TRANSİSTÖRLERİN KUTUPLANMASI DENEY NO: 7 Bipolar transistörlerin dc eşdeğer modellerini incelemek, transistörlerin kutuplama şekillerini göstermek ve pratik olarak transistörlü devrelerde ölçüm yapmak. I- KURAMSAL AÇIKLAMALAR Elektronik sistemlerin gelişimi yarıiletken temelli transistörlerin bulunmasından sonra hızlanmıştır. Transistör kelimesi transfer ve resistör sözcüklerinin kısaltması ile ortaya çıkmıştır. Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup NPN ve PNP tipi olmak üzere iki ana grupta toplanmıştır. Bacak bağlantıları baz (B-base), kollektör(C- collector) ve emetör (E-emitter) ile ifade edilir. Şekil 1. Bipolar transistörlerin gösterimi ve sembolleri Baz ucu tetiklendiğinde CE arasının direnci azalarak akım geçirir. CE arasından geçen akımın değeri baz ucuna uygulanan akımın değerine bağlıdır. NPN ile PNP transistörün çalışma ilkesi ve yapısı birbirine benzer. NPN transistör NP arası emetör baz diyodu, PN baz kollektör diyodu şeklinde düşünülür. NPN transistörü çalıştırmak için emetör baz diyodu ileri baz kollektör diyodu ters kutuplanmış gibi düşünülür. Ancak transistörün yapısı her ne kadar diyodun yapısına benzese de çalışması ve fonksiyonları diyottan çok farklıdır. Transistörlü devreler tasarlanırken öncelikle transistörün çalışma noktası belirlenir. Çalışma noktasının belirlenmesi demek kutuplama geriliminin belirlenmesi demektir. Kutuplama gerilimi ise transistörü çalıştıran dc gerilimdir. Transistörlerin dört çalışma bölgesi vardır. Bunlar doyum (saturation), aktif, kesim (cut-off) ve ters aktif. Bu deneyde transistörlerin aktif bölgede çalışması incelenecektir. Transistörlerin dc Modelleri a-Aktif dc model VCE 0 , I C 0 ve I C F I B koşulları sağlanmalıdır. Bu modelde I CEO ters doyma akımıdır (reverse saturation current). Bu akım genellikle çok küçük olduğu için ihmal edilebilir. 41 I E I C I B ( 1)I B b-Doyma modeli Eğer I C F I B ise transistör doyma bölgesindedir. c- Kesim modeli IE IC IB 0 Transistörlü devrelerin çözümünde önce hangi çalışma bölgesinde olduğu bulunur. Bulunan bölgenin modeli yerine konularak devre çözülür. Transistör Kutuplama Devreleri Transistörün baz ucuna akım uygulanmadığı zaman kollektör emetör arasında bir akım geçisi olmaz. Transistör silisyumdan yapılmışsa baz ucuna uygulanan gerilim 0.6-0.7 V olunca, germanyumdan yapılmışsa 0.2-0.3 V olunca kollektör emetör arasında iletken olur. Bu akım geçişinin olması için transistörün baz emetör eklemi ileri baz kollektör eklemi ters yönde kutuplanır ve transistör iletime geçer. Transistörün asıl görevi değişik frekanstaki ac işaretleri yükseltmektir. Önce transistörün dc olarak beslenmesi gerekmektedir. Şekil-2a’da görülen devrede iki tane dc kaynak gerekli olduğu için BJT kutuplama için pratik değildir. Bu sebeple şekil-2b devre geliştirilmiştir. VCC kaynağına R B direnci bağlanarak VBB kaynağına olan gereksinim ortadan kaldırılır. Bu kutuplama devresine baz yada sabit kutuplama adı verilir. Bu devre için I C ve VCE bulalım. 42 Şekil 2a Şekil 2b VCC I B R B VBE IB VCC VBE RB (VCC VBE ) RB VCE VCC I C R C I C I B ise I C VCC I C R C VCE Şekil-2b’deki devrede parametresi değiştikçe I C akımı da değişir. İyi bir kutuplama devresinde parametresinin değişimlerine karşın I C ’nin sabit kalması yani kararlı olması gerekir. Transistörün kararlı çalışmasını etkileyen faktörler sıcaklık, frekans, limitsel karakteristik değerleri, kutuplama yönü, nem, sarsıntı, elektriksel ve manyetik alan etkisi, ışın etkisi ve kötü lehimdir. Dc Yük Doğrusu Dc yük doğrusu devrenin çıkış akım ve geriliminin hangi değerleri alabileceğini gösterir. Yukarıdaki devrede VCC I C R C VCE denklemini kullanarak dc yük doğrusunu çizelim. VCE 0 VCC I C R C I C 0 VCE(Cut _ off ) VCC Şekil 3. Dc yük doğrusu 43 I C (SAT) VCC RC ÖRNEK Aşağıdaki devre için yük doğrusunu çizelim. VCC 12 6mA R C 2K VCE(Cut _ off ) VCC 12V I C (SAT) Dc yük doğrusu Çalışma Noktası Transistör kutuplandığında üzerinde sabit bir I C ve VCE değeri vardır. Bu değerler dc yük doğrusu üzerindedir. Bu noktaya Q çalışma noktası denir. Q çalışma noktasındaki I C ve VCE , I CQ ve VCEQ ile gösterilir. ÖRNEK Yanda görülen devre için I CQ ve VCEQ değerlerini hesaplayalım. ( 100 ) VBE 0,7V kabul edelim. IC (VCC VBE ) 8 0,7 100 2,028mA RB 360K VCE VCC I C R C 8 (2,028mA 2K ) 3,914V Şimdi yük doğrusunu çizelim. I C (SAT) Dc yük doğrusu V 8 CC 4mA R C 2K VCE(Cut _ off ) VCC 8V 44 Yük doğrusu grafiğine bakılırsa çalışma noktası I CQ ve VCEQ maksimum değerlerinin yarısı olacak şekilde kutuplama yapılmıştır. Transistörün çalışma noktasının stabilize edilmesi gerekmektedir. Çalışma noktasının stabilize olması transistörün girişine ve çıkışına uygulanan kutuplama gerilimi ve akımının çalışma süresince aynı kalması için gerekli önlemlerin alınması demektir. Kararlı çalışmayı zorlaştıran iki önemli etken vardır. Birincisi ısınan transistörün I C kollektör akımının artması, diğeri ise bir devredeki transistör yerine başka bir transistörün kullanılmasıdır. Bu etkileri ortadan kaldırmak için transistörlü devrelerde geri beslemeli düzenlemeler yapılmıştır. Kollektör geribeslemeli kutuplama VCC VRC VRB VBE (I B I C )R C I B R B VBE (I B I B )R C I B R B VBE ( 1)I B R C I B R B VBE VCC VBE (VCC VBE ) IB I CQ ( 1)R C R B ( 1)R C R B VCEQ VCC ( I CQ I B ) RC Şekil 4 Eğer 1 VCEQ VCC I CQ R C Emetör geribeslemeli kutuplama VCC VRB VBE VRE I B R B VBE ( 1)R E IB VCC VBE ( 1)R E R B I CQ VCC VBE ( 1)R E R B VCEQ VCC ICQ RC I E RE Şekil 5 Eğer 1 VCEQ VCC I CQ (R C R E ) 45 Gerilim bölücü kutuplama Bu kutuplama en çok kullanılan tiptir. Tam kararlı ve otomatik kutuplama da denilmektedir. R B 2 direnci bazın kutuplama geriliminin sağlamaktadır. Thevenin teoremi uygulanarak devre basitleştirilir. Şekil 6 Yukarıdaki devreye Thevenin teoremini uygulayarak aşağıda görülen devreyi elde ederiz. VTH R B2 VCC R B1 R B2 R TH R B1 // R B2 VTH R TH I B VBE R E I E 0 IE IC IB IC IB IC (VTH VBE ) (R TH R E )I R TH ( 1)R E IC (VTH VBE ) R TH ( 1)R E ( 1)R E R TH 46 IC (VT H VBE ) ( 1)R E VTH VBE RE Üç tip geri beslemeli kutuplama devrelerinin, I C akım denklemlerine bakıldığında I C ’nin parametresinin değişimlerinden etkilenmeyeceği açıkça görülmektedir. Eğer 1 ise I C Transistörün sağlamlık testi Multimetre komütatörü diyot sembolü üzerindeyken silisyum transistörler için BE ve BC yönünde 450-650 mV arasında bir değer okunur. Tersi yönde herhangi bir değer okunamaz açık devredir. Bu şekilde ise transistör sağlam demektir. Ayrıca BE eşik gerilimi BC eşik geriliminden daha büyüktür. Transistörün tipini belirleme Multimetre komütatörü Ohm kademesinde iken multimetrenin (+) probu B ucuna, (-) probu E yada C ucuna değdirilir. Okunan direnç değer küçük (300 Ώ -3000Ώ) ise NPN, büyük ise (50K Ώ -200K Ώ) PNP’dir. II - ÖN HAZIRLIK 1- BC238B transistörün katalog bilgilerini araştırıp bacak bağlantısını öğreniniz. 2- Şekil-7’deki devrelerde BC238 transistörü kullanılmaktadır. Her iki devre için 250 kabul ederek I CQ ve VCEQ ’yu bulunuz. 500 kabul ederek I CQ ve VCEQ ’yu bulunuz. ’daki değişimlere karşın çalışma noktasının kararlılığını nasıldır ? ( VBE 0.7V ) Şekil-7a Şekil-7b 3- Şekil8’deki VCEQ 7V olacak şekilde R 1 direncinin değerini bulunuz. Bulduğunuz R 1 değeri standart değil ise en yakın değeri seçiniz. ( VBE 0.7V , 250 ). 47 Şekil 8 III- DENEYDE KULLANILAN MALZEMELER 4 adet BC238B transistör, 470K, 33K, 10K, 1K, hesapladığınız direnç. 0.47K, 0.33K ve ön hazırlık 3’te IV- DENEYİN YAPILIŞI 1. Deneyde iki adet BC238B transistör kullanılacaktır. Bunlara I ve II şeklinde numara verin. Bu transistörlere sağlamlık testi yapın. parametresini multimetre yardımıyla ölçüp tablo1’e kaydedin. Tablo1- parametreleri I II 2. I nolu transistörü kullanarak ön hazırlık şekil 7a’daki devreyi kurun. Kollektör akımını, baz akımını, kollektör emetör arasındaki gerilimi ve baz emetör arasındaki gerilimi ölçün. Tablo2’e kaydedin. Bu ölçümleri kullanarak akım kazancı ’yı hesaplayın. Aynı adımları II nolu transistör için tekrarlayın. Tablo 2 . Şekil7a’daki devrenin ölçümleri I C ( mA ) I B (A) VCE ( V ) VBE I II 3. I nolu transistörü kullanarak ön hazırlık şekil 7b’deki devreyi kurun. Kollektör akımını, baz akımını,emetör akımını kollektör emetör arasındaki gerilimi ve baz emetör arasındaki gerilimi, kollektör gerilimini, baz gerilimini ve emetör gerilimini 48 ölçün. Tablo3’e kaydedin. Bu ölçümleri kullanarak akım kazancı ’yı hesaplayın. Aynı adımları II nolu transistör için tekrarlayın. Tablo3- Şekil7b’deki devrenin ölçümleri I C ( mA ) I B (A) I E (mA) VCE ( V ) VBE (V) VC ( V ) VE (V) VB (V) I II 4. I nolu transistörü kullanarak ön hazırlık şekil 8’deki devreyi kurun. Kollektör akımını, baz akımını, kollektör emetör arasındaki gerilimi ve baz emetör arasındaki gerilimi ölçün. Tablo4’e kaydedin. Bu ölçümleri kullanarak akım kazancı ’yı hesaplayın. Aynı adımları II nolu transistör için tekrarlayın. Tablo3- Şekil8’deki devrenin ölçümleri I C ( mA ) I B (A) I E (mA) VCE ( V ) VBE (V) VC ( V ) VE (V) VB (V) I II IV- RAPORDA İSTENENLER 1. Transistörün parametresi değiştiğinde, I C ve VCE değerlerinin değişip değişmediğini ölçüm sonuçları ve gerekli teorik hesaplamaları yaparak karşılaştırın ve yorumlayın. Hangi devre daha kararlıdır ? kısaca açıklayın. 2. Şekil-8’deki devrenin yük doğrusunu çizin. Çalışma noktasını bulun. A. KOCAKAYA, Eylül 2005 49