Genel Temel Elektronik Laboratuarı Deney föyü YILDIZ TEKN İK ÜNİVERS İTES İ ELEKTRON İK VE HABERLE ŞME MÜHEND İSL İĞİ BÖLÜMÜ TEMEL ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY FÖYÜ ELEKTRON İK ANAB İL İM DALI ARA ŞTIRMA GÖREVL İLER İ: ARŞ. GÖR. NERG İS TURAL ARŞ. GÖR. CENK DİNÇBAKIR ARŞ. GÖR. BURCU ERKMEN ARŞ. GÖR. N İHAN KAHRAMAN ARŞ. GÖR. REVNA ACAR VURAL ARŞ. GÖR. O ĞUZHAN YAVUZ ARŞ.GÖR. TANKUT ACAR Toplam 55 sayfa İSTANBUL, 2007 Deney 2....................................................................................................................................3-6 Deney 2 Sonuç Sayfası..............................................................................................................7 Deney 3..................................................................................................................................8-10 Deney 3 Sonuç Sayfası.......................................................................................................11-12 Deney 4................................................................................................................................13-15 Deney 4 Sonuç Sayfası.......................................................................................................16-17 Deney 5................................................................................................................................18-23 Deney 5 Sonuç Sayfası.......................................................................................................24-26 Deney 6................................................................................................................................27-30 Deney 6 Sonuç Sayfası............................................................................................................31 Deney 7................................................................................................................................32-35 Deney 7 Sonuç Sayfası............................................................................................................36 Deney 8................................................................................................................................37-43 Deney 8 Sonuç Sayfası............................................................................................................44 Deney 9................................................................................................................................45-49 Deney 9 Sonuç Sayfası.......................................................................................................50-51 Deney 10..............................................................................................................................52-55 Deney 10 Sonuç Sayfası..........................................................................................................56 Örnek SPICE Raporu.............................................................................................................57 BC 237 Data Sheet (Short).....................................................................................................58 BS 108 Data Sheet (Short)......................................................................................................59 1Malzeme Listesi (Bozulma İhtimaline Kar şı Deney Malzemelerinin yedeklerini bulundurunuz.) Bütün Deneylerde Kullanılacak: Multimetre, Breadboard, 10 adet Çift Taraflı Krokodil. Deney 2 : Diyot Karakteristikleri Diyot: 1x1N4001, 1x1N4148, 1xAA119, 1xLED ve 1x5.6V zener Direnç : 1x1k ? 20W Havya, Lehim Teli, Delikli Pertanaks Deney 3 : Kırpıcı Devreler Diyot: 4x 1N4001 Direnç: 1x 1k? Deney 4 : Doğrultucu Devreler Diyot : 4x 1N4001 Direnç : 1x 1k?, 1x 100k ? Kondansatör : 1x 1µf, 1x 100 µf Deney 5 : Transistör Karakteristikleri Transistör : 1xBC 237 Diyot : 1x1N4001 ya da 1N4148 Direnç : 1x1k ?,1x33k? Deney 6 : MOSFET Karakteristikleri MOSFET: 1xBS108 N-Kanal (Kanal Olu şturmalı) ya da muadili Diyot : 1x1N4001 Direnç : 1x1k? Deney 7 : Transistörün Zaman, Isı ve I şık Anahtarı Olarak Kullanılması Direnç : 1x330 ? - 1x1k ? - 1x100k ? - 1x100k ? POT Kondansatör : 1x220 µf Transistör :1x BC 237 Sarf :1xLED, 1xLDR(1k?~10k?), 1xNTC (1k ?~10k?) veya PTC Deney 8 : Bipolar Transistörlü Kuvvetlendiricilerin Frekans Cevabı Transistör : 1x BC237 Kondansatör : 2x10µf, 1x470µf, 1x1nf Direnç : 1x82k?, 1x8.2k?, 1x1k?, 1x3.3k?, 1x12k? Deney 9 : MOSFET’li Kuvvetlendiricilerin Frekans Cevabı MOSFET : 1xBS108 ya da muadili Kondansatör : 3x1µF, 3x100µF Direnç : 1x220?, 1x1k?, 1x10k?, 1x360k?, 1x1M ? Deney 10 : Gerilim Regülatörleri Direnç: 1x560? – 10k POT Diyot: 4x1N4001 – 9.1V zener Kondansatör:1x470µF 25V – 1x100 µF 35V - 1x1000 µF 35V Transistör : BC 140 Toplu Liste: Direnç:1x220?-1x330 ?-1x560?-2x1k-1x3.3k-1x8.2k-1x10k-1x12k-1x33k-1x82k-1x100k- 1x360k-1x1M-1x10k POT – 1x100k POT Kondansatör:1x1nf-3x1µf-2x10µf-3x100 µf 35V-1x470 µf 25V- 1x1000µf 35V Diyot:4x1N4001-1x1N4148-1xAA119-1xLed-1x5.6V zener-1x9.1V zener Transistör:1xBC 237-1xBS 108 ya da muadili – 1xBC 140 Sensör:1x LDR(1k ?~10k? arasında)- 1x NTC(1k ?~10k? arasında) ya da PTC 20W Havya, Lehim Teli, Delikli Pertanaks Bütün Deneylerde Kullanılacak: Multimetre, Breadboard, 10 adet Çift Taraflı Krokodil. 2DENEY 2 : D İYOT KARAKTER İST İKLER İ Amaç: Diyot elemanının çalı şmasını teorik ve pratik olarak öğrenmek. Malzeme Listesi : Diyot: 1x1N4001, 1x1N4148, 1xAA119, 1xLED ve 1x5.6V zener Direnç : 1x1k? Genel Bilgiler : Diyot p ve n-tipi yarıiletkenin aynı kristal yapıda olu şturulması ile elde edilen elemandır. Diyotta p ve n tipi malzemeler arasında düzlemsel metalürjik kontak da denen jonksiyon (eklem) vardır. Genellikle n-tipi bir pulun (donör katkılamalı), belli bölgesinin akseptör (p- tipi) katkılanması ile olu şturulur. Çalı şması kutuplanmasına ba ğlı olarak uzay yük bölgesinin (SCR) geni şleyip daralması prensibi üzeredir. Kayna ğın pozitif ucu p tarafı kontağına negatif ucu da n tarafının konta ğına ba ğlanırsa diyot iletim yönünde kutuplanır çünkü uzay yük bölgesi en dar şekle gelmi ştir ve uygulanan gerilim bu dar bölgenin geçilmesine yeterli bir e şik gerilim de ğerini a ştı ğı zaman iletim akımı Id akar. Aslında akım e şik değerine yakla şılan gerilimlerde akmaya başlamaktadır fakat bu gerilimlerdeki akım de ğerleri iletim akımından küçüktür. Ters kutuplanması halinde idealde diyotun akım iletmemesi gerekmektedir çünkü uzay yük bölgesi çok büyüyecektir açık devre karakteristi ği gösterecektir, ancak çok küçük (femto Amper mertebesinde) bir sızıntı akımı akar bu akıma Is ters satürasyon akımı denir. Diyot akım-gerilim ili şkisi a şa ğıdaki transandantal denklem ile modellenmektedir. = [ ] 1 . / - = T D nV V S D e I I Bu denklemde; S I : Ters satürasyon akımı D V : Diyota uygulanan gerilim : İdealden uzakla şma faktörü n T V : Termal voltaj q T k V T . = D I D V 3Parçalı Lineer Diyot Modeli D I D r / 1 D V Diyot yukarıda görüldüğü üzere karakteristik e ğrisine çizilen te ğetlerle parçalı lineer modellenir. Yukarıdaki karakteristik te ğetleri incelenirse diyotun; gerilimi iletmeye ba şladı ğı bir açma potansiyeline ve iletim yönünde çizilen te ğetin e ğimi kadar bir iletkenli ğe sahip olduğu görülür. İletimdeki diyotun e şde ğer parçalı lineer modeli: = + - + - Kesimdeki diyotun e şde ğer modeli: + - - = + Diyotun iki baca ğına uygulanan gerilim farkı e şik geriliminden büyük olursa diyot iletime geçer aksi halde yani uygulanan gerilim e şik geriliminden küçük veya ters kutuplanmı ş ise diyot kesimdedir. Diyotun Küçük İşaret E şde ğeri: Diyot DC kutuplama ile iletime geçirilip diyotu iletimden kesmeyecek kadar küçük bir AC i şaret iletilebilir. Bu uygulama genellikle optokuplörlerde veya infra LED’ler ile i şaret aktarımında kullanılır. DC gerilim ile AC i şarete diyotun gösterece ği direnç kontrol edilir, böylece DC gerilim ile AC i şaretin genli ği ayarlanmı ş olur. DC T AC I V r = 4Burada diyotun AC küçük i şaret analizinde kullanılacak direnç de ğerini göstermektedir. ise DC analizden elde edilen diyot akımıdır. Bu denklemde bize diyotun DC kutuplamaya ba ğlı AC direncini göstermektedir. Şekil 3 diyotun küçük i şaret kullanımını göstermektedir. AC r DC I Zener Diyot Zener diyotun parçalı lineer eşde ğer modeli ve diyot e şde ğer modeli a şa ğıdaki gibidir. Yukarıda gösterilen zener e şde ğer devresinde diyotların iç dirençleri ve eşik gerilimleri sıfır kabul edilmi ş ve gerekli e şik gerilim değerleri ve iletim dirençleri ilgili diyota seri ba ğlanmak suretiyle gösterilmi ştir. Deney Öncesi Yapılacaklar : 1) Şekil 2.1, Şekil 2.2 ve Şekil 2.3’teki devrelerin teorik analizlerini yapınız. 2) Kataloglarda verilen diyot parametrelerini ara ştırıp, deneyde kullanılacak diyotlar için çalı şma frekans aralıklarını, maksimum iletim akımlarını ve kırılma gerilimlerini inceleyiniz. I D r 1 VZ V VD = Z r 1 5 Deneyde Yapılacaklar : 1) Şekil 1’de görülen devreyi 1N4001, AA119, LED ve 5.6V zener elemanları için ayrı ayrı kurunuz. VR’nin sekiz farklı de ğeri için V1 ve V2 gerilimlerini ölçünüz. Ölçtü ğünüz de ğerleri Tablo 2.1’e yerle ştiriniz. (VR, ayarlanabilir DC gerilim kayna ğıdır.) 2) Şekil 2’de görülen devreyi 1N4001 ve zener elemanı ile ayrı ayrı kurarak osiloskop ekranında X-Y modunda çıkı şı gözleyiniz. Gözledi ğiniz çıkı şları Şekil 2.4’teki ve Şekil 2.5’teki koordinat düzlemi üzerine çiziniz. Deney : Şekil 2.1 Şekil 2.2 Şekil 2.3 Sorular : 1) Deneyde buldu ğunuz sonuçlar ile teorik analiziniz arasında farklılıklar var mı? Neden? 2) Kullandı ğınız farklı diyotların karakteristik e ğrilerinde fark var mı? 3) Diyotun küçük i şaret modeli nerelerde kullanılabilir? Niçin? 4) Şekil 2.3 teki devrede küçük i şaret kaynağı tam ters kutuplama ile ba ğlansaydı ne de ği şirdi? Neden? 5) Şekil 2.2 deki diyot tam ters yönde ba ğlansaydı ne de ği şiklik olurdu? 6) Şekil 2.3 de 5 V’luk DC gerilimi 10 V’a çıkarırsak ne gibi de ği şiklik olur? Neden? 67) p-n jonksiyonlu diyotlar ve zener diyotlardan ba şka diyot çe şitleri var mıdır? Varsa bunlar nelerdir? DENEY 2 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Tablo 2.1 Vk IN4001 Vk AA118 (Ge) Vk LED Vk Zener V1 V2 V1 V2 V1 V2 V1 V2 0.2V 0V 0.2 -7V 0.4V 0.1V 0.5V -6V 0.6V 0.2V 0.8V -4V 0.7V 0.3V 1V -1V 0.9V 0.4V 1.5V 0V 1.5V 0.6V 2V 0.4V 2V 1.5V 2.5V 0.7V 3V 2V 3V 1V ( ) ( ) ( ) Şekil 2.4 ( ) Şekil 2.5 ÖNEML İ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait oldu ğu de ği şkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 7 DENEY 3 : KIRPICI DEVRELER Amaç: Kırpıcı devreler ve çalı şma prensiplerinin ve deney yoluyla incelenmesi. Malzeme Listesi: Diyot: 4x 1N4001 Direnç: 1x 1k ? Genel Bilgiler: Girişine uygulanan sinyalin bir bölümünü kırpan devrelere KIRPICI DEVRELER adı verilir. En basit kırpıcı devre, şekil 3.1 'de görülmektedir. Diyodun yönüne ba ğlı olarak giri ş sinyalinin pozitif veya negatif alternansı kırpılır. Seri ve paralel kırpıcı olmak üzere 2 tiptedir. Seri kırpıcılarda diyot yüke seri, di ğerinde ise paraleldir. Şekil 3.1: Kırpıcı Devre Şekil 3.2. Kırpıcı Devre Giriş ve Çıkı şları 8 Polarmalı Kırpıcı Devreler: Şekil 3.3’de görüldü ğü gibi, devreye V gibi DC gibi kaynağın eklenmesi, kırpıcı devrenin çıkı şında belirgin bir etki meydana getirebilir. Böyle devrelerde, diyodