Alfa ( α ) akım kazancı
advertisement
ELT201 Elektronik II Dersi 1.Hafta Transistörlü Yükselteçler 1 İçerik Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Transistörlü Yükseltme İşleminin Gerçekleştirilmesi Transistörün Anahtarlama Elemanı Olarak Çalışması Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı Geçirgeç veya transistör girişine uygulanan sinyali yükselterek gerilim ve akım kazancı sağlayan, gerektiğinde anahtarlama elemanı olarak kullanılan yarı iletken bir elektronik devre elemanıdır. Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı BJT (Bipolar Junction Transistor) çift birleşim yüzeyli transistördür. İki N maddesi, bir P maddesi (NPN) ya da iki P maddesi, bir N maddesi (PNP) birleşiminden oluşur. Transistör üç kutuplu bir devre elemanıdır. Devre sembolü üzerinde orta kutup beyz (B), okun olduğu kutup emiter (E), diğer kutup kollektör (C) olarak adlandırılır. Beyz akımının şiddetine göre kollektör ve emiter akımları ayarlanır. Bu ayar oranı kazanç faktörüne göre değişir. Transistörler elektronik cihazların temel yapı taşlarındandır. Günlük hayatta kullanılan elektronik cihazlarda birkaç taneden birkaç milyara varan sayıda transistör bulunabilir. Bipolar Jonksiyon Transistörün Yapısı Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Transistörün görevini yapabilmesi için uçlarına uygun yön ve değerde DC gerilim verilmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime “transistörün polarma gerilimi”, işleme de “transistörün polarmalandırılması” denir. Bir transistörün aktif yükseltme işlemini yapabilmesi için; beyzemiter arası doğru, beyz-kollektör arası ters polarmalandırılmalıdır. Diğer bir deyişle, eğer transistör PNP tipinde ise beyzi emitere göre negatif, kollektöre göre ise pozitif bir voltaj değerinde olmalıdır. Aynı şekilde NPN transistör için ise, beyzi emitere göre pozitif, kollektöre göre ise negatif bir voltaj değerinde olmalıdır. Bu kurala “transistörün aktif çalışma şartı” da denir. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.2 : (a) PNP tipi transistörün doğru polarmalandırılması (b) NPN tipi transistörün doğru polarmalandırılması Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Bu açıklamalardan sonra bir transistörün çalışması, Şekil 1.2a`daki PNP tipi transistör göz önüne alınarak anlatılacaktır. NPN tipi transistörün çalışması ise, elektron ve oyukların rolleri karşılıklı olarak yer değiştirildiğinde PNP transistör ile aynı olmaktadır. Şekil 1.2a`daki PNP transistörü beyz-kollektör öngerilimlemesi olmadan Şekil 1.3a`da yeniden çizilmiştir. Bu durumda boşaltılmış bölgenin genişliği uygulanan öngerilimleme nedeniyle azalmıştır ve dolayısıyla P tipi malzemeden N tipi malzemeye büyük bir çoğunluk taşıyıcı akışı olacaktır. Şekil 1.3b`de ise beyz-emiter öngerilimlemesi olmadan Şekil 1.2a`daki PNP transistörün yeniden çizilmiş hali görülmektedir. Bu durumda çoğunluk taşıyıcılarının akışı sıfırlanıp, yalnızca azınlık taşıyıcı akışı olacaktır. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.3 : (a) PNP transistörün ileri öngelimli jonksiyonu (b) PNP transistörün ters öngelimli jonksiyonu Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.4`de her iki öngerilimleme potansiyeli bir PNP transistörüne uygulanmıştır. Burada görüldüğü gibi, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısı, ileri öngerilimli PN jonksiyonunu difüzyon yoluyla aşarak N tipi malzemeye ulaşmaktadır. Bu taşıyıcıların doğrudan IB beyz akımına mı katkıda bulundukları yoksa doğrudan P tipi malzemeye mi geçtikleri sorusu gündeme gelmektedir. Arada kalan N tipi malzeme, çok ince ve iletkenliği düşük olduğu için çok az sayıda taşıyıcı, yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak mA düzeyindeki beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarında görülen mA düzeylerine oranla çok küçüktür. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.4 : Bir PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekilde gösterildiği gibi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden difüzyon yoluyla kollektörün ucuna bağlı P tipi malzemeye geçeceklerdir. Ters öngerlilimli jonksiyona enjekte edilen çoğunluk taşıyıcılarının N tipi malzemede azınlık taşıyıcısı olarak görünmesi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerini sağlamaktadır. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.4`deki transistör tek bir düğüm olarak kabul edilerek Kirchhoff akım yasası uygulanırsa; (1.1) Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Ancak kollektör akımı çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Azınlık akım bileşenine kaçak akım denir ICO sembolüyle gösterilir. (emiter ucu açıkken akan IC akımı). Bu nedenle kollektör akımı eşitlik 1.2 ile belirlenir. (1.2) Genel amaçlı transistörlerde, IC mA düzeyindeyken, ICO µA veya nA düzeyindedir. Ters öngerilimlenmiş diyotlardaki IS akımında olduğu gibi, Ico akımı da sıcaklığa karşı duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip uygulamalar söz konusu olduğunda dikkatle incelenmelidir. Gerekli önem verilmezse yüksek sıcaklıklarda sistemin kararlığını önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Yapım tekniklerinde sağlanan ilerlemelerle Ico düzeyleri, etkilerinin ihmal edilebileceği noktalara kadar düşürülmüştür. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.2`de NPN ve PNP transistörleri için görülen devre, beyzin hem giriş (emiter) hem de çıkış (kollektör) uçlarında ortak olması nedeniyle ortak beyzli devre olarak anılmaktadır. Ortak beyzli devrede sabit VCB değerleri için IC`deki küçük bir değişmenin IE deki küçük bir değişime olan oranı ortak beyzli kısa devre yükseltme faktörü olarak tanımlanmakta ve α (alfa) sembolüyle gösterilmektedir. (1.3) Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Tipik α değerleri, 0.90 ile 0.998 arasında değişmektedir. Pratik uygulamaların çoğunda değeri aşağıdaki formülle belirlenebilir: (1.4) Burada IC ve IE sırasıyla, transistör karakteristiği üzerinde bulunan, belli bir noktadaki emiter ve kollektör akım değerleridir. Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Denklem (1.3) ve (1.4), transistör karakteristikleri veya devre koşullarından α değerini bulmak için kullanılır. Ancak α değeri, sadece Şekil 1.4`ün P tipi emiter ucundan çıkıp kollektör ucuna ulaşan oyukların (çoğunluk taşıyıcılarının) yüzdesini gösteren bir ölçüdür. Bu nedenle IC akımı aşağıdaki formülle ifade edilebilir. (1.4) Bipolar Jonksiyon Transistörün Çalışması Şekil 1.5 : Bir NPN transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı Akım Kazançlarının Bulunması Transistörlü Yükseltme İşleminin Gerçekleştirilmesi Akım Kazançlarının Bulunması Transistörler de çıkış akımının giriş akımına oranına akım kazancı denir. Çıkış akımı daima kolektör akımıdır. Giriş akımı, transistör bağlantı şekline göre emiter veya beyz akımı olabilir. Çıkış gerilimi ise sabittir. Transistörün bağlantı şekline göre akım kazancı farklı isimler alır. Alfa ( α ) akım kazancı Ortak beyz bağlantılı yükselteç devrelerinde, kolektör – beyz gerilimi sabit kalmak şartı ile kolektör akımının emiter akımına oranına alfa akım kazancı denir. α=IC / IE Akım Kazançlarının Bulunması α akım kazancı hiçbir zaman 1’ den büyük olamaz. Fakat mümkün olduğu kadar Alfa akım kazancının 1’e yakın olması istenir. Bunun için kolektör akımı ile emiter akımı birbirine yakın değerlerde olmalıdır. Bu amaçla beyz kalınlığı çok ince ( 10- 20 mikron ) tutulur. Alfa akım kazancı yüzey temaslı transistörlerde 0,95 0,98 arasında değişir. Alfa akım kazancının 1’den küçük olması, devrenin yükseltme yapmayacağını düşündürebilir. Ama beyzi şase yükselteçlerde, akım yükseltmesi değil, gerilim yükseltmesi yapar. Αlfa akım kazancı emiterdeki elektronların kolektöre geçen kısmını ifade eder. Akım Kazançlarının Bulunması Şekil : Alfa, beta akım kazancının bulunması deneyi Akım Kazançlarının Bulunması Örnek: Bir transistörün ortak beyzli bağlantısında emiterden geçen akım 6 mA, beyzden geçen akım 0,6 mA ve kolektör akımı 5,4 mA’dir. Buna göre alfa akım kazancını bulunuz; α= IC / IE = 5,4 / 6 = 0,9 Akım Kazançlarının Bulunması Transistörlerde β (beta) akım kazancı Emiteri şase yükselteçlerde, kolektör akımının (IC ) beyz akımına (IB) oranına denir. β akım kazancı bazı yerlerde hFE olarak ifade edilir. β >1’tür. hFE =β=IC / IB Akım Kazançlarının Bulunması Örnek: Bir transistörün ortak emiterli bağlantısında emiter akımı 100 mA, beyz akımı 1 mA’dır. Beta akım kazancını bulunuz. hFE =β =IC / IB =100/1 =100 Akım Kazançlarının Bulunması α’nın β Cinsinden İfadesi: α = IC / IE dir. IE yerine, IE = IB + IC α ; formülünde yerine konulduğunda α akım kazancı β akım kazancı cinsinden bulunmuş olur. Akım Kazançlarının Bulunması Formülünde IE = IC + IB dir ve bu eşitlik α formülünde yerine konulduğunda; IC/ IB yerine, β yazarak α akım kazancı β akım kazancı cinsinden bulunmuş olur. Akım Kazançlarının Bulunması β nın α cinsinden ifadesi Elde edilen α akım kazanç formülünden faydalanarak β akım kazancı elde edilebilir. IC/ IE yerine α yazarak β akım kazancını α cinsinden bulunmuş olur. Akım Kazançlarının Bulunması Örnek: Alfa akım kazancı 0,99 olan bir transistörün β akım kazancını bulunuz. Akım Kazançlarının Bulunması Örnek: β akım kazancı 49 olan bir transistörün alfa akım kazancını bulunuz. Dinlediğiniz için;
