Analog Bipolar ve Jonksiyon Transitörler 4 B İPOLAR JONKS İYON TRANS İSTÖR Üretilen ilk yarıiletken transistör ve bulan bilim adamları Konular: 4.1 Transistörün Yapısı 4.2 Transistörün Çalı şması 4.3 Transistör Karakteristikleri ve parametreleri 4.4 Transistörün anahtar olarak çalı şması 4.5 Transistörün Yükselteç olarak çalı şması 4.6 Transistörlerde kılıf tipleri B ÖLÜM 4 94 Elektronik 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 ilava ederek Triyot lambayı geli ştirdi. İzleyen yıllarda elektron lambalarındaki geli şmelere paralel olarak ilk radyo ve televizyon üretildi. 1931-1940 yılları katı maddeler elektroni ği hakkında daha ziyade teorik çalı şmalar devri olmu ştur. 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 ba şarıyla denendi. Bulunan bu yeni elemanın elektron lambalarına göre bir çok 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 sunulmu ştur. Günümüzde transistörler mikron teknolojisi ile üretilebilir hale gelmi ş ve tümdevrelerin (chip=Ic’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 yapıları 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 bölümde bipolar jonksiyon transistörlerin genel yapısını, özelliklerini ve çalı şmasını inceleyece ğiz. Çe şitli tip transistörlerin görünümleri ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 95 4.1 TRANS İSTÖRÜN YAPISI Transistörler, katı-hal "solid-state" devre elemanlarıdır. Transistör yapımında silisyum, germanyum yada uygun yarıiletken karı şımlar kullanılmaktadır. Bu bölümde; Bipolar Jonksiyon transistörlerin temel yapısını inceleyece ğiz. Transistör sözcüğü 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 temel yapısı şekil-4.1’de gösterilmi ştir. Substrate (taban) Kollektör Beyz Emiter Metal Kontaklar Oxide Şekil-4.1 Bipolar Jonksiyon transistörün yapısı BJT transistörler katkılandırılmı ş P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. NPN ve PNP olmak üzere ba şlıca 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. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 96 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. N P N C (Kollektör) E (Emiter) B (Beyz) Beyz-Kollektör Jonksiyonu Beyz-Emiter Jonksiyonu a) NPN tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembolü C (Kollektör) E (Emiter) B (Beyz) P N P C (Kollektör) E (Emiter) Beyz-Kollektör Jonksiyonu Beyz-Emiter Jonksiyonu b) PNP tipi Transistör fiziksel yapısı ve şematik sembol C (Kollektör) E (Emiter) B (Beyz) B (Beyz) Şekil-4.2 NPN ve PNP tipi transistörlerin fiziksel yapısı ve şematik sembolleri 4.2 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 ilekeleri, 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 özelli ği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalı ştırılır. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 97 Yükselteç olarak çalı ştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır. Şekil-4.3’de NPN ve PNP tipi transistörlerin yükselteç olarak çalı ştırılması için gerekli polarma gerilimleri ve bu gerilimlerin polariteleri verilmi ştir. NPN tipi bir transistörde; beyz-emiter jonksiyonu doğru 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. R R V BE V BC + - - + BE Do ğru Polarma BC Ters Polarma R R V BE V BC + - - + BE Do ğru Polarma BC Ters Polarma 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 maddeki (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 s ıfırlanacaktır. Çünkü geçi ş bölgesinin kalınlı ğı artacaktır. (Diyodun ters polarmadaki davranı şını hatırlayın). Azınlık ta şıyıcıları, beyz- kollektör jonksiyonundan VCB 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. V EB Ço ğunluk Akım Ta şıyıcıları NN P EC B Geçi ş Bölgesi V CB Azınlık Akım Ta şıyıcıları NN P EC B Geçi ş Bölgesi Şekil-4.4 NPN tipi transistör jonksiyonlarının do ğru ve