
50Hz
12Vrms
50Hz
Diyot
RL
Şekil-3.4 Yarım Dalga Doğrultmaç Devresi
Devrenin çalışmasını ayrıntılı olarak incelemek üzere şekil-3.5’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-3.5.a üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
113
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Diyot İletimde
+
-
V Giriş
V Çıkış
+
0
12Vrms
50Hz
t
RL
0
t
Şekil-3.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması
Giriş işaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyodun anoduna negatif
alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş işaretinin negatif alternansında diyot
yalıtımdadır. Çünkü ters yönde polarmalanmıştır ve üzerinden akım akmasına izin
vermez. Açık devredir. Dolayısı ile çıkış işareti 0V değerinde olur. Bu durum şekil3.5.b üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
Diyot kesimde
+
V Giriş
V Çıkış
0
t
12Vrms
50Hz
I=0A
RL
0
t
+
Şekil-3.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması
Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil3.6’da ayrıntılı olarak verilmiştir. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan
işaret artık AC bir işaret değildir. Çünkü çıkış işareti, negatif alternansları içermez.
Doğrultmaç çıkışından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Çıkış işareti bu nedenle
DC işarete de benzememektedir ve dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte
doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yakın bir işaret alınmalıdır.
V
VTepe
0
t
Şekil-3.6 Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkış dalga biçimleri
Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaretin DC değeri önemlidir. Bu
değeri ölçmek için çıkış yüküne (RL) paralel bir DC voltmetre bağladığımızda şekil3.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine
uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;
114
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VTepe = 2 ⋅ 12V ≅ 17V
civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-3.7
üzerinde gösterelim.
V
VTepe
Vort =VDC
0
t
T
Şekil-3.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri
Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri;
VOrt =
Vt 17V
=
= 5.4 volt
Π 3.14
olarak bulunur. Yukarıda belirtilen değerler gerçekte ideal bir diyot içindir. Pratikte
1N4007 tip kodlu silisyum bir diyot kullandığımızı düşünelim. Bu durumda çıkış
işaretinin dalga biçimi ve alacağı değerleri bulalım.
VD =0.7v
+
VGiriş
V t =17-0.7
+
0
t
12Vrms
50Hz
RL
V DC=5.19
0
t
Şekil-3.8 Pratik Yarım Dalga doğrultmaç devresi
Çıkış işaretinin alacağı tepe değer;
VTepe=17V-0.7V=16.3Volt
Dolayısı ile çıkışa bağlanacak DC voltmetrede okunacak ortalama değer (veya DC
değer);
VOrt =
Vt 16.3V
=
= 5.19 volt
Π
3.14
olarak elde edilir.
115
TEMEL ELEKTRONİK
2.2
Kaya
TAM DALGA DOĞRULTMAÇ
Basit ve ekonomik DC güç kaynaklarının yapımında yarımdalga
doğrultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç
kaynaklarının yapımında ise tam dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Tam
dalga doğrultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayrı
tipte tasarlanabilir.
Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı
bilgiler elde edeceksiniz.
•
•
•
•
Yarımdalga doğrultmaç ile tam dalga doğrultmaç arasındaki farklar.
Tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi
Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin analizi
Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinin analizi
Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga
doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüsoydal işaretin sadece tek bir
alternansında doğrultma işlemi yapılıyor, diğer alternans ise kullanılmıyordu.
Dolayısıyla yarımdalga doğrultmacın çıkışından alınan gerilimin ortalama değeri
oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm değildir. Tamdalga doğrultmaç devresinde
ise doğrultma işlemi, şebekenin her iki alternansında gerçekleştirilir. Dolayısıyla çıkış
gerilimi daha büyük değerdedir ve DC’ye daha yakındır. Bu durum şekil-3.9 üzerinde
ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
V
Vt
0
t Vgiriş
Vt
YARIMDALGA
DOĞRULTMAÇ
DEVRESİ
Vçıkış
Vt
t
V
Vt
0
0
t Vgiriş
TAMDALGA
DOĞRULTMAÇ
DEVRESİ
Vçıkış
0
t
Şekil-3.9 Yarım dalga ve tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri
Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül
yardımıyla bulunur.
VOrtalama =
2Vt
Π
örneğin tamdalga doğrultmaç girişine 17V tepe değerine sahip sinüsoydal bir işaret
uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer;
116
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VOrtalama =
2 ⋅ ( 17V )
= 10.8 volt
3.14
olarak elde edilir. Bu durum bize tamdalga doğrultmaç devresinin daha avantajlı
olduğunu kanıtlar.
TAMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ
Tamdalga doğrultmaç devresi şekil-3.10’da görülmektedir. Bu devre orta uçlu bir
transformatör ve 2 diyot kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Transformatörün primer
sargılarına uygulanan şebeke gerilimi, transformatörün sekonder sargılarında tekrar
elde edilmiştir. Sekenderde elde edilen geriliminin değeri transformatör dönüştürme
oranına bağlıdır.
Transformatörün sekonder sargısı şekilde görüldüğü gibi üç uçludur ve orta ucu
referans olarak alınmıştır. Sekonder sargısının orta ucu referans (şase) olarak
alındığında sekonder sargıları üzerinde oluşan gerilimin dalga biçimleri ve yönleri
şekil-3.10 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
Vsek/2
D1
Vgiriş
0
0
Vçıkış
t
+
Vsek/2
D2
RL
_ 0
t
Şekil-3.10 Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresi
Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin incelenmesi için en iyi yöntem şebeke
geriliminin her bir alternansı için devreyi analiz etmektir. Orta uç referans olarak
alınırsa, sekonder gerilimi iki ayrı değere (Vsek/2) dönüştürülmüştür. Örneğin; Vgiriş
işaretinin pozitif alternansında, transformatörün sekonder sargısının üst ucunda
pozitif bir gerilim oluşacaktır.
Bu durumda, D1 diyodu doğru polarmalandırılmış olur. Akım devresini; trafonun üst
ucu, D1 diyodu ve RL yük direnci üzerinden transformatörün orta ucunda tamamlar.
RL yük direnci üzerinde şekil-3.11’de belirtilen yönde pozitif alternans oluşur. Akım
yönü ve akımın izlediği yol şekil üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
117
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
D1
-
+
+
iletim
Vgiriş
0
t
+
+
RL
-
Vçıkış
0
t
_
kesim
D2
Şekil-3.11 Pozitif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu
Şebekenin negatif alernansında; transformatörün sekonder sargılarında oluşan
gerilim düşümü bir önceki durumun tam tersidir. Bu durumda şaseye göre; sekonder
sargılarının üst ucunda negatif alternans, alt ucunda ise pozitif alternans oluşur. Bu
durum şekil-3.12 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu durumda D2 diyodu
iletken, D1 diyodu ise yalıtkandır. Akım devresini trafonun orta ucundan başlayarak
D2 üzerinden ve RL yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-3.12’de
belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim düşümleri
şekil üzerinde
gösterilmiştir.
-
D1
+
kesim
-
Vgiriş
0
t
+
-
+
RL
+
_
+
Vçıkış
0
t
D2
Şekil-3.12 Negatif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu
Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimini
tekrar ele alıp inceleyelim. Devrede kullanılan transformatörün sekonder sargılarının
2x12Vrms değere sahip olduğunu kabul edelim. Bu durumda transformatörün
sekonder sargılarında elde edilen işaretin tepe değeri;
VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 16.9 volt
olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullanılacaktır. Bu
nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük
direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe değeri;
118
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VTepe = 16.9V − 0.7 = 16.2 volt
olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre
bağlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki
formülle bulunur.
VOrtalama =
2(VTepe − VD )
Π
=
2( 16.9 − 0.7 )
= 10.3 volt
3.14
çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-3.13 üzerinde gösterilmiştir.
Şekil-3.13 Çıkış dalga biçiminin analizi
KÖPRÜ TİPİ TAMDALGA DOĞRULTMAÇ
Tamdalga doğrultmaç devresi tasarımında diğer bir alternatif ise köprü tipi tamdalga
doğrultmaç devresidir. Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresi 4 adet diyot
kullanılarak gerçekleştirilir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms/50Hz değere sahip
sinüsoydal gerilim bir transformatör kullanılarak istenilen değere dönüştürülür.
Transformatörün sekonderinden alınan gerilim doğrultularak çıkıştaki yük (RL)
üzerine aktarılır. Doğrultma işleminin nasıl yapıldığı şekil-3.14 ve şekil-3.15
yardımıyla anlatılacaktır.
Şehir şebekesinin pozitif alternansında; transformatörün sekonder sargısının üst
ucunda pozitif alternans oluşur. D1 ve D2 diyodu doğru yönde polarmalandığı için
akım devresini D1 diyodu, RL yük direnci ve D2 diyodundan geçerek transformatörün
alt ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ve
akım yönü şekil-3.14’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
119
TEMEL ELEKTRONİK
+
Vgiriş
Kaya
D3
+
~
-
-
D1
~
+
+
~
RL
D4
D2
Vçıkış
_
Şekil-3.14 Pozitif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı
Şebekenin negatif alternansında; bu defa transformatörün alt ucuna pozitif alternans
oluşacaktır. Bu durumda D3 ve D4 diyotları doğru yönde polarmalanır ve iletime
geçerler. Akım devresini; D4 diyodu, RL yük direnci ve D3 diyodu üzerinden geçerek
transformatörün üst ucunda tamamlar ve RL yük direnci üzerinde pozitif alternans
oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil-3.15 üzerinde gösterilmiştir.
Vgiriş
-
D3
D1
~
~
-
+
+
+
+
~
D2
D4
RL
Vçıkış
_
Şekil-3.15 Negatif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı
Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin aldığı DC değer hesaplanmalıdır.
Örneğin transformatörün sekonder gerilimi 12Vrms (etkin) değere sahip ise bu
gerilimin tepe değeri;
VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 16.9 volt
değerine eşit olur. Doğrultma işleminde tek bir alternans için iki adet diyot iletken
olduğunda diyotlar üzerinde düşen öngerilimler dikkate alındığında RL yük direnci
üzerinde oluşan çıkış gerilimin tepe değeri;
120
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VÇkıkışTe ) = VTepe − (VD1 + VD2 )
VÇııkı ( Tepe ) = 16.9 − ( 0.7 + 0.7 ) = 15.4 volt
değerine sahip olur. Bu durum şekil-3.16 üzerinde gösterilmiştir. Tamdalga
doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise;
VOrtalama = VDC =
2VÇııkı ( Tepe )
Π
=
2( 15.4 )
= 9.8 volt
3.14
VÇııkı ( Tepe ) = [16 . 9 − 1 . 4 ] = 15 . 4 v
VOrtalama = VDC =
[
2 VÇııkı ( Tepe )
Π
] = 2[15.4] = 9.8 v
3.14
Şekil-3.16 Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi
2.3
DOĞRULTMAÇ FİLTRELERİ
Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışlarından alınan
doğrultmuş sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzaktır. Doğrultucu devrelerin
çıkışından alınan bu sinyal, darbelidir ve bir çok ac bileşen barındırır. Şehir
şebekesinden elde edilen doğrultulmuş sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak
ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir.
En ideal filtreleme elemanları kondansatör ve bobinlerdir. Bu bölümde
bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde
edeceksiniz.
•
•
•
•
•
Filtre işleminin önemi ve amaçlarını,
Kondansatör (C) ile gerçekleştirilen kapasitif filtre işlemini
Rıpıl gerilimini ve rıpıl faktörünü
LC filtre
Π ve T tipi filtreler
DC Güç kaynağı tasarımı ve yapımında genellikle 50Hz frekansa sahip şehir şebeke
geriliminden yararlanılır. Bu gerilim tamdalga doğrultmaç devreleri yardımıyla
doğrultulur. Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim ideal bir DC gerilim olmaktan
uzaktır. Çeşitli darbeler barındırır ve 100Hz’lik bir frekansa sahiptir. Bu durum şekil3.17’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
121
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
V
0
V
V
t
Tamdalga
Doğrultmaç
Devresi
0
Filtre
Devresi
t
0
t
Şekil-3.17 Doğrultmaç Devrelerinde Filtre işlemi
Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim, büyük bir dalgalanmaya sahiptir ve tam bir DC
gerilimden uzaktır. Filtre çıkışında ise dalgalanma oranı oldukça azaltılmıştır. Elde
edilen işaret DC gerilime çok yakındır. Filtre çıkışında küçük de olsa bir takım
dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanma “Rıpıl” olarak adlandırılır. Kaliteli bir doğrultmaç
devresinde rıpıl faktörünün minimum değere düşürülmesi gerekmektedir.
KAPASİTİF FİLTRE
Doğrultmaç devrelerinde filtrelemenin önemi ve işlevi hakkında yeterli bilgiye ulaştık.
Filtreleme işlemi için genellikle kondansatör veya bobin gibi pasif devre
elemanlarından faydalanılır. Doğrultmaç devrelerinde, filtreleme işlemi için en çok
kullanılan yöntem kapasitif filtre devresidir. Bu filtre işleminde kondansatörlerden
yararlanılır.
Kapasitif filtre işleminin nasıl gerçekleştirildiği bir yarım dalga doğrultmaç devresi
üzerinde şekil-3.18 yardımıyla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kondansatör ile
gerçekleştirilen filtre işlemi şekil-3.18’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-3.18.a üzerinde gösterilmiştir.
+
_
Vt(giriş)
Vt(giriş)-0.7V
+
0V
+
+
Vgiriş
Vc
-
RL
0V
t0
-
Şekil-3.18.a Pozitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj
oluyor
122
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
_
+
+
+
Vgiriş
0V
Vc
-
RL
0V
t0
t1
-
Şekil-3.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine
deşarj oluyor.
+
_
+
0V
t0
t1
t2
+
+
Vgiriş
Vc
-
RL
0V
t0
t1
t2
-
Şekil-3.18.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-3.18.b’de belirtildiği gibi yük
üzerine boşaltır. Şebekeden negatif alternans geldiğinde ise diyot ters polarma
olduğu için yalıtımdadır.
Kondansatörün deşarjı şehir şebekesinin negatif alternansı boyunca devam eder.
Şebekenin pozitif alternansı tekrar geldiğinde bir önceki adımda anlatılan işlemler
devam eder. Sonuçta çıkış yükü üzerinde oluşan işaret DC’ye oldukça yakındır.
Çıkış işaretindeki dalgalanmaya “rıpıl” denildiğini belirtmiştik. DC güç kaynaklarında
rıpıl faktörünün minimum düzeyde olması istenir. Bu amaçla filtreleme işlemi iyi
yapılmalıdır. Kondansatörle yapılan filtrreleme işleminde kondansatörün kapasitesi
büyük önem taşır. Şekil-3.19’de filtreleme kondansatörünün çıkış işaretine etkisi
ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
123
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
0V
Büyük kapasiteli C
Küçük kapasiteli C
Şekil-3.19 Filtre kondansatörü değerlerinin çıkış işareti üzerinde etkileri
Filtreleme işleminin tamdalga doğrultmaç devresinde daha ideal sonuçlar vereceği
açıktır. Şekil-3.20’de ise tamdalga doğrultmaç devresinde gerçekleştirilen kapasitif
filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi verilmiştir.
rıpıl
rıpıl
Şekil-3.20 Tamdalga doğrultmaç devresinde kapasitif filtreleme işlemi ve rıpıl
etkileri
Filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi bir miktar
dalgalanma içermektedir. Bu dalgalanmaya rıpıl adı verildiğini daha önce belirtmiştik.
Filtrelemenin kalitesini ise “rıpıl faktörü=rp” belirlemektedir. Rıpıl faktörü yüzde
olarak ifade edilir. Rıpıl faktörünün hesaplanmasında için şekil-3.21’den
yararlanılacaktır.
} Vr(t-t)
Şekil-3.21 Tamdalga doğrultmaçta rıpıl faktörünün bulunması
Rııpı Faktörü = rp =
Vr(etkin)
VDC
Örnek: Çıkış gerilimi DC 110V olan bir doğrultmaç çıkışında tepeden tepeye
dalgalanma mevcuttur. Doğrultmaç devresinin Rıpıl Faktörünü bulunuz.
rp =
Vr(etkin)
VDC
⋅ 100 ⇒
rıpıl faktörü %0.32 olarak bulunur.
124
2 ⋅ 0.5
= 0.32
110
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
LC FİLTRE
Doğrultmaç devrelerinde rıpıl faktörünü minimuma indirmek için bir diğer alternatif
bobin ve kondansatörden oluşan LC filtre devresi kullanmaktır. Şekil-3.22’de LC filtre
devresi görülmektedir. Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktansı (XL) ve
kondansatörün kapasitif reaktansından (XC) yararlanılarak filtre işlemi gerçekleştirilir.
L
Tamdalga
Doğrultmaç
AC
Giriş
LC
Filtre
C
RL
Şekil-3.22 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre
Π VE T TİPİ FİLTRE
LC tipi filtre devreleri geliştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri oluşturulmuştur. Π
ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. Rıpıl faktörünün minimuma
indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullanılabilir.
Şekil-3.23’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmiştir.
L
V giriş
Vçıkış
C1
V giriş
C2
L1
L2
Vçıkış
C1
U - tipi filtre
T - tipi filtre
Şekil-3.23 π ve T tipi filtre devreleri
GERİLİM REGÜLASYONU
Doğrultmaç devrelerinden elde edilen çıkış geriliminin her koşulda sabit olması ve dış
etkenlerden bağımsız olması istenir.
125
BÖLÜM 8
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
GÜÇ KAYNAKLARI
Güç kaynağı, genel tanımıyla, bir enerji üreticisidir. Bu enerji elektrik enerjisi
olduğu gibi, mekanik, ısı ve ışık enerjisi şeklinde de olabilir.
Konumuz elektronik olduğu için biz elektronik devreler için gerekli güç kaynağı olan
DOĞRULTUCULAR incelenecektir.
Doğrultucu nedir? AC gerilimi DC gerilime çeviren güç kaynaklarıdır.
Elektronikte kullanılan doğrultucuların yararlandığı .ac gerilim, şehir şebekesinden
alınan 220 Volt 'luk gerilimdir. Bu gerilim Şekil 1.5 'de görüldüğü gibi sinüzoidal olarak
değişir.
İyi bir doğrultucudan beklenen, AC geriliminden, hiç dalgalanması olmayan ve
istenilen değerde bir DC gerilim oluşturmaktır.
Buradaki "+" ve "-" değerlendirilmesi kaynağın toprağa bağlanan ucu ile
yapılmaktadır. Kaynağın (-) ucu toprağa (şaseye) bağlanırsa,besleme gerilimi (+)
pozitif olarak kullanılır. Veya bunun tersi olur. Genellikle "-" negatif uç toprağa
bağlanır.
DOĞRULTUCULARIN YAPISI:
Komple bir doğrultucu Şekil 1.5 'de gösterildiği gibi şu dört ana bölümden
oluşmaktadır:
•
•
•
•
Transformatör: 220V ihtiyaç duyulan AC gerilime dönüştürülmesini sağlar.
Doğrultma Devresi: AC gerilimi DC gerilime çeviren devredir. Bu DC gerilim,
sinüzoidal değişimin tek yönlü halidir. Yani dalgalıdır.
Filtre Devresi: Dalgalanması mümkün olduğunca az DC gerilim oluşumunu
sağlar.
Regülatör Devresi: Tam doğrultulmuş DC gerilim oluşumunu sağlar.
126
TEMEL ELEKTRONİK
Transformatör
Kaya
Doğrultmaç
Devresi
Filtre
Devresi
Vgiriş
AC
Regülatör
Devresi
RL
Şekil 5.1 - Doğrultucunun bölümleri
TRANSFORMATÖRLER
Transformatörler gerek elektrik alanında olsun, gerekse de elektronik alanında olsun
çok kullanılan elemanlardır.
Burada elektronik alanında kullanılan transformatörlerin, yapıları çalışma prensibi ve
hesaplama yönteminden özet olarak bahsedeceğiz..
Transformatörlerin elektronik alanındaki başlıca kullanım yerleri şöyle sıralanabilir:
•
•
•
•
Kuplaj için
Yükselteçlerde hoparlör çıkışı için
Empedans uygunluğunun sağlanması için
Güç kaynaklarında değişik gerilimler elde etmek için
TRANSFORMATÖRLERİN YAPISI VE ÇEŞİTLERİ
Yukarıda sıralanan elektronik devrelerde transformatör yalnızca monofaze olarak
kullanılır. Monofaze transformatörde, daha sonra açıklanacağı gibi, ortada, saclar ile
oluşturulan bir nüve (çekirdek) ve bunun üzerinde primer ve seconder sargıları vardır.
Ayrıca, elektrik devrelerinde kullanılan trifaze ve çok fazlı transformatörlerde vardır.
127
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Monofaze transformatör nedir?
Monofaze transformatör tek fazda çalışan transformatördür.
Örneğin, Monofaze transformatörden 220V 'u istenilen gerilime çevirmek için
yararlanılır.
"Mono" nun kelime anlamı da "Tek" demektir.
Normal olarak şehir elektrik şebekesi üç fazlıdır. Fazlar, R, Ş, T olarak adlandırılır. Bu
üç fazın her biri ile toprak arası 220V 'tur.
Küçük işyerleri ve evlerde genelde tek faz kullanılır. Elektronikte de tek faz kullanılır.
ÇALIŞMA PRENSİBİ
ÇİFT SARGILI TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ
Şekil 5.6 'da görüldüğü ve yukarıda da açıklandığı gibi monofaze bir transformatörde
genellikle iki giriş ucu ve iki de çıkış ucu mevcuttur. Bu uçlar giriş ve çıkış
sargılarından alınmaktadır. İhtiyaca göre çıkış sargısı yine şekilde görüldüğü gibi
birden fazlada olabilir.
Bu sargılar teknik dilde aşağıdaki gibi adlandırılır:
•
•
Giriş sargısı: (Primer sargı)
Çıkış sargısı: (Sekonder sargı)
Primer sargıya bir AC gerilim uygulandığında, sekonder sargı uçlarından da yine AC
gerilimi alınır.
GERİLİM İLE SARIM SAYISI BAĞINTISI
Primer ve sekonder sargılardaki gerilim değerleri, sargıların sarım sayılarıyla
orantılıdır.
Günlük hayatta, AC devrelerde ölçüm için kullanılan normal ölçü aletleri efektif
değerleri ölçtüğü için, hesaplamalarda da genel olarak efektif değerler kullanılır.
Transformatördeki efektif değerler gösterilirken, özellikle gerilimler için değişik
semboller kullanılmıştır.
128
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. Bazı yayınlarda;
Transformatöre uygulanan gerilim: U1 veya UP
Transformatörün primer sargısında endüklenen gerilim: E1
Transformatör sekonderin den alınan gerilim: U2 vaye US
Transformatörün sekonderin de endüklenen gerilim: E2
Transformatör kayıpsız kabul edilirse; U1=E1 ; U2=E2 'dir.
Kayıplar dikkate alınırsa; U1=E1+kayıp gerilimi,
U2=E2+kayıp gerilimi 'dir.
2. Diğer bazı yayınlarda da, bütün gerilimler V ile gösterilmekte ve nereye ait gerilim
ise onu belirten indis kullanılmaktadır. Örneğin, Transformatör primer gerilimi VP,
sekonder gerilimi VS, yük direncindeki gerilim düşümü VL ile gösterilmektedir.
Burada kullanılan semboller:
Primer taraf için;
Primer
Primer
sarım
Primer
Primer gücü:
gerilimi: VP
sayısı: NP
akımı IP
PP
Sekonder taraf için;
Sekonder
Sekonder
sarım
Sekonder
Sekonder gücü:
gerilimi: VS
sayısı: NS
akımı: IS
PS
Bir transformatörde gerilim değerleri ile sarım sayıları arasında şu bağıntı vardır:
VP/VS = NP/NS
NP/NS = n değerine TRANSFORMASYON (Dönüştürme) ORANI denir.
PRİMER SEKONDER GÜÇ BAĞINTISI
Teorik olarak bir transformatörün girişine hangi güç verilirse, çıkışından da aynı
güç alınır.
Giriş gücü PP ve çıkış gücü ise PS ise
=>
PP=PS 'dir...
Ancak, transformatörün saclarındaki fuko akımından, histerisiz olayından ve
sargıların endüktif reaktansından (XL) dolayı , giriş enerjisinin bir bölümü ısı
enerjisine dönüşerek kaybolur.
129
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kayıp nedenleri:
Fuko akımları: Sacların içerisinde oluşan ve dairesel olarak dolaşan akımdır.
Histeresiz olayı: Sacların mıknatıslanması olayıdır.
Endüktif reaktans (XL): Sargı tellerinin Ac direncidir.
Aslında, Ps çıkış gücü, PP giriş gücüne göre biraz küçüktür (Ps<PP).
Ancak, küçük güçlü transformatörlerde kayıplar ihmal edilebileceğinden PP=Ps
olarak kabul edilir.
GÜÇ – GERİLİM VE AKIM BAĞINTISI
Transformatörlere uygulanan gerilim; Vp=Vpm Sinωt şeklinde sinüzoidal olarak
değişen bir gerilimdir. Bu gerilim, primer sargıdan akıtacağı akım ile, sekonder
sargıda oluşturacağı gerilim ve akımda yine sinüzoidal olarak değişir.
Ancak, hesaplamalar efektif değerler üzerinden yapıldığından, güç bağıntıları şöyle
yazılır:
Pp = Ip . Vp
ve
Ps = Is . Vs
Bu bağıntıda, birimler şöyledir: V: Volt, I: Amper, P: Watt
Pp=Ps kabul edildiğinden, Ip.Vp=Is,Vs yazılabilir.
Buradan da şu sonuç çıkar: Vp/Vs = Is/Ip
SARGI EMPEDANSLARI İLE GERİLİM VE AKIM BAĞINTILARI
Zp: Primer sargı empedansı, Zs: Sekonder sargı empedansı olmak üzere gerilim
şöyle ifade edilir:
Vp = Ip . Zp
ve
Vs = Is . Zs
Bu değerler yukarıda yerine konulursa aşağıdaki eşitlikler elde edilir:
Ip.Zp / Is.Zs = Is/Ip
Buradan,
I2S / I2P = ZP / ZS
olur.
130
veya
IS / IP = √ZP / √ZS
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu eşitlikler gerilim cinsinden yazılırsa aşağıdaki gibi olur..
Vp/Vs = Is/Ip idi.
Is/Ip = √ZP / √ZS bulundu. Buradan Vp/Vs = √ZP / √ZS
olur.
Özet olarak yazılırsa transformatör bağıntıları şöyle olacaktır:
Pp =Ps
Vp/Vs = Np/Ns = Is/Ip = √ZP / √ZS
NOT:
Burada şu iki hususa dikkat etmek gerekir.
Yukarıdaki bağıntıda Np/Ns sabit bir değerdir. Diğer oranların da sabit olması
gerekir. Is 'nin büyüklüğü transformatörün yük direncine bağlıdır. Yük direnci çok
küçük olursa Is tolerans değerinin üzerinde büyür. Bu durumda yukarıdaki oranı
sağlamak üzere Ip 'de büyür. Transformatör anormal olarak ısınıp yanabilir. Kullanma
sırasında bu duruma dikkat etmek gerekir.
Transformatörün, sekonder uçları açık iken de uzun müddet çalıştırılması doğru
değildir. Enerji sarfiyatı olmadığından yine ısınır. En ideal çalışma şekli; yük
direncinin Zs empedansına eşit olmasıdır.
VERİM:
Yukarıda da belirtildiği gibi her transformatörde az veya çok, fuko, histerisiz ve sargı
kayıpları vardır.
Önceden belirtildiği gibi, küçük güçlü transformatörlerde bu kayıplar pek dikkate
alınmaz ve Pp = Ps olarak kabul edilir.
Ancak, bu tür kayıpların bilinmesi ve hassas hesaplamalarda dikkate alınması
gerekir. Bu durumda transformatörün verimi söz konusu olacaktır.
Verim: çıkış gücünün - giriş gücüne oranıdır.
Formülü:
η = Ps/Pp
veya %η = (Ps/Pp)*100
Genelde verim: η = %75 - %98
arasında değişir.
131
dür.
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Örnek:
Soru:
Bir transformatörde giriş gerilimi Vp:220V, çıkış gerilimi Vs:20,V olsun (Bu değerler
efektif değerlerdir). Transformatörün verimi %98 ve çıkış akımı Is:2A olduğuna göre,
primer akımı nedir?
Çözüm:
Giriş akımı sorulduğuna göre önce giriş akımını verecek bağıntıyıdüşünmek gerekir.
Problemin veriliş tarzından, verim ve dolayısıylada da güç bağıntısı yoluyla çözüme
gidileceği anlaşılmaktadır.
Primer gücü: Pp=Vp*Ip 'dir.
Buradan;
Ip=Pp/Vp olur.
Bu bağıntıda Vp bilinmektedir, Pp 'de bulunursa Ip'yi de bulmak mümkün olur.
%η=Ps/Pp*100 idi.
Bilinenler yerine konulursa: 98=(Vs.Is/Pp)*100
98=(20*2/Pp)*100
olur.
Yukarıdaki bağıntıdan;
Pp=20*2*100/98 = 40,8 Watt
olarak bulunur.
Bu değerler yukarıdaki Ip bağıntısında yerine konulursa aşağıdaki değerler alde
edilir.
Ip = Pp/Vp = 40,8/220 = 0,185Amper =185 miliAmper olarak bulunur...
OTO TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ
Oto transformatörde giriş ve çıkışa ait, güç gerilim ve empedaslar sarım (tur)
sayısına göre belirlenir.
Yalnızca akım, yüksüz halde giriş ve çıkış için aynıdır.Ancak, RL gibi bir yük direnci
bağlandığında akım, sargı empedansı ile R oranına göre paylaşılır.
Girişe ait, güç, gerilim, empedans ve akım değerleri ile sarım sayısı; P1 V1, Z1, I1,
N1 olsun.
132
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Aralarında şu bağıntı vardır: P1=V1*I1,
V1=I1*Z1
Bu sarıma düşen güç ve gerilim: Psa = P1/N1 Vsa = V1/N1
Çıkışa ait güç, gerilim, empedans ve boştaki akım: P2, V2, I2 olsun çıkış ucunun
alındığı kısım sarım sayısında N2 olsun.
Şu bağıntı vardır:
P2 = Psa*N2 = (P1/N1)N2,
Z2 = Zsa*N2 = (Z1/N1)*N2
V2 = Vsa*N2 = (V1/N1)*N2,
Boşta: I2=I1
Çıkışta RL gibi bir yük direnci bağlı iken yük akımı: IL = V2/RL dir.
Transformatör sargısından akan akım: I2 = V2/Z2 olur.
Girişten çekilen akım: I1 = I2+IL 'dir..
Oto transformatörün avantajları:
1) Tek sargı kullanıldığı için küçük güçlerde daha az yer tutar.
2) Çıkış geriliminin istenildiği gibi ayarlanması olanağı vardır.
3) Daha az ısınır.
Oto transformatörün şu iki dezavantajı vardır:
1) Sargının tek sıra olması halinde (Varyakta) çok yer kaplar.
2) Normal bir transformatörde primer ve sekonder sargılar arasına yalıtkan bir
bant konarak çıkışa kaçak yapma ihtimali önlendiğinden, çıkış bakımından daha
güvenli hale getirilmektedir.
Oto transformatörde çıkış uçları, arasında kalan bir sarım koptuğunda giriş uçları
arasındaki büyük gerilim çıkışa yansıyacak ve giriş akımının tamamı da çıkıştan
devreyi tamamlayacaktır.
Böyle bir durumda:
•
•
Çıkış uçları arasındaki büyük gerilim hayati tehlike yaratabilir.
Çıkış devresi de hassas elektronik elemanlar bulunabileceğinden, büyük
gerilim ve büyük akım, devre elemanlarına zarar verecektir.
133
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSFORMATÖR HESABI
Her elektronikçi ve elektrikçi kendisi transformatör üretmese de, bir transformatörün
boyutlarına ve tel kalınlığına baktığı zaman gücü hakkında bir tahminde
bulunabilmelidir.
Bu bakımdan burada, transformatör hesabıyla ilgili bazı pratik bilgiler verilecektir. Bu
bilgiler özellikle, en çok kullanılan ÇİFT SARGILI doğrultucu transformatörü için
yararlı olacaktır.
Bir transformatörü üretmek veya gücü hakkında tahminde bulunabilmek için
şunların bilinmesi gerekir:
1)
2)
3)
4)
Nüve (çekirdek) kesiti
Sarım (Spin) sayısı
Tel ve Sargı kesiti
Nüvenin boyutları
Transformatörü
üretirken
de;
yukarıdaki
hesaplanabilmesi için şu ön bilgilere ihtiyaç vardır:
•
•
karakteristik
değerlerin
Transformatörün gücü.
Giriş ve çıkış gerilimleri.
Bu ön bilgiler de kullanılma yerine göre saptanır.
Burada örnek olarak, bir doğrultucu transformatörünün pratik yoldan hesaplanması
yöntemi anlatılacaktır.
134
BÖLÜM 9
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLER
Transistör nedir?
Eklem Transistör yarı iletken malzemeden yapılmış elektronik devre elemanıdır. Her
nekadar diyodun yapısına benzesede çalışması ve fonksiyonları diyottan çok
farklıdır.
Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup iki ana çeşittir.
•
•
NPN
PNP
Transistör aşağıda belirtildiği gibi değişik şekillerde tanımlanır:
1) Transistörün kolay anlaşılması bakımından tanımı; Transistörün bir
sandöviçe benzetilmesidir, yarı iletken sandöviçi.
2) İkinci bir tanımıda şöyle yapılmaktadır; Transistör, iki elektrodu arasındaki
direnci, üçüncü elektroda uygulanan gerilim ile değişen bir devre
elemanıdır.
3) Transistörün en çok kullanılan tanımı ise şöyledir; Transistör yan yana
birleştirilmiş iki PN diyodundan oluşan bir devre elemanıdır. Birleşme
sırasına göre NPN veya PNP tipi transistör oluşur.
Transistörün başlıca çeşitleri şunlardır:
•
•
Yüzey birleşmeli (Jonksiyon) transistör
Nokta temaslı transistör
135
TEMEL ELEKTRONİK
•
•
•
•
•
Kaya
Unijonksiyon transistör
Alan etkili transistör
Foto transistör
Tetrot (dört uçlu) transistör
Koaksiyal transistör
Transistörün kullanım alanları:
Transistör yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre
elemanıdır. Elektroniğin her alanında kullanılmaktadır.
Şekil 4.1 – Transistörler
136
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
a) NPN ve PNP transistörlerin yapısal gösterilimi,
b) Transistör sembolleri
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLERİN YAPISI
Yukarıda belirtilen değişik işlevli bütün transistörlerin esası YÜZEY BİRLEŞMELİ
TRANSİSTÖR 'dür.
Bu nedenle, yüzey birleşmeli transistörlerin incelenmesi, transistörlerin yapısı,
karakteristikleri ve çalışma prensipleri hakkındaki gerekli bilgileri verecektir.
Trasistörler, temel yapısı bakımından aşağıda gösterilmiş oduğu gibi; iki gruba
ayrılır:
NPN
tipi
transistörler
PNP
tipi
transistörler
Yine her iki tip transistörün de N-P-N ve P-N-P bölgeleri şöyle adlandırılır:
1) EMETÖR; "E" ile gösterilir.
2) BAZ; "B" ile gösterilir.
3) KOLLEKTÖR; "C" ile gösterilir.
Bölgeler şu özelliklere sahiptir:
Emetör bölgesi (Yayıcı): Akım taşıyıcıların harekete başladığı bölge.
Baz bölgesi (Taban): Transistörün çalışmasını etkileyen bölge.
Kollektör bölgesi (Toplayıcı): Akım taşıyıcıların toplandığı bölge.
Bu bölgelere irtibatlandırılan bağlantı iletkenleri de, elektrot, ayak veya bağlantı ucu
olarak tanımlanır.
Transistör yapısında baz kalınlığının önemi:
Akım taşıyıcılarının BAZ bölgesini kolayca geçebilmesi için, baz 'ın mümkün
olduğunca ince yapılması gerekir.
137
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLERİN POLARILMASI VE ÇALIŞMASI
TRANSİSTÖRDE POLARLAMA NEDİR?
Transistörün asıl görevi, değişik frekanslardaki AC işaretleri yükseltmektir.
Transistörün bu görevi yerine getirebilmesi için, önce Emiter, Beyz ve Collectorün DC
gerilim ile beslenmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime POLARMA GERİLİMİ denir.
Transistörün polarılması:
Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, Emiter, Beyz ve Collectotünün belirli
değerdeki ve işaretteki (±), DC gerilim ile beslenmesine transistörün polarılması
(kutuplandırılması) denir.
NPN TİPİ TRANSİSTÖRÜN POLARILMASI
NPN transistör şu iki diyodun yan yana gelmesi şeklinde düşünülür:
•
•
"NP" Emiter - Beyz diyodu
"PN" Beyz - Collector diyodu
Bir NPN transistörü çalıştırabilmek için, Şekil 4.2 'de görüldüğü gibi, uygulanan
polarma gerilimi iki şekilde tanımlanabilir:
1- Diyot bölümlerine göre tanımlama;
•
•
Emiter - Beyz diyodu, doğru polarılır.
Baz - Collector diyodu ise, ters polarılır.
2- Polarma geriliminin,
uygulandığına göre;
•
•
Emiter,
Beyz
ve
Collectorün
kristal
Emiter ve Beyz 'e kristal yapısına uygun polarma gerilimi uygulanır.
Collectore ise, kristal yapısının tersi polarma gerilimi uygulanır.
NPN tipi transistörde uygulanan polarma gerilim:
•
•
•
Emiter N tipi kristaldir : Kristal yapıya uygun, negatif (-) gerilim.
Beyz P tipi kristaldir : Kristal yapıya uygun, pozitif (+) gerilim.
Collector N tipi kristaldir : Kristal yapıya ters, pozitif (+) gerilim.
138
yapısına
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NOT:
1. Şekil 4.2 'de görüldüğü gibi, beyz 'in polarma gerilimi ile ilgili tipik bir durum var.
Beyz 'e VEB kaynağının pozitif kutbu, VCB kaynağının ise, negatif kutbu
bağlanmıştır.
Bu
durumda
beyz
polarma
gerilimi
ne
olacaktır?
Yukarıda belirtildği gibi, Emiter-Beyz diyodu iletimde, olduğu için, VEB kaynağının
pozitif kutbu etken olacaktır. Yani Beyz 'in polarma gerilimi, pozitiftir. PNP
transistör için de benzer şekilde düşünülür.
2. Transistörün gerek polarma konusu, gerekse de çalışma prensibi açıklanırken,
anlatım kolaylığı bakımından iki DC besleme kaynağı kullanılmaktadır.
Uygulamada ise, tek besleme kaynağı kullanılmaktadır.
NPN TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI
Yukarıda tanımlanmış olduğu gibi polarma gerilimi uygulanmış olan bir NPN
transistörde aşağıdaki gelişmeler olur.
1. N BÖLGESİNDEKİ GELİŞMELER
Emiter ve collectorü oluşturan N bölgesindeki, çoğunluk taşıyıcılar, elektronlar
şu şekilde etkilenir;
•
•
•
•
VCB besleme kaynağının pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisinde kalan,
gerek emiter, gerekse de collector bölgesi elektronları VCB kaynağına doğru
akar. Bu akış IC collector akımını yaratır.
Aynı anda VEB kaynağının negatif kutbundan ayrılan elektronlar da emitere
geçer.Bu geçiş IE emiter akımını yaratır.
P bölgesinden geçemekte olan elektronlardan bir miktarıda VEB besleme
kaynağının pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisiyle VEB 'ye doğru akar. Bu
akış IB beyz akımını yaratır.
Son olarkada VCB 'nin negatif kutbundaki elektronlar, VEB 'nin pozitif kutbuna
geçiş yaparak akım yolunu tamamlar. Böylece devrede bir akım doğar.
139
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2. P BÖLGESİNDEKİ GELİŞMELER
NPN transistörde beyz P tipi kristaldir.
P tipi kristaldeki "+" yükler (oyuklar) şu şekilde aktif rol oynamaktadır:
•
•
•
P tipi kristaldeki katkı maddesi atomlarının dış yörüngesinde üç elektron var.
Bir
elektronu
katkı maddesi atomlarına veren Ge ve Si atomları, pozitif elektrik yükü
(oyuk) haline gelir ve bunlar çoğunluktadır.
Şekil 4.3 'te görüldüğü gibi VEB besleme kaynağının pozitif (+) kutbunun itme
kuvveti etkisi ve negatif kutbunun da çekme kuvveti etkisiyle, beyzden emitere
doğru bir pozitif elektrik yükü (oyuk) hareketi başlar. Diğer bir ifadeyle,
emiterden beyz 'e doğru elektron hareketi başlar.
Yine collectorde. Azınlık taşıyıcılar durumunda olan çok az sayıdaki "+" yükler
(oyuklar), VCB kaynağının pozitif kutbunun itme kuvveti ve negatif kutbunun
çekme kuvveti etkisiyle beyz elektroduna doğru hareket eder. Böylece çok
küçük bir,akım doğar. Bu akım, beyz collector diyodunun ters yön (kaçak)
akımı olup ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
ÖZETLE:
Yukarıda açıklanan hususların sonucu olarak, Şekil 4.4 'te özelliği olan elektrik yükleri
gösterilmek suretiyle özet bir görüntü verilmiştir.
1. Şekilde büyük ok ile gösterilmiş olduğu gibi, emiter ve collector bölgesindeki
elektronların büyük bölümü collector elektroduna doğru ve küçük bir bölümü de
yalnızca emiterden beyz elektroduna doğru akmaktadır. Elektron akışı dış
devrede de devam eder. Bu akış IE, IB ve IC akımlarını yaratır.
IE=IB+IC 'dir.
Bu bağıntı her çeşit devre kuruluşunda ve her transistör için geçerlidir.
Ancak IB akımı IC akımı yanında çok küçük kaldığından (IB=0.02 IC), pratik
hesaplamalarda IB ihmal edilir.
IE = IC olarak alınır.
2. Katkı maddelerine ait, "+" ve "-" iyonların bir etkinliği olmadığından daire
içerisine alınmıştır
140
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3. Serbest elektronların çok hızlı hareket etmesi nedeniyle NPN transistördeki
akım iletimide hızlı olmaktadır. Bu nedenle NPN transistörler yüksek
frekanslarda çalışmaya daha uygundur.
4. Ayrıca, Şekil 4.4 'te, bir NPN transistörün, ters yönde bağlı iki NP ve PN diyot
şeklinde düşünülebileceği de gösterilmiştir. Böylece, ters bağlı iki diyot
devresinden akımın nasıl aktığıda kendiliğinden açıklanmış olmaktadır.
Şekil 4.4 - NPN transistörde akım iletimini sağlayan elektronların akış yönleri ve
transistörün ters bağlı iki diyot halindeki görüntüsü.
PNP TİPİ TRANSİSTÖRÜN POLARILMASI
PNP transistörün, NPN transistöre göre, yapımında olduğu gibi, polarma geriliminde
de terslik vardır. Şekil 4.5 'te bir PNP transistöre polarma geriliminin uygulanışı
gösterilmiştir.
Şekilden de anlaşıldığı gibi, PNP transistörde de, NPN 'de olduğu gibi polarma
geriliminin yönleri iki şekilde tanımlanır:
1 - Diyot bölümlerine göre tanımlama
•
•
Emiter - Beyz diyodu, doğru polarılır.
Collector - Beyz diyodu, ters polarılır.
2 - Polarma geriliminin kristal yapıya uygunluğuna göre tanımlama:
•
•
•
Emiter P tipi kristaldir: Kristal yapısına uygun, pozitif (+) gerilim uygulanır.
Beyz N tipi kristaldir: Kristal yapısına uygun, negatif (-) gerilim uygulanır.
Collector P tipi kristaldir: Kristal yapısına ters, negatif (-) gerilim uygulanır.
Polarma durumuna göre devreden akan akımların yönü Daima IE=IB+IC 'dir.
141
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
PNP TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI
PNP transistörde, NPN transistördeki elektron yerine, pozitif elektrik yükleri
(oyuklar), ve pozitif elektrik yükleri yerine de elektronlar geçmektedir.
PNP transistördeki akım iletimi pozitif elektrik yükleri ile açıklanmaktadır.
PNP transistörün çalışması şu şekilde olmaktadır:
•
VEB besleme kaynağının pozitif kutbunun itme, negatif kutbunun çekme
kuvveti etkisiyle, emiterdeki pozitif elektrik yükleri (oyuklar) atomdan atoma
yer değiştirerek bayze doğru akar.
•
Bu hareketlenme sırasında pozitif elektrik yükleri (oyuklar) collectore bağlı
VCB besleme kaynağının negatif kutbunun çekme kuvveti etkisi altında kalır.
VCB gerilimi VEB 'ye göre daima daha büyük seçildiğinden; pozitif elektrik
yüklerinin (oyukların) %98 - %99 gibi büyük bir bölümü collector elektroduna
doğru, %1 - %2 gibi küçük bir bölümü de beyz elektroduna doğru akım iletimi
sağlar.
Bu arada, bir miktar pozitif elektrik yükü de, beyzdeki serbest elektronlar ile birleşerek
nötr hale gelir.
•
Aynı zamanda collector bölgesindeki azınlık taşıyıcılar durumunda bulunan az
sayıdaki elektronlar da VCB 'nin etkisiyle beyz elektroduna doğru hareket
eder. Bu hareket, ters yön (kaçak) akımını yaratır.
Dış devredeki gelişmeler:
Şekilde gösterildiği gibi, emiterden VEB besleme kaynağının "+" kutbuna ve oradan
da beyz'e ve VCB besleme kaynağının üzerinden collectore, elektron akışı başlar.
Kağıt üzerinde gösterilen akım yönü de, yine şekildeki gibi, besleme kaynağının "+"
kutbundan "-" kutbuna doğru olmaktadır.
ÖZETLE:
Bir PNP transistördeki akım iletimi, pozitif elektrik yükleri (oyuklar) ile
sağlanmaktadır.
142
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM VE GERİLİM YÖNLERİ
AKIM YÖNLERİ:
NPN Transistörde akım yönleri:
a) Emiterde; Transistörden dış devreye doğru, yani emiterdeki ok yönündedir.
b) Beyz ve Collectorde; Dış devreden transistöre doğrudur.
PNP Transistörde akım yönleri:
a) Emiterde; Dış devreden transistöre doğrudur, yani okun gösterdiği yöndedir.
b) Beyz ve Collectorde; Transistörden dış devreye doğrudur.
GERİLİM YÖNLERİ:
Burada gerilim yönünden amaç, polarma geriliminin "+" veya "-" oluşudur.
NPN Transistörde gerilim yönleri:
a) Emitere: Negatif (-) gerilim uygulanır.
b) Beyze: Pozitif (+) gerilim uygulanır.
c) Collectore: Pozitif (+) gerilim uygulanır.
PNP Transistörde gerilim yönleri:
a) Emitere: Pozitif (+) gerilim uygulanır.
b) Beyze: Negatif (-) gerilim uygulanır.
c) Collectore: Negatif (-) gerilim uygulanır.
NOT:
Uluslararası kabule göre, bir iletkendeki elektron akış yönü ile akım yönü birbirine
göre terstir.
Uluslararası elektroteknik kuruluşu (IEC) tarafından yapılan kabule göre;
Elektrik ve Elektronik devrelerindeki AKIM YÖNÜ, besleme kaynağının pozitif
kutbundan (+), Negatif kutbuna (-) doğru olan yöndür.
Diyot sembollerindeki ve transistörlerin emiterindeki akım yönünü gösteren oklar da
"+" dan "-" 'y doğrudur.
Elektron yönü sadece teorik açıklamalar sırasında gösterilmektedir.
Kirchoff kanununa göre , yapılan devre hesaplamalarında "+" ve "-" akım yönlerinin
gösterilmesi gerekebilir.
Bura da, besleme kaynağının pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru olan yön, "+"
akım yönü, bunun tersi olan yön ise "-" akım yönü olarak gösterilir.
143
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRLERİN MULTİMETRE İLE SAĞLAMLIK KONTROLÜ
Transistörlerin ayrıntılı kontrolü transistörmetrelerle yapılır. Transistörmetreler daha
çok labaratuvarlarda kullanılır.
Bir transistörün en kolay kontrol şekli multimetre ile yapılır, Ancak, bu halde
transistöre herhangi bir zarar verilmemesi için multimetrenin içinde bulunan pilin 1.5V
'dan büyük olmamasına veya devreden akacak akımın 1 mA 'den fazla olmamasına
dikkat edilmelidir. Transistör devrede iken ölçüm yapılmaz.
PNP ve NPN tipi transistörlerin multimetre ile kontrolü sırasında uçların tutuluş
şekilleri gösterilmiştir. Tablo 4.1 'de ise, yapılacak kontrolün esasları ve multimetrede
aşağı yukarı okunması gereken değerler verilmiştir.
Tablo 4.1 'e uygun olarak yapılan kontrollerede, direncin büyük okunması gerekirken
küçük okunuyorsa veya küçük olması gerekirken büyük değerlerle karşılaşıyorsanız
transistör bozuk demektir.
Ölçmelerde, multimetrenin içerisindeki pil vasıtası ile büyük dirençlerin okunması
sırasında ters polarma, küçük dirençlerin okunması sırasında doğru polarma
uygulaması yapılmaktadır.
1.5V 'luk multimetre ile yapılan kontrol sırasında transistörden akacak akım kısa bir
müddet için 1mA 'i geçmeyeceğinden, günlük hayata girmiş transistörlerde herhangi
bir bozukluğa yol açmayacaktır. Fakat, yayılım yoluyla yapılan alaşım transistörleri
gibi hassas transistörlerin kontrolü sırasında, emniyet tedbiri olarak VCE collector
geriliminin sıfırdan başlayarak gerekli gerilime kadar ayarlanması tavsiye
edilmektedir. Bu bakımdan böyle transistörlerin transistörmetre ile kontrolü
uygun olmaktadır veya 100-200 ohm 'luk seri direnç kullanılır.
TRANSİSTÖRLERDE YÜKSELTME İŞLEMİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Transistörler yapısı gereği, akım yükseltme özelliğine sahiptir.
Uygun, bir devre dizaynıyla gerilim ve güç yükseltmesi de yapar.
Tabi bu işlemlerde de asıl olan akımdır. Bu nedenle, önce akımın nasıl
yükseltildiğinin bilinmesi gerekir.....
Transistör yükseltme işlemi nasıl yapılmaktadır?
Örnek olarak şekil 4.9 'da görüldüğü gibi bir NPN tipi transistör alınmıştır. Transis
törün çalışabilmesi için elektrotlarına, şu gerilimler uygulnıyor:
144
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Emiter: (-)gerilim,
Beyz: (+)gerilim,
Collectore: (+)gerilim.
Şekil 4.9 - Emiteri ortak yükselteç
a) Jonksiyonel bağlantı devresi
b) Sembolik bağlantı devresi
Şekil 4.9 'da, emiter ucu giriş ve çıkış devrelerinde ortak olduğu için, bu yükselteç
"Emiteri ortak bağlantılı yükselteç" olarak taımlanır. En çok kullanılan yükselteç
şeklidir.
Transistörün bu şekilde çıkışında bir yük direnci bulunmadan çalıştırılmasına kısa
devrede çalışma denmektedir.
YÜKSELTME İŞLEMİNİN SAĞLANMASI:
1) Transistör içerisinde emiterden beyz ve collectöre doğru bir elektron akışı
vardır..
2) Elektronların küçük bir kısmı da Vbe kaynağının oluşturduğu giriş devresi
üzerinden, büyük bir kısmıda Vce kaynağının oluşturduğu çıkış devresi üzerinden
devresini tamamlar...
3) Giriş ve çıkışta dolaşan elektronların miktarı, trans. büyüklüğüne bağlı olduğu
gibi, Vbe ve Vce kaynak gerilimlerinin büyüklüğüede bağlıdır.
4) Emiterdeki elektronları harekete geçirmek için "Silisyum" transistörde en az
0.6V, "Germanyum" transistörde ise 0.2V olması gerekir.
5) Elektroları çekebilmesi için Vce gerilimi Vbe 'ye göre oldukça büyük seçilir.
6) Giriş devresinden dolaşan elektronlar "Ib" beyz akımını, çıkış devresinden
dolaşan elektronlarda "Ic" collectör akımını oluşturur.
7) Buradaki Ib ve Ic akımları DC akımlardır... Eğer girişe AC gerilim uygulanırsa,
ve Ic 'de AC olarak değişir.
8) Ib ve Ic akımları devrelerini tamamlarken emiter elektrodu üzerinde
birleştiğinden Ie akımı, Ib ve Ic 'nin toplamı olur............
145
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Herzaman geçerli kural: IE=IB+IC
Sonuçta:
Ib akımı giriş akımı, Ic akımı da çıkış akımı olarak değerlendirilirse, Ib gibi küçük
değerli bir akımdan, Ic gibi büyük değerli bir akıma ulaşılmaktadır.........
Bu olay "Transistörün akım yükselteci olarak çalıştığını göstermektedir."
Emiteri ortak bağlantıda akım kazancı formülü: ß=IC/IB 'dir...Beta:(ß)
IB ve IC akımları değişse de, ß(Beta) akım kazancı sabit kalmaktadır.
Akım kazancı nasıl oluyorda sabit kalıyor?
Şekil 4.9 'a göre; VBE gerilimi büyütüldüğünde; iki aşamalı şu gelişmeler
olmaktadır:
1) Emiter - Beyz diyodu daha büyük bir gerilim ile polarılmış olduğundan, daha
çok elektron harekete geçer. Bu elektronların, Beyz girişi üzerinden devre
tamamlayan miktarı da artacağından IB akımı büyür.
2) Diğer taraftan, büyük hareketlilik kazanan emiter elektronları, mevcut olan
VCE çekme kuvveti etkisiyle beyz 'i daha çok sayıda geçerek collectore ulaşır.
Böylece daha büyük IC akımı oluşur.
IB ve IC deki artış aynı oranda olmaktadır.
Dolayısıyla da, ß=IC/IB değeri sabit kalmaktadır.
VBE küçültüldüğünde de IB ve IC aynı oranda küçüldüğünden, ß (Beta) yine sabit
kalır.
Görüldüğü gibi, gerek IB, gerekse de IC akımının büyüyüp küçülmesinde yalnızca
VBE giriş gerilimi etkin olmaktadır...
VCE besleme kaynağının akım kazancına etkisi nedir?
VCE gerilimi büyütüldüğünde, devreden akan elektron miktarında, diğer bir deyimle
IC akımında, önemli bir artış olmamaktadır.
Nedeni; VCE gerilimi, esas olarak, VBE geriliminin emiterde hareketlendirdiği
elektronları çekmektedir. Emiterde ne kadar çok elektron hareketlenmişse, VCE 'de o
kadar çok elekrtron çekmektedir. Bunlara collectordeki belirli sayıdaki elektronlarda
eklenmektedir. Ancak, collectorde daha az katkı maddesi kullanıldığından açığa
çıkan elektron sayısı da daha azdır. Bunlarda IC akımını fazla etkileyememektedir.
VCE 'nin büyütülmesi, çekilen elektron sayısını çok az artırabilmektedir.
146
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Ancak, VCE 'nin, transistör kataloğunda verilen değeri de geçmemesi gerekir.
VCE 'nin belirli bir değeri geçmesi halinde, ters polarmalı durumunda olan, Beyzcollector diyodu delineceğinden, transistör yanar.
TRANSİSTÖRÜN, IC, VCE VE RCE İLE İLGİLİ TANIMI:
Bu tanımlama, IC, VCE VE RCE arasındaki bağıntıyı açıklayan, diğer bir deyimle,
transistörün yükseltici sırrını ortaya koyan bir tanımlamadır.
Transistör, iki elektrodu arasındaki direnci, üçüncü elektroduna uygulanan gerilim ile
değiştirilebilen üç elektrotlu bir devre elemanıdır.
Şöyleki;
Ohm kanununa göre, çıkış devresinde şu bağıntı yazılabilecektir:
VCE=IC*RCE
VCE belirli bir değer de sabit tutulduğu halde, VBE ve dolayısıyla da IB değişince
IC 'de değiştiğinden, yukarıdaki bağıntıya göre, RCE direnci de değişir.
Burada:
Transistörün iki elektrodu arasındaki direnç: RCE 'dir.
Üçüncü elektroda uygulanan gerilim ise: VBE 'dir.
Teorik hesaplamalarda: IC maksimum değerine ulaşınca, RCE=0 olduğu kabul edilir.
RCE=0 olunca, VCE 'de "0" olur.
Benzer durum giriş direncinde de olmaktadır:
Diyot karakteristik eğrisinden de bilindiği gibi, VBE 'nin biraz büyütülmesi halinda IB
akımı çok çabuk büyümektedir.
Buradan şu sonuç çıkmaktadır:
VBE giriş gerilimi büyütülünce; RBE giriş direnci küçülür.
Özet olarak: Giriş gerilimi büyüdükçe, hem giriş direnci hem de çıkış direnci
küçülür.
147
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM KAZANCININ BULUNMASI
Akım kazancı, yükselteç olarak çalışmakta olan bir transistörün, çıkışındaki akımın
girişindeki akıma oranıdır.
Şekil 4.10 'da görüldüğü gibi, yükselteçlerin üç bağlantı şekli vardır.
Bu bağlantı şekillerindeki akım kazançları şöyle ifade edilir:
1. Emiteri ortak bağlantı.
Akım kazancı
2. Beyzi ortak bağlantı.
Akım kazancı
3. Collectorü ortak bağlantı. Akım kazancı
BETA, ß=IC/IB
ALFA, =IC/IE
GAMA, =IE/IB
Şekil 4.10 - Transistördeki üç bağlantı halinde bağlantı uçlarının durumu.
148
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM KAZANÇLARININ DÖNÜŞTÜRÜLMESİ
Her üç bağlantı şeklinde de akımlar arasında şu bağlantı vardır:
IE=IC+IB veya IC=IE-IB
Bu bağlantı ile yukarıdaki bağıntılardan yararlanılarak,
dönüştürülür.
•
birbirlerine
= ß/ß+1 olur...
ß 'nın cinsinden yazılması:
Yukarıdaki " , ß" bağıntısından,
•
ß = /1-
olur...
'nın cinsinden yazılması:
= IC/IE = IE-IB/IE = 1-IB/IE = 1-1/ = -1/ 'dan
•
= -1/
olur...
'nın cinsinden yazılması:
Yukarıdaki " , " bağıntısından,
•
ß,
'nın ß cinsinden yazılması:
1/ = IE/IC = IC+IB/IC = 1+IB/IC = 1+1/ß 'dan
•
,
= 1/1-
olur...
ß 'nın cinsinden yazılması:
ß = IC/IB = IE-IB/IB = IE/IB-1 = -1 'den
•
ß = -1
olur...
'nın ß cinsinden yazılması:
Yukarıdaki "ß, " bağıntısından
= ß+1
olur...
Özet bir tablo yapılırsa dönüşümler şöyle sıralanır:
=ß/ß+1
= -1/
ß= /1-
ß= -1
=1/1-
=ß+1
TRANSİSTÖRÜN DÖRT BÖLGE KARAKTERİSTİĞİ
Dört bölge karakteristiklerinde, DC 'de ve yüksüz olarak çalıştırılan transistörün giriş
ve çıkış akımları ile gerilimleri arasındaki bağıntılara ait karakteristik eğrileri hep
birlikte görüntülenir.
149
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Dört bölge karakteristik eğrilerinden yararlanılarak şu statik karakteristik değerleri
hesaplanabilmektedir.
1)
2)
3)
4)
Giriş direnci
Çıkışdirenci
Akım kazancı
Giriş-çıkış gerilim (zıt reaksiyon) bağıntısı
Bunlar transistörün yapısıyla ilgili karakteristik değerlerdir.
Dört bölge karakteristiği, transistör çıkışında yük direnci yokken çıkarıldığından
bunlara kısa devre karakteristikleri de denir.
Transistörün "Beyz" 'i , "Emiteri" ve "Collectoru" ortak bağlantılı haldeki kısa devre
karakteristikleri ile, yükte çalışma sırasında konu edilen yük doğrusu ayrıca "Temel
yükselteç devreleri" bölümünde daha detaylı anlatılmıştır.
Burada, ön bilgi olarak, emiteri ortak yükselteçe ait örnek verilecektir..
DÖRT BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİNİN BÖLGELERİ:
emiteri ortak yükseltece ait dört bölge karakteristik eğrisi, şu bölgelerden
oluşmaktadır.
1. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VCE-IC):
VCE çıkış gerilimindeki değişime göre, IC çıkış akımındaki değişimi gösterir.
RC=VCE/IC bağıntısı ile ÇIKIŞ DİRENCİNİ belirler.
2. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (IB-IC):
IB giriş akımındaki değişime göre, IC çıkış akımındaki değişimi gösterir.
ß=IC/IB bağıntısı ile AKIM KAZANCINI belirler.
3. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VBE-IB):
VBE giriş gerilimindeki değişime göre, IB giriş akımındaki değişimi gösterir.
Rg=VBE/IB bağıntısı ile GİRİŞ DİRENCİNİ belirler.
150
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
4. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VBE-VCE):
"VBE - VCE" bağıntısı VBE giriş gerilimindeki değişime göre, VCE çıkış
gerilimindeki değişim miktarını gösterir. Bu değişim, gerilim transfer oranı olarak
tanımlanır.
Aslında bu iki gerilimin biri biri üzerinde önemli bir etkisi bulunmamaktadır.
Bu bilgiler daha çok teorik çalışmalar için gereklidir.
TRANSİSTÖRÜN ANAHTARLAMA ELEMANI OLARAK ÇALIŞTIRILMASI
Sayıcılar (counters), bilgisayarlar (computers), ateşleme devreleri (trigger circuit) gibi,
bir kısım devrenin çok hızlı çalışması (on) ve sukunete geçmesi (off) gerekebilir.
Bu gibi hallerde çok hassas bir anahtarlama yapılması gerekir.
Bu devrelerde, transistörden anahtar olarak yararlanılmaktadır. Transistör ile nano
saniye 'lik yani 10-9 saniyelik (sn) bir çalışma hızı sağlanmaktadır.
Transistörden, iki şekilde anahtar olarak yararlanılabilmektedir.
1) Normal çalışmada
2) Doyma halindeki çalışmada
Transistörün doyma halinde çalışması, kısa bir an için, taşıyabileceği maksimum
akımda görev yapması demektir.
TRANSİSTÖRÜN NORMAL ÇALIŞMADA ANAHTAR GÖREVİ YAPMASI
bir NPN transistörün anahtar olarak çalışmasını gösteren iki devre verilmiştir.
Bu devreler, 6 Volt 'luk besleme kaynaklı ve emiteri ortak bağlantılı, lamba yakan bir
transistörden oluşmaktadır.
IB akımının değişmesi yoluyla çalıştırılan bir devredir:
R reostası ile IB akımının ayarı yapılmaktadır.
R direnci yeterince küçültülüp IB akımı yeterince büyültüldüğünde, IC akımı lambayı
yakacak seviyeye ulaşacaktır.
151
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VBE gerilimini kontrol etmek suretiyle çalıştırılan bir devredir.
VBE gerilimi, S reostası üzerindeki gerilim düşümü ile sağlamaktadır.
"S" reostası, "0" 'dan yani en üst noktadan başlatılarak, yavaş yavaş
büyütüldüğünde, beyz-emiter arasına uygulanan gerilimde büyür. Bu gerilim, örneğin,
silikon transistörde 0.6V 'u geçince transistör iletime geçer ve lamba yanar.
Bu çalışma şeklinde, transistör kesikli çalışan bir yükselteç olarak görev yapmıştır.
Transistörün gerçek anlamda anahtar olarak çalışması, doyma halindeki
çalışmadır...
TRANSİSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞTIRILMASI
Yükselteç olarak çalıştırılan bir transistörden, şu üç işlemin
gerçekleştirilmesinde yararlanılır:
1) Akım kazancını sağlamak
2) Gerilim kazancını sağlamak
3) Güç kazancını sağlamak
Buradaki kazancın anlamı:
Transistör girişine verilen akım, gerilim veya gücün çıkıştan daha büyük değerlerde
elde edilmesidir. Bunu sağlamak için de belirli devrelerin oluşturulması gerekir.
Kazancın sayısal değerinin bulunması da, çıkıştaki akım, gerilim ve güç değerlerinin,
girişteki akım, gerilim ve güç değerlerine oranlanması suretiyle elde edilir.
Karakteristik eğrileri, transistörün üreticileri tarafından hazırlanan tanıtım kitaplarında
(katalog) verilir.
Transistör, hem DC hem de AC yükselteç olarak çalışabilir. Bu nedenle, transistörü
gereği gibi inceleyebilmek için, ayrı ayrı DC ve AC 'deki çalışma hallerinin
incelenmesi gerekir.
DC çalışmada girişteki ve çıkıştaki akım ve gerilim değerleri arasındaki bağıntılara
STATİK KARAKTERİSTİKLERİ,
AC çalışmadaki akım ve gerilim bağıntılarına da DİNAMİK KARAKTERİSTİKLERİ
denir.
152
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Transistör yükselteç olarak şu üç bağıntı şeklinde çalıştırılabilmektedir.
1) Emiteri ortak bağlantılı yükselteç
2) Beyz 'i ortak bağlantılı yükselteç
3) Kollektörü ortak bağlantılı yükselteç
Ortak bağlantı deyimi, girişte ve çıkışta ortak olan uç (elektrot) anlamında
kullanılmıştır.
TRANSİSTÖRÜN DC YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞMASI
Emiteri ortak bağlantılı bir DC yükselteç devresi verilmiştir. Bu yükselteç devresi ile
transistörün statik karakteristikleri incelenmektedir.
Statik karakteristikleri incelerken yukarıda da belirtildiği gibi giriş ve çıkıştaki DC akım
ve gerilim değerlerinden yararlanılır.
Girişteki akım ve gerilimdeki değişmeler girişe seri bağlanan mikro ampermetre (µA)
ve paralel bağlanan küçük değerler ölçebilen voltmetre (mV) ve çıkıştaki değişmeler
de, çıkışa bağlanan mili Ampermetre ve normal bir Voltmetre ile ölçülür.
Uygulanan bu tür ölçme yöntemi ile hesaplanan statik karakteristik değerlerine ve
çizilen eğrilere KISA DEVRE KARAKTERİSTİKLERİ 'de denir.
Girişe ait:
Beyz akımı, IB
Beyz - Emiter arası gerilim, VBE
Çıkışa ait:
Kollektör akımı, IC
Kollektör - Emiter arası gerilim, VCE
Ölçülen bu değerler ile şu karakteristik değerler hesaplanmaktadır:
•
•
•
•
•
Akım kazancı: Kİ(β) = IC/IB
Giriş direnci: Rg = VBE/IB
Çıkış direnci: RÇ = VCE/IC
Eğim: S = ∆IC/∆VBE
Transfer oranı: µ = VBE/VCE (%0,01-0,001) dir.
153
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Buradan ilk üçlü, "Kİ, Rg ve RÇ" her transistör için, her devrede bilinmesi gereken
karakteristik değerlerdir. Son iki "S ve µ" değerleri ise transistör üzerinde daha
derinlemesine çalışma yapılması gerektiğinde, ihtiyaç duyulan değerlerdir.
Yukarıdaki karakteristik değerler, Şekil 4.11 'de verilmiş olan dört bölge karakteristik
eğrisinden yararlanılarak da hesaplanabilmektedir.
1)
2)
3)
4)
Bölge karakteristik eğrisi: (VCE,IC)
Bölge karakteristik eğrisi: (IB,IC)
Bölge karakteristik eğrisi: (VBE,IB)
Bölge karakteristik eğrisi: (VBE,VCE)
Bu karakteristik eğrilerinin değişik noktalarındaki, küçük değişim (∆) değerleri ile
yapılacak olan hesaplamalar, Kİ, Rg ve RÇ değerleri, hakkında daha doğru bilgi verir.
Şöyle ki;
Kİ(β) = ∆IC/∆IB bağıntısı, karakteristik eğrisi doğrusal olduğundan her noktada aynı
değeri verir.
Rg = ∆VBE/∆IB bağıntısı, eğrisel olan karakteristik eğrisinin farklı noktalarında farklı
değerler verir, en iyi noktayı seçmek gerekir.
Karakteristik eğrisinden de anlaşılmaktadır ki, IB beyz akımı büyüdükçe transistörün
Rg giriş direnci küçülmektedir.
RÇ = RCE = ∆VCE/∆IC bağıntısı da, IC büyüdükçe daha küçük RÇ verir.
Görülmektedir ki, DC yükselteç devresinde ölçülen değerler ile elde edilen sonuçlar,
transistör hakkında önemli bilgi vermektedir.
TRANSİSTÖRÜN GERİLİM VE GÜÇ KAZANÇLARINI BULMAK İÇİN:
Giriş devresine paralel olarak bir RB direnci, çıkış devresine de yine paralel bir RL
yük direnci bağlanır. Bunların üzerinde oluşan gerilim düşümlerinin ve sarf olan
güçlerin oranı gerilim ve güç kazancını verir.
Gerilim kazancı: KV = VRL/VRB
Güç kazancı: KP = PRL/PRB = IC.VRL/IB.VRB = β.KV
Görüldüğü gibi güç kazancı ile gerilim kazancının çarpımına eşit olmaktadır.
154
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRÜN AC YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞTIRILMASI
Transistör Şekil 4.13 'de görüldüğü gibi girişine, AC işaret gerilimi uygulandığında da
AC yükselteç olarak çalışır.
AC yükselteçler de iki ana gruba ayrılır:
1) Ses frekansı yükselteçleri
2) Yüksek frekans (Radyo frekansı) yükselteçleri
Yüksek frekans yükselteçleri özel yapılı yükselteçlerdir.
AC yükselteç olarak inceleme konusu, günlük hayatta daha çok karşılaşılan ses
frekansı yükselteçleridir.
AC işaret gerilimi, genelde sinüzoidal olarak değişen bir gerilim olarak düşünülür. Bu
gerilim, girişteki ve çıkıştaki DC polarma gerilimini büyültüp küçülterek sinüzoidal
olarak değişmesini sağlar.
AC çalışmada, yalnızca AC değerler önemli olduğundan, giriş ve çıkışta ampermetre
ve voltmetre olarak AC ölçü aletleri kullanılır.
AC ölçü aletleri efektif değer ölçtüğünden, gerekli hesaplamalarda efektif değerler ile
yapılır.
Örneğin:
Akım kazancı: KİAC(βAC) = ICef/IBef
Gerilim kazancı: KVAC = VCEef/VBEef = (ICef/IBef).(RL/RB) = βAC.RL/RB
Güç kazancı: KPAC = βAC.VAC
şeklinde ifade edilirler.
Alçak frekans (ses frekansı) yükselteçlerinde: βDC = βAC olarak alını.
Giriş ve çıkış dirençleri de DC ve AC 'de aynı özelliklere sahiptir.
NOT:
Şekil 4.12 ve Şekil 4.13 'te verilmiş olan devreler deney ve bilgi edinme devreleri
olduğu için, anlatım kolaylığı bakımından iki besleme kaynağı kullanılmıştır.
Uygulamada ise tek besleme kaynağı kullanılır.
155
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA KARARLILIĞININ ETKİLEYEN FAKTÖRLER
Bir transistöre kararlı bir çalışma yaptırabilmek için, öncelikle karakteristik değerlerine
uygun bir devre düzeni kurmak gerekir. Bunu içinde, daha önceden de belirtilmiş
olduğu gibi, katalog değerlerine ve karakteristik eğrilerinde verilen bilgilere
uyulmalıdır.
Transistörün kararlı çalışmasını etkileyen faktörler:
Sıcaklık
Aşırı ısınan transistörün çalışma dengesi bozulur, gücü düşer. Daha da çok
ısınırsa yanar. Isınan transistörlerde elektron sayısı anormal artacaktır. Bu artış
nedeniylede belirli giriş değerleri için alınması gereken çıkış değerleri
değişir.Buda kararlı çalışmayı önler.
Daha çok ısınma halinde ise kristal yapı bozulur. Bu durumda transistörün
yanmasına neden olur. Isınma transistörün kendi çalışmasından kaynaklandığı
gibi, sıcak bir ortamda bulunmasından dolayı da olabilir.
Frekans
Her transistör, her frekansta çalışmaz. Bu konuda ine katalog bilgilere bakmak
gerekir.
Örneğin:
NPN transistörler, PNP transistörlere göre yüksek frekanslarda çalışmaya daha
uygundur. Nedeni de NPN transistörlerde elektrik yükü taşıyıcıları
ELEKTRONLAR dır.PNP transistörlerde ise taşıyıcılar pozitif elektrik yükleridir.
Elektronlar, pozitif elektrik yüklerine göre çok daha hızlı ve serbest hareket
edebildiklerinden, yüksek frekanslar için NPN transistörler daha uygundur.
Limitsel Karakteristik Değerleri
Her transistörün ayrı çalışma değerleri vardır. Bu çalışma değerlerinden
bazılarının kesinlikle aşılmaması gerekir. Bunara, "Limitsel Karakteristik" denir.
Limitsel Karakteristik Değerleri Şöyle Sıralanır:
•
•
•
•
•
Maksimum kollektör gerilimi
Maksimum kollektör akımı
Maksimum dayanma gücü
Maksimum kollektör - beyz jonksiyon sıcaklığı
Maksimum çalışma (kesim) frekansı.
156
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Limitsel değerler gerek birbirlerine, gerekse de giriş değerlerine bağlıdır. Yukarıda
sıralanan maksimum değerlerin ne olmasının gerektiği transistör kataloglarından
ve karakteristik eğrilerinden saptanır.
Polarma Yönü
Polarma gerilimini uygularken, ters polarma bağlantısı yapmamaya özellikle
dikkat edilmelidir. Böyle bir durumda, transistör çalışmayacağı gibi, normalden
fazla uygulanacak olan ters polarma gerilimleri jonksiyon diyotlarının delinmesine,
yani kristal yapının bozulmasına neden olacaktır.
Aşırı Toz ve Kirlenme
Transistörlerin toza karşı ve özelliklede metalik işlemlerin yapıldığı ortamlarda çok
iyi korunması gerekir.. Aşırı toz ve kirlenme elektrotlar arası yalıtkanlığı
zayıflatacağından kaçak akımların artmasına neden olacaktır. Bu da transistörün
kararlı çalışmasını engelleyecektir. Eğer metal ve karbon (kömür) tozlarıyla
karışık bir tozlanma varsa, transistör elektrotlarının kısa devre olma ihtimalide
mevcuttur.
Tozlu ortamda çalıştırılması zorunlu olan transistörlerin ve bütün elektronik
devrelerin toza karşı iyi korunmaları ve zaman zaman devrenin enerjisi kesilmek
suretiyle, yumuşak bir fırça ve aspiratör tozların temizlenmesi gerekir.
Tozların temizlenmesi sırasında, elektrik süpürgesiyle üfleyerek temizlik kesinlikle
yapılmamalıdır. Zira bu durumda yapışkan tozlar daha da çok yapışıp kirliliği
arttıracağı gibi, buradan kalkan tozlar diğer cihaz ve devrelere konacağından
başka devrelerinde tozlanmasına neden olacaktır.
Nem
Transistörler ve bütün elektronik devreler, neme karşıda çok iyi korunmalıdır.
Gerek su buharı, gerekse de bazı yağ ve boya buharları, doğrudan kendileri
elektrotlar arasında kısa devre yapabileceği gibi, tozlarında yapışıp
yoğunlaşmasına
neden
olacağından,
cihazların
kararlı
çalışmasını
engelleyecektir.
Sarsıntı
Sarsıntılı ortamda kullanılan cihazlarda, daima bağlantıların kopması ihtimali
vardır. Aşırı sarsıntı iç gerilmeleri de arttıracağından kristal yapının bozulması da
mümkündür.
Sarsıntılı ortamlarda çalıştırılacak cihazlara üreticiler tarafından özel sarsıntı testi
uygulanır. Bu gibi çalıştırmalarda, üreticisinden sarsıntı testleri hakkında bilgi
almak gerekir.
157
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Elektriksel ve Magnetik Alan Etkisi
Gerek elektriksel alan, gerekse de magnetik alan serbest elektronların artmasına
ve onların yönlerinin sapmasına neden olur. Bu da kararlı çalışmayı önler. Bu gibi
ortamlarda kullanılacak cihazlar faraday kafesiyle ve anti magnetik koruyucularla
korunmalıdır.
Işın Etkisi
Röntgen ışınları, Lazer ve benzeri çok yüksek frekanslı ışınlarda kararlı çalışmayı
etkiler. Bu gibi yerlerde kullanılacak cihazlarda özel koruma altına alınmalıdır.
Kötü Lehim (Soğuk Lehim)
Transistörün ve bütün elektronik devre elemanlarının çok ustaca lehimlenmesi
gerekir. Soğuk lehim olduğu taktirde, dışarıdan bakıldığında lehimliymiş gibi
görünmesine rağmen, elektriksel iletimin iyi olmamasına neden olacağından
bütün bir sistemin kararlı çalışmasını engelleyecektir.
Bu tür arızaların bulunması da çok zordur. Ayrıca aşırı ısıtılarak lehim yapılması
da devre elemanlarını bozar.
Belirli bir lehim pratiği olmayanların, transistör ve benzeri elektronik devre
elemanlarının lehimini yapmaması gerekir.
ÇALIŞMA NOKTASININ STABİLİZE EDİLMESİ
Stabilize etmek ne demektir?
Stabilize 'nin tam Türkçe karşılığı "kararlı çalışma" dır.
Transistörün çalışma noktasının stabilize edilmesi:
Transistörün girişine ve çıkışına uygulanan polarma gerilimi ve akımının çalışma
süresince aynı kalması için gerekli önlemlerin alınmasıdır.
Daha kısa bir söylemle, "transistörün kararlı çalışmasının sağlanmasıdır."
Her transistörün bir yük doğrusu ve Q çalışma noktası vardır.
158
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Örneğin:
Emiteri ortak bir yükselteçte, giriş polarma gerilimi ve akımı, belirli bir VBE ve IB, çıkış
polarma gerilimi ve akımı, VCE ve IC olsun.
Bu değerler yük doğrusu üzerinde belirli bir Q noktasını gösterir. Bu nokta çalışma
noktasıdır.
Çalışma sırasında Q noktasının değişmemesi yani stabil olması istenir.
Stabil çalışmayı zorlaştıran iki etken vardır:
1) Isınan transistörün IC kollektör akımının artması
2) Bir devredeki transistör yerine başka bir transistörün kullanılması halinde,
akım kazancı farklı olursa devre aynı devre olduğu halde, çıkış akımı
değişeceğinden stabilite bozulacaktır.
Isınınca, Ic akımının anormal artmasını önlemek için:
Şekil 14 - Emiteri ortak yükselteç
Örnek olarak;
Şekil 14 'te emiteri ortak bir yükselteç verilmiştir.
Ic akımı artınca, Rc direnci üzerindeki gerilim düşümü artacağından, B noktasındaki
gerilim küçülecektir.
Dolayısıyla IB akımı küçülür.
Ic=βIB bağıntısından, Ic akımı küçülecek ve denge sağlanacaktır.
159
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRLERİN KATALOG BİLGİLERİ
Bir transistör hakkında bilgi edinmek gerektiğinde üzerindeki ve katalogdaki
bilgilerden yararlanılır.
Daha geniş bilgi içinde, üretici firmadan yayınlanan tanıtım kitabına bakılır.
TRANSİSTÖR ÜZERİNDEKİ HARF VE RAKAMALARIN OKUNMASI
Transistör üzerinde genellikle şu bilgiler bulunur:
•
•
•
•
Üretici firmanın adı ve sembolü,
Kod numarası: (2N 2100 vb...). Transistör bu numara ile tanıtılır.
Ayak bağlantıları (E,B,C) veya işareti.
Küçük transistörlerin genellikle kollektör veya emiter tarafında bir nokta veya
tırnak bulunur.
•
KATALOG KULLANIMI VE KARŞILIKLARIN BULUNMASI
Transistörü tanıtıcı bir yayında veya katalogda küçük değişikliklerle şu bilgiler
bulunur:
Kod no: AD 159, 2N 2100 gibi,
Tipi: NPN veya PNP
Türü: Si veya Ge,
Akım kazancı: β(hFE)
Maksimum kollektör akımı: (Icm)
Maksimum dayanma gücü: (Pcm)
Maksimum Kollektör - Emiter gerilimi: VCEm veya VCm
Maksimum Kollektör - Beyz gerilimi: VCBm veyaVCm
Maksimum Emiter - Beyz gerilimi: VEBm
Maksimum çalışma (kesim) Frekansı: fm
Maksimum Jonksiyon sıcaklığı: Tjm
Yerine göre, bu bilgilere ek olarak şunlarda verilir.
Beyz açık iken Kollektör - Emiter arası kaçak akımı: ICE
Emiter açık iken Kollektör - Beyaz arası kaçak akımı: ICB - ICO
Termistörün karşılıkları
Cinsi: Sesa, alaşım, yayılım transistörü gibi vs.
160
Download
Related flashcards
Create Flashcards