Genel Temel Elektronik 1 Temel Elektronik Devre Elemanları ve Çalı şma İlkeleri Derleyen: Dr. Tayfun Demirtürk E-mail: tdemirturk@pau.edu.tr 2 Yarı İletkenli Elektronik Devre Elemanları 1 - Diyot: Diyot tek yöne elektrik akımını ileten bir devre elemanıdır. Diyotun P kutbuna "Anot", N kutbuna da "Katot" adı verilir. Genellikle AC akımı DC akıma dönü ştürmek için Do ğrultmaç devrelerinde kullanılır. Diyot N tipi madde ile P tipi maddenin birle şiminden olu şur. Bu maddeler ilk birle ştirildi ğinde P tipi maddedeki oyuklarla N tipi maddedeki elektronlar iki maddenin birle şim noktasında bulu şarak birbirlerini nötrlerler ve burada "Nötr" bir bölge olu şturulur. Yandaki şekilde Nötr bölgeyi görebilirsiniz. Bu nötr bölge, kalan di ğer elektron ve oyukların birle şmesine engel olur. Yandaki şekilde diyotun sembolünü görebilirsiniz. Şimdide diyotun do ğru ve ters polarmalara kar şı tepkilerini inceleyelim. Diyot Çe şitleri • Kristal Diyot • Zener Diyot • Tünel Diyot • I şık Yayan Diyot (Led) • Foto Diyot • Ayarlanabilir Kapasiteli Diyot (Varaktör - Varikap) 3 Di ğer Diyotlar • Mikrodalga Diyotları • Gunn Diyotları • Impatt (Avalan ş) Diyot • Baritt (Schottky) Diyot • Ani Toparlanmalı Diyot • Pin Diyot • Büyük Güçlü Diyotlar Diyodun Temel Yapısı Diyot Nedir? Diyotlar, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Di ğer bir deyimle, bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır. Direncin küçük oldu ğu yöne "do ğru yön" ,büyük oldu ğu yöne "ters yön" denir. Diyot sembolü, a şa ğıda görüldü ğü gibi, akım geçi ş yönünü gösteren bir ok şeklindedir. Diyot Sembolü: Ayrıca, diyodun uçları pozitif (+) ve negatif (-) i şaretleri ile de belirlenir. "+" ucu anot, "-" uca katot denir. Diyodun anaduna, gerilim kayna ğının pozitif (+) kutbu, katoduna kayna ğın negatif (-) kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandı ğında diyot iletime geçer. Diyodun kullanım alanları: Diyotlardan, elektrik alanında redresör (do ğrultucu), elektronikte ise; do ğrultucu, detektör, modülatör, limitör, anahtar olarak çe şitli amaçlar için yararlanılmaktadır. 4 Diyotların Gruplandırılması: Diyotlar ba şlıca üç ana gruba ayrılır: • Lamba diyotlar • Metal diyotlar • Yarı iletken diyotlar Do ğru Polarma: Anot ucuna güç kayna ğının pozitif (+) kutbu katot ucunada güç kayna ğının negatif (-) kutbu ba ğlandı ğında P tipi maddedeki oyuklar güç kayna ğının pozitif (+) kutbu tarafından, N tipi maddedeki elektronlar da güç kayna ğının negatif (-) kutbu tarafından itilirler. Bu sayede aradaki nötr bölge yıkılmı ş olur ve kayna ğın negatif (-) kutbunda pozitif (+) kutbuna do ğru bir elektron akı şı ba şlar. Yani diyot iletime geçmi ştir. Fakat diyot nötr bölümü a şmak için diyot üzerinde 0.6 Voltluk bir gerilim dü şümü meydana gelir. Bu gerilim dü şümü Silisyumlu diyotlarda 0.6 Volt, Germanyum diyotlarda ise 0.2 Volttur. Bu gerilime diyotun "E şik Gerilimi" adı verilir. Birde diyot üzerinde fazla akım geçirildi ğinde diyot zarar görüp bozulabilir. Diyot üzerinden geçen akımın dü şürülmesi için devreye bir seri direnç ba ğlanmı ştır. İdeal diyotta bu gerilim dü şümü ve sızıntı akımı yoktur. 5 Ters Polarma: Diyotun katot ucuna güç kayna ğının pozitif (+) kutbu, anot ucuna da güç kayna ğının negatif (-) kutbu ba ğlandı ğında ise N tipi maddedeki elektronlar güç kayna ğının negatif (-) kutbu tarafından, P tipi maddedeki oyuklarda güç kayna ğının pozitif (+) kutbu tarafında çekilirler. Bu durumda ortadaki nötr bölge geni şler, yani diyot yalıtıma geçmi ş olur. Fakat Azınlık Ta şıyıcılar bölümündede anlattı ğımız gibi diyota ters gerilim uygulandı ğında diyot yalıtımda iken çok küçük derecede bir akım geçer. Bunada "Sızıntı Akımı" adı verilir. Bu istenmeyen bir durumdur. 2 - Zener Diyot: Zener diyotlar normal diyotların delinme gerilimi noktansından faydalanılarak yapılmı ştır. Zener diyot do ğru polarmada normal diyot gibi çalı şır. Ters polarmada ise zener diyota uygulanan gerilim "Zener Voltajı" 'nın altında ise zener yalıtıma geçer. Fakat bu voltajın üzerine çıkıldı ğında zener diyotun üzerine dü şen gerilim zener voltajında sabit kalır. Üzerinden 6 geçen akım de ği şken olabilir. Zenerden arta kalan gerilim ise zenere seri ba ğlı olan direncin üzerine dü şer. Üretici firmalar 2 volttan 200 volt de ğerine kadar zener diyot üretirler. Zener diyotlar voltajı belli bir de ğerde sabit tutmak için yani regüle devrelerinde kullanılır. Yan tarafta zener diyotun simgesi, dı ş görünü şü ve ters polarmaya kar şı tepkisi görülmektedir. Zener Diyot ve Karakteristi ği Zener diyot jonksiyon diyodun özel bir tipidir. Zener Diyodunun Özellikleri: • Do ğru polarmalı halde normal bir diyot gibi çalı şır ( Şekil 3.14). • Ters polarmalı halde, belirli bir gerilimden sonra iletime geçer. Bu gerilime zener dizi gerilimi, veya daha kısa olarak zener gerilimi denir ( Şekil 3.14- V Z ). • Ters gerilim kalkınca, zener diyotta normal haline döner. • Devrelerde, ters yönde çalı şacak şekilde kullanılır. • Bir zener diyot zener gerilimi ile anılır. Örn: "30V 'luk zener" denildi ğinde, 30V 'luk ters gerilimde çalı şmaya ba şlayan zener diyot demektir. ( Şekil 3.14). • Silikon yapılıdır. • Zener diyot, ters yön çalı şması sırasında olu şacak olan a şırı akımdan dolayı bozulabilir. Bu durumu önlemek için devresine daima seri bir koruyucu direnç ba ğlanır ( Şekil 3.16- R S ). Her zaman zener diyodun katalo ğunda şu bilgiler bulunur: • Gücü • Ters yön gerilimi(V Z ), • Maksimum ters yön akımı(I ZM ), • Ters yöndeki maksimum kaçak akımı, • Maksimum direnci • Sıcaklık sabiti. • Şu limit de ğerlerde çalı şan zener diyotlar üretilmektedir: • Maksimum zener akımı (I ZM ): 12A 7 • Zener gerilimi (V Z ): 2 - 200V arası • Maksimum gücü: 100Watt • Maksimum ters yön kaçak akımı: 150µA (mikro amper) • Maksimum çalı şma sıcaklı ğı: 175°C. • Çalı şma ortamı sıcaklı ğı arttıkça zener gerilim küçülür. Zener geriliminin ayarı: Zener gerilimin ayarı birle şme yüzeyinin iki tarafında olu şan bo şluk bölgesinin (nötr bölge) geni şli ğinin ayarlanması yoluyla sa ğlanmaktadır. Bunun içinde çok saf silikon kristal kullanılmakta ve katkı maddesi miktarı de ği ştirilmektedir. Bo şluk bölgesi daraldıkça zener diyot daha küçük ters gerilimde iletime geçmektedir. Şekil 3.14 - Zener diyot karakteristik e ğrisi Zener gücünün ayarı: Zener gücü, birle şme yüzeyinin büyüklü ğüne ve diyodun üretiminde kullanılan silikonun saflık derecesiyle, katkı maddesinin miktarına ba ğlıdır. Ayrıca diyot ısındıkça gücüde dü şece ğinden, 8 so ğutulmasıyla ilgili önlemlerin alınması da gerekir. Zener Diyodun Kullanım Alanları: 1 - Kırpma Devresinde: Şekil 3.15 'de görüldü ğü gibi iki zener diyot ters bağlandı ğında basit ve etkili bir kırpma devresi elde edilir. Örne ğin: Devre giri şine tepe değeri 10V olan bir AC gerilim uygulansın ve kırpma i şlemi için, zener gerilimi 5V olan iki Z 1 , Z 2 zener diyodu kullanılsın. Şekil 3.15 - İki zener diyotlu tam dalga kırpma devresi • AC gerilimin pozitif alternansı ba şlangıcında Z 1 zeneri do ğru polarmalı ve iletimde, Z 2 zeneri ise ters polarmalı ve kesimde olacaktır. • Giri ş gerilimi +5V 'a ula ştı ğında Z2 'de iletime geçer ve dolayısıyla da çıkı ş uçları arasında +5V olu şur. Keza, R direnci üzerindeki gerilim dü şümü de 5V 'tur. • AC gerilimin di ğer alternansında da Z1 ters polarmalı hale gelir ve bu defa da çıkı şta tepesi kırpılmı ş 5V 'luk negatif alternans oluşur. • R direnci, devreden akacak akımın Zener diyotları bozmayacak bir de ğerde kalmasını sa ğlayacak ve 5V 'luk gerilim dü şümü olu şturacak şekilde seçilmi ştir. 2 - Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması: Zener diyottan, ço ğunlukla, DC devrelerdeki gerilim regülasyonu için yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir de ğerde sabit tutulmasıdır. Bunun için zener 9 diyot, şekil 3.16 'da görüldü ğü gibi, gerilimi sabit tutmak istenen devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak ba ğlanır. Diyot uçlarına gelen gerilim, zener de ğerine ula ştı ğında diyot iletime geçer ve uçları arasındaki gerilim sabit kalır. Örnek: Şekil 3.16 'da verilmi ş olan devrede RL yük direnci uçları arasındaki VL gerilimi 6.2V 'ta sabit tutulmak istensin. Bunu sa ğlamak için, şekilde görüldü ğü gibi RL 'e paralel ba ğlı zener diyodun ve seri ba ğlı bir RS direncinin seçimi gerekir. Ayrıca, bir de C kondansatörünün paralel ba ğlanmasında yarar vardır. Bu kondansatör, gerilim dalgalanmalarını ve ba şka devrelerden gelebilecek parazit gerilimlerini önleyici görev yapar. De ğeri, devre geriliminin büyüklü ğüne göre, hesaplanır. Şekildeki bir devre için 30V - 1000µF 'lık bir kondansatör uygundur. Burada birinci derecede önemli olan, R S direnci ile zener diyodun seçimidir. Şekil 3.16 - Zener diyodun gerilim regülatörü olarak kullanılması Seri R S direncinin seçimi: Önce R S direncine karar vermek gerekir; Kaynak gerilimi: E=V=9V Yük direnci ve uçları arasındaki gerilim: RL=33 Ohm, VL=6.2V Bu durumda, zener diyot dikkate alınmadan, VL=6.2V 'u olu şturabilmek için kaç ohm 'luk bir 10 R S direncinin gerekti ği hesaplanmalıdır. E=I L *R S +V L ve I L =V L /R L 'dir. Birinci formüldeki I L yerine, ikinci formüldeki e şitini yazıp, de ğerler yerine konulursa: 9=6,2/33*R S +6,2 olur. Buradan R S çözülürse: R S =(9-6,2)33/6,2 'den, R S =14.9 = 15 (ohm) olarak bulunur. R S =15 Ohm 'luk direnç ba ğlandı ğında, "E" gerilimi 9V 'ta sabit kaldı ğı sürece R L yük direnci uçları arasında sürekli olarak 6.2V olu şacaktır. "E" geriliminin büyümesi halinde, A-B noktaları arasındaki V A-B gerilimi de 6.2V 'u a şaca ğından, 6.2V 'luk bir ZENER diyot kullanıldı ğında, R L uçları arasındaki gerilim sabit kalacaktır. Ancak, yalnızca gerilime göre karar vermek yeterli de ğildir. Bu durumda nasıl bir zener diyot kullanılmalıdır? Zener diyodun seçimi: Zener gerilimi 6.2V olan bir zener diyot R L direncine paralel ba ğlandı ğında V L =6.2V 'ta sabit kalır. Ancak, E giri ş geriliminin büyümesi sırasında zener diyottan akacak olan akımın, diyodun dayanabilece ği "maksimum ters yön zener akımından" (I ZM ) büyük olması gerekir. Zener diyot buna göre seçilmelidir. 6.2V 'luk olup ta de ği şik I ZM akımlı olan zener diyotlar vardır. Örne ğin: A şa ğıdaki tabloda, bir firma tarafından üretilen, 6.2V 'luk zenerlere ait I ZM akımı ve güç de ğerleri verilmi ştir. Zener Maksimum akımı (I ZM ) (mA) 33 60 146 1460 7300 Zener Gücü (W) 0.25 0.4 1 10 50 Bu zenerler den hangisinin seçilece ğine karar vermeden önce yük direncinden geçecek akımı bilmek gerekir: Şekil 3.16 'daki devrenin yük direncinden geçen akım a şa ğıdaki gibi olur. I L =V L /R L = 6.2/33 = 0.188A = 188mA 11 E geriliminin büyümesi halinde olu şacak devre akımının 188mA 'in üstündeki miktarı zener diyottan akacaktır. Örne ğin: E geriliminin ula ştı ğı maksimum gerilim; E = 12.2V olsun. Zener diyottan geçecek olan akımın de ğeri şu olacaktır: Kirchoff kanununa göre: 12.2 = I t *R S +6.2 (I t devreden akan toplam akımdır.) R S = 15 yerine konarak I t çözülürse; I t = 1.22-6.2/15 = 6/15 'den I t = 0,4A = 400mA olur. Bu 400mA 'den 188mA 'i R L yük direncinden geçece ğine göre; Zener diyottan geçecek olan I Z akımı: I Z = 400-188 = 212mA 'dir. Bu de ğer, yukarıdaki tabloya göre: 10W 'lık zenerin maksimum akımı olan 1460mA 'den küçük, 1W 'lık zenerin maksimum akımı olan 146mA 'den büyüktür. Böyle bir durumda 10W 'lık zener kullanılacaktır. Aslında, 212mA 'lik zener için 1460mA 'lik zener kullanmakta do ğru de ğildir. Daha uygun bir zener seçimi için ba şka üretici listelerine de bakmak gerekir. 3 - Ölçü Aletlerinin Korunmasında Zener Diyot Döner çerçeveli ölçü aletlerinin korunmasında, zener diyot şekil 3.17 'deki gibi paralel ba ğlanır. Bu halde zener gerilimi, voltmetre skalasının son de ğerine e şittir. Ölçülen gerilim zener gerilimini a şınca diyot ters yönde iletken hale geçerek ölçü aletinin zarar görmesini engeller. Ayar olana ğı sa ğlamak için birde potansiyometre kullanılabilir. Şekil 3.17 - Döner çerçeveli ölçü aletinin zener diyot ile korunması 12 4 - Rölenin Belirli Bir Gerilimde Çalı ştırılmasında Zener Diyot Şekil 3.18 'deki gibi zener diyot, röleye seri ve ters yönde ba ğlanmı ştır. Röle, ancak uygulanan gerilimin, Zener gerilimi ile röle üzerinde olu şacak gerilim dü şümü toplamını a şmasından sonra çalı şmaktadır. Şekil 3.18 - Ancak zener gerilimi üstünde çalı şabilen röle devresi 3 - Tünel Diyot: Saf silisyum ve Germanyum maddelerine daha fazla katkı maddesi katılarak Tünel diyotlar imal edilmektedir. Tünel diyotlar ters polarma altında çalı şırlar. Üzerine uygulanan gerilim belli bir seviyeye ula şana kadar akım seviyesi artarak ilerler. Gerilim belli bir seviyeye ula ştıktan sonrada üzerinden geçen akımda dü şü ş görülür. Tünel diyotlar bu dü şü ş gösterdi ği bölge içinde kullanılırlar. Tünel diyotlar yüksek frekanslı devrelerde ve osilatörlerde kullanılır. Yan tarafta tünel diyotun sembolü ve dı ş görünü şü görülmektedir. Tünel Diyot ve Karakteristi ği Tünel diyotlar, özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, esaslarını 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" da denmektedir. 13 Yapısı: P-N birle şme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yo ğun bir elektron geçi şi sa ğlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz 'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır. Şekil 3.19 - Tünel diyodun karakteristik e ğrisi. Çalı şması: Şekil 3.19 'da da görüldü ğü gibi, tünel diyoda uygulanan gerilim V t1 de ğerine gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artıyor. Gerilim büyümeye devam edince, akım A noktasındaki I t de ğerinden dü şmeye ba şlıyor. Gerilim büyümeye devam ettikçe, akım B noktasında bir müddet I V de ğerinde sabit kalıp sonra C noktasına do ğru artıyor. C noktası gerilimi V t2 , akımı yine I t 'dir. Bu akıma "Tepe de ğeri akımı" denilmektedir. Gerilimi, V t2 de ğerinden daha fazla arttırmamak gerekir. Aksi halde geçen akım, I t tepe de ğeri akımını a şaca ğından diyot bozulacaktır. I = f(V) e ğrisinin A-B noktaları arasındaki e ğimi negatif olup, -1/R ile ifade edilmekte ve diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olmaktadır. Tünel diyot A-B bölgesinde çalı ştırılarak negatif direnç özelli ğinden yararlanılır. Tünel Diyodun Üstünlükleri: • Çok yüksek frekansta çalı şabilir. • Güç sarfiyatı çok dü şüktür. 1mW 'ı geçmemektedir. 14 Tünel Diyodun Dezavantajları: • Stabil de ğildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur. • Arzu edilmeyen i şaretlere de kaynaklık yapmaktadır. Tünel Diyodun Kullanım Alanları: Yükselteç Olarak Kullanılması: Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir ba ğlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandı ğı devredeki gücün yükselmesini sa ğlamaktadır. Osilatör Olarak Kullanılması: Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir. Bir tünel diyot ile osilasyon sa ğlayabilmek için negatif direncinin di ğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekil 3.20 'de görüldü ğü gibi seri bir rezonans devresi ba ğlanabilecektir. Tünel diyodun negatif direnci - R=80 Ohm olsun. Rezonans devresinin direnci 80 Ohm 'dan küçük ise tünel diyot bu devrenin dengesini bozaca ğından osilasyon do ğacaktır. Tünel Diyodun Anahtar Olarak Kullanılması: Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi görmesidir. Ancak bu gibi yerlerdeki kullanılma durumları daha de ği şik özellik gösterdi ğinden ayrı bir inceleme konusudur. Şekil 3.20 - Tünel diyot osilatörü 15 4 - Varikap Diyot: Bu devre elemanını size anlatabilmem için ilk önce ön bilgi olarak size kondansatörden bahsetmem gerekecek. Kondansatörün mantı ğı, iki iletken arasında bir yalıtkan olmasıdır. Ve bu kondansatördeki iletkenlerin arasındaki uzaklık artırılarak ve azaltılarak kapasitesi de ği ştirilen kondansatörler mevcuttur. Fakat bunların bir dezavantajı var ki bu da çok maliyetli olması, çok yer kaplaması ve elle kumanda edilmek zorunda olması. Bu kondansatör türüne "Variable Kondansatör" diyoruz. Şimdi variable kondansatörlere her konuda üstün gelen bir rakip olan "Varikap Diyotu" anlataca ğım. Varikap diyot, uclarına verilen gerilime oranla kapasite de ği ştiren bir ayarlı kondansatördür ve ters polarma altında çalı şır. Boyut ve maliyet olarak variable kondansatörlerden çok çok kullanı şlıdır. Diyot konusunda gördü ğünüz gibi diyot da kondansatör gibi iki yarı iletken maddenin arasında nötr bölge yani yalıtkandan olu şur. Yan tarafta görüldü ğü gibi üzerine uygulanan ters polarma gerilimi arttı ğı taktirde aradaki nötr bölge geni şliler. Bu da iki yarı iletkenin aralarındaki mesafeyi arttırır. Böylece diyotun kapasitesi dü şer. Gerilim azaltıldı ğında ise tam tersi olarak nötr bölge daralır ve kapasite artar. Bu eleman televizyon ve radyoların otomatik aramalarında kullanılır. 16 5 - Şotki (Schottky) Diyot: Normal diyotlar çok yüksek frekanslarda üzerine uygulanan gerilimin yön de ği ştirmesine kar şılık veremezler. Yani iletken durumdan yalıtkan duruma veya yalıtkan durumdan iletken duruma geçemezler. Bu hızlı de ği şimlere cevap verebilmesi için şotki diyotlar imal edilmi ştir. Şotki diyotlar normal diyotun n ve p maddelerinin birle şim yüzeyinin platinle kaplanmasından meydana gelmi ştir. Birle şim yüzeyi platinle kaplanarak ortadaki nötr bölge inceltilmi ş ve akımın nötr bölgeyi a şması kolayla ştırılmı ştır. Di ğer Diyotlar Mikrodalga Diyotları Mikrodalga frekansları; uzay haberle şmesi, kıtalar arası televizyon yayını, radar, tıp, endüstri gibi çok geni ş kullanım alanları vardır. Giga Hertz (GHz) mertebesindeki frekanslardır. Mikro dalga diyotlarının ortak özelli ği, çok yüksek frekanslarda dahi, yani devre akımının çok hızlı yön de ği ştirmesi durumunda da bir yönde küçük direnç gösterecek hıza sahip olmasıdır. Mikrodalga bölgelerinde kullanılabilen ba şlıca diyotlar şunlardır: • Gunn (Gan) diyotları • Impatt (Avalan ş) diyotları • Baritt (Schottky)( Şotki) diyotları • Ani toparlanmalı diyotlar • P-I-N diyotları Gunn Diyotları İlk defa 1963 'te J.B. Gunn tarafından yapıldı ğı için bu ad verilmi ştir. Gunn diyodu bir osilatör elemanı olarak kullanılmaktadır. Yapısı, N tipi Galliyum arsenid (GaAs) veya İndiyum fosfat (InP) 'den yapılacak ince çubukların kısa kısa kesilmesiyle elde edilir. Gunn diyoda gerilim uygulandı ğında, gerilimin belirli bir de ğerinden sonra diyot belirli bir zaman için akım geçirip 17 belirli bir zamanda kesimde kalmaktadır. Böylece bir osilasyon olu şmaktadır. Örnek: 10µm boyundaki bir gunn diyodunun osilasyon periyodu yakla şık 0,1 nanosaniye tutar. Yani osilasyon frekansı 10GHz 'dir. Impatt (Avalans) Diyot Impatt veya avalan ş (çı ğ) diyotlar Gunn diyotlara göre daha güçlüdürler ve çalı şma gerilimi daha büyüktür. Mikrodalga sistemlerinin osilatör ve güç katlarında yararlanılır. 1958 'de Read (Rid) tarafından geli ştirilmi ştir. Bu nedenle Read diyodu da denir. Şekil 3.33 'te görüldü ğü gibi P + - N - I - N + veya N + - P - I - P + yapıya sahiptir. Ters polarmalı olarak çalı şır. Yapımında ana elemanlar olarak Slikon ve Galliyum arsenid (GaAs) kullanılır. Diyot içerisindeki P + ve N + tipi kristaller, içerisindeki katkı maddeleri normal haldekinden çok daha fazla olan P, N kristalleridir. "I" tabakası ise iyonla şmanın olmadı ğı bir bölgedir. Ta şıyıcılar buradan sürüklenerek geçer ve etrafına enerji verirler. Şekil 3.33 - impatt diyot yapısı ve çalı şma şekli Baritt (Schottky) Diyot Baritt Diyotlar 'da nokta temaslı diyotlar gibi metal ve yarı iletken kristalinin birle ştirilmesi ile elde edilmektedir. Ancak bunlar jonksiyon diyot tipindedir. De ğme düzeyi (jonksiyon) direnci çok küçük oldu ğundan do ğru yön beslemesinde 0.25V 'ta dahi kolaylıkla ve hızla iletim sa ğlamaktadır. Ters yöne do ğru akan azınlık ta şıyıcıları çok az oldu ğundan ters yön akımı küçüktür. Bu nedenle de gürültü seviyeleri dü şük ve verimleri yüksektir. Farklı iki ayrı gruptaki elemandan olu şması nedeniyle baritt diyotların dirençleri (lineer) de ğildir. Dirençlerin düzgün olmaması nedeniyle daha çok mikrodalga alıcılarında karı ştırıcı olarak kullanılır. Ayrıca, modülatör, demodülatör, detektör olarak ta yararlanılır. 18 Ani Toplamalı Diyot Ani toparlanmalı (Step-Recovery) diyotlar varaktör diyotların daha da geli ştirilmi şlerdir. Varaktör diyotlar ile frekansların iki ve üç kat büyütülmeleri mümkün olabildi ği halde, ani toparlanmalı diyotlar ile 4 ve daha fazla katları elde edilebilmektedir. Pin Diyot P-I-N diyotları P+-I-N+ yapıya sahip diyotlardır. P+ ve N+ bölgelerinin katkı maddesi oranları yüksek ve I bölgesi büyük dirençlidir. Şekil 3.34 'te P-I-N diyodunun yapısı verilmi ştir. Alçak frekanslarda diyot bir P-N do ğrultucu gibi çalı şır. Frekans yükseldikçe I bölgesi de etkinli ğini gösterir. Yüksek frekanslarda I bölgesinin do ğru yöndeki direnci küçük ters yöndeki direnci ise büyüktür. Diyodun direnci uygulama yerine göre iki limit arasında sürekli olarak veya kademeli olarak de ği ştirilebilmektedir. P-I-N diyotlar de ği şken dirençli eleman olarak, mikrodalga devrelerinde, zayıflatıcı, faz kaydırıcı, modülatör, anahtar, limitör gibi çe şitli amaçlar için kullanılmaktadır. Şekil 3.34 - P- İ-N Diyot. Büyük Güçlü Diyotlar 2W 'ın üzerindeki diyotlar Büyük Güçlü Diyotlar olarak tanımlanır. Bu tür diyotlar, büyük de ğerli DC akıma ihtiyaç duyulan galvano-plastik, ark kaynakları gibi devrelere ait do ğrultucularda kullanılmaktadır. Tablo 3.1 'de belirtilmi ş oldu ğu gibi 1500-4000V arası ters gerilime ve 1000A 'e kadar do ğru akımına dayanabilen S İL İKON D İYOTLAR üretilebilmektedir. Şekil 3.35 'te 200A 'lik bir silikon diyot örne ği verilmi ştir. Bu tür diyotlar 19 a şırı akım nedeniyle fazla ısındı ğından Şekilde görüldü ğü gibi so ğutuculara monte edilirler. Şekil 3.35 - So ğutucuya monte edilmi ş 200A 'lik silikon diyot 20 Diyot Sembolleri Tablo 3.2 - En çok kullanılan diyotların sembolleri 6 - Led Diyot: Led ı şık yayan bir diyot türüdür. Led’e do ğru polarma uygulandı ğında p maddesindeki oyuklarla n maddesindeki elektronlar birle şim yüzeyinde nötrle şirler. Bu birle şme anında ortaya çıkan enerji ı şık enerjisidir. Bu ı şı ğın gözle görülebilmesi için ise p ve n maddelerinin birle şim yüzeyine "Galyum Arsenid" maddesi katılmı ştır. Ledlerin, ye şil, kırmızı, sarı ve mavi olmak üzere 4 çe şit renk seçene ği vardır. 21 I şık Yayan Diyot (Led) I şık yayan diyotlar, do ğru yönde gerilim uygulandı ğı zaman ı şıyan, di ğer bir deyimle elektriksel enerjiyi ı şık enerjisi haline dönü ştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır. Bu diyotlara, a şa ğıda yazılmı ş oldu ğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilerek LED veya SSL denir. LED: Light Emitting Diode (I şık yayan diyot) SSL: Sloid State Lamps (Katkı hal lambası) Sembolü: I şık yayan diyotlar şu özelliklere sahiptir: • Çalı şma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır. (Katalo ğunda belirtilmi ştir.) • Çalı şma akımı 10-50mA arasındadır. (Katalo ğunda belirtilmi ştir.) • Uzun ömürlüdür. (ortalama 105 saat) • Darbeye ve titre şime kar şı dayanıklıdır. • Kullanılaca ğı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir. • Çalı şma zamanı çok kısadır. (nanosaniye) • Di ğer diyotlara göre do ğru yöndeki direnci çok daha küçüktür. • I şık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldı ğı gibi, ı şık çıkan kısmı optik mercek, di ğer kısımları metal olarak ta yapılır. 1. I şık Yayma Olayı Nasıl Gerçekle şmektedir Bilindi ği gibi, bir PN diyoda, do ğru polarmalı bir besleme kayna ğı ba ğlandı ğı zaman, N bölgesindeki, gerek serbest haldeki elektronlar, gerekse de kovalan ba ğlarını koparan elektronlar P bölgesine do ğru akın eder. Yine bilinmektedir ki, elektronları atomdan ayırabilmek için, belirli bir enerji verilmesi gerekmektedir. Bu enerjinin miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyük olmaktadır. Ve bir elektron bir atomla birle şirken de 22 aldı ğı enerjiyi geri vermektedir. Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ı şık enerjisi şeklinde etrafa yayılmaktadır. Bir LED 'in üretimi sırasında kullanılan de ği şik katkı maddesine göre verdi ği ı şı ğın rengi de ği şmektedir. Katkı maddesinin cinsine göre şu ı şıklar olu şur: • GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ı şık) • GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - ye şile kadar (görülür) • GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür) • GaP (Nitrojenli): Ye şil ve sarı (görülür) Şekil 3.21(a) ve (b)' de gerilim uygulanan bir LED devresi ve ı şık yayan diyodun tabii büyüklükteki resmi verilmi ştir. Diyot kristali, Şekil 3.21(c) 'de görüldü ğü gibi iki parçalı yapıldı ğında uygulanacak gerilimin büyüklü ğüne göre kırmızı, ye şil veya sarı renklerden birini vermektedir. I şık yayan diyot ısındıkça, ı şık yayma özelli ği azalmaktadır. Bu hal Şekil 3.21(d) 'de etkinlik e ğrisi olarak gösterilmi ştir. Bazı hallerde fazla ısınmayı önlemek için bir so ğutucu üzerine monte edilir. Ayrıca LED 'in a şırı ısınmasına yol açmamak için katalo ğunda belirtilen akımı a şmamak gerekir. Bunun için Şekil 3.21(b) 'de gösterilmi ş oldu ğu gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklü ğü LED 'in dayanma gerilimi ile besleme kayna ğı gerilimine göre hesaplanır. Örne ğin: Şekil 3.21(b) 'deki devrede verilmi ş oldu ğu gibi, besleme kayna ğı 9V 'luk bir pil ve LED 'de 2V ve 50mA 'lik olsun. R direnci: Kir şof kanununa göre: 9=I*R+2 'dir. I=0.05A olup R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur. 140 Ohm 'luk standart direnç olmadı ğından en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm 'luk direnç kullanılır. 23 2. Led İçindeki Elektrik - Optik Ba ğıntılar Akım-I şık şiddeti ba ğlantısı: LED diyodunun ı şık şiddeti, içinden geçen akım ile do ğru orantılı olarak artar.Ancak bu artı ş; Şekil 3.22 'de görüldü ğü gibi akımın belirli bir de ğerine kadar do ğrusaldır. Daha sonra bükülür. E ğer diyoda verilen akım, e şik de ğeri adı verilen do ğrusallı ğın bozuldu ğu noktayı a şarsa diyot a şırı ısınarak bozulur. Bu nedenle diyotlar kullanılırken, firmalarınca verilen karakteristik e ğrilerine uygun olarak çalı ştırılmalıdır. 24 Şekil 3.22 - Led ı şık şiddetinin akıma göre de ği şimi Sıcaklık-ı şık şiddeti ba ğıntısı: Diyot ısındıkça, akım sabit kaldı ğı halde, verdi ği ı şık şiddeti Şekil 3.21(d) 'de görüldü ğü gibi küçülür. Bu dü şme diyodun cinsine göre şöyle de ği şir. GaAs diyotta dü şme: Her derece için %0,7 AaAsP diyotta dü şme: Her derece için %0,8 GaP diyotta dü şme: Her derece için %0,3 Normal çalı şma şartlarında bu dü şmeler o kadar önemli de ğildir. Ağır çalı şma şartlarında ise so ğutucu kullanılır veya bazı yan önlemler alınır. Güç-zaman ba ğıntısı: I şık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak dü şer. Bu güç normal gücünün yarısına dü ştü ğünde diyot artık ömrünü tamamlamı ştır. Bir LED diyodun ortalama ömrü 105 saattir. Şekil 3.23 'te, LED diyodun yayım gücünün, normal şartlarda (I F =100mA, T ortam=25°C iken,) zamana göre de ği şim e ğrisi verilmi ştir. Bu tip de ğerlendirmede, gücün dü şme miktarı direk güç de ğeri olarak de ğil de, normal güce oranı olarak alınmaktadır. 25 Şekil 3.23 - Led diyodun yayım gücünün zamana kar şı de ği şimi 3. I şık Yayan Diyodun Verimi I şık yayan diyodun verimi; yayılan ı şık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ı şık enerjisine dönü şmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir pozitif atom ile birle şmemekte, sa ğa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir. 4. I şık Yayan Diyotların Kullanım Alanları I şık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma şeklinde, çoklu ı şık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ı şık yayan diyotlardan i şaret lambası ve ı şık kayna ğı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır. 5. Optoelektronik Kuplör Optoelektronik kuplör veya daha kısa deyimle Opto Kuplör ya da Optik Kuplaj Şekil 3.24 'te görüldü ğü gibi bir ı şık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya fototransistörden olu şmaktadır. Bunlar aynı gövdeye monte edilmi şlerdir. Gövde plastik olup ı şık iletimine uygundur. 26 I şık yayan diyot genellikle Ga As katkı maddeli olup kızıl ötesi ı şık vermektedir. I şık yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandı ğında çıkan ı şık ı şınları fotodiyot veya fototransistörü etkileyerek çalı ştırmaktadır. Böylece bir devreye uygulana bir gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilmektedir. Aradaki ba ğlantı, bir takım tellere gerek kalmaksızın ı şık yoluyla kurulmaktadır. Bu nedenle, optoelektronik kuplör edı verilmi ştir. Optokuplör bir elektronik röledir. Optokuplörün mekanik röleye göre şu üstünlükleri vardır: • Mekanik parçaları yoktur. • İki devre arasında büyük izolasyon vardır. • Çalı şma hızı çok büyüktür. Dezavantajları: • Gücü dü şüktür. Şekil 3.24 - Opto elektronik kuplör. Opto kuplör devre şeması Şekil 3.25 'te görüldü ğü gibi çizilir. Burada LED 'in do ğru polarmalı, fotodiyodun ise ters polarmalı oldu ğuna dikkat edilmelidir. R 1 ve R 2 dirençleri koruyucu dirençlerdir. "K" anahtarı kapatılarak giri ş devresi çalı ştırıldı ğında, çıkı ş devresi de enerjilenerek bir i şlem yapar. Örne ğin, devreye bir motorun kontaktarü ba ğlanırsa motor çalı şır. 27 Şekil 3.25 - Opto kuplör ile bir kontaktörün çalı ştırılması. 7 - İnfraruj Led: İnfraruj led, normal ledin birle şim yüzeyine galyum arsenid maddesi katılmamı ş halidir. Yani görünmez (mor ötesi) ı şıktır. infraruj ledler televizyon veya müzik setlerinin kumandalarında, kumandanın göndedi ği frekansı televizyon veya müzik setine iletmek için kullanılır. Televizyon veya müzik setinde ise bu frekansı alan devre elemanına "Foto Diyot" denir. İnfraruj led ile normal ledin sembolleri aynıdır. 8 - Foto Diyot: Foto diyotlar ters polarma altında kullanılırlar. Do ğru polarmada normal diyotlar gibi iletken, ters polarmada ise n ve p maddelerinin birle şim yüzeyine ı şık dü şene kadar yalıtkandır. Birle şim yüzeyine ı şık dü ştü ğünde ise birle şim yüzeyindeki elektron ve oyuklar açı ğa çıkar ve bu şekilde foto diyot üzerinden akım geçmeye ba şlar. Bu akımın boyutu yakla şık 20 mikroamper civarındadır. Foto diyot televizyon veya müzik setlerinin kumanda alıcılarında kullanılır. 28 Foto Diyot Foto diyot ı şık enerjisiyle iletime geçen diyottur. Foto diyotlara polarma geriliminin uygulanı şı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır. Sembolü: Ba şlıca foto diyotlar şöyle sıralanır: • Germanyum foto diyot • Simetrik foto diyot • Schockley (4D) foto diyodu 1. Germanyum FotoDiyot Aslı ala şım yoluyla yapılan bir NP jonksiyon diyotudur. Cam veya metal bir koruyucu içerisine konularak iki ucu dı şarıya çıkartılır. ( Şekil 3.26). Koruyucunun bir tarafı, ı şı ğın jonksiyon üzerinde toplanmasını sa ğlayacak şekilde bir mercek ile kapatılmı ştır. Diyodun devreye ba ğlanması sırasında firmasınca uçlarına konulan i şarete dikkat etmek gerekir. Hassas yüzeyi çok küçük oldu ğundan, 1.-3mA 'den daha fazla ters akıma dayanamaz. A şırı yüklemeyi önlemek için, bir direnç ile koruyucu önlem alınır. I şık şiddeti arttırıldıkça ters yön akımı da artar. 29 Şekil 3.26 - Germanyum Foto diyot Foto Diyodun Çalı şma Prensibi Foto diyot ters polarmalı ba ğlandı ğından üzerine ı şık gelmedi ği müddetçe çalı şmaz. Bilindi ği gibi ters polarma nedeniyle P-N birle şme yüzeyinin iki tarafında "+" ve "-" yükü bulunmayan bir nötr bölge olu şmaktadır. Şekil 3.27 'de görüldü ğü gibi birle şme yüzeyine ı şık gelince, bu ı şı ğın verdi ği enerji ile kovalan ba ğlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kayna ğının pozitif kutbunun çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile birlikte kayna ğa do ğru akmaya ba şlar. Di ğer taraftan, kayna ğın negatif kutbundan kopan elektronlar, diyodun P bölgesine do ğru akar. 30 Şekil 3.27 - Foto diyodun çalı şması. (a) Yapısal gösterimi, (b) Sembolik gösterimi 2. Simetrik FotoDiyotlar Alternatif akım devrelerinde kullanılmak üzere, Şekil 3.28 'de görüldü ğü gibi NPN veya PNP yapılı simetrik fotodiyotlar da üretilmektedir. Şekil 3.28 - Simetrik foto diyot 31 I şı ğa Duyarlı Diyotların Kullanım Alanları: Uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik hesap makineleri, gibi çe şitli konuları kapsamaktadır. Şekil 3.29 'da ı şı ğa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (I ph ) ı şık şiddetine göre de ği şimleri verilmi ştir. Şekil 3.29 - Çe şitli ı şı ğa hassas elemanların akımlarının ı şık şiddeti ile de ği şimleri 9 - Optokuplörler: Optokuplorler içinde bir adet foto diyot ve bir adet de infaruj led barındıran bir elektronik devre elemanıdır. Bu infaruj led ve foto diyotlar optokuplörün içerisine birbirini görecek şekilde yerle ştirilmi şlerdir. İnfraruj ledin uçlarına verilen sinyal aynen foto diyotun uçlarından alınır. Fakat foto diyotun uçlarındaki sinyal çok çok dü şük oldu ğu için bir yükselteçle yükseltilmesi gerekir. Bu devre elemanının kullanım amacı ise bir devreden di ğer bir devreye, elektriksel bir ba ğlantı olmaksızın bilgi iletmektir. Aradaki ba ğlantı ı şıksal bir ba ğlantıdır. 32 10 - Transistör: Tansistörler PNP ve NPN transistörler olarak iki türe ayrılırlar. NPN transistörler N, P ve N yarı iletken maddelerin birle şmesinden, PNP transistörler ise P, N ve P yarı iletken maddelerinin birle şmesinden meydana gelmi şlerdir. Ortada kalan yarı iletken madde di ğerlerine göre çok incedir. Transistörde her yalı iletken maddeden dı şarı bir uç çıkartılmı ştır. Bu uçlara "Kollektör, Beyz ve Emiter" isimlerini veriyoruz. Transistör beyz ve emiter uçlarına verilen küçük çaptaki akımlarla kollektör ile emiter uçları arasından geçen akımları kontrol ederler. Beyz ile emiter arasına verilen akımın yakla şık %1 'i beyz üzerinden geri kalanı ise kollektör üzerinden devresini tamamlar. Transistörler genel olarak yükseltme i şlemi yaparlar. Transistörlerin katalog de ğerlerinde bu yükseltme kat sayıları bulunmaktadır. Bu yükseltme katsayısının birimi ise "Beta" 'dır. Şimdide NPN ve PNP tipi transistörleri ayrı ayrı inceleyelim. Transistorler Transistör nedir? Eklem Transistör yarı iletken malzemeden yapılmı ş elektronik devre elemanıdır. Her nekadar diyodun yapısına benzesede çalı şması ve fonksiyonları diyottan çok farklıdır. Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup iki ana çe şittir. NPN ve PNP. Transistör a şa ğıda belirtildi ği gibi de ği şik şekillerde tanımlanır: Transistörün kolay anla şılması bakımından tanımı; Transistörün bir sandviçe benzetilmesidir, yarı iletken sandviçi. İkinci bir tanımıda şöyle yapılmaktadır; Transistör, iki elektrodu 33 arasındaki direnci, üçüncü elektroda uygulanan gerilim ile de ği şen bir devre elemanıdır. Transistörün en çok kullanılan tanımı ise şöyledir; Transistör yan yana birle ştirilmi ş iki PN diyodundan olu şan bir devre elemanıdır. Birle şme sırasına göre NPN veya PNP tipi transistör olu şur. Transistörün ba şlıca çe şitleri şunlardır: • Yüzey birle şmeli (Jonksiyon) transistör • Nokta temaslı transistör • Unijonksiyon transistör • Alan etkili transistör • Foto transistör • Tetrot (dört uçlu) transistör • Koaksiyal transistör Transistörün kullanım alanları: Transistör yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalı şma özelli ğine sahip bir devre elemanıdır. Elektroni ğin her alanında kullanılmaktadır. 34 Şekil 4.1 – Transistorler: NPN ve PNP transistörlerin yapısal gösterilimi, Transistör sembolleri Elektron Lambaları ilk defa 1906'da Dr. Lee de Forest tarafından uygulama sahasına konulmu ştur. 1925'te Lilien Field ve 1938'de Hilsch ve Pohl tarafından, lambaların yerine geçecek bir katı amplifikatör elemanı bulma konusunda ba şarısızlıkla sonuçlanan bazı denemeler yapılmı ştır. Çalı şmaların amacı, lambalarda oldu ğu gibi katılarda da elektrostatik alan etkisi ile elektron akı şını sa ğlamaktı. Daha sonraları bu çalı şmalar bugünkü transistörlerin temelini te şkil etmi ştir. 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. Yıl 1948, Walter H. Brattain ve John Bardeen kristal redresör yapmak için Bell laboratuarlarında çalı şıyorlar. Esas olarak yapılan; çe şitli kristallere 35 temas eden bir ‘catwhisker’ in tek yönde iletken, di ğer yönde büyük bir direnç göstermesi ile ilgili bir çalı şmadır. Deneyler sırasında Germanyum kristalinin ters akıma daha çok direnç gösterdi ği ve daha iyi bir do ğrultma i şlemi yaptı ğı gözlemlendi ve böylece germanyum redresörler ortaya çıktı. Brattain ve Bardeen Germanyum redresör ile yaptıkları deneylerde, Germanyum kristali üzerindeki serbest elektron yo ğunlu ğunun, redresörün her iki yöndeki karakteristi ğine olan tesirini incelediler ve bu sırada, catwhisker'e yakın bir ba şka kontak daha yaparak deneylerini sürdürdüler. Bu sırada ikinci whisker de akım şiddetlenmesinin farkına vardılar ve elektronik tarihinin bir dönüm noktasına tekabül eden transistör böylece ke şfedilmi ş oldu. Adını 'Transfer – Resistor' yani ta şıyıcı direnç kelimesinden alan transistör'ün geli ştirilmesine daha sonra William Shockley de katıldı ve bu üçlü 1956 yılı nobel fizik ödününe layık görüldüler. İlk yapılan transistörler 'Nokta Kontaklı' transistörlerdi. Nokta kontaklı transistörler iki whisker'li bir kristal diyottan ibarettir. Kristale 'Base', whiskerlerden birine 'Emitter' di ğerine de 'Collector'‘ adı verilir. Bu transistörlerde N tipi Germanyum kristali base olarak kullanılmı ştır. Whiskerler fosforlu bronzdan yapılır, daha do ğrusu yapılırdı, bu transistörler artık müzelerde veya eski amatörlerin nostaljik malzeme kutularında bulunurlar. Her iki whisker birbirine çok yakındır ve uçları kıvrık bir yay gibidir, bu kıvrık yay gibi olması nedeni ile kristale birkaç gramlık bir basınç uygular ve bu sayede sabit dururlar. Yani yalnız temas vardır. Bu transistörlerin Ge kristalleri 0,5 mm kalınlı ğında ve 1 – 1,5 mm eninde parçalardır. Whisker arası mesafe ise milimetrenin yüzde 3'ü yüzde 5'i kadardır. Bu ilk transistörler PNP tipinde idi, yani kristal N tipi Whiskerler P tipi idi. Daha sonraları 'Yüzey Temaslı' transistörler yapıldı. Bu transistörler PNP veya NPN olacak şekilde üç kristal parçası birbirine yapı ştırılarak imal edildiler. Yüzey temaslı transistörlerin yapılması ile silisyum transistörler piyasaya çıktı, daha sonraları transistörler kocaman bir aile olu şturdular ve sayıları oldukça arttı. Transistör'ün daha önceleri kullanılan radyo lambalarına göre üstünlükleri nelerdir? • Transistörler çok küçüktür ve çok az enerji isterler. • Transistörler çok daha uzun çalı şma ömrüne sahiptirler • Transistörler her an çalı şmaya hazır durumdadır (lambaların flaman gerilimi sorunu) • Çalı şma voltajları çok daha azdır. Pille bile çalı şırlar. • Lambalar gibi cam de ğildir kırılmaz. 36 Peki ama bu lambanın hiç mi üstünlü ğü yoktu. Olmaz olur mu? Lambalar vakumlu oldukları için gürültüsü yoktur. Yine lambalar vakumlu oldukları için yüksek empedanslıdırlar. Fakat son zamanlarda Transistör ailesi çok geli şti ği için lamba standartlarından bile daha iyi transistörler yapılmı ştır. FET'ler bu kalitede olan bir transistör ailesidir. Çe şitli Transistörler Transistörler esas olarak Bipolar transistörler ve Unipolar transistörler olarak iki kısma ayrılırlar. Bipolar transistörler de PNP ve NPN olarak iki tiptir. PNP tipinde base negatif emitter ve collektor pozitif kristal yapısındadır. Bu transistörler emitter montajında; emitter + collector - olarak polarize edilirler. Base emittere göre daha negatif oldu ğunda transistör iletimdedir. NPN tipinde ise base pozitif, emitter ve collector negatif kristal yapısındadır. Emitter topraklı olarak kullanıldı ğında, emitter negatif, collector pozitif olarak polarize edilirler. İletimde olması için base, emittere göre daha pozitif olmalıdır. Buradaki gerilim farkı 0.1 volt veya daha fazla olmalıdır. Piyasada pek çok tip bipolar transistör mevcuttur. Bunların kullanılmaları sırasında mutlaka bacak ba ğlantılarını içeren bir katalog kullanılmalıdır; çünkü aynı kılıf yapısı içeren iki transistörün bacak ba ğlantıları ayrı olabilir. Bipolar transistörler genelde 2 ile ba şlayan; 2N… 2SA…. 2SB….. 2SC… veya AC… BD… BUX…. BUW… MJ…. ile ba şlayan isimler alırlar. Son zamanlarda transistörlerin çe şidi ve sayısı arttı ğı için bir katalog kullanmak zorunludur. 2N3055 2SA1122 2SB791 2SC1395 AC128 BD135 BUX80 BUW44 MJ3001 gibi…. A ile ba şlayan transistörler Germanyum. B ile ba şlayan transistörler Silisyum dur, keza diyotlar için de bu geçerlidir, ikinci harfin anlamları şöyledir: A : Diyot C : Alçak frekans transistörü D : Güç transistörü dür. F : Yüksek frekans transistörü Y : Güç Diyodu Z : Zener Diyot AC128, BC108, AF139, BF439, AD165, BD135, AA139, BY101 gibi. Aynı kılıf içinde çift transistör varsa buna Darlington transistör adı verilir MJ3042 gibi. 37 Bazı darlington transistörler kılıf içinde bir de diyot ihtiva ederler. Bir P tipi transistör push-pull olarak kullanıldı ğında, karakteristikleri benzer olan bir N tipi transistörle beraber kullanılır, buna 'Complementary' tamamlayıcı transistör adı verilir. MJ 2955 ile 2N3055 gibi. Piyasada bulunan transistörler plastik veya metal kılıf içindedirler. En çok kullanılan kılıf şekilleri To-3 To-5 To- 12 To- 72 To- 92 To- 220'dir. a) - NPN Tipi Transistör: NPN tipi transistörler N, P ve N tipi yarı iletkenlerinin birle şmesinden meydana gelmi ştir. Şekilde görüldü ğü gibi 1 nolu kayna ğın (-) kutbundaki elektronlar emiterdeki elektronları beyze do ğru iter ve bu elektronların yakala şık %1 'i beyz üzerinden 1 nolu kayna ğın (+) kutbuna, geri kalanı ise kollektör üzerinden 2 nolu kayna ğın (+) kutbuna do ğru hareket ederler. Beyz ile emiter arasından dola şan akım çok küçük, kollektör ile emiter arasından dola şan akım ise büyüktür. Yan tarafta NPN tipi transistörün sembolü ve iç yapısı görülmektedir. b) - PNP Tipi Transistör: 38 PNP tipi transistörler P, N ve P tipi yarı iletkenlerinin birle şmesinden meydana gelmi ştir. Şekilde görüldü ğü gibi 1 nolu kayna ğın (+) kutbundaki oyuklar emiterdeki oyukları beyze do ğru iter ve bu oyukların yakala şık %1 'i beyz üzerinden 1 nolu kayna ğın (-) kutbuna, geri kalanı ise kollektör üzerinden 2 nolu kayna ğın (-) kutbuna do ğru hareket ederler. Beyz ile emiter arasından dola şan akım çok küçük, kollektör ile emiter arasından dola şan akım ise büyüktür. Yan tarafta PNP tipi transistörün sembolü ve iç yapısı görülmektedir. 11 - Foto Transistör: Foto transistörün normal transistörden tek farkı, kollektör ile emiter arasından geçen akımı beyz ile de ğilde, beyz ile kollektörün birle şim yüzeyine dü şen mor ötesi ı şıkla kontrol ediliyor olmasıdır. Foto transistör devrede genelde beyz ucu bo şta olrak kullanılır. Bu durumda üzerine ı şık dü ştü ğünde tem iletimde dü şmedi ğinde ise tam yalıtımdadır. Foto transistörün kazancı beta kadar oldu ğu için foto diyotlardan daha avantajlıdır. Yan tarafta foto transistörün sembolü görülmektedir. Fototransistör ve Fotodiyotlar Fototransistörler, elektrik akımını ı şık ile kontrol eden devre elemanlarıdır. Genel olarak her türlü transistör, ı şı ğı görecek şekilde şeffaf muhafazalara konulsaydı, fototransistör olarak kullanılabilirdi. Ancak fototransistörlerde bazı etki gözönüne alınarak di ğre transistörlerden farklı bir tasarım tekni ği kullanılmı ştır. Fototransistörün çalı şma prensibi, yarıiletkenler üzerindeki ı şık etkisinin bir sonucudur. Gerilim tatbik edilmi ş bir yarıiletken üzerine uygun dalga boyunda bir ı şık dü şürüldü ğünde + ve - yüklü tanecikler olu şur ve devre üzerinden akarlar. Bu akma miktarı, uygulanan ı şık miktarına ba ğlıdır. Bu şekilde ı şık miktarı ile orantılı bir elektrik akımı do ğmu ş olur. 39 Şekil 12 Bir fototransistörde + ve - yüklü tanecikler aslında kollektör - beyz sınırı yakınlarında olu şur. Şekil 12 'de görüldü ğü gibi NPN tipi bir transistörde ı şık etkisi ile olu şan + tanecikler beyzde toplanırlar. Yani ı şık etksiyle beyzde olu şan + tanecikler orada kalırlar, kollektörde olu şanlar ise kuvvetli bir manyetik alan etkisiyle beyze do ğru çekilirler. Aynı şekilde ı şık etkisiyle olu şan - tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken bu + ve - yüklü tanecikler bir noktada birikmek yerine düzgün bir şekilde da ğılmak isterler. Bu yüzden + tanecikler (elektronlar) ise kollektörde toplanırlar. Biriken injekte edilirler. Bu ise emiterden beyze do ğru elektron injekte edilmesine yol açar. Emiter injeksiyonu beyz injeksiyonuna nazaran çaok daha fazla oldu ğu için emitere injekte edilen bir + tanecik, beyze çok sayıda elektron injeksiyonuna sebep olur. İşte bu noktada bilinen transistör çalı şma şekli olu şur. Emiterden injekte edilen elektronlar beyze geçerek kollektöre do ğru çekilirler. Orada ı şık etkisiyle olu şan elektronlarla birle şerek ı şıkla olu şmu ş elektrik akımını meydana getirirler. Asıl ı şık etkili taneciklerin olu şması kollektör beyz bölgesinde meydana gelece ğinden dolayı bu bölge ne kadar büyük olursa, ı şık etkisinden dolayı olu şacak elektrik akımı da o ölçüde büyük olacaktır. İşte bu yüzden fototransistörlerin beyz alanı, Şekil 13 'de de görüldü ğü gibi gelen ı şı ğa geni ş bir yüzey te şkil edecek şekilde tasarımlanmaktadır. Bir fototransistör iki veya üç bacaklı olabilir. Üç bacaklı olanlarda beyz, bir terminal ile dı şarıya verilmi ştir. Bu tip fototransistörler, normal bipolar transistörler gibi kullanılabilirler. I şık gören pencere kapatılmaz ise normal transistör çalı şması ile beraber ı şık etkisi de ilave edilmi ş olur. İki bacaklı olanlarda ise beyze ba ğlı bacak kaldırılmı ştır. Bu durumda sadece ı şık ile çalı şma söz konusudur. 40 Şekil 13 Fotodiyotlar, ters yönde polarlandıkları zaman üzerlerine dü şen ı şıkla orantılı olarak kaçak akımları de ği şen diyotlardır. Bilindi ği gibi diyotlar ters yönde (blokaj yönünde) polarlandıklarında µA veya nA seviyesinde kaçak akımlar olu şur. İşte fotodiyotlar, üzerlerine dü şen ı şık miktarı arttıkça bu kaçak akımların artması prensibine dayanarak yapılmı şlardır. Kaçak akımlardaki ı şı ğa ba ğlı de ği şim elektronik yükselteç devreleriyle yükseltilerek dedektör olarak kullanılmaktadır. Mercek Sistemleri Fototransistör veya fotodiyot (dedektör) ile kullanılacak bir mercek sistemi, dedektörün hassasiyetini büyük ölçüde arttıracaktır. Şekil 14(a) da görüldü ğü gibi şiddeti I olan bir nokta kayna ğın bir dedektör üzerindeki yo ğunlu ğu, H = I / d 2 'dir. Burada d aradaki mesafedir. 41 Şekil 14(a) - 14(b) Şekil 14(b) de ise kaynak ve detektör arasına bir mercek yerle ştirilmesi halindeki durum görülmektedir. Burada kaynaktan merce ğe olan d' mesafesinin, d 'ye e şit oldu ğu varsayılmı ştır. Yani d' = d dir. E ğer detektör alan olarak yuvarlak ise: P D = P L = H'.(r L ) 2 dir. Burada, P D : Dedektör üzerine dü şen ı şık akısı. P L : Mercek üzerine dü şen ı şık akısı. H' : Mercekteki akı yo ğunlu ğu. r L : Mercek yarıçapıdır. d' = d oldu ğundan, Detektör üzerindeki akı yo ğunlu ğu: H D = P D / A D olup A D = r.d 2 dir. (A D : Dedektör alanı) Böylece H D = 1 / d 2 (r L / r d ) 2 olur. Bu durumda dedektör üzerine mercek ile dü şen ı şık miktarının mercek yokken dü şen miktara oranı, H D / H = [I/d 2 (r L /r d ) 2 ] / (I/d 2 ) = (r L /r d ) 2 olur. Bu formülden da anla şılaca ğı gibi e ğer mercek yarıçapı dedektör yarıçapından büyük ise, dedektör üzerine dü şen ı şık miktarı artmaktadır. Mercekteki kayıpları da dikkate alırsak mercekli bir sistemin kazancı R a şa ğıdaki gibi ifade edilebilir. R = 0,9 (r L /r d ) 42 Burada dikkat edilecek husus, mercek sisteminin uygun olarak yerle ştirilmesidir. Biçimsiz yerle ştirilen bir merce ğin faydadan çok zararı olmaktadır. Örne ğin Şekil 15 'de kendi merce ği olan bir fototransistörün önüne di ğer bir mercek konulması neticesinde sistemin veriminin bozulması gösterilmi ştir. Şekil 15 Bu sistemin verimli olabilmesi için ı şınların fototransistöre paralele olarak gelmesi gerekir. Hâlbuki konan ikinci mercek, paralel gelen ı şınların bu niteli ğini yok etmektedir. Şekil 16 'da ise verimli bir mercek sistemi gösterilmi ştir. 1. mercek gelen ı şınları toplamakta, 2. mercek ise bunları paralele ı şınlar haline çevirmektedir. Böylece dedektörün yüzey alanı, 1. merce ğin yüzey alanına e şde ğer olmaktadır. Şekil 16 Foto Diyot Foto diyot ı şık enerjisiyle iletime geçen diyottur. Foto diyotlara polarma geriliminin uygulanı şı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır. Sembolü: 43 Ba şlıca foto diyotlar şöyle sıralanır: • Germanyum foto diyot • Simetrik foto diyot • Schockley (4D) foto diyodu 1. Germanyum FotoDiyot Aslı ala şım yoluyla yapılan bir NP jonksiyon diyotudur. Cam veya metal bir koruyucu içerisine konularak iki ucu dı şarıya çıkartılır. ( Şekil 3.26). Koruyucunun bir tarafı, ı şı ğın jonksiyon üzerinde toplanmasını sa ğlayacak şekilde bir mercek ile kapatılmı ştır. Diyodun devreye ba ğlanması sırasında firmasınca uçlarına konulan i şarete dikkat etmek gerekir. Hassas yüzeyi çok küçük oldu ğundan, 1.-3mA 'den daha fazla ters akıma dayanamaz. A şırı yüklemeyi önlemek için, bir direnç ile koruyucu önlem alınır. I şık şiddeti arttırıldıkça ters yön akımı da artar. Şekil 3.26 - Germayum Foto diyot Foto Diyodun Çalı şma Prensibi: Foto diyot ters polarmalı ba ğlandı ğından üzerine ı şık gelmedi ği müddetçe çalı şmaz. Bilindi ği gibi ters polarma nedeniyle P-N birle şme yüzeyinin iki tarafında "+" ve "-" yükü bulunmayan bir nötr bölge olu şmaktadır. 44 Şekil 3.27 'de görüldü ğü gibi birle şme yüzeyine ı şık gelince, bu ı şı ğın verdi ği enerji ile kovalan ba ğlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kayna ğının pozitif kutbunun çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile birlikte kayna ğa do ğru akmaya ba şlar. Di ğer taraftan, kayna ğın negatif kutbundan kopan elektronlar, diyodun P bölgesine do ğru akar. Şekil 3.27 - Foto diyodun çalı şması, (a) Yapısal gösterimi, (b) Sembolik gösterimi 2. Simetrik FotoDiyotlar Alternatif akım devrelerinde kullanılmak üzere, Şekil 3.28 'de görüldü ğü gibi NPN veya PNP yapılı simetrik fotodiyotlar da üretilmektedir. Şekil 3.28 - Simetrik foto diyot I şı ğa Duyarlı Diyotların Kullanım Alanları: Uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik hesap makineleri, gibi çe şitli konuları kapsamaktadır. Şekil 3.29 'da ı şı ğa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (I ph ) ı şık şiddetine göre de ği şimleri verilmi ştir. 45 Şekil 3.29 - Çe şitli ı şı ğa hassas elemanların akımlarının ı şık şiddeti ile de ği şimleri 12 - Thyristör: Thyristör mantık olarak yandaki şekildeki gibi iki transistörün birbirine ba ğlandı ğı gibidir. Thyristörün anot, katot ve gate olmak üzere üç ucu bulunmaktadır. Gate ucu tetikleme ucudur. Yani anot ile katot üzerinde bir gerilim varken (Anot (+), katot (-) olmak şartı ile) gate ile katot ucları arasına bir anlık (Gate (+), katot (-) olmak şartı ile) akım uygulanıp çekildi ğinde thyristörün anot ile katot uçları arası iletime geçer. Anot ile katot arasındaki gerilim "Tutma Gerilimi" 'nin altına dü şmedi ği sürece thyristör iletimde kalır. Thyristörü yalıtıma sokmak için anot ile katot arasındaki akım kesilir veya anat ile katot ucları bir anlık kısa devre yapılır. Veya da gate ile katot arasına ters polarma uygulanır. Yani gate ucuna negatif gerilim uygulanır. 46 13 - Diyak: Diyak çift yönde de aynı görevi gören bir zener diyot gibi çalı şır. Diyakın üzerine uygulanan gerilim diyak geriliminin altında iken diyak yalıtımdadır. Üzerinden sadece sızıntı akımı geçer. Üzerine ukgulanan gerilim diyak geriliminin üstüne çıktı ğında ise siyak iletime geçer. Fakat iletime geçer geçmez diyakın uçlarındaki gerilimde bir dü şü ş görülür. Bu dü şü ş de ğeri diyak geriliminin yakla şık %20 'si kadardır. Diyakın üzerine uygulanan gerilim diyak geriliminin altına da dü şse diyak yine de iletimde kalır. Fakat diyaka uygulanan gerilim dü şü ş anından sonraki gerilim seviyesinin altına dü şürüldü ğünde diyak yalıtıma geçer. Diyak iki yöndeki uygulanan polarmalarda da aynı tepkiyi verecektir. Diyakın bu özelliklerinin olma sebebi alternatif akımda kullanılabilmesidir. 14 - Triyak: Triyaklar da tristörlerin alternatif akımda çalı şabilen türleridir. Triyakın olu şumunda birbirne ters yönde ba ğlı iki adet tristör bulunmaktadır. Yan tarafta bu birle şim görülmektedir. Herhangi bir alternatif akım devresindeki bir triyakın A1 ucuna (+) A2 ucuna da (-) yönde akım geldi ğinde birinci tristör, tam tersi durumda ise ikinci tristör devreye girecektir. Bu sayede triyak alternetif akımın iki yönünde de iletime geçmi ş olur. Triyak yüksek güçlü ve alternatif akım devrelerinde güç kontrol elemanı olarak kullanılır. 15 - JFet Transistör: Jfet transistörler normal transistörlerle aynı mantıkta çalı şırlar. Üç adet uca sahiptir. Bunlar 47 Kapı (G)(normal transistörün beyzi), oyuk (D)(normal transistörün kollektörü) ve kaynak (S) 'dır. Normal transistörle jfet transistör arasındaki tek fark, normal transistörün kollektör emiter arasındaki akımın, beyzinden verilen akımla kontrol edilmesi, jfet transistörün ise geytinden verilen gerilimle kontrol edilmesidir. Yani jfetler gate ucundan hiç bir akım çekmezler. Jfet'in en önemli özelli ğide budur. Bu özellik içerisinde çok sayıda transistör bulunduran entegrelerde ısınma ve akım yönünden büyük bir avantaj sa ğlar. Normal transistörlerin NPN ve PNP çe şitleri oldu ğu gibi jfet transistörlerinde N kanal ve P kanal olarak çe şitleri bulunmaktadır. Fakat genel olarak en çok N kanal jfetler kullanılır. A şa ğıda jfetin iç yapısı ve sembolü görülmektedir. FET Fetlerin Yapısı NPN ve PNP tipi olarak adlandırılan klasik tip transistörler ( İki Kutuplu Jonksiyon Transistör - BJT) alçak giri ş empedansına sahiptirler. BJT 'ler, hem elektron akımı hem de delik (bo şluk) akımının kullanıldı ğı akım kontrollü elemanlardır. FET (Field Effect Transistör - Alan Etkili Transistör) ise yüksek giri ş empedansına sahip, tek kutuplu, gerilim kontrollü bir elemandır. Elektrik alanı prensiplerine göre çalı ştı ğından alan etkili transistörler olarak bilinir. FET 'ler, transistörlerin kullanıldı ğı yerlerde rahatlıkla kullanılıbilir. FET 'lerin klasik transistörlere (BJT) göre üstünlükleri şöyle sıralanabilir: • Giri ş empedansları daha yüksektir. (BJT 'de 2K ? iken FET 'lerde yakla şık 100M ? 'dur.) • Anahtar olarak kullanıldı ğında, sapma gerilimi yoktur. • Radyasyon (yayınım) etkisi yoktur. • BJT 'lere nazaran daha az gürültülüdür. • Isısal de ği şimlerden etkilenmezler. • BJT 'lere göre daha küçüktür. Bu nedenle entegrelerde daha fazla kullanılırlar. • Yüksek giri ş empedansı ve alçak elektrodlar arası kapasitans özelli ği ile yüksek frekans devrelerinde rahtlıkla kullanılırlar. • BJT 'lere göre sakıncası ise band geni şliklerinin dar olması ve çabuk hasar görebilmesidir. 48 Alan etkili transistörler (FET) iki ana gruba ayrılır: • JFET (Junction Field Effect Transistor, Eklem Alan Etkili Transistör) • MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistör, Metal Oksit Yarı İletken Alan Etkili Transistör) JFET 'in Çalı şması BJT 'lerde oldu ğu gibi JFET 'lerde de 3 terminal vardır. Bunlar; Drain (Oluk, Akaç), Source (Kaynak) ve Gate (Kapı, Geçit) dir. Transistörlerde, kollektörün kar şılı ğı drain, emiterin kar şılı ğı source, beyzin kar şılı ğı gate 'dir. Transistörler nasıl NPN ve PNP tipi olmak üzere iki tipte ise JFET 'ler de; * n - kanallı JFET * p - kanallı JFET olmak üzere iki tipte imal edilirler. Şekil 1.1 (a) - n-kanallı (b) - p-kanallı, JFET 'in Fiziksel Yapısı ve Sembolü Şekil 1.1.(a) 'da görüldü ğü gibi n-tipi bir maddenin iki yanına p-tipi madde enjekte edilerek n- kanallı JFET elde edilir. İki p-tipi madde birle ştirilerek gate ucu çıkarılır. n-tipi maddenin bir ucu Drain, di ğer ucu da Source 'dur. Burada gövde n-tipi maddeden meydana geldi ği için JFET 'in adı n-kanallıdır. Gövdenin yapıldı ğı maddenin adı JFET 'in tipini belirler. JFET 'in çalı şmasında n-kanallı üzerinde durulacaktır. Aynı şekilde e ğer gövde p-tipi maddeden olu şursa p-kanallı JFET elde edilmi ş olur. ( Şekil 1.1.(b)) Sembollerden de anla şılaca ğı gibi ok yönü gate 49 'e do ğru ise n-kanallı, gate 'ten dı şarı do ğru ise p-kanallı JFET 'tir. Şekil 1.2 - JFET 'in çalı şması Şekil 1.2 'de n-kanallı bir JFET 'in uygun çalı şma için harici güç kaynaklarına nasıl irtibatlandırıldı ğı gösterilmi ştir. Drain, R L yük direnci üzerinden V DD drain güç kayna ğının pozitif terminaline, Source V DD 'nin negatif terminaline irtibatlandırılır. Gate, V GG güç kayna ğının negatif terminaline ba ğlanır. Bu irtibatla Gate-Source p-n eklemi ters bayaslanmı ştır yani polarmalandırılmı ştır. Gate p- maddesinden olu ştu ğu için V GG güç kayna ğının (-) terminali gate 'e, (+) terminali source 'a ba ğlanarak ters polarma sa ğlanmı ştır. Gate 'in ters polarmalanmasıyla devreden akan gate akımı son derece küçük de ğerdeki bir ters akımdır. I D drain akımı, JFET üzerinde source 'den drain 'e do ğru akar. (Akımın, güç kaynaklarının (-) terminalinden, (+) terminale dola ştı ğı kabul edilmi ştir.) İlk durumda V GG güç kayna ğının olmadı ğını, gate ucunun do ğrudan şaseye ba ğlı oldu ğunu dü şünelim, Bu durumda V GG =0V oldu ğu için Gate-Source arası voltaj da (V GS ) o Volt 'tur. Bu anda I D akımı, n-tipi maddenin direnci ve R L tarafından limitlenir. JFET üzerinden drain akımı (I D ) arttkça n-madde parçası boyunca bu gerilim dü şümü meydana gelir. Bu gerilim, source 'a göre pozitif olup, gate p-n eklemini ters polarmalanmı ştır. 50 p-n eklemi ters polarmalandı ğı her durumda, eklem civarında; içinde akım ta şıyıcıları bulunmayan bir bo şluk bölgesi (eklem setti) meydana gelir. Bu furum Şekil 1.3 'te p maddelerinin çevresinde gösterilmi ştir. p maddelerinin çevresindeki bo şluk bölgesinde akım ta şıyıcıları olmadı ğından I D drain akımı akamaz. Böylece, drain akımı bo şluk bölgeleri arasındaki sahada sınırlandırılmı ş olunur. Bu bölge kanal olarak adlandırılır. VDD kaynak voltajı arttıkça drain akımı da artar. Fakat bu artı ş do ğrusal de ğildir. Bu artı şın do ğrusal olmamasının nedeni, gate p-n eklemindeki ters polarmalanmasının artmasındandır. Şekil 1.3 'te V DD = 4 Volt iken bo şluk bölgesi ile V DD = 6 Volt iken bo şluk bölgesinin durumu görülmektedir. V DD drain kaynak voltajının daha fazla arttırılması (V DD = 6V) Şekil 1.3 'te görüldü ğü gibi bo şluk bölgelerinin birbirine daha fazla yakla şmasına neden olur. Böyle bir durumda drain kaynak voltajnın daha fazla arttırılması I D drain alımında çok az bir artı ş meydana getirir. Böylece drain akımı saturasyona (doyum) ula şmı ş olur. Drain akımının saturasyon de ğerine ula ştı ğı noktaya PINCH - OFF noktası denir. Pinch - off nokasına kritik gerilim adı da verilebilir. V P ile gösterilir. Bu de ğer n-kanallı JFET 'te negatif, p-kanallı da ise pozitif de ğerdir. 51 Şekil 1.4 - n-kanallı JFET Karakteristik E ğrisi Şekil 1.4 'te gösterilen karakteristik e ğrinin yatay ekseni Drain - source arası voltajı, dikey ekseni ise ID drain akımını gösterir. Şimdi JFET 'in çalı şmasını bu karakteristik e ğri üzerinde tekrar edelim; ** Gate - Source gerilimi (V GS ) Şekil 1.2 'de oldu ğu gibi V GG bataryası ile sa ğlanırsa JFET 'ten I D akımı akar. Gate - Source eklemi V GG bataryası ile ters polarmalandı ğı için gate akımı I G =0 olur. ** Şekil 1.3 'te oldu ğu gibi gate - source arası voltaj 0 Volta ayarlandı ğında I D drain akımı önemli bir büyüklüktedir ve I DSS olarak adlandırılır. (I DSS = Gate - Source eklemi kısa devre oldu ğunda Drain - Source arasında akan akım) V DS , sıfırdan itibaren yakla şık 4 Volta kadar arttırıldı ğında I D akımıda artar. Karakteristik e ğride V A noktası kanal pinch - off noktasıdır. I DSS de ğeri de yakla şık 1mA 'dir. ** Pinch - off noktasından itibaren V DS voltaj de ği şime kar şılık I D akım de ği şimi çok çok azdır. 52 Bu ana saturasyon (doyum) denir. ** E ğer drain kaynak voltajı daha fazla arttırılırsa, ters polarmalı gate ekleminin bozulma olayı (breakdown) meydana gelir. Bu ise yüksek bir ID akımına neden olarak JFET hasara u ğrar. a) N Kanal JFet Transistör: Yandaki grafikte görüldü ğü gibi n kanal jfet transistörler iki adet P ve bir adette N maddesinin birle şiminden meydana gelmi ştir. Fetin gate ucuna uygulanan gerilim ile D ve S ucları arasındaki direnç de ğeri kontrol edilir. Gate ucu 0V tutuldu ğunda, yani S ucuna birle ştirildi ğinde P ve N maddeleri arasındaki nötr bölge geni şlemeye ba şlar. Bu durumda D ve S ucları arasından yüksek bir akım akmaktadır. D ve S ucları arasına uygulanan gerilim seviyesi arttırıldı ğı taktirde ise bu nötr bölge daha da geni şlemeye ba şlar ve akım doyum de ğerinde sabit kalır. Gate ucuna eksi de ğerde bir gerilim uygulanması durumunda ise nötr bölge daralır. Akım seviyesi de gate ucuna uygulanan gerilim seviyesine ba ğlı olarak dü şmeye ba şlar. Bu sayede D ve S uçlarındaki direnç de ğeri yükselir. 53 b) P Kanal JFet Transistör: P kanal fetlerin çalı şma sistemide N kanal fetlerle aynıdır. Tek farkı polarizasyon yönünün ve P N maddelerinin yerlerinin ters olmasıdır. Yani gate ucuna pozitif yönde polarizasyon verdi ğimizde D ve S ucları arasındaki direnç artar, akım dü şer. Gate ucu 0V iken ise akım doyumdadır. 16 - Mosfet: Mosfetlerde fetler gibi N kanal ve P kanal olarak ikiye ayrılırlar. Mosfetler A şa ğıdaki şekilde görüldü ğü gibi büyük bir gövde olan P maddesi (SS) oluk ve kaynak kutuplarına ba ğlı iki adet N maddesi. Ve yine kanal bölgesini olu şturan bir N maddesi daha. Birde kanal ile arasında silisyumdioksit (SiO2) maddesi bulunan kapı konnektörü bulunmaktadır. Bu madde n kanal ile kapı arasında iletimin olmamasını sa ğlar. P maddesinden olu şan gövde bazı mofetlerde içten S kutbuna ba ğlanmı ş, bazı mosfetlerde de ayrı bir uc olarak dı şarı çıkarılmı ştır. Mosfetler akım kontrolü fetlerden biraz farklıdır. Mosfetler bazı özelliklerine göre ikiye ayrılırlar, bunlar ;"Deplesyon (Depletion)" ve "Enhensment" tipi mosfetlerdir. Bu iki tip mosfeti şimdi ayrı ayrı inceleyelim. 54 MOSFET MOSFET 'lerin Yapısı JFET 'ler klasik transistörlere göre büyük bir geli şme olmasına ra ğmen bazı limitleri vardır. JFET 'lerin giri ş empedansları klasik transistörlerden daha fazla oldu ğu için, JFET 'in giri şine ba ğlanan sinyal kayna ğından çekilen küçük miktardaki ters beyz gate akımı, sinyal kayna ğını yükler. Bu yükleme etkisini azaltmak ve frekans cevabını (respond) geli ştirmek için JFET 'lere göre daha fazla geli şmi ş ba şka bir alan etkili transistör yapılmı ştır. Alan etkili transistörün (Fet) geli ştirilmi ş tipi genellikle Mosfet olarak bilinen metal oksit yarı iletkendir. Mosfet kalimesinin açılımı metal oxide semiconductor field effect transistor 'dür. (Metal oksit yarıiletken alan etkili transistör). Mosfet, ingilizce açılımının ba ş harfleri bir araya getirilerek olu şturulmu ştur. İzole edilmi ş gate özelli ğinden dolayı Mosfet 'lerin giri ş empedansı son derece yüksek olup (1014 ) elektrodlar arası iç kapasitansı çok küçüktür. Bundan dolayı Mosfet 'ler normal transistörlerin, frekans sahasının çok daha üstündeki frekanslarda ve yüksek giri ş empedanslı yükselteçlere ihtiyaç duyulan devrelerde daha fazla kullanılırlar. Bunun için Mosfet 'ler voltmetre, ohmmetre ve di ğer test aletlerinde kullanılırlar. Mosfet 'lerde, JFET 'lere ve klasik transistörlere nazaran gürültü daha az olup, band geni şli ği daha fazladır. Mosfet 'lerin bu üstünlüklerine nazaran bazı sakıncaları vardır. Şöyleki; Mosfet yapısındaki ince silikon oksit tabakası, kolaylıkla tahrip olabilir. Mosfet 'e elle dokunulması halinde insan vücudu üzerindeki elektrostatik yük nedeniyle oksit tabakası delinerek, kullanılmayacak şekilde harap olabilir. Bundan dolayı Mosfet 'ler, özel ambalajlarında korunmaya alınmalı, Mosfet 'e dokunmadan önce kullanıcı, üzerindeki elektrostatik yükü topraklayarak bo şaltmalıdır. Mosfet 'i devre üzerinde montaj yaparken dü şük güçlü havya kullanılmalı ve havya mutlaka topraklanmalıdır. Mosfetler şu şekilde sınıflandırılır: a) Azalan (Bo şluk şarjlı, depletion tipi) Mosfet b) Ço ğalan (Enhancement) tipi Mosfet 55 JFET 'lerde oldu ğu gibi yine kendi aralarında, n-kanallı ve p-kanallı azalan ve ço ğalan tip olarak ayrılırlar. Şekil 1.13 Mosfet Sembolleri Mosfet sembollerinden görülece ği gibi JFET 'lerden ayıran, Mosfet 'lerde Substrate (SS, Bulk, Altkatman) terminalinin bulunmasıdır. a) Deplesyon: Yandaki garafikten de anla şılaca ğı gibi mosfetin gate kutbuna 0V verildi ğinde (yani S kutbu ile birle ştirildi ğinde) S ve D kutupları arasından fetlerdeki gibi bir akım akmaya ba şlar. Gate kutbuna negatif yönde yani -1V uygulandı ğında ise gate kutbundaki elektronlar kanaldaki elektronları iter ve p tipi maddeden olu şan gövdedeki oyuklarıda çeker. Bu itme ve çekme olaylarından dolayı kanal ile gövdedeki elektron ve oyuklar birle şerek nötr bölge olu ştururlar. Gate 'e uygulanan negatif gerilim artırıldı ğında ise nötr bölge dahada geni şler ve akımın geçmesine engel olur. Gate kutbuna pozitif yönde gerilim uygulandı ğında gate kutbundaki oyuklar, gövdedeki oyukları iter, kanaldaki elektronları ise çeker fakat aradki silisyumdioksit madde nedeniyle gate kutbundaki oyuklarla elektrınlar birle şemez. Bu sayede kanal geni şler ve geçen akım daha da artar. İşte bu gate kutbunan uygulanan pozitif gerilimle akımın artırılmasına "Enhensment", negatif gerilim uygulayarak akım dü şürülmesinede "Deplesyon" 56 (Depletion) diyoruz. Bu bölümde Deplesyon tipi mosfetlerin N kanal olan türünü açıkladık. P kanal olan tipi N kanalın, polarma ve yarıiletkenlerin yerleri bakımından tam tersidir. b) Enhensment: Enhensment tipi mosfetleri, Deplesyon tipi mosfetlerden ayıran en önemli özellik yantarafta da görüldü ğü gibi N tipi kanalın bulunmamasıdır. Bu kanalın bulunmaması nedeni ile gate kutbuna 0V uygulandı ğında S ile D uçları arasından hiç bir akım geçmez. Fakat gate kutbuna +1V gibi bir pozitif gerilim uygulandı ğında gate kutbundaki oyuklar gövdedeki oyukları iter. Bu sayede S kutbundan gelen elektronlara D kutbuna gitmek için yol açılmı ş olur. S ve D kutupları arasından bir akım geçmeye ba şlar. Bu bölümde Enhensment tipi mosfetlerin N kanal olan türünü açıkladık. P kanal olan tipi N kanalın, polarma ve yarıiletkenlerin yerleri bakımından tam tersidir. 1 - Direnç: Direncin kelime anlamı, bir şeye kar şı gösterilen zorluktur. Devre elemanı olan dirençte devrede akıma kar şı bir zorluk göstererek akım sınırlaması yapar. Direncin birimi "Ohm" 'dur. 1,000 ohm = 1 Kilo ohm, 1,000,000 ohm = 1 Mega ohm ve 1,000,000,000 ohm = 1 Giga ohm. Direncin de ğeri üzerine renk kodları ile yazılmı ştır. Yan tarafta görülen direncin renkleriri soldan ba şlayarak, sarı, mor, kırmızı ve altındır. Soldan 1. renk 1. sayıyı, 2. renk 2. sayıyı, 3. 57 renk çarpan sayıyı ve 4. renkte toleransı gösterir. Tablodan bakıldı ğında sarı 4'e, mor 7'e ve kırmızıda çarpan olarak 10 üzeri 2'ye e şittir. Bunlar hesaplandı ğında ilk iki sayı yanyana konur ve üçüncü ile çarpılır. Tolerans direncin de ğerindeki oynama alanıdır. Mesela yandaki direncin toleransı %5 ve direncin de ğeri de 4.7 Kohm'dur. Tolerans bu direncin de ğerinin 4.7 Kohm'dan %5 fazla veya eksik olabilece ğini belirtir. Birde 5 renkli dirençler vardır. Bunlarda ilk üç renk sayı 4. renk çarpan, 5. renk ise toleranstır. Dirençler normalde karbondan üretilirler fakat yüksek akım ta şıması gereken dirençler telden imal edilirler. Ayrıca dirençler sabit ve ayarlı dirençler olmak üzere ikiye ayrılırlar. Ayarlı dirençlerden "Potansiyometre" sürekli ayar yapılan yerlerde, "Trimpot" ise nadir ayar yapılan yerlerde kullanılırlar. Direnç Ve Kondansatör Renk Kodları Direnç Renk Kodları RENK A B C D (Çarpan) T (Tolerans) Siyah 0 0 0 1 ? Kahverengi 1 1 1 10 ? ±%1 (F) Kırmızı 2 2 2 100 ? ±%2 (G) Turuncu 3 3 3 1K ? - Sarı 4 4 4 10K ? - Ye şil 5 5 5 100K ? ±%0.5 (D) Mavi 6 6 6 1M ? ±%0.25 (C) Mor 7 7 7 10M ? ±%0.10 (B) Gri 8 8 8 ±%0.05 Beyaz 9 9 9 - Altın - - - 0.1 ±%5 (J) Gümü ş - - - 0.01 ±%10 (K) RENK A B - C (Çarpan) T (Tolerans) 58 Direnç üzerindeki renkleri de ğerlendirirken A, B, C, D ve T sırasına göre gitmeye dikkat etmek gerekmektedir. Bu sıralamaya göre yapılacak hesaplama sonucunda elde edilen direnç de ğeri Ohm( ?) olarak bulunacaktır. (10°=1 'dir.) Metal Film Dirençte: Karbon Dirençte: 59 De ğeri Üzerinde Yazılı Dirençler Bazı üreticiler renk kodu yerine direnç de ğerlerini yazmayı tercih etmektedirler. Bunlardan bir kısmı do ğrudan direnç de ğerini ve toleransını yazdı ğı gibi, bazıları da harf kodu kullanmaktadır. Direnci gösteren harfler: R = Ohm( ?), K = KiloOhm(K ?), M = MegaOhm(M ?) Tolerans harfleri: F = ±%1, G = ±%2, J = ±%5, K = ±%10, M = ±%20 Kodlama Üç Şekilde Olmaktadır; 1- 1000 Ohm 'a kadar olan dirençler için R harfi kullanılır. Kodlama 3 adımda yapılır: R 'den önce gelen sayı "Ohm" olarak direnci gösterir. R 'den sonra gelen sayı direncin ondalık bölümünü gösterir. En sondaki harf toleransı gösterir. Örne ğin: 6R8J = 6.8 ±%5 ? R45G = 0.45 ±%2 ? 2- 1K ? 'dan 1M ? 'a kadar olan dirençler için "K" harfi kullanılır. Örne ğin: 3K0K = 3±%10 K ? 2K7M = 2.7±%20 K ? 3- 1M ? 'dan yukarı dirençlerde de "M" harfi kullanılır. 60 Direnç Standartı: Tablo 1.3 'te görüldü ğü gibi, dirençler standart de ğerlerde üretilir. Tolerans yüzdeleri, "E" seri numarasından anla şılır. E6 serisi (%20)E12 serisi (%10)E24 (%5)E96 (±1-2) 1.0 1.0 1.0 100 1.1 102 1.2 1.2 105 1.3 107 1.5 1.5 1.5 110 1.6 113 1.8 1.8 115 2.0 118 2.2 2.2 2.2 120 2.4 123 2.7 2.7 125 3.0 128 3.3 3.3 3.3 130 3.6 133 3.9 3.9 135 4.3 138 4.7 4.7 4.7 140 5.1 143 5.6 5.6 145 6.2 148 6.8 6.8 6.8 150 7.5 155 8.2 8.2 160 Tablo 1.3 - Standart dirençler İhtiyaca göre bu dirençlerin 10, 100, 1000 katları alınır. 61 62 Kondansatör Renk Kodları Dirençler Direnç Nedir? Direnç kelimesi, genel anlamda, "bir güce kar şı olan direnme" olarak tanımlana bilir. Elektrik ve elektronikte direnç, iki ucu arasına gerilim uygulanan bir maddenin akıma kar şı gösterdi ği 63 direnme özelli ğidir. Kısaca; elektrik akımına gösterilen zorlu ğa D İRENÇ denir. Direnç"R" veya "r" harfi ile gösterilir, birimi ohm ( ?) dur. Direnç Sembolleri: Eski Yeni Sabit Dirençler Ayarlı Dirençler Direncin devredeki rolü: Bir "E" gerilim kayna ğına "R" direncinden, Şekil 1.1'de gösterilmi ş oldu ğu gibi, bir " I " akımı akar.Bu üç de ğer arasında Ohm kanununa göre şu ba ğlantı vardır. E=I.R Birimleri: E: Volt I: Amper R: Ohm ( ?) Şekil 1.1- Dirençli bir devre Direnç Türleri: Dirençler iki gruba ayrılır: • Büyük güçlü dirençler • Küçük güçlü dirençler Büyük Güçlü Dirençler;: 2W üzerindeki dirençler büyük güçlü direnç grubuna girer. Küçük Güçlü Dirençler; 64 Küçük güçlü dirençlerin sınıflandırılması: • Sabit Dirençler • Ayarlı Dirençler • Termistör (Terminstans) • Foto Direnç (Fotorezistans) Gerek büyük güçlü olsun, gerekse de küçük güçlü olsun, bütün dirençlerin belirli bir dayanma gücü vardır. Bir Direncin Harcadı ğı Güç: U: Dirençteki gerilim dü şümü (Volt) R: Direncin de ğeri (Ohm) I : Geçen akım (Amper) P: Direncin gücü (Watt) Direnç Üzerinde Harcanan Güç Üç Şekilde İfade Edilir: Akım ve gerilim cinsinden: P=U.I 'dır Akım ve dirençcinsinden; (ohm kanununa göre): U=I.R 'dir. Bu "U" de ğeri P=U.I 'da yerine konulursa: P= I2R olur. Gerilim ve dirençcinsinden; (ohm kanununa göre): I=U/R 'dir. Bu "I" de ğeri, P=U.I 'da yerine konursa, P= U2/R olur. Direnç Ba ğlantı Türleri a) Seri ba ğlantı: Yan taraftaki resimde dört adet direncin birbirine seri ba ğlanmı ş durumu görülmektedir. A ve B 65 uclarındaki toplam direnç de ğerinin heaplama formülü, RToplam = R1 + R2 + R3 + R4 şeklindedir. Yani 100 ? + 330 ? + 10 K ? + 2.2 K ? = 12.430 K ? 'a buda 12,430 ?'a e şittir. b) Paralel ba ğlantı: Paralel ba ğlantıda ise formül 1 / RToplam = ( 1 / R1 ) + ( 1 / R2 ) + ( 1 / R3 ) + ( 1 / R4 ) şeklindedir. Fakat işlemler yapılmadan önce Tüm de ğerler aynı yani ohm, K ? veya M ? cinsine dönü ştürülmelidir. 10 K ? = 10,000 ?, 2.2 K ? = 2,200 ?. Şimdide hesaplamayı yapalım. 1 / RToplam = ( 1 / 100 ? ) + ( 1 / 330 ? ) + ( 1 / 10,000 ? ) + ( 1 / 2,200 ? ) bu e şitli ğe göre, 1 / RToplam = ( 0.01 ) + ( 0.003 ) + ( 0. 0001) + ( 0.00045) => 1 / RToplam = 0.01355 yine bu e şitli ğe göre RToplam = 1 / 0.01355 bu da 73.8 ?'a e şittir. 2 - Potansiyometre: Potansiyometre devamlı ayar yapılması için üretilmi ş bir ayalı direnç türüdür. radyo ve teyiplerde ses yüksekli ğini ayarlamak için kullanılır. Üç bacaklıdır. 1 ve 3 nolu uçlar arasında sabit bir direnç vardır. Ortadaki uç ise 1 nolu uç ile 3 nolu uç arasında hareket eder. 1 nolu ucala arasındaki direnç azaldıkça 3 nolu uç arasındaki direnç artar. Potansiyometreler Potansiyometreler şekil 1.8 'de görüldü ğü gibi üç uçlu ayarlı orta uç, direnç üzerinde gezinebilir. 66 Şekil 1.8 - Potansiyometrenin gerilim bölücü olarak kullanılması Potansiyometreler, yine Şekil 1.8 'de belirtilmi ş oldu ğu gibi direnç de ğerinin de ği ştirilmesi yoluyla gerilim bölme, di ğer bir deyimle çıkı ş gerilimini ayarlama i şlemini yapar. Potansiyometrelerin ba şlıca uygulama alanları Tablo 1.3 'de verilmi ştir. Potansiyometre Çe şitleri: Potansiyometreler a şa ğıdaki üç grup altında toplanabilir. • Karbon Potansiyometreler • Telli Potansiyometreler • Vidalı Potansiyometreler 3 - Trimpot: Trimpot ise devrenin içinde kalır ve sabit kalması gereken ayarlar için kullanılır. Mantı ğı potansiyometre ile aynıdır. 4 - Foto Direnç (LDR): Foto direnç üzerine dü şen ı şık şiddetiyle ters orantılı olarak, ı şık şiddeti arttı ğında direnci dü şen, ı şık şiddeti azaldı ğında ise direnci artan bir devre elemanıdır. Foto direnç AC ve DC akımda aynı özellikleri gösterir. Yan tarafta foto direncin sembolü görülmektedir. 67 5 - NTC: Ntc direnci ısıyla kontrol edilen bir direnç türüdür. Ntc ısıla ters orantılı olarak direnç de ği ştirir. Yani ısı arttıkca ntc nin direnci azalır. Isı azaldıkça da ntc nin direnci artar. Yan tarafta NTC 'nin sembolü görülmektedir. 6 - PTC: Ptc ise ntcnin tam tersidir. Isıyla do ğru orantılı olarak direnci de ği şir. Yani ısı artıkça direnci artar, ısı azaldıkça da direnci azalır. Yan tarafta PTC'nin sembolü görülmektedir. 7 - Kondansatör: Kondansatör mantı ğı iki iletken arasına bir yalıtkandır. Kondansatörler içerisinde elektrik depolamaya yarayan devre elemanlarıdır. Kondansatöre DC akım uygulandı ğında kondansatör dolana kadar devreden bir akım aktı ğı için iletimde kondansatör dolduktan sonrada yalıtımdadır. Devreden sızıntı akımı haricinde herhangi bir akım geçmez. AC akım uygulandı ğında ise akımın yönü devamlı de ği şti ği için kondansatör devamlı iletimdedir. Kondansatörün birimi "Farat" 'tır ve "F" ile gösterilir. Faratın altbirimleri Mikro farat (uF), Nano farat (nF) ve Piko farattır (pF). 1 F = 1,000,000 µF, 1 µF = 1,000 nF, 1 nF = 1,000 pF. 68 Şimdide kondansatörlerin seri ve paralel ba ğlantı şekillerini inceleyelim. Kondansatörler Önbilgiler: Kondansatör, DC akımı geçirmeyip, AC akımı geçiren devre elemanıdır. Kondansatörün Yapısı: Şekil 1.16 - Kondansatör Yapısı Kondansatör şekil 1.6 'da görüldü ğü gibi, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir maddenin yerle ştirilmesi veya hiç bir yalıtkan kullanılmaksızın hava aralı ğı bırakılması ile olu şturulur. Kondansatörler yalıtkan maddenin cinsine göre adlandırılır. Kondansatörün sembolü: De ği şik yapılı kondansatörlere göre, kondansatör sembollerinde bazı küçük de ği şiklikler vardır. Harf Olarak " C " 69 Kondansatörün Çalı şma Prensibi: Kondansatörün bir DC kayna ğına ba ğlanması ve şarj edilmesi: Şekil 1.17(a) 'da görüldü ğü gibi kondansatör bir DC kayna ğına ba ğlanırsa, devreden Şekil 1.17(b) 'de görüldü ğü gibi, geçici olarak ve gittikçe azalan I C gibi bir akım akar. I C akımının de ği şimini gösteren e ğriye kondansatör zaman diyagramı denir. Akımın kesilmesinden sonra kondansatörün plakaları arasında, kayna ğın V k gerilimine e şit bir V C gerilimi olu şur. Bu olaya, kondansatörün şarj edilmesi, kondansatöre de şarjlı kondansatör denir. "Şarj" kelimesinin Türkçe kar şılı ğı "yükleme" yada "doldurma" dır. a) Ba ğlantı devresi b) Zaman diyagramı c) Vc gerilim olu şumu Şekil 1.17- Kondansatörün DC kayna ğına ba ğlanması Kondansatör Devresinden Akım Nasıl Akmalıdır? Şekil 1.17(a)' daki devrede, S anahtarı kapatıldı ğında aynı anda kondansatör plakasındaki elektronlar, kayna ğın pozitif kutbu tarafından çekilir, kayna ğın negatif kutbundan çıkan elektronlar, kondansatöre do ğru akmaya ba şlar. Bu akma i şlemi, kondansatörün plakası daha fazla elektron veremez hale gelinceye kadar devam eder. Bu elektron hareketinden dolayı devreden bir I C akımı geçer. I C akımının yönü elektron hareketinin tersi yönündedir. Devreden geçen I C akımı, bir DC ampermetresi ile gözlenebilir. S anahtarı kapanınca 70 ampermetre ibresi önce büyük bir sapma gösterir. Sonra da, ibre yava ş yava ş sıfıra gelir. Bu durum devreden herhangi bir akım geçmedi ğini gösterir. IC akımına şarj akımı denir. Devre akımının kesilmesinden sonra yukarıda da belirtildi ği gibi kondansatör plakaları arasında V C =V k olu şur. V C gerilimine şarj gerilimi denir. V C geriliminin kontrolü bir DC voltmetre ile de yapılabilir. Voltmetrenin "+" ucu, kondansatörün, kayna ğın pozitif kutbuna ba ğlı olan plakasına, "-" ucu da di ğer plakaya dokundurulursa V C de ğerinin kaç volt oldu ğu okunabilir. E ğer voltmetrenin uçları yukarıda anlatılanın tersi yönde ba ğlanırsa voltmetrenin ibresi ters yönde sapar. Kondansatörde Yük, Enerji ve Kapasite; Şarj i şlemi sonunda kondansatör, Q elektrik yüküyle yüklenmi ş olur ve bir E C enerjisi kazanır. Kondansatörün yüklenebilme özelli ğine kapasite (sı ğa) denir. C ile gösterilir. Q, E C , C ve uygulanan V gerilimi arsında şu ba ğlantı vardır. Q=C.V , E C =CV 2 /2 Q: Coulomb (kulomb) V: Volt C: Farad (F) E C : Joule (Jul) Yukarıdaki ba ğlantıdan da anla şıldı ğı gibi, C kapasitesi ve uygulanan V gerilimi ne kadar büyük ise Q elektrik yükü ve buna ba ğlı olarak devreden akan I C akımı da o kadar büyük olur. Kondansatörün kapasite formülü: C = ? 0 . ? r .(A/d) ? 0 : (Epsilon 0): Bo şlu ğun dielektrik katsayısı ( ? 0 =8.854x10 -12 ) ? r : (Epsilon r): Plakalar arsında kullanılan yalıtkan maddenin İZAF İ 1 dielektrik (yalıtkanlık) sabiti. (Tablo 1.6) A: Plaka alanı d: Plakalar arası uzaklık A ve d de ğerleri METR İK sistemde (MKS) ifade edilirse, yani, "A" alanı (m 2 ) ve "d" uzaklı ğı 71 (m), metre cinsinden yazılırsa, C' nin de ğeri FARAD olarak çıkar. Örne ğin: Kare şeklindeki plakasının her bir kenarı 3 cm ve plakalar arası 2 mm olan, hava aralıklı kondansatörün kapasitesini hesaplayalım. A ve d de ğerleri MKS' de şöyle yazılacaktır: A=0,03*0,03=0,0009m2 = 9.10 -4 m 2 d=2mm=2.10 -3 m ? 0 = 8,854.10 -12 Hava için ? r =1 olup, değerler yerlerine konulursa: C=8,854.10 -12 .4,5.10 -1 =39,843.10 -13 F=3,9PF (Piko Farad) olur. NOT: 1 İZAF İ kelimesi, yalıtkan maddenin yalıtkanlık özelli ğinin bo şlu ğunkinden olan farkını göstermesi nedeniyle kullanılmaktadır. İzafinin, öz türkçesi, "göreceli" dir. Tablo 1.6. Bazı yalıtkan maddelerin ? r sabitleri C İNS İ İzafi Yalıtkanlık Katsayısı ( ? r )C İNS İ İzafi Yalıtkanlık Katsayısı ( ? r ) Hava 1 Cam 4-7 Lastik 2-3 Mika 5-7 Ka ğıt 2-3 Porselen 6-7 Seramik 3-7 Bakalit 4-6 AC Devrede Kondansatör: Yukarıda DC devrede açıklanan akım olayı, AC devrede iki yönlü olarak tekrarlanır. Dolayısıyla da, AC devredeki kondansatör, akım akı şına kar şı bir engel te şkil etmemektedir. Ancak bir direnç gösterir. Kondansatörün gösterdi ği dirence kapasitif reaktans denir. Kapasitif reaktans, X C ile gösterilir. Birimi Ohm( ?) dur. X C = (1/ ?C) = (1/2 ?fC) 'Ohm olarak hesaplanır. X C = Kapasitif reaktans ( ?) 72 ? = Açısal hız (Omega) f = Frekans (Hz) C = Kapasite (Farad) Yukarıdaki ba ğlantıdan da anla şıldı ğı gibi, kondansatörün X C kapasitif reaktansı; C kapasitesi ve f frekansı ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün kapasitesi ve çalı şma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, di ğer bir deyimle direnci azalır. Kondansatör Ba ğlantı Şekilleri a) Seri ba ğlantı: Kondansatörlerin seri ba ğlantı hesaplamaları, direncin paralel ba ğlantı hesaplarıyla aynıdır. Yanda görüldü ğü gibi A ve B noktaları arasındaki toplam kapasite 1 / C Toplam = ( 1 / C 1 ) + ( 1 / C 2 ) + ( 1 / C 3 ) şeklinde hesaplanır. 1 / C Toplam = ( 1 / 10 µF ) + ( 1 / 22 µF ) + ( 1 / 100 µF ) burdan da 1 / C Toplam = 0,1 + 0,045 + 0,01 1 / C Toplam = 0,155 C Toplam = 1 / 0,155 C Toplam = 6.45 µF eder. A ve B arasındaki elektrik ise V Toplam = V 1 + V 2 + V 3 şeklinde hesaplanır. Bu elektrik kondansatörlerin içinde depolanmı ş olan elektriktir. 73 b) Paralel ba ğlantı: Kondansatörlerin paralel ba ğlantı hesaplamaları, direncin seri ba ğlantı hesaplarıyla aynıdır. C Toplam = C 1 + C 2 + C 3 hesapladı ğımızda, C Toplam = 10 µF+ 22 µF + 100 µF C Toplam = 132 µF eder. A ve B noktaları arasındaki elektrik ise V Toplam = V 1 = V 2 = V 3 şeklindedir. Yani tüm kondansatörlerin gerilimleride e şittir. 8 - Bobin: Bir iletkenin ne kadar çok e ğik ve büzük bir şekilde ise o kadar direnci artar. Bobin de bir silindir üzerine sarılmı ş ve dı şı izole edilmi ş bir iletken telden olu şur. Bobine alternatif elektrik akımı uygulandı ğında bobinin etrafında bir manyetik alan meydana gelir. Aynı şekilde bobinin çevresinde bir mıknatıs ileri geri hareket ettirildi ğinde bobinde elektrik akımı meydana gelir. Bunun sebebi mıknatıstaki manyetik alanın bobin telindeki elektronları açı ğa çıkarmasıdır. Bobin DC akıma ilk anda direnç gösterir. Bu nedenle bobine DC akım uygulandı ğında bobin ilk anda yalıtkan daha sonra iletkendir. Bobine AC akım uygulandı ğında ise akımın yönü devamlı de ği şti ği için bir direnç gösterir. Bobinin birimi "Henri" 'dir. Alt katları ise Mili Henri (mH) ve Mikro Henridir (µH). Elektronik devrelerde kullanılan küçük bobinlerin bo şta duranları oldu ğu gibi nüve üzerine sarılmı ş olanlarıda mevcuttur. Ayrıca bu nüve üstüne sarılı olanların nüvesini bobine yakla ştırıp uzakla ştırarak çalı şan ayarlı bobinlerde mevcuttur. Bobin trafolarda elektrik 74 motorlarında kullanılır. Elektronik olarakta frekans üreten devrelerde kullanılır. Bobinler (Coil) Sabit Bobinler ve Yapıları: Bobin bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmı ş tel grubudur. Kullanım yerine göre, makara içerisi bo ş kalırsa havalı bobin, demir bir göbek (nüve) geçirilirse nüveli bobin dı verilir. Bobinin her bir sarımına spir denir. Şekil 1.28 'de bobin sembolleri verilmi ştir. A şa ğıdaki üst sırada bulunan semboller eski alt sırada bulunan semboller yeni gösterilim şeklidir. Şekil 1.27 - De ği şik Bobin Sembolleri Bobindeki Elektriksel Olaylar: Bilindi ği gibi bir iletkenden akım geçirildi ğinde, iletken etrafında bir magnetik alan olu şur. Bu alan ka ğıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir. Bir bobinden AC akım geçirildi ğinde, Şekil 1.29 'da görüldü ğü gibi bobin sargılarını çevreleyen bir magnetik alan olu şur. Akım büyüyüp küçülü şüne ve yön de ği ştirmesine ba ğlı olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri ço ğalıp azalır ve yön de ği ştirir. Bobine bir DC gerilim uygulanırsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede bir direnç özelli ği gösterir. 75 Şekil 1.29 - içinden akım geçen bobindeki Magnetik alan kuvvet çizgileri Zıt Elektro Motor Kuvveti (EMK) Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin de ği şimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK Ez) adı verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü Şekil 1.30 'da gösterilmi ş oldu ğu gibi kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin olu şturdu ğu akıma ters yönde bir akım akıtmaya çalı şır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin olu şturdu ğu "I" devre akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya ba şlar. Zıt EMK 'nın i şlevi, LENZ kanunu ile şöyle tanımlanmı ştır. LENZ kanununa göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü, küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar. Endüktif Reaktans (X L ): Bobinin, içinden geçen AC akıma kar şı gösterdi ği dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans X L ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. Şöyle ifade edilir: X L = ?.L 'dir. ? = 2. ?.f olup yerine konulursa, X L = 2. ?.f.L ohm olur. ? : Açısal hız (Omega) f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir. L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir. 76 Şekil 1.30. Zıt EMK 'nın etkisi a) AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı. b) Kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (E z ) arasındaki ba ğıntı "L" nin değeri bobinin yapısına ba ğlıdır. Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolayısıyla AC akıma gösterdi ği dirençte o oranda büyür. "L" nin birimi yukarıda da belirtildi ği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle de ğerler çok küçük oldu ğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar. Bunun için miliHenry (mH) ve mikrohenry (µH) de ğerleri kullanılır. Henry, miliHenry ve mikroHenry arasında şu ba ğıntı vardır. MiliHenry (mH) :1mH = 10 -3 H veya 1H = 10 3 mH MikroHenry (µH) : 1µH = 10 -6 H veya 1H = 10 6 µH 'dir. Kar şılıklı Endüktans (M): Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildi ğinde, bunun nüvede olu şturdu ğu kuvvet çizgileri di ğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının iki ucu arasında bir gerilim olu şturur. 77 Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. Bu şekilde ileti şim, kar şılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir de ğere göre olmaktadır. Kar şılıklı endüktans (M) ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir: M=(L 1 .L 2 ) ½ L 1 ve L 2 , iki bobinin self endüktansıdır. M 'in birimi de Henry(H) 'dir. Şöyle tanımlanır: Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin arasındaki kar şılıklı endüktans M=1 Henry 'dir. Bobinler seri ba ğlanırsa toplam endüktans: L=L 1 +L 2 +L 3 +.......... olur. Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri ba ğlanırsa: L=L 1 +L 2 ±2M olur. Şekil 1.31 'de de ği şik bobin görüntüleri verilmi ştir. Bobinin Kullanım Alanları: Bobinin elektrik ve elektronikte yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunlar kullanım alanlarına göre şöyle sıralanabilir. Elektrikte: • Do ğrultucular da şok bobini • Transformatör • Isıtıcı v.b. • Elektromıknatıs (zil, elektromagnetik vinç) Elektronikte: • Osilatör • Radyolarda ferrit anten elemanı (Uzun, orta, kısa dalga bobini) • Telekomünikasyonda frekans ayarı (ayarlı göbekli bobin) • Telekomünikasyonda röle • Yüksek frekans devrelerinde (havalı bobin) Özellikle de radyo alıcı ve vericilerinde de anten ile ba ğlantıda de ği şik frekansların (U.D, O.D, KD) alımı ve gönderiminde aynı ferrit nüveyi kullanan de ği şik bobinler ve bunlara paralel ba ğlı 78 kondansatörlerden yararlanır. a) Ayarlı hava nüveli bobin b) Ayarlı demir nüveli bobin c) Ayarlı ferrit nüveli bobin d) Sabit hava nüveli bobinler e) Demir çekirdekli bobin f) Şiltli ses frekansı şok bobini g) Güç kayna ğı şok bobini h) Toroid i) Şiltli, yüksek endüktanslı şok bobini