ters polarmadaki davranı şları ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 98 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 gösterilmi ştir. Transistörün hangi jonksiyonlarına do ğru, hangilerime ters polarma uygulandı ğını şekil üzerindeki geçi ş bölgelerinin kalınlı ğına bakarak anlayabilirsiniz. V EB Az ınl ık Ak ım Ta şıyıcıla rı N N P EC B Geçi ş Bölgeleri I C Ço ğun luk Akım Ta şıyıcıla rı I E V CB I C0 I B 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) ula şmasını 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. Şekil-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. Ço ğunluk 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 olu şmaktadır. 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. B C E I I I + = 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. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 99 • 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. 4.3 TRANS 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; ßDC (dc akım kazancı) ve ?DC olarak tanımlanır. Bu bölümü bitirdi ğinizde; a şa ğıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • Transistörde dc beta ( ßDC) parametrelerinin tanıtımı • Transistörde dc alfa ( ?DC) parametrelerinin tanıtımı • ßDC ve ?DC parametrelerinin kar şıla ştırılmaları ve matematiksel analizleri • Transistör devrelerinde akım-gerilim ili şkileri • 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 VBB kayna ğı ile do ğru polarma uygulanmı ştır. Beyz-kollektör jonksiyonuna ise VCC kayna ğı ile ters polarma uygulanmı ştır. R C R B I C I E I B V BB V CC R C R B I C I E I B V BB V CC Şekil-4.7 NPN ve PNP transistörlerin polarmalandırılması Bir transistörün analizi yapılırken iki önemli parametresi vardır. Bunlar; ßDC akım kazancı ve ?DC akım kazancıdır. Bu parametreleri inceleyelim. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 100 DC 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. B C I I = ß ß akım kazancı bir transistör için tipik olarak 20-200 arasında olabilir. Bununla birlikte ß değeri 1000 civarında olan özel tip transistörlerde vardır. ß akım kazancı kimi kaynaklarda veya üretici kataloglarında hFE olarak da tanımlanır. FE h = ß Kollektör akımını yukarıdaki e şitlikten; B C I I · = ß olarak tanımlayabiliriz. Transistörde emiter akımı; IE=IC+IB idi. Bu ifadeyi yeniden düzenlersek; B B E I I I + · = ß ) 1 ( ß + = B E I I değeri elde edilir. Ortak beyzli ba ğlantıda akım kazancı olarak bilinen ? de ğeri; kollektör akımının emiter akımına oranı olarak tanımlanır. E C I I = ? Emiter 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; IE=IC+IB de ğerine e şitti. Bu e şitlikte e şitli ğin her iki tarafı IC’ye bölünürse; C B C E C B C C C E I I I I I I I I I I + = ? + = 1 ?DC=IC/IE ve ßDC=IC/IB oldu ğundan, yukarıdaki formüle yerle ştirilirse ß ? 1 1 1 + = değeri elde edilir. Buradan her iki akım kazancı arasındaki ili şki; ß ß ? + = 1 olarak belirlenir. Bir transistörde ? akım kazancı değeri yakla şık olarak sabit kabul edilir. Ancak ? akım kazancı değerinde çok küçük bir de ği şimin, ß akım kazancı de ğerinde çok büyük miktarlarda de ği şime neden olaca ğı yukarıdaki formülden görülmektedir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 101 Transistörlerde ß akım kazancı, gerçekte sabit bir de ğer de ğildir. De ğeri bir miktar transistörün çalı şma ısısına ba ğımlıdır. Örnek 4-1 Çözüm: Bir transistörün ß akım kazancı değeri 200’dür. Beyz akımının 75µA olması durumunda, kollektör akımı, emiter akımı ve ? akım kazancı de ğerlerini bulunuz. mA A I I I I B C B C DC 150 ) 75 200 ( = · = · = ? = µ ß ß mA A I I I I B B C E 75 . 150 75 ) 200 1 ( ) 1 ( = · + = · + = + = µ ß 99 . 0 200 1 200 1 = + = ? + = ? ß ß ? Transistörlerde ßDC akım kazancı sabit de ğildir. De ğeri bir miktar kollektör akımı ve sıcaklık de ği şimi ile orantılıdır. Transistör üreticileri kataloglarında belirli bir IC değeri ve sıcaklık altında olu şan ortalama ßDC değerini verirler. Ço ğu uygulamalarda transistörün IC değeri ve jonksiyon sıcaklı ğı sabit tutulsa dahi ßDC değeri de ği şebilir. Bu nedenle; üreticiler ürettikleri her bir transistör tipi için, ßDC akım kazancının minimum ve maksimum de ğerlerini verirler. Şekil-4.8’de sıcaklık ve kollektör akımındaki de ği şime ba ğlı olarak ßDC akım kazancındaki de ği şim örneklenmi ştir. Transistörle yapılan devre tasarımlarında ßDC de ğerindeki de ği şimler dikkate alınarak ß değerinden ba ğımsız uygulama devreleri geli ştirilmi ştir. I C (mA) Minimum akım kazancı ( ß DC ) 1.0 2.0 3.0 10 20 30 50 100 200 10 20 30 50 70 T=125 0 C T=25 0 C T=-15 0 C T=-55 0 C Şekil-4.8 Sıcaklık ve kollektör akımındaki de ği şime ba ğlı olarak ßDC’nin de ği şimi Transistörde Akım ve Gerilim İli şkileri 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 gösterilmiş ve adlandırılmı ştır. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 102 R C R B I C I E I B V BB V CC V CE V CB V BE + ++ _ _ _ I B : Beyz akımı (dc) 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) I.GÖZ II.GÖZ Şekil-4.9 Transistörde akım ve gerilimler Transistörün beyz-emiter jonksiyonu VBB gerilim kayna ğı ile do ğru yönde polarmalanmı ştır. Beyz-kollektör jonksiyonu ise VCC 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 yakla şık olarak 0.7V gerilim dü şümü olu şur. V V BE 7 . 0 ? Devrede I.Göz için K.G.K yazılırsa; BE B B BB V R I V + · = olur. Buradan beyz akımı çekilirse; B B BE BB R I V V · = - B BE BB B R V V I - = olarak bulunur. Buradan kollektör ve emiter akımlarını bulabiliriz. B C I I . ß = B C E I I I . + = RC direnci üzerine dü şen gerilim; C C C R R I V · = olur. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 103 Transistörün emiter-kollektör gerilimini bulmak için devredeki II.Göz’den yararlanırız. II.Göz için K.G.K yazılırsa; CE C C CC V R I V + · = ) ( ) ( C C C C CE R I V V · - = olarak bulunur. Örnek 4-2 Çözüm: R C R B V CE V CB V BE + ++ _ _ _ V CC 10 0 ? 10 K ? 10V 5V V BE =0.7V ß=200 Yanda verilen devrede; transistörün polarma akım ve gerilimlerini bulunuz? I B =?, I C =?, I E =? V BE =?, V CE =?, V CB =? BE B B BB V R I V + · = A K V V R V V I B BE BB B µ 430 10 7 . 0 5 = - = - = mA A I I I I B C B C DC 86 ) 430 200 ( = · = · = ? = µ ß ß 99 . 0 200 1 200 1 = + = ? + = ? ß ß ? CE C C CC V R I V + · = ) ( V mA V R I V V C C C C CE 4 . 3 ) 100 86 ( 12 ) ( = ? · - = · - = V CB gerilimini bulmak için çevre denklemlerinden yararlanılır. BE CB C C CC V V R I V + + · = ) ( BE C C CC CB V R I V V - · - = ) ( Volt V mA V CB 7 . 2 7 . 0 ) 100 86 ( 12 = - ? · - = ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 104 Transistörün Giri ş Karakteristi ği Karakteristik e ğri, herhangi bir elektriksel elemanda akım-gerilim ili şkisini 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 (VCE) parametre olarak alınır ve bu gerilime göre beyz akımı (IB) de ği ştirilir. Beyz akımındaki bu de ği şimin beyz-emiter gerilimine (VBE) etkisi ölçülür. Grafikten de görüldü ğü gibi transistörün giri ş karakteristi ği normal bir diyot karakteristi ği ile benzerlik gösterir. VBE 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 VBE=0.7V olarak kabul edilir. Beyz-emiter (VBE) gerilimi, sıcaklıktan bir miktar etkilenir. Örne ğin her 1 0 C’lik sıcaklık artımında VBE gerilimi yakla şık 2.3mV civarında azalır. R B R B V BE I B V BB V BE (V) I B (mA) 0 0.5 0.7 V CC T 1 >T 2 >T 3 T 1 T 2 T 3 Şekil-4.10 Transistörün giri ş karakteristi ğinin çıkarılması ve giri ş karakteristi ği Transistörün Çıkı ş Karakteristi ği Ttransistörlerde çıkı ş, genellikle kollektör-emiter uçları arasından alınır. Bu nedenle transistörün çıkı ş karakteristi ği; beyz akımındaki (IB) de ği şime ba ğlı olarak, kollektör akımı (IC) ve kollektör-emiter (VCE) gerilimindeki de ği şimi verir. Transistörün çıkı ş karakteristi ğini elde etmek için gerekli devre düzene ği ve transistörün çıkı ş karakteristik eğrileri şekil-4.11’de ayrıntılı olarak verilmi ştir. R B R C V CE I C V BB V CE (V) I C (mA) 00 . 7 V CC A B C I C I B Şekil-4.11 Transistörün çıkı ş karakteristiklerinin çıkarılması ve çıkı ş karakteristikleri ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 105 Devredeki VBB kayna ğı beyz akımını ayarlamada kullanılır. Bu kayna ğın olu şturdu ğu beyz akımı değerine ba ğlı olarak transistörün kollektör akımı deği şecektir. Karakteristik çıkarmak için farklı I B ve IC değerleri için VCE gerilimleri ölçülür ve kaydedilir. Ba şlangıçta VCC=0, IC=0 ve VCE=0 iken VBB’nin belirli bir IB de ğeri vermek üzere ayarlandı ğını kabul edelim. VCC geriliminin artırılmasıyla birlikte IC akımı dolayısıyla VCE artacaktır. Bu durum şekil-4.11’deki karakteristik üzerinde gösterilmi ştir (A-B noktaları arası). VCE 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. VCE gerilimi B noktasına ula ştı ğında değeri yakla şık olarak 0.7V civarındadır.Bu anda beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalanmaya ba şlar. Kollektör akımı I C= ß·IB ilişkisi ile gösterilen maksimum değerine ula şır. Bu noktadan sonra VCE gerilimine kar şılık IC de ğeri hemen hemen sabit kalmaya ba şlar. Bu durum karakteristikte B ve C noktaları arasında görülmektedir. Gerçekte ise artan VCE 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 eğrileri verilmi ştir. Transistörlerle yapılan devre tasarımlarında üretici firmanın verdi ği karakteristik eğrilerden yararlanılır. V CE (V) I C (mA) I B6 I B5 I B4 I B3 I B2 I B1 V CE (V) I C (mA) I B1 0) ve kollektör-emiter geriliminin 0V’dan büyük (VCE>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 VCE gerilimine ba ğımlıdır. Transistörün aktif bölgede nasıl çalı ştı ğı, transistörün çalı şması bölümünde ayrıntılı olarak incelenmi şti. Do ğrusal 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 görüldü ğü gibi transistörün beyz akımı I B=0 oldu ğunda, beyz- emiter gerilimi de VBE=0V olaca ğı için devrede kollektör akımı (IC) olu şmayacaktır. Bu durumda transistör kesimdedir. Kollektör-emiter jonksiyonları çok yüksek bir direnç değeri gösterir ve akım akmasına izin vermez. Transistörün kollektör-emiter gerilimi VCE, besleme gerilimi VCC de ğerine e şit olur. Kollektörden sadece IC0 ile belirtilen çok küçük bir akım akar. Bu akıma “sızıntı akımı” denir. Sızıntı akımı pek çok uygulamada ihmal edilebilir. R C V CC R B R C V BB V CC I C0 I B =0A CC CE V V ? I C C C CC CE R I V V · - ? + - + - I B 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 ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 107 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 VCE gerilimi azalacaktır. Çünkü IC akımının artması ile RC yük direnci üzerindeki gerilim dü şümü artacaktır. Kollektör-emiter gerilimi doyum de ğerine ula ştı ğında (VCE(DOY)) beyz-emiter jonksiyonu do ğru yönde polarmalanacaktır. Sonuçta IB değeri daha fazla yükselse bile IC akımı daha fazla artmayacaktır. Bu durumda transistördeki IC= ß·IB e şitli ği do ğrulu ğunu kaybedecektir. Doyum bölgesinde çalı şan bir transistörün kolektör-emiter gerilimi VCE yakla şık 0V civarındadır. Bu de ğer genellikle VCE(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 değerlerini; kollektör-beyz gerilimi (VCB(max)), emiter-beyz gerilimi (VBE(max)), kollektör- emiter gerilimi (VCE(max)), kollektör akımı (IC(max)) ve maksimum güç harcaması (PD(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 (VCE) ve kollektör akımına (IC) ba ğlıdır. A şa ğıdaki gibi formüle edilir. CE MAX D C V P I ) ( = V CE (V) I C (mA) V CE (max) I C (max) Ma ksimum güç sınırı Şekil-4.14 Transistörde maksimum sınır de ğerler ve güç sınırı Örnek: 4.3 Aktif bölgede çalı şan bir transistörün VCE gerilimi 8V ölçülmü ştür. Transistörün maksimum güç harcama sınırı 300mW verildi ğine göre, kollektör akımının maksimum değeri ne olmalıdır. Hesaplayınız ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 108 Çözüm: mA V mW V P I CE D C 5 37 8 300 . (max) = = = Örnek: 4.4 Çözüm: 1K ? R C V CC R B Şekildeki devrede transistörün maksimum sınır de ğerleri verilmi ştir. Transistörün zarar görmeden çalı ştırılabilece ği maksimum V CC gerilimi de ğeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? P D(MAX) =1W V CE(MAX) =20V I C(M AX) =100mA 33K ? V BB 5V ß DC =150 Transistörün VCE gerilimi de ğerini belirleyen faktörler; VCC, IC ve IB değerleridir. İlk etapta devredeki IB de ğerini belirleyelim. A K V V I R V V I V R I V B B BE BB B BE B B BB µ 130 33 7 0 5 = ? - = ? - = ? + · = . mA A I I I C B C 5 . 19 130 150 ? · = · = µ ß VCE geriliminin 20V olmasını sa ğlayan IC akımının de ğeri, IC(max) değerinden küçüktür. IC akımını belirleyen bir di ğer faktör ise VCC gerilimidir. Bu gerilimin olması gereken değerini bulalım. V V V K mA V V R I V CC CC CE C C CC 5 . 39 20 1 5 . 19 = + ? · = + · = Buradan transistörün maksimum güç şartlarında çalı şabilmesi için VCC geriliminin alabilece ği de ğeri belirledik. Şimdi transistörde harcanabilecek maksimum gücü bulalım. mW P mA V P I V P D D C MAX CE D 390 5 19 20 = · = ? · = . ) ( Transistörde harcanabilecek toplam güç, 390mW bulunmu ştur. Bu de ğer transistörün sınır güç de ğerinden (1W) küçüktür. 39.5V’luk VCC besleme geriliminde güvenli bir çalı şma ortamı sa ğlanmı ştır. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 109 4.4 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 (cutoff) 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. R C R B +V CC 0V I B =0 I C =0 R C C C E E +V CC a) Transistör kesimde -Anahtar AÇIK R C R B +V CC +V BB I B I C R C C C E E +V CC 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. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 110 Transistör kesimdeyken; Beyz-emiter jonksiyonu iletim yönünde polarmalanmamı ştır. Dolayısıyla transistörün kollektör-emiter gerilimi; C C CC CE R I V V · - = değerine e şittir. Bu de ğer aynı zamanda transistörün çıkı ş gerilimidir. Transistör kesimdeyken IC=0 oldu ğunu biliyoruz. Çünkü transistörün kollektör-emiter arası açık devredir. Bu durumda; CC KESIM CE V V = ) ( olur. Bu gerilim, transistörün kollektör-emiter arasında görülebilecek maksimum değerdir ve yakla şık olarak transistörün besleme gerilimi VCC de ğerine e şittir. Transistör doyumdayken; Kollektör akımı maksimum de ğerine ula şmaktadır. Kollektör-emiter gerilimi ise ideal olarak dü şünülürse VCE=0V olmaktadır. Bu durumda transistörün kollektör akımı; C C DOYUM CE CC R I V V · + = ) ( C CC DOYUM C R V I = ) ( değerine e şit olur. Bu de ğerden hareketle transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum de ğeri belirlenebilir. ß C B I I = (min) Örnek 4.5 Çözüm: 1K ? R C V O V CC =+12V R B Şekildeki devrede transistör anahtarlama amacı ile kullanılmaktadır. a) V B =0V oldu ğunda V 0 de ğerini bulunuz? b) Transistörü doyumda tutacak minimum beyz akımını bulunuz? c) V B =6V oldu ğunda transistörü doyumda tutacak R B de ğerini bulunuz? ?=150 a) VB=0V oldu ğunda transistör kesimdedir. Kollektör akımı I C=0A olur. Dolayısıyla transistörün V0 gerilimi; V V V V CC CE 12 0 + = = = b) Transistör doyumda oldu ğunda; VCE(DOYUM)=0V olacaktır. Buradan IC akımını bulalım. CE C C CC V R I V + · = ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 111 mA K V R V I C CC DOYUM C 12 1 12 = = = ) ( olacaktır. Buradan transistörü doyumda tutacak beyz akımının minimum de ğerini buluruz. A mA I I DOYUM C MIN B µ ß 80 150 12 = = = ) ( ) ( 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 olması değerini bulalım. Transistör iletime girdi ğinde, beyz- emiter gerilimi VBE=0.7V olacaktır. Dolayısıyla devreden RB de ğerini bulabiliriz. BE B B B V R I V + · = ? = - = - = K A V V I V V R B BE B B 2 66 80 7 0 6 . . µ 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. Giri ş i şareti +V değerine ula ştı ğında ise transistör iletime geçerek LED yanacaktır. R C +V CC R B 0V +V +V CC =12V R B RO LE 12 V/10 0mA a) Transistörün anahtar olarak çalı şması b) Transistörle role kontrol 150 = ß BC547 V BE =0.6V 5V Şekil-4.15.a ve b Transistörün anahtar olarak kullanılması ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 112 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 gösterilmi ştir. Örnek: 4.6 Çözüm: Şekil-4-15.b’de verilen devrede tümdevre çıkı şı +5V oldu ğunda rolenin kontaklarını çekmesi istenmektedir. Tümdevre çıkı şının izin verdi ği akım miktarı 10mA’dir. RB direncinin de ğeri ne olmalıdır? Hesaplayınız? Rolenin kontaklarını çekebilmesi için gerekli minimum akım de ğeri 100mA’dir. Dolayısıyla transistörün kolektöründen akacak IC akımı değeri 100mA’dir. Buradan IB akımının olması gereken de ğerini bulabiliriz. mA mA ß I I C B 6 . 0 = 150 100 = = Bulunan bu de ğer; transistörü doyumda tutmak için gereken beyz akımının minimum de ğerdir. Şimdi bu akımı akıtacak RB değerini bulalım. Devreden; BE B B V R I V + = 5 + ? 3 . 7 = 6 . 0 6 . 0 5 = = K mA V V I V V R B BE B B - - 4.5 TRANS İSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALI ŞMASI Transistörlerin çok popüler bir di ğer uygulama alanı ise yükselteç (amplifier) devresi tasarımıdır. Yükseltme (amplifikasyon) i şlemi, transistöre uygulanan her hangi bir i şaretin genli ğinin veya gücünün do ğrusal olarak kuvvetlendirilmesi (yükseltilmesi) i şlemidir. Yükselteç olarak tasarlanacak bir 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 i şlevi, giri şine uygulanan i şareti yükselterek (kuvvetlendirerek) çıkı şına aktarmasıdır. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 113 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 R C +V CC R B V BB V out V in 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 şdeğer 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 şdeğer devrelerden yararlanılır. Şekil-4.17’a.da transistörlü temel bir yükselteç devresi verilmi ştir. Aynı devrenin ac e şdeğeri devresi ise şekil-4.17.b’de görülmektedir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 114 R C +V CC R B V BB V out V in V in V out R C R B V o V in V g 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 şdeğer 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 AV, Akım kazancı için AI ve güç kazancı için AP sembolleri kullanılır. Örne ğin şekil-4.17’de görülen yükselteç devresinin gerilim kazancı AV; g V V V A 0 = 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 sunulmu ştur. 4.6 TRANS İSTÖRLERDE KODLAMA VE KILIF T İPLER İ Günümüzde pek çok farklı k ılıf 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 uluslarası standart kodlama • Transistörlerde üretim kategorileri hakkında temel bilgiler elde edeceksiniz. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 115 Uluslararası bir çok 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 bir çok 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. Bir çok 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) 3. 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. IKINCI 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... BU: 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... ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 116 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 MPF... : 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 gerçekle ştir. 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. Genel 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. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 117 TO-92 veya TO-226AA C B E B C EE C B E TO-92 veya TO-226AE SOT-23 veya TO-236AB B C E C B 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 ba ğlantılarına 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. B C E B C E TO-39 veya TO-205AD TO-18 veya TO-206AA E B C B C E TO-46 veya TO-206AB TO-52 veya TO-206AC B C E B C E TO-72 veya TO-206AF B C E C B E G G=GÖV DE TO-5 Şekil-4.18 Genel amaçlı alçak sinyal metal transistör kılıfları ve terminal isimleri Güç (power) Transistörleri: Güç (power) transistörleri yüksek akım ve gerilim de ğerlerinde 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 edilmi ştir. Şekil-4.19’da yaygın olarak kullanılan bazı güç transistörlerinin kılıf kodları ve terminal ba ğlantıları verilmi ştir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 118 TO-126 ve TO-225AA TO-218 TO-218AC TO-220AB SMD T İP İ TO-66 TO-3 veya TO204AE B C E E C B B C E E C B C C C C BE GÖVDE C GÖVDE C Şekil-4.19 Bazı güç transistörlerinin kılıf tipleri ve terminal ba ğlantıları Radyo Frekans (RF) Transistörleri: 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 ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 119 4.7 TRANS İSTÖR VER İ SAYFALARI Üretici firmalar ürettikleri her bir transistör tipi için standart ve maksimum çalı şma karakteristiklerini veri kitapçıklarında tasarımcının kullanımına sunarlar. Bu bölümde üretici firmanın üretti ği bir transistör için veri kitapçı ğında kullanıcıya sundu ğu katalog bilgileri örnek olarak sizlere verilecektir. 4.8 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 yapılan test ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 120 i şlemine statik test denir. Bu i şlemde transistörün jonksiyonlar arası direnci ölçülür. Dinamik test i şlemi 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; • 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 yapılaca ğı, 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 s ıra transistör tipi (npn/pnp) ve transistör terminalleride (b,e,c) belirlenebilir. Npn veya pnp tipi bir transistörün test i şleminde 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 şdeğerleri 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. B C E C E B n p B C E n a) npn tipi transistör ve diyot e şde ğeri Sembolü Yapısı Diyot e şde ğeri B C E C E B p n B C E p a) npn tipi transistör ve diyot e şde ğeri Sembolü Yapısı Diyot e şde ğeri Şekil-4.21 Npn ve Pnp tipi transistörlerin sembolü ve diyot e şde ğerleri Transistörün diyot e şdeğer 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 ögerlim 0.7V civarındadır. Ters polarma altında ise bu de ğer multimetrenin pil gerilimidir. Şekil-4.22 üzerinde bir transistör için gerekli test a şamaları ve sonuçları adım adım gösterilmi ştir. Belirtilen adımları sıra ile izleyerek sonuç ve yorumları gözlemleyiniz. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 121 EBC off ? COMV ? mA A V 0.70 a) E-B jonksiyonu do ğru polarma Sonuç: Do ğru de ğer EBC off ? COM V ? mA A V 0.70 b) B-C jonksiyonu do ğru polarma Sonuç: Do ğru de ğer EBC off ? COM V ? mA A V 1 .20 c) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Do ğru de ğer EBC off ? COMV ? mA A V 1 .20 d) E-B jonksiyonu ters polarma Sonuç: Do ğru De ğer EBC off ? COM V ? mA A V 1 .20 e) B-C jonksiyonu ters polarma Sonuç: Do ğru de ğer EBC off ? COM V ? mA A V 1 .20 f) E-C jonksiyonu testi Sonuç: Do ğru de ğer EBC off ? COMV ? mA A V 1 .20 g) E-B jonksiyonu do ğru polarma Sonuç: E-B Bozuk açık devre EBC off ? COMV ? mA A V 0.00 h) B-C jonksiyonu do ğru polarma Sonuç: E-B Bozuk kısa devre EBC off ? COMV ? mA A V 1 .20 i) B-C jonksiyonu do ğru polarma Sonuç: B-C Bozuk açık devre 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 de ğeri göstermesi gerekir. Aksi durumlarda transistörün bozuk oldu ğu anla şılır. Transistörleri 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 ö ğrenilebilir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 122 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. R C +V CC =12V R B V BB =+3V 680 ? 47K ? BC108 ß (DC) =h FE =200 V C V BE Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri Devrenin kısaca analizini yaparak elde edilen sonuçları şekil üzerinde gösterelim. Do ğru polarma altında çalı şan bir transistörde beyz-emiter gerilimi VBE her zaman; V V BE 7 . 0 = değerinde olur. Transistörün diğer polarma akım ve gerilimlerini bulalım. A µ K V K V V R V V I B BE BB B 48 ? 47 3 . 2 ? 47 7 . 0 3 = = - = - = mA A µ I ß I B DC C 6 . 9 ) 48 ( ) 200 ( ) ( = · = · = ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 123 V V mA V R I V V C C CC C 5 . 5 5 . 6 12 ) ? 680 6 . 9 ( 12 ) ( = - = · - = · - = hesaplamalar sonucunda sa ğlam bir transistör üzerinde bulunan de ğerler şekil-4.24 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. 5.5v R C +12V +3V 680 ? 47K ? BC108 ß (DC) =h FE =200 0.7v R B Şekil-4.24 Transistörlü devre ve polarma gerilimleri Şekil-4.24’de verilen devrede veya herhangi bir transistörlü devrede olu şabilecek pek çok arıza çe şidi 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. 1 2v R C +12V +3V 680 ? 47K ? BC108 µv R B Test : Beyz-Emiter terminalinde birkaç µV, Kollektör terminalinde ise 12 ölçülmü ştür. Yorum : Transistörün beyz akımını alamaktadır. Sonuç : R B direnci açık devre olmu ştur. Çözüm : R B direnci de ği ştirilmelidir. 1 2v R C +12V +3V 680 ? 47K ? BC108 0.5..0.7v R B Açık Devre 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.. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 124 µv R C +12V R B +3V 47K ? BC108 05...0.7v Açık Devre 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 ğiştirilmelidir. 1 2v +12V R B +3V 47K ? BC108 3v Açık Devre 0v R C 680 ? Test : Beyz-Emiter terminalinde 3V, Kollektörde 12V, emiterde 0V ölçülmü ştür. Yorum : Transistörün kollektör akımı yoktur. Sonuç : Emiter terminali içten açık devre olmu ştur. Çözüm : Transistör bozuktur, de ğiştirilmelidir. 1 2v +12V R B +3V 47K ? BC108 3v Açık Devre 0v R C 680 ? 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 ğiştirilmelidir. 1 2v +12V R B +3V 47K ? BC108 3v 2.5v R C 680 ? Açık Devre 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. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 125 4.9 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) sözcüğü kullanılır. • 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 (IB), kolektör akımı (IC) ve emiter akımı (IE) 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 ak ım kazancı olarak bilinir ve ßDC olarak tanımlanırlar. ßDC değeri akım yükseltme katsayısıdır. Tipik ßDC değeri 20 ile birkaç 100 birim arasında olabilir. • Transistörde ßDC değeri kimi üretici firma kataloglarında HFE 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 polarmalan- dırılmı 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 polarma- landırılmı ştır. Transistörün kolektör akımı maksimumdur. Kolektör-emiter jonksiyonu ideal olarak kısa devredir ve kapalı bir anahtar gibi davranır. • ßDC değeri çalı şma ortamı ısısından bir miktar etkilenir. ßDC değeri 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. Testi şleminde multimetre kullanılır. Ayrıca test i şlemi sonucunda bir transistörüntipi(npn/pnp) ve uçları (e/b/c) belirlenebilir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan