Genel Bipolar Jonksiyon Transitör Elektronik Ders Notları 5 Derleyen: Dr. Tayfun Demirtürk E-mail: tdemirturk@pau.edu.tr 1B İPOLAR JONKS İYON TRANS İSTÖR Üretilen ilk yarıiletken transistör ve bulan bilim adamları Konular: • Transistörün Yapısı • Transistörün Çalı şması • Transistör Karakteristikleri ve parametreleri • Transistörün anahtar olarak çalı şması • Transistörün Yükselteç olarak çalı şması • Transistörlerde kılıf tipleri 2Elektronik bilimi, 1904–1947 yılları arasında elektron lambalarının kullanımıyla geli şip önem kazandı. İlk diyot lamba 1904 yılında J.A. Fleming tarafından yapıldı. 1906 yılında Lee De Forest, diyot lambaya üçüncü elektrodu ilave ederek Triyot lambayı geli ştirdi. İzleyen yıllarda elektron lambalarındaki geli şmelere paralel olarak ilk radyo ve televizyon üretildi. 1931–1940 yıllan katı maddeler elektroni ği hakkında daha ziyade teorik çalı şmalar devri olmuştur. Bu sahada isimleri en çok duyulanlar, L. Brillouin, A. H. Wilson, J. C. Slater, F. Seitz ve W. Schottky'dir. 23 Haziran 1947 tarihinde elektronik endüstrisi geli şme yolunda en büyük adımı attı. Bu tarihte Bell laboratuarlarında Walter H. Brottain ve John Bardeen tarafından nokta temaslı ilk transistör tanıtıldı. Yükselteç olarak başarıyla denendi. Bulunan bu yeni elemanın elektron lambalarına göre birçok üstünlü ğü vardı. İmal edilen ilk transistör, nokta temaslı transistördü ve gücü miliwatt seviyesindeydi. Sadece alçak frekanslarda kullanılabiliyordu. Bu transistörün esası, germanyum bir parça üzerine iki madeni ucun çok yakın şekilde ba ğlanmasından ibaretti. Kolay tahrip olması ve fazla dip gürültüsü olması sebebiyle çok tutulmamı ştır. 1949'da William Schockley tarafından geli ştirilen "Jonksiyon Transistör" ise 1953'ten itibaren elektroni ğin çe şitli alanlarında deneysel maksatlarla, 1956'dan itibaren ise her alanda seri olarak kullanılmaya ba şlanmı ştır. Zamanla daha pek çok transistör çe şidi bulunarak hizmete sunulmuştur. Günümüzde transistörler mikron teknolojisi ile üretilebilir hale gelmi ş ve tüm-devrelerin (entegre=chip=I c ’s) içinde kullanılmaya ba şlanmı ştır. Kullandı ğımız bilgisayarların i şlemcileri modeline göre 3 ila 100 milyon adet transistör içerebilmektedir. Transistör, bir grup elektronik devre elemanına verilen temel addır. Transistörler yapılan ve i şlevlerine ba ğlı olarak kendi aralarında gruplara ayrılırlar. BJT (Bipolar Jonksiyon Transistör), FET, MOSFET, UJT v.b gibi... Elektronik endüstrisinde her bir transistör tipi kendi adı ile anılır. FET, UJT, MOSFET... gibi. Genel olarak transistör denilince akla BJT’ler gelir. Bu 3bölümde bipolar jonksiyon transistörlerin genel yapısını, özelliklerini ve çalı şmasını inceleyece ğiz. Çeşitli tip transistörlerin görünümleri TRANS İSTÖRÜN YAPISI Transistörler, katı-hal "solid-state" devre elemanlarıdır. Transistör yapımında silisyum, germanyum ya da uygun yarıiletken karı şımlar kullanılmaktadır. Bu bölümde; Bipolar Jonksiyon transistörlerin temel yapısını inceleyeceğiz. Transistör sözcü ğü akla ilk olarak BJT’leri getirir. Di ğer transistörler adları ile anılırlar. FET, MOSFET, UJT... gibi. Bipolar Transistörler NPN ve PNP olmak üzere iki temel yapıda üretilirler Bu bölümü bitirdi ğinizde; a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • NPN ve PNP transistörlerin temel yapısı • NPN ve PNP tipi transistörlerin şematik gösterimi • Bipolar Transistörlerin temel çalı şma prensipleri Bipolar Jonksiyon Transistör (BJT) elektronik endüstrisinin en temel yarıiletken devre elemanlarındandır. BJT; anlam olarak “Çift kutuplu yüzey birle şimli transistör” ifadesini ortaya çıkarır. BJT içinde hem ço ğunluk ta şıyıcıları, hem de azınlık ta şıyıcıları görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcü ğü kullanılır. Transistör ilk icat edildi ğinde yarı iletken maddeler birbirlerine nokta temaslı olarak monte edilirlerdi. Bu nedenle onlara "Nokta Temaslı Transistör" denirdi. Günümüzde transistörler yapım itibari ile bir tost görünümündedir. Transistör imalatında kullanılan yarı iletkenler, birbirlerine yüzey birle şimli olarak üretilmektedir. Bu nedenle “Bipolar Jonksiyon Transistör” olarak adlandırılırlar. Transistörün 4temel yapısı şekil-4.1’de gösterilmiştir. Şekil-4.1 Bipolar Jonksiyon transistörün yapısı BJT transistörler katkılandırılmı ş P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere başlıca iki tipi vardır. NPN transistörde 2 adet N tipi yarıiletken madde arasına 1 adet P tipi yarıiletken madde konur. PNP tipi transistörde ise, 2 adet P tipi yarıiletken madde arasına 1 adet N tipi yarıiletken madde konur. Dolayısıyla transistör 3 adet katmana veya terminale sahiptir diyebiliriz. Transistörün her bir terminale i şlevlerinden ötürü; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kollektör (Collector) adları verilir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Şekil-4.2’de NPN tipi ve PNP tipi transistörün fiziksel yapısı ve şematik sembolleri verilmi ştir. Fiziksel yapıdan da görüldü ğü gibi transistörün iki jonksiyonu vardır. Bunlardan beyz-emiter arasındaki bölge “beyz-emiter jonksiyonu”, beyz-kollektör arasındaki bölge ise “ beyz- kollektör jonksiyonu” olarak adlandırılır. Transistörlerde beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgelerine göre daha az katkılandırılır. Ayrıca beyz bölgesi; kollektör ve Emiter bölgesine nazaran çok daha dar tutulur. 5 a) NPN tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembolü b) PNP tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembol Şekil-4.2 NPN ve PNP tipi transistörlerin fiziksel yapısı ve şematik sembolleri TRANS İSTÖRÜN ÇALI ŞMA İLKELER İ Bipolar transistörlerin genelde iki çalı şma modu vardır. Yükselteç (amplifier) ve anahtar olarak. Transistör, her iki çalı şma modunda harici dc besleme gerilimlerine gereksinim duyar. Bu bölümde NPN tipi transistörün çalı şma ilkeleri analiz edilecektir. PNP tipi transistörün çalı şma ilkeleri, NPN ile benzerlik gösterir. PNP tipi transistörde dc besleme gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle sadece NPN tipi transistörlerin çalı şması incelenecektir. Bu bölümü bitirdi ğinizde; a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • Transistörlerin do ğru ve ters yönde polarmalandırılması • Transistörlerde polarma gerilimlerinin ba ğlantı yönleri • Transistörlerde olu şan akım ve gerilim ili şkileri • Transistörde beyz, emiter ve kollektör akımları arasındaki ili şkiler Transistörler genellikle çalı şma bölgelerine göre sınıflandırılarak incelenebilir. Transistörün çalı şma bölgeleri; kesim, doyum ve aktif bölge olarak adlandırılır. Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar i şlevi görür. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelli ğinden yararlanılır ve anahtar olarak kullanılır. Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir di ğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalı ştırılır. Yükselteç olarak çalı ştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır. 6 Şekil-4.3’de NPN ve PNP tipi transistörlerin yükselteç olarak çalı ştırılması için gerekli polarma gerilimleri ve bu gerilimlerin polariteleri verilmiştir. NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu do ğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistöründe çalı şma ilkeleri aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir. Bu nedenle bu bölüm boyunca NPN tipi bir Transistörün çalı şmasını analiz edece ğiz. Şekil-4.3 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması Transistörün yükselteç olarak çalı şması şekil-4.4’de verilen ba ğlantılar dikkate alınarak anlatılacaktır. NPN tipi bir transistörde beyz terminaline, emitere göre daha pozitif bir gerilim uygulandı ğında do ğru polarma yapılmı ştır. Bu polarma etkisiyle geçi ş bölgesi daralmaktadır. Bu durumda P tipi maddedeki (beyz) ço ğunluk akım ta şıyıcıları, N tipi maddeye (emiter) geçmektedirler. Emiter-beyz polarmasını iptal edip, beyz-kollektör arasına ters polarma uygulayalım. Bu durumda ço ğunluk akım ta şıyıcıları sıfırlanacaktır. Çünkü geçi ş bölgesinin kalınlı ğı artacaktır. (Diyodun ters polarmadaki davranı şını hatırlayın). Azınlık ta şıyıcıları, beyz-kollektör jonksiyonundan V CB kayna ğına do ğru akacaktır. Özet olarak yükselteç olarak çalı ştırılacak bir transistörde; Beyz-emiter jonksiyonları do ğru, beyz-kollektör jonksiyonları ise ters polarmaya tabi tutulur diyebiliriz. Bu durum şekil-4.4’de ayrıntılı olarak verilmi ştir. 7 Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlarının doğru ve ters polarmadaki davranı şları Transistörün nasıl çalı ştı ğını anlamak amacıyla yukarıda iki kademede anlatılan olayları birle ştirelim. Şekil-4.5’de NPN tipi bir transistöre polarma gerilimleri birlikte uygulanmı ştır. Transistörde olu şan ço ğunluk ve azınlık akım ta şıyıcıları ise şekil üzerinde gösterilmiştir. Transistörün hangi jonksiyonlarına do ğru, hangilerime ters polarma uygulandı ğını şekil üzerindeki geçi ş bölgelerinin kalınlı ğına bakarak anlayabilirsiniz. Şekil-4.5 NPN tipi transistörde ço ğunluk ve azınlık akım ta şıyıcılarının akı şı Do ğru yönde polarmalanan emiter-beyz jonksiyonu, çok sayıda ço ğunluk ta şıyıcısının P tipi malzemeye (beyze) ulaşmasını sa ğlar. Beyz bölgesinde toplanan ta şıyıcılar nereye gidecektir. Ib akımına katkıda mı bulunacaklardır yoksa N tipi malzemeye mi geçeceklerdir. Beyz bölgesinin (P tipi malzeme) iletkenli ği dü şüktür ve çok incedir. Bu nedenle; az sayıda ta şıyıcı yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ula şacaktır. Dolayısıyla beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarına kıyasla çok küçüktür. 8Şekil-4.5’de gösterildi ği gibi ço ğunluk ta şıyıcılarının çok büyük bir bölümü, ters polarmalı kolektör-beyz jonksiyonu üzerinden difüzyon yoluyla kollektör ucuna ba ğlı N-tipi malzemeye geçecektir. Çoğunluk ta şıyıcılarının ters polarmalı jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerinin nedeni, N-tipi maddede (emiterde) bulunan oyuklardır. Bu durumda akım miktarı artacaktır. Sonuç kısaca özetlenecek olursa; emiterden enjekte edilen elektronların küçük bir miktarı ile beyz akımı olu şmaktadır. Elektronların geri kalan büyük bir kısmı ile kollektör akımı oluşmaktadır. Buradan hareketle; emiterden enjekte edilen elektronların miktarı, beyz ve kollektöre do ğru akan elektronların toplamı kadar oldu ğu söylenebilir. Transistör akımları arasındaki ili şki a şa ğıdaki gibi tanımlanabilir. I E = I C +I B B Kısaca, kollektör akımının miktarı beyz akımının miktarı ile do ğru orantılıdır ve kollektöre uygulanan gerilimden ba ğımsızdır. Çünkü kollektör ancak beyzin toplayabildi ği ta şıyıcıları alabilmektedir. Emiterden gelen ta şıyıcıların yakla şık %99’u kollektöre geçerken geriye kalan çok küçük bir kısmı beyze akar. Bir transistörün çalı şması için gerekli şartları kısaca özetleyelim. • Transistörün çalı şabilmesi için; beyz-emiter jonksiyonu do ğru yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalandırılmalıdır. Bu çalı şma biçimine transistörün aktif bölgede çalı şması denir. • Beyz akımı olmadan, emiter-kollektör jonksiyonlarından akım akmaz. Transistör kesimdedir. Farklı bir ifadeyle; beyz akımı küçük olmasına ra ğmen transistörün çalı şması için çok önemlidir. • PN jonksiyonlarının karakteristikleri transistörün çalı şmasını belirler. Örne ğin; transistör, Vbe olarak tanımlanan beyz-emiter jonksiyonuna do ğru yönde bir ba şlangıç gerilimi uygulanmasına gereksinim duyar. Bu gerilimin de ğeri silisyum transistörlerde 0.7V, germanyum transistörlerde ise 0.3V civarındadır. 9TRANS İSTÖR PARAMETRELER İ VE KARAKTER İST İKLER İ Transistörle yapılan her türlü tasarım ve çalı şmada dikkat edilmesi gereken ilk konu, transistörün dc polarma gerilimleri ve akımlarıdır. Transistörlerin dc analizlerinde kullanılacak iki önemli parametre vardır. Bu parametreler; ß DC (dc akım kazancı) ve ? DC olarak tanımlanır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • Transistörde dc beta ( ß DC ) parametrelerinin tanıtımı • Transistörde dc alfa ( ? DC ) parametrelerinin tanıtımı • ß DC ve ? DC parametrelerinin kar şıla ştırılmaları ve matematiksel analizleri • Transistör devrelerinde akım-gerilim ilişkileri • Temel transistör devrelerinin dc analizleri • Transistörlerin şematik gösterimi Transistörlerin çalı şması için gerekli ilk şart, dc polarma gerilimlerinin uygun şekilde ba ğlanmasıdır. Şekil-4.6’da NPN ve PNP tipi transistörler için gerekli polarma ba ğlantıları verilmi ştir. Transistörün beyz-emiter jonksiyonuna V BB kayna ğı ile do ğru polarma uygulanmı ştır. Beyz-kollektör jonksiyonuna ise V CC kayna ğı ile ters polarma uygulanmı ştır. Şekil-4.7 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması Bir transistörün analizi yapılırken iki önemli parametresi vardır. Bunlar; ß DC akım kazancı ve ? DC akım kazancıdır. Bu parametreleri inceleyelim. 10DC Beta ( ß DC ) ve DC Alfa ( ? DC ) ß akım kazancı, ortak emiter ba ğlantıda akım kazancı olarak da adlandırılır. Ortak emiter ba ğlantı kavramı ileride açıklanacaktır. Bir transistör için ß akım kazancı, kollektör akımının beyz akımına oranıyla belirlenir. ß akım kazancı bir transistör için tipik olarak 20–200 arasında olabilir. Bununla birlikte ß de ğeri 1000 civarında olan özel tip transistörlerde vardır. ß akım kazancı kimi kaynaklarda veya üretici kataloglarında h FE olarak da tanımlanır. ß = h FE Kollektör akımını yukarıdaki e şitlikten; I C = ß-I B olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; I E =I C +I B idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek; B I E = ß.I B + I B B I E = I B (1 + ß) de ğeri elde edilir. Ortak beyzli ba ğlantıda akım kazancı olarak bilinen ? de ğeri; kollektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır. 11Emiter akımının kollektör akımından biraz daha büyük oldu ğu belirtilmi şti. Dolayısıyla transistörlerde ? akım kazancı 1’den küçüktür. ? akım kazancının tipik de ğeri 0.95–0.99 arasındadır. Emiter akımı; I E = I C + I B de ğerine eşitti. Bu eşitlikte e şitli ğin her iki tarafı I B C ’ye bölünürse; ? DC =I C /I E ve ß DC =I C /I B oldu ğundan, yukarıdaki formüle yerle ştirilirse B de ğeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ili şki; olarak belirlenir. Bir transistörde ? akım kazancı de ğeri yakla şık olarak sabit kabul edilir. Ancak ? akım kazancı de ğerinde çok küçük bir de ği şimin, ß akım kazancı de ğerinde çok büyük miktarlarda de ği şime neden olaca ğı yukarıdaki formülden görülmektedir. Transistörlerde ß akım kazancı, gerçekte sabit bir de ğer de ğildir. Değeri bir miktar transistörün çalı şma ısısına ba ğımlıdır. 12Örnek: Bir transistörün ß akım kazancı de ğeri 200’dür. Beyz akımının 75µA olması durumunda, kollektör akımı, emiter akımı ve a akım kazancı de ğerlerini bulunuz. Çözüm: Transistörlerde ß DC akım kazancı sabit de ğildir. Değeri bir miktar kollektör akımı ve sıcaklık de ği şimi ile orantılıdır. Transistör üreticileri kataloglarında belirli bir I C de ğeri ve sıcaklık altında olu şan ortalama ß DC de ğerini verirler. Ço ğu uygulamalarda transistörün I C de ğeri ve jonksiyon sıcaklı ğı sabit tutulsa dahi ß DC de ğeri de ği şebilir. Bu nedenle; üreticiler ürettikleri her bir transistör tipi için, ß DC akım kazancının minimum ve maksimum de ğerlerini verirler. Şekil- 4.8’de sıcaklık ve kollektör akımındaki de ği şime ba ğlı olarak ß DC akım kazancındaki de ği şim örneklenmi ştir. Transistörle yapılan devre tasarımlarında ß DC de ğerindeki de ği şimler dikkate alınarak ß de ğerinden ba ğımsız uygulama devreleri geli ştirilmi ştir. Şekil-4.8 Sıcaklık ve kollektör akımındaki de ği şime ba ğlı olarak ß DC ’nin de ği şimi 13Transistörde Akım ve Gerilim İlişkileri Bir transistör devresinde akım ve gerilimler arasında belirli ili şkiler vardır. Transistörün her bir terminalinde ve terminalleri arasında olu şan gerilim ve akımlar birbirinden ba ğımsız de ğildir. Transistörün her bir jonksiyonundan geçen akımlar ve jonksiyonlar arasında olu şan gerilimler şekil-4.9 üzerinde gösterilmi ş ve adlandırılmı ştır. I B : Beyz akımı (dc) Şekil-4.9 Transistörde akım ve gerilimler Transistörün beyz-emiter jonksiyonu V BB gerilim kayna ğı ile do ğru yönde polarmalanmı ştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise V CC gerilim kayna ğı ile ters yönde polarmalanmı ştır. Beyz- emiter jonksiyonu do ğru yönde polarmalandı ğında tıpkı ileri yönde polarmalanmı ş bir diyot gibi davranır ve üzerinde yaklaşık olarak 0.7V gerilim dü şümü olu şur. V BE ? 0.7V Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa; V BB = I B . R B + V BE olur. Buradan beyz akımı çekilirse; V BB - V BE = I B . R B B I E : Emiter akımı (dc) I C : Kollektör akımı (dc) V BE : Beyz-emiter gerilimi (dc) V CB : Kollektör-beyz gerilimi (dc) V CE : Kollektör-emiter gerilimi (dc) 14 olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz. I C = ß . I B , I E = I C + I B B R C direnci üzerine dü şen gerilim; V RC = I C . R C olur. Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa; V CC = (I C . R C ) + V CE V CE = V CC - (I C . R C ) olarak bulunur. 15Örnek: Yanda verilen devrede; transistörü n polarma akım ve gerilimlerini bulunuz? I B = ?, I B C = ?, I E = ?, V BE = ?, V CE = ?, V CB = ? Çözüm: V BB = I B . R B + V BE V CC =(I C . R C ) + V CE V CE =V CC - (I C . R C ) = 12V - (86mA . 100 ?) = 3.4 V V CB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır. V CC = (I C . R C ) + V CB +V BE V CB =V CC - (I C . R C ) - V BE V CB = 12 - (86mA • 100 ?) - 0.7V = 2.7Volt 16Transistörün Giri ş Karakteristi ği Karakteristik e ğri, herhangi bir elektriksel elemanda akım-gerilim ilişkisini gösterir. Transistör; giri ş ve çıkı ş için iki ayrı karakteristik eğriye sahiptir. Transistörün giri ş karakteristi ği beyz- emiter gerilimi ile beyz akımı arasındaki ili şkiyi verir. Transistörün giri ş karakteristi ğini çıkarmak için şekil-4.10’daki ba ğlantıdan yararlanılır. Transistörün giri ş karakteristiklerini elde etmek için, kollektör-emiter gerilim (V CE ) parametre olarak alınır ve bu gerilime göre beyz akımı (I B ) de ği ştirilir. Beyz akımındaki bu de ği şimin beyz-emiter gerilimine (V B BE ) etkisi ölçülür. Grafikten de görüldü ğü gibi transistörün giri ş karakteristi ği normal bir diyot karakteristiği ile benzerlik gösterir. V BE gerilimi 0.5V’un altında oldu ğu sürece beyz akımı ihmal edilecek derecede küçüktür. Uygulamalarda aksi belirtilmedikçe transistörün iletime ba şladı ğı andaki beyz-emiter gerilimi V BE =0.7V olarak kabul edilir. Beyz-emiter (V BE ) gerilimi, sıcaklıktan bir miktar etkilenir. Örne ğin her 1 0 C’lik sıcaklık artımında V BE gerilimi yakla şık 2.3 mV civarında azalır. Şekil-4.10 Transistörün giri ş karakteristi ğinin çıkarılması ve giri ş karakteristi ği Transistörün Çıkı ş Karakteristi ği Transistörlerde çıkı ş, genellikle kollektör-emiter uçları arasından alınır. Bu nedenle transistörün çıkı ş karakteristi ği; beyz akımındaki (I B ) de ği şime ba ğlı olarak, kollektör akımı (I B C ) ve kollektör-emiter (V CE ) gerilimindeki de ği şimi verir. Transistörün çıkı ş karakteristi ğini elde 17etmek için gerekli devre düzene ği ve transistörün çıkı ş karakteristik e ğrileri şekil-4.11’de ayrıntılı olarak verilmi ştir. Şekil-4.11 Transistörün çıkı ş karakteristiklerinin çıkarılması ve çıkı ş karakteristikleri Devredeki V BB kayna ğı beyz akımını ayarlamada kullanılır. Bu kayna ğın oluşturdu ğu beyz akımı de ğerine ba ğlı olarak transistörün kollektör akımı de ği şecektir. Karakteristik çıkarmak için farklı I B ve I B C de ğerleri için V CE gerilimleri ölçülür ve kaydedilir. Ba şlangıçta V CC =0, I C =0 ve V CE =0 iken V BB ’nin belirli bir I B B de ğeri vermek üzere ayarlandı ğını kabul edelim. V CC geriliminin artırılmasıyla birlikte I C akımı dolayısıyla V CE artacaktır. Bu durum şekil-4.11’deki karakteristik üzerinde gösterilmiştir (A-B noktaları arası). V CE gerilimi B noktasına ula şana kadar beyz, kolektörden daha yüksek potansiyeldedir ve B-C jonksiyonu do ğru yönde polarmalanmı ştır. Bu nedenle gerilim artı şı ile birlikte kollektör akımıda artmaktadır. V CE gerilimi B noktasına ula ştı ğında de ğeri yakla şık olarak 0.7V civarındadır.Bu anda beyz- kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalanmaya ba şlar. Kollektör akımı I C = ß.I B ili şkisi ile gösterilen maksimum de ğerine ula şır. Bu noktadan sonra V B CE gerilimine kar şılık I C de ğeri hemen hemen sabit kalmaya ba şlar. Bu durum karakteristikte B ve C noktaları arasında görülmektedir. Gerçekte ise artan V CE gerilimi ile beyz-kollektör jonksiyonu fakirle şmi ş bölgenin büyümesi nedeniyle kollektör akımıda az miktarda artmaktadır. Üretici firmalar her bir transistörün giri ş ve çıkı ş karakteristik e ğrilerini kataloglarında kullanıcıya sunarlar. Şekil-4.12’de farklı beyz akımlarında transistörün çıkı ş karakteristik e ğrileri verilmi ştir. Transistörlerle yapılan devre tasarımlarında üretici firmanın verdi ği karakteristik e ğrilerden yararlanılır. 18 Şekil-4.12 Transistörün I C -V CE karakteristikleri ve kırılma gerilimi Transistöre uygulanan V CE gerilimi önemlidir. Bu gerilim de ğeri belirli limitler dahilindedir. Bu gerilim belirlenen limit de ğeri a ştı ğında transistörde kırılma (avalange) olayı meydana gelerek bozulmaya neden olur. Bu durum şekil-4.12’de gösterilmi ştir. Kırılma gerilim de ğerleri üretilen her bir transistör tipi için üretici kataloglarında verilir. Transistörde Çalı şma Bölgeleri Transistörlerde ba şlıca 3 çalı şma bölgesi vardır. Bu bölgeler; aktif bölge, kesim (kat-off) bölgesi ve doyum (saturation) bölgesi olarak adlandırılır. Transistörün çalı şma bölgeleri şekil- 4.13’de transistörün çıkı ş karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. Bu bölgeleri kısaca inceleyelim. Şekil-4.13 Transistörlerde çalı şma bölgeleri 19Aktif Bölge: Transistörün aktif bölgesi; beyz akımının sıfırdan büyük (I B >0) ve kollektör- emiter geriliminin 0V’dan büyük (V B CE >0V) oldu ğu bölgedir. Transistör aktif bölgede çalı şabilmesi için beyz-emiter jonksiyonu do ğru, kollektör-beyz jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Bu bölgede transistörün çıkı ş akımı öncelikle beyz akımına, küçük bir miktarda V CE gerilimine ba ğımlıdır. Transistörün aktif bölgede nasıl çalı ştı ğı, transistörün çalı şması bölümünde ayrıntılı olarak incelenmi şti. Doğrusal yükselteç tasarımı ve uygulamalarında transistör genellikle bu bölgede çalı ştırılır. Kesim Bölgesi: Transistörün kesim bölgesinde nasıl çalı ştı ğı şekil-4.13.a yardımıyla açıklanacaktır. Şekilde görüldüğü gibi transistörün beyz akımı I B =0 oldu ğunda, beyz-emiter gerilimi de V B BE =0V olaca ğı için devrede kollektör akımı (I C ) oluşmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç de ğeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kollektör-emiter gerilimi V CE , besleme gerilimi V CC de ğerine e şit olur. Kollektörden sadece I C0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir. a) Transistörün kesim bölgesinde çalı şması b) Transistörün doyum bölgesinde çalı şması Şekil-4.13.a ve b Transistörün kesim ve doyum bölgesinde çalı şması Doyum Bölgesi: Transistörün doyum (saturation) bölgesinde çalı şma şekil-4.3.b yardımıyla açıklanacaktır. Transistöre uygulanan beyz akımı artırıldı ğında kollektör akımıda artacaktır. Bu i şlemin sonucunda transistörün V CE gerilimi azalacaktır. Çünkü I C akımının artması ile R C yük direnci üzerindeki gerilim dü şümü artacaktır. Kollektör-emiter gerilimi doyum de ğerine ula ştı ğında (V CE(doy) ) beyz-emiter jonksiyonu do ğru 20yönde polarmalanacaktır. Sonuçta I B de ğeri daha fazla yükselse bile I B C akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki I C = ß·I B B e şitli ği do ğrulu ğunu kaybedecektir. Doyum bölgesinde çalı şan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi V CE yakla şık 0V civarındadır. Bu de ğer genellikle V CE(doy) =0V olarak ifade edilir. Transistörde Maksimum Güç Sınırı Her bir transistör tipinin çalı şma alanını belirleyen bir takım sınır (maksimum) de ğerler vardır. Bu de ğerler standart transistör kataloglarında verilir. Transistörle yapılan tasarımlarda bu de ğerlere uyulmalıdır. Kataloglarda verilen tipik maksimum sınır de ğerlerini; kollektör-beyz gerilimi (V CB(max) ), emiter-beyz gerilimi (V BE(max) ), kollektör-emiter gerilimi (V CE(max) ), kollektör akımı (I C(max) ) ve maksimum güç harcaması (P D(max) ) olarak sayabiliriz. Şekil-4.14’de tipik bir çıkı ş karakteristi ği üzerinde maksimum de ğerler gösterilmi ştir. Transistörlerde güç harcaması; kollektör-emiter gerilimi (V CE ) ve kollektör akımına (I C ) baglıdır. Aşa ğıdaki gibi formüle edilir. Şekil-4.14 Transistörde maksimum sınır de ğerler ve güç sınırı Örnek: Aktif bölgede çalı şan bir transistörün V CE gerilimi 8V ölçülmüştür. Transistörün maksimum güç harcama sınırı 300mW verildi ğine göre, kollektör akımının maksimum de ğeri ne olmalıdır. Hesaplayınız? Çözüm: 21Örnek: Şekildeki devrede transistörün maksimum sınır de ğerleri verilmi ştir. Transistörün zarar görmeden çalı ştırılabilece ği maksimum V CC gerilimi de ğeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? Çözüm: Transistörün V CE gerilimi de ğerini belirleyen faktörler; V CC , I C ve I B de ğerleridir. İlk etapta devredeki I B B B de ğerini belirleyelim. V CE geriliminin 20V olmasını sa ğlayan I C akımının de ğeri, I C(max) de ğerinden küçüktür. I C akımım belirleyen bir di ğer faktör ise V CC gerilimidir. Bu gerilimin olması gereken de ğerini bulalım. V CC = I C . R C + V CE V CC = 19.5 mA . 1K ? + 20V V CC = 39.5 V Buradan transistörün maksimum güç şartlarında çalı şabilmesi için V CC geriliminin alabilece ği de ğeri belirledik. Şimdi transistörde harcanabilecek maksimum gücü bulalım. P D = V CE(MAX) . I C › P D = 20 V • 19.5 mA › P D = 390 mW P D(MAX) = 1W V CE(MAX) = 20V I C(MAX) = 100mA ß DC = 150 22Transistörde harcanabilecek toplam güç, 390 mW bulunmu ştur. Bu de ğer transistörün sınır güç de ğerinden (1W) küçüktür. 39.5V’luk V CC besleme geriliminde güvenli bir çalı şma ortamı sa ğlanmı ştır. TRANS İSTÖRÜN ANAHTAR OLARAK ÇALI ŞMASI Transistörlerin en popüler uygulama alanlarına örnek olarak yükselteç ve anahtarlama devrelerini verebiliriz. Transistörün elektronik anahtar olarak kullanılmasında kesim ve doyum bölgelerinde çalı şmasından yararlanılır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • Transistörde kesim (cut off) ve doyum (saturation) bölgeleri • Transistörün kesim bölgesindeki özellikleri • Transistörün doyum bölgesindeki özellikleri İdeal bir anahtar, açık oldu ğunda direnci sonsuzdur. Üzerinden akım akmasına izin vermez. Kapalı konuma alındı ğında ise direnci sıfırdır ve üzerinde gerilim dü şümü olmaz. Ayrıca anahtar bir durumdan, di ğer duruma zaman kaybı olmadan geçebilmelidir. Transistörle gerçekle ştirilen elektronik anahtar, ideal bir anahtar de ğildir. Fakat transistör küçük bir güç kaybı ile anahtar olarak çalı şabilir. Transistörün bir anahtar olarak nasıl kullanıldı ğı şekil-4.14’de verilmi ştir. Şekil-4.14.a’da görüldü ğü gibi transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalanmı ştır. Dolayısıyla transistörün kesimdedir. Kollektör-emiter arası ideal olarak açık devredir. Transistör bu durumda açık bir anahtar olarak davranır. 23 a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK b) Transistör doyumda -Anahtar KAPALI Şekil-4.14.a ve b Transistörün anahtar olarak çalı şması Şekil-4.14.b’de ise transistörün beyz-emiter jonksiyonu do ğru yönde polarmalanmı ştır. Bu devrede beyz akımı yeterli derecede büyük seçilirse transistör doyum bölgesinde çalı şacaktır. Kollektör akımı maksimum olacak ve transistörün kollektör-emiter arası ideal olarak kısa devre olacaktır. Transistör bu durumda kapalı bir anahtar gibi davranır. Transistör kesimdeyken; Beyz-emiter jonksiyonu iletim yönünde polarmalanmamı ştır. Dolayısıyla transistörün kollektör-emiter gerilimi; V CE = V CC – I C . R C de ğerine e şittir. Bu de ğer aynı zamanda transistörün çıkı ş gerilimidir. Transistör kesimdeyken I C = 0 oldu ğunu biliyoruz. Çünkü transistörün kollektör-emiter arası açık devredir. Bu durumda; V CE(KES İM) = V CC olur. Bu gerilim, transistörün kollektör-emiter arasında görülebilecek maksimum de ğerdir ve yakla şık olarak transistörün besleme gerilimi V CC de ğerine eşittir. 24Transistör doyumdayken; Kollektör akımı maksimum değerine ula şmaktadır. Kollektör-emiter gerilimi ise ideal olarak düşünülürse V CE = 0 V olmaktadır. Bu durumda transistörün kollektör akımı; V CC = V CE(DOYUM) + I C . R C de ğerine e şit olur. Bu değerden hareketle transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum de ğeri belirlenebilir. Örnek: Şekilde ki devrede transistör anahtarlama amacı ile kullanılmaktadır. a) V B = 0 V oldu ğunda V B O de ğerini bulunuz? b) Transistörü doyumda tutacak minimum beyz akımını bulunuz? c) V B = 6 V oldu ğunda transistörü doyumda tutacak B R B de ğerini bulunuz? Çözüm: a) V B = 0 V oldu ğunda transistör kesimdedir. Kollektör akımı I B C = 0 A olur. Dolayısıyla transistörün V O gerilimi; V O = V CE = V CC = +12 V b) Transistör doyumda oldu ğunda; V CE(DOYUM) = 0 V olacaktır. Buradan I C akımını bulalım. V CC = I C . R C + V CE B 25 olacaktır. Buradan transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum de ğerini buluruz. Bulunan bu de ğer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum de ğerdir. Beyz akımının bu de ğerden daha fazla olması kollektör akımını artırmayacaktır. c) Transistörü doyuma ula ştıracak beyz akımını belirleyen devre elamanı R B direncidir. Bu direncin olası de ğerini bulalım. Transistör iletime girdi ğinde, beyz-emiter gerilimi V B BE =0.7V olacaktır. Dolayısıyla devreden R B B de ğerini bulabiliriz. V B = I B . R B + V BE olarak bulunur. Transistörlü anahtar uygulaması Pek çok endüstriyel uygulamada veya sayısal tasarımda tümdevrelerin çıkı şından alınan i şaretlerin kuvvetlendirilmesi istenir. Örne ğin şekil-4.15’a.da tümdevre çıkı şından alınan bir kare dalga i şaretin bir led’i yakıp söndürmesi için gerekli devre düzene ği verilmi ştir. Giri ş i şareti; 0V oldu ğunda transistör kesimdedir, LED yanmayacaktır. Giriş i şareti +V de ğerine ula ştı ğında ise transistör iletime geçerek LED yanacaktır. 26 a) Transistörün anahtar olarak çalı şması b) Transistörle role kontrol Şekil-4.15.a ve b Transistörün anahtar olarak kullanılması Şekil-4.15.b’de ise bir tümdevre çıkı şından alınan i şaretin kuvvetlendirilerek bir röleyi, dolayısıyla role kontaklarına ba ğlı bir yükü kontrol etmesi gösterilmiştir. Örnek: Şekil-4-15.b’de verilen devrede tümdevre çıkı şı +5V oldu ğunda rolenin kontaklarını çekmesi istenmektedir. Tümdevre çıkı şının izin verdiği akım miktarı 10mA’dir. Rb direncinin de ğeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? Çözüm: Rolenin kontaklarını çekebilmesi için gerekli minimum akım de ğeri 100mA’dir. Dolayısıyla transistörün kolektöründen akacak I C akımı de ğeri 100mA’dir. Buradan I B akımının olması gereken de ğerini bulabiliriz. B Bulunan bu de ğer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum de ğerdir. Şimdi bu akımı akıtacak Rb de ğerini bulalım. Devreden; +5V = I B . R B B +V BE 27TRANS İSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALI ŞMASI Transistörlerin çok popüler bir di ğer uvsulama alanı ise yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Yükseltme (amplifikasyon) i şlemi, transistöre uvsulanan her hangi bir i şaretin genliğinin veya gücünün do ğrusal olarak kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi) i şlemidir. Yükselteç olarak tasarlanacak Ur transistör, genellikle aktif bölgede çalı ştırılır. Bu bölümde bitirdi ğinizde; • Yükselteç (amplifier) • Temel transistörlü yükseltecin dc ve ac analizi Hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz. Transistörün en temel uygulama alanlarından biri de yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Temel bir yükselteç devresinin işlevi, giri şine uygulanan i şareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkı şına aktarmasıdır. Transistörlü temel bir yükselteç devresi şekil-4.16’da verilmi ştir. Devrede kullanılan dc kaynaklar transistörün aktif bölgede çalı şmasını sa ğlamak içindir. Devre giri şine uygulanan ac i şaret (V İN ) ise yükseltme i şlemine tabi tutulacaktır. Transistörlü yükselteç devresinde; devrenin yükselteç olarak çalı şabilmesi için dc besleme (polarma) gerilimlerine gereksinim vardır. Dolayısıyla transistörlü yükselteç devreleri genel olarak iki a şamada incelenilirler. Bu a şamalar; • Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi • Transistörlü yükselteç devrelerinin ac analizi 28 Şekil-4.16 Transistörlü yükselteç devresi DC Analiz İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun dc polarma akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin dc analizdir. Analiz i şleminde transistörün çalı şma bölgesi belirlenir. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi ac çalı şmaya hazır hale getirilir. Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizinde e şde ğer devrelerden yararlanılır. Transistörlü yükselteç devrelerinin dc analizi ilerideki bölümlerde tüm ayrıntıları ile incelenecektir. AC Analiz Transistörlü yükselteç tasarımında ikinci evre, tasarlanan veya tasarlanacak yükselteç devresinin ac analizidir. Yükselteç devresinin ac analizini yapılırken e şde ğer devrelerden yararlanılır. Şekil-4.17’a.da transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmi ştir. Aynı devrenin ac eşde ğeri devresi ise şekil-4.17.b’de görülmektedir. 29 a) Transistörlü yükselteç devresi b) Transistörlü yükselteç devresinin ac e şde ğeri Şekil-4.17.a ve b Transistörlü temel yükselteç devresi ve ac e şde ğeri Transistörlü bir yükselteç devresinin ac e şde ğer devresi çizilirken, dc kaynaklar kısa devre yapılır. Yükselteç devresi do ğal olarak giri şinden uygulanan ac i şareti yükselterek çıkı şına aktaracaktır. Dolayısıyla bir kazanç söz konusudur. Yükseltecin temel amacıda bu kazancı sa ğlamaktır. Bir yükselteç devresi; giri şinden uygulanan i şaretin genli ğini, akımını veya gücünü yükseltebilir. Dolayısıyla bir akım, gerilim veya güç kazancı söz konusudur. Yükselteçlerde kazanç ifadesi A ile sembolize edilir. Gerilim kazancı için A V , Akım kazancı için A I ve güç kazancı için A P sembolleri kullanılır. Örne ğin şekil-4.17’de görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı A V ; Transistörlü yükselteçler, belirtildi ği gibi elektronik biliminin en önemli konularından birisidir. Bu nedenle transistörlü yükselteçlerin analizi ve tasarımı bu kitabın ilerleyen bölümlerinde ayrıntılı olarak incelenecektir. Bu bölümde sizlere kısa ön bilgiler sunulmuştur. 30TRANS İSTÖRLERDE KODLAMA VE KILIF T İPLER İ Günümüzde pek çok farklı kılıf tipine sahip transistör üretimi yapılmaktadır. Transistörlerin kılıf tipleri genelde kullanım amacına ve kullanım yerine ba ğlı olarak de ği şmektedir. Örne ğin, küçük veya orta güçlü transistörlerin üretiminde genellikle plastik veya metal kılıflar kullanılmaktadır. Transistörlerde kullanılan kılıf tiplerini belirleyen di ğer önemli bir faktör ise çalı şma frekanslarıdır. Bu bölümde transistörlerin kılıf tiplerini belirleyen etkenler olarak; • Transistörlerde uluslararası standart kodlama • Transistörlerde üretim kategorileri hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz. Uluslararası birçok firma, transistör üretimi yapar ve kullanıcının tüketimine sunar. Transistör üretimi farklı ihtiyaçlar için binlerce tip ve modelde yapılır. Üretilen her bir transistör farklı özellikler içerebilir. Farklı amaçlar için farklı tiplerde üretilen her bir transistör; üreticiler tarafından bir takım uluslararası standartlara uygun olarak kodlanırlar. Transistörler; bu kodlarla anılırlar. Üretilen her bir transistörün çe şitli karakteristikleri üretici firma tarafından kullanıcıya sunulur. Uluslararası Standard Kodlama: Transistörlerin kodlanmasında bir takım harf ve rakamlar kullanılmaktadır. Örne ğin AC187, BF245, 2N3055, 2SC2345, MPSA13 v.b gibi birçok transistör sayabiliriz. Kodlamada kullanılan bu harf ve rakamlar rasgele de ğil uluslar arası standartlara göredir ve anlamlıdır. Günümüzde kabul edilen ve kullanılan ba şlıca 4 tip standart kodlama vardır. Birçok üretici firma bu kodlamalara uyarak transistör üretimi yapar ve tüketime sunarlar. Yaygın olarak kullanılan standart kodlamalar a şa ğıda verilmi ştir. 1. Avrupa Pro-electron Standardı (Pro-electron) 2. Amerikan jedec standardı (EIA-jedec) 313. Japon (JIS) 4. Do ğu Blok (eski SSCB) Pro-Electron Standardı: Avrupa ülkelerinde bulunan transistör üreticilerinin genellikle kullandıkları bir kodlama türüdür. Bu kodlama türünde üreticiler transistörleri; AC187, AD147, BC237, BU240, BDX245 ve benzeri şekilde kodlarlar. Kodlamada genel kural, Önce iki veya üç harf sonra rakamlar gelir. Kullanılan her bir harf anlamlıdır ve anlamları a şa ğıda ayrıntılı olarak açıklanmı ştır. İLK HARF: Avrupa (Pro Electron) standardına göre kodlanmada kullanılan ilk harf, transistörün yapım malzemesini belirtmektedir. Germanyumdan yapılan transistörlerde kodlama A harfi ile ba şlar. Örne ğin AC121, AD161, AF254 v.b kodlanan transistörler germanyumdan yapılmı ştır. Silisyumdan yapılan transistörlerde ise kodlama B harfi ile ba şlar. Örne ğin; BC121, BD161, BF254 v.b kodlanan transistörler silisyumdan yapılmı ştır. İK İNCİ HARF: Transistörlerin kodlanmasında kullanılan ikinci harf Avrupa Standardına göre, transistörün kullanım alanlarını belirtir. Örnek kodlamalar a şa ğıda verilmi ştir. AC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, dü şük güçlü alçak frekans transistörüdür. Germanyumdan yapılmı ştır. AC121, AC187, AC188, AC547 gibi... BC: Avrupa (Pro Electron) Standardına göre, dü şük güçlü alçak frekans transistörüdür ve Silisyumdan yapılmı ştır. BC107, BC547 gibi... BD: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, dü şük güçlü, alçak frekans transistörü. BD135, BD240, BD521 v.b. gibi BF: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, dü şük güçlü, yüksek frekans transistörü. BF199, BF240, BF521, gibi... BL: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, yüksek frekans transistörü. BL240, BL358, BL521 gibi... 32BU: Avrupa (pro electron) standart seri, Si, büyük güçlü, anahtarlama transistörü. BU240, BU521 gibi... Germanyumdan yapılan transistörlerin ba şına A harfinin geldi ği unutulmamalıdır. AC, AD, AF, AU gibi... ÜÇÜNCÜ HARF: Avrupa (pro electron) standardında bazı Transistörlerin kodlanmasında üçüncü bir harf kullanılır. Üçüncü harf, ilk iki harfte belirtilen özellikler aynı kalmak ko şuluyla o transistörün endüstriyel amaçla özel yapıldı ğını belirtir. Örnek olarak; BCW245, BCX56, BFX47, BFR43, BDY108, BCZ109, BUT11A, BUZ22 v.b gibi Di ğer Kodlama türleri ve standartlar: Avrupa pro-electron standardına göre kodlamanın özelliklerini verdik. Bu kodlamaya ilave olarak Amerikan ve Japon üreticilerin uydukları kodlamalar ve anlamları a şa ğıda liste olarak verilmi ştir. Bu gruplara ilave olarak, büyük yarıiletken üreticisi bazı kurulu şlar azda olsa özel kodlar kullanmaktadırlar. KOD AÇIKLAMALAR 2N… : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET dahil). 3N… : Amerikan (EIA-jedec) Standardı (FET, MOSFET) 4N… : Amerikan (EIA-jedec) Standardı opto-kuplör v.b 2S… : Japon (JIS) Standardı Si (2S2134 gibi...) 2SA... : Japon (JIS) Standardı, PNP, Yüksek frekans 2SB… : Japon (JIS) Standardı, PNP, Alçak frekans 2SC… : Japon (JIS) Standardı, NPN, Yüksek frekans 2SD… : Japon (JIS) Standardı, NNP, Alçak frekans 2SH… : Japon (JIS) Standardı, Unijonksiyon Transistör 2SJ… : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 2SK… : Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı 3SJ… : Japon (JIS) Standardı, FET, P kanallı 3SK… : Japon (JIS) Standardı, FET, N kanallı MA… : Motorola, Ge, Dü şük güçlü, metal kılıf MPS… : Motorola, Si, Küçük i şaret, plastik kılıf MJE… : Motorola, Si, Büyük güçlü, plastik kılıf 33MPF… : Motorola, JFET, plastik kılıf MJ… : Motorola, Si, Büyük güçlü, Metal kılıf Bazı büyük üretici firmalar ise kendi kodlarıyla özel üretim yapmaktadırlar. Özelliklerini kataloglardan temin edebilirsiniz. Transistör kategorileri ve kılıf tipleri Uluslarası transistör üreticileri, üretimlerini genellikle 3 temel kategoride gerçekleştir. Bu kategorileri; • Genel amaçlı/alçak frekans transistörleri • Güç transistörleri • Radyo frekans (RF) transistörleri Olarak tanımlayabiliriz. Her bir kategori, belirli alt kategorilerede ayrılmaktadır. Üretici firmalar transistör adlarının kodlanmasında, kılıf ve pin tiplerinin belirlenmesinde belirli standartlara uyarlar. 34Genel Amaçlı/Küçük Sinyal Transistörleri: Bu tip transistörler genellikle orta güçlü yükselteç veya anahtarlama devrelerinde kullanılır. Metal veya plastik kılıf içerisinde üretilirler. Şekil-4.18’de plastik kılıfa sahip standart transistör kılıf tipleri, kılıf kodları ve terminal isimleri verilmi ştir. TO-92 veya TO-226AA TO-92 veya TO-226AE SOT-23 veya TO-236AB Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal plastik transistör kılıfları ve terminal isimleri Şekil-4.19’da ise aynı kategoride bulunan ve metal kılıf içerisinde üretilen bazı transistörlerin kılıf kodları ve terminal isimleri ile birlikte verilmi ştir. Farklı terminal bağlantılarına ve kılıf tipine sahip onlarca tip transistör vardır. Bu bölümde örnekleme amacı ile çok kullanılan birkaç tip kılıf tipi verilmi ştir. Ayrıntılı bilgileri üretici kataloglarından elde edebilirsiniz. TO-39 veya TO-205AD TO-18 veya TO-206AA TO-46 veya TO-206AB TO-52 veya TO-206AC TO-5 TO-72 veya TO-206AF Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal metal transistör kılıfları ve terminal isimleri 35Güç (power) Transistörleri: Güç (power) transistörleri yüksek akım ve gerilim değerlerinde çalı ştırılmak üzere tasarlanmı şlardır. Dolayısıyla boyutları oldukça büyüktür. Bu tip transistörler genellikle metal kılıf içerisinde üretilirler. Transistörün gövdesi metaldir ve genellikle kollektör terminali metal gövdeye monte edilmiştir. Şekil-4.19’da yaygın olarak kullanılan bazı güç transistörlerinin kılıf kodları ve terminal ba ğlantıları verilmi ştir. Şekil-4.19 Bazı güç transistörlerinin kılıf tipleri ve terminal ba ğlantıları 36Radyo Frekans (RF) Transistörleri: Şekil-4.20 RF transistörlerinde kullanılan kılıf tipleri Çok yüksek frekansla çalı şan sistemlerde (Radyo frekans=RF) çalı ştırılmak üzere tasarlanmı ş transistörler, RF transistörleri olarak anılmaktadır. Özellikle ileti şim sistemlerinde kullanılan bu transistörlerin kılıf tipleri di ğerlerinden farklılık gösterebilir. Bunun nedeni yüksek frekans etkisini minimuma indirmektir. Şekil-4.20’de bazı RF transistörlerinin standart kılıf tipleri örnek olarak verilmi ştir. Şekil-4.20 RF transistörlerinde kullanılan kılıf tipleri TRANS İSTÖR TEST İ Elektronik cihazlarda kimi zaman bir takım arızalar olu şabilir. Bu arızalar genellikle yarıiletken devre elemanlarının bozulmasından kaynaklanır. Bu nedenle herhangi bir cihazın onarımında ilk a şama cihazda kullanılan yarıiletken devre elemanlarının sa ğlamlık testinin yapılmasıdır. Transistörlerin sa ğlamlık testi; statik ve dinamik test olmak üzere iki a şamada yapılabilir. Transistöre herhangi bir enerji uygulamadan bir ölçü aleti ile yapılan test işlemine statik test denir. Bu i şlemde transistörün jonksiyonlar arası direnci ölçülür. Dinamik test işlemi ise transistör devre üzerinde çalı şma halindeyken yapılır. Bu i şlemde transistör üzerinde olu şabilecek polarma gerilim ve akımlarının ölçümü yapılır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; 37• Bir transistörün multimetre ile statik testinin nasıl yapıldı ğını • Bir transistörde dinamik ölçümlerin nasıl yapılabilece ğini Ayrıntılı olarak ö ğreneceksiniz. Yaptı ğınız test i şlemleri sonucunda her hangi bir transistörde sa ğlamlık testinin nasıl yapılacağı, transistör tipinin (pnp veya npn) ve terminal ba ğlantılarının nasıl bulanaca ğını yetisini kazanacaksınız. Transistör’ün Statik Testi Sayısal veya analog bir multimetre kullanılarak herhangi bir transistörün sa ğlamlık testi yapılabilir. Test i şleminde sonucunda transistörün sa ğlam olup olmadı ğının yanı sıra transistör tipi (npn/pnp) ve transistör terminalleride (b,e,c) belirlenebilir. Npn veya pnp tipi bir transistörün test işleminde pratik bir çözüm, transistörü sırt sırta ba ğlı iki diyot gibi dü şünmektir. Test i şleminde bu durum bize kolaylık sa ğlar. NPN ve PNP tipi transistörlerin diyot e şde ğerleri şekil-4.21’de verilmi ştir. Bu durum sadece transistörü test etmemizde bize kolaylık sa ğlar. İki gerçek diyot, şekilde belirtildi ği gibi ba ğlanırsa transistör olamayaca ğı ve transistör gibi çalı şmayaca ğı özellikle bilinmelidir. a) npn tipi transistör ve diyot e şde ğeri b) pnp tipi transistör ve diyot e şde ğeri Şekil-4.21 Npn ve Pnp tipi transistörlerin sembolü ve diyot e şde ğerleri Transistörün diyot e şde ğer devresinden yararlanılarak sayısal bir multimetre ile test i şleminin nasıl yapılabilece ği şekil-4.22 yardımı ile anlatılacaktır. Test i şlemi için sayısal multimetre’nin diyot ölçme konumu kullanılır. Her bir a şamada transistörün sadece iki terminali arasındaki öngerilim ölçülür. Sa ğlam bir transistör’ün do ğru polarma altında terminalleri arasındaki öngerilim 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise bu değer multimetrenin pil gerilimidir. 38Şekil-4.22 üzerinde bir transistör için gerekli test aşamaları ve sonuçları adım adım gösterilmi ştir. Belirtilen adımları sıra ile izleyerek sonuç ve yorumları gözlemleyiniz. Şekil-4.22 npn tipi bir transistörün sayısal multimetre ile statik testi Test i şlemi, analog multimetre kullanılarak da yapılabilir. Multimetre ohm kademesine alınır. Transistörün jonksiyonları arasındaki direnç de ğerleri sıra ile ölçülür. Multimetre; Ters polarmada çok büyük direnç de ğeri, do ğru polarmada ise küçük bir direnç değeri göstermesi gerekir. Aksi durumlarda transistörün bozuk oldu ğu anla şılır. 39Transistörleri test etmek amacı ile çe şitli firmalarca geli ştirilmi ş hazır transistör test cihazları da (transistor tester) vardır. Şekil-4.23’de örnek olarak birkaç transistör test cihazı verilmi ştir. Her bir cihazın kullanımı kataloglarından öğrenilebilir. Şekil-4.23 Transistör test cihazları Transistör’ün Dinamik Testi Çalı şan herhangi bir devre veya cihaz üzerinde bulunan transistörler test edilebilir. Test i şleminde devre üzerindeki transistörün terminalleri arasındaki gerilimler ölçülür. Dolayısı ile ölçüm sisteminde enerji vardır. Bu tür test i şlemine dinamik test denir. Sa ğlıklı bir test i şlemi için bazı analizler yapılmalı veya bilinmelidir. Test i şleminde size pratiklik kazandırmak amacı ile şekil-4.24’de görülen basit bir transistörlü devre verilmi ştir. Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri 40Devrenin kısaca analizini yaparak elde edilen sonuçları şekil üzerinde gösterelim. Do ğru polarma altında çalı şan bir transistörde beyz-emiter gerilimi V BE her zaman; V BE = 0.7V de ğerinde olur. Transistörün di ğer polarma akım ve gerilimlerini bulalım. I C = ß (DC) • I B = (200) • (48 µA) = 9.6mA V C = V CC - (I C ·R C ) = 12V - (9.6mA · 680 ?) = 12 - 6.5V = 5.5V hesaplamalar sonucunda sa ğlam bir transistör üzerinde bulunan de ğerler şekil-4.24 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmi ştir. Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri Şekil-4.24’de verilen devrede veya herhangi bir transistörlü devrede olu şabilecek pek çok arıza çeşidi vardır. Transistörlü bir devrede olu şabilecek arıza, devrede yapılacak gerilim ölçmeleri sonucunda belirlenebilir. Şekil-4.25’de transistörlü bir devrede olası arızalar nedenleri ve ölçme sonuçları verilmi ştir. Dikkatlice inceleyiniz Not: Tüm ölçmeler şase (gnd) terminaline göre yapılmı ştır. 41 Test: Beyz-Emiter terminalinde birkaç µV, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmü ştür. Yorum: Transistörün beyz akımını almaktadır. Sonuç: R B direnci açık devre olmu ştur. B Çözüm: R B direnci de ği ştirilmelidir. B Test: Beyz-Emiter terminalinde 0.5V…0.7V, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmü ştür. Yorum: Transistör kesimdedir, kollektör akımı yoktur. Sonuç: Kollektör terminali içten açık devre olmu ştur Çözüm: Transistör bozuktur, de ği ştirilmelidir. Test: Beyz-Emiter terminalinde 0.5…0.7V, Kollektör de birkaç µV ölçülmü ştür. Yorum: Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç: R C direnci açık devre olmu ştur. Çözüm: R B direnci bozuktur, de ği ştirilmelidir. B Test: Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V,Emiterde 0V ölçülmü ştür. Yorum: Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç: Beyz terminali içten açık devre olmu ştur. Çözüm: Transistör bozuktur, de ği ştirilmelidir. 42 Test: Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V, emiterde 0V ölçülmüştür. Yorum: Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç: Emiter terminali içten açık devre olmu ştur. Çözüm: Transistör bozuktur, de ği ştirilmelidir. Test: Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V, Emiterde 0V ölçülmü ştür. Yorum: Transistörün iletime geçmemektedir. Sonuç: Emiter terminal- şase ba ğlantısı kopmu ştur. Çözüm: Ba ğlantı sa ğlanmalıdır. Şekil-4.25 Transistörlü bir devrede olu şabilecek olası arızalar ve nedenleri Herhangi bir transistörlü devrede olu şabilecek arızalar ve arıza tipleri yukarıda ayrıntıları ile verilmi ştir. Arıza aramada temel mantık transistör polarma gerilimlerinin ölçülüp yorumlanmasıdır. Normal ko şullarda çalı şan bir transistör de beyz-emiter geriliminin her zaman 0.7V civarında olaca ğı unutulmamalıdır. BÖLÜM ÖZET İ • Bipolar jonksiyon transistör BJT olarak bilinir ve üç katmandan olu şur. Katmanlarına i şlevlerinden ötürü Beyz (base), Emiter (emiter) ve Kolektör (collector) isimleri verilir. • Bipolar transistör iki adet pn biti şim yüzeyine (jonksiyona) sahiptir. Bu jonksiyonlara beyz-emiter ve beyz-kollektör jonksiyonaları adı verilir. • BJT içinde hem serbest elektronlar, hem de oyuklar akım ta şıyıcı olarak görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcü ğü kullanılır. 43• Bipolar transistörde beyz bölgesi; kolektör ve emiter bölgesine nazaran daha az katkılandırılmı ştır ve daha incedir. • Bipolar Jonksiyon transistörler npn ve pnp olmak üzere iki tipte üretilirler. • Transistör bir yükselteç elemanı olarak kullanıldı ğında; beyz-emiter jonksiyonu ileri yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalandırılır. • Transistörlerde 3 temel akım vardır. Bunlar; beyz akımı (I B ), kolektör akımı (I B C ) ve emiter akımı (I E ) olarak adlandırılır. • Transistörde beyz akımı, kolektör ve emiter akımına nazaran çok küçüktür. Fakat transistörün çalı şmasında çok etkindir. Beyz akımı, kolektör ve emiter akımlarını kontrol eder. • Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı beta akım kazancı olarak bilinir ve il dc olarak tanımlanırlar. ß DC de ğeri akım yükseltme katsayısıdır. Tipik ß DC de ğeri 20 ile birkaç 100 birim arasında olabilir. • Transistörde ß DC de ğeri kimi üretici firma kataloglarında H FE olarak tanımlanır ve verilirler. • Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı alfa akım kazancı olarak bilinir ve ? DC olarak tanımlanırlar. Tipik ? DC de ğeri 0.95 ile 0.99 arasındadır. • Transistör kesim ve doyum bölgelerinde elektronik bir anahtar gibi çalı ştırılabilir. • Kesimde çalı şan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalandırılmı ştır. Transistörün kollektör akımı yoktur. İdeal olarak kollektör-emiter jonksiyonu açık devredir ve açık bir anahtar gibi davranır. • Doyumda çalı şan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu do ğru yönde 44polarmalandırılmı ştır. Transistörün kolektör akımı maksimumdur. Kolektör-emiter jonksiyonu ideal olarak kısa devredir ve kapalı bir anahtar gibi davranır. • ß DC de ğeri çalı şma ortamı ısısından bir miktar etkilenir. ß DC de ğeri aynı tip transistörlerde farklı de ğerlerde olabilir. • Transistörler kendi aralarında sınıflandırılırlar. Transistörlerin kılıflarında metal, plastik, seramik v.b materyaller kullanılır. Transistör üretiminde yüzlerce farklı kılıf kullanılır. Bir transistörün sa ğlamlık testi statik veya dinamik olarak gerçekle ştirilebilir. Test i şleminde multimetre kullanılır. Ayrıca test i şlemi sonucunda bir transistorün tipi (npn / pnp) ve uçları (e / b / c) belirlenebilir. 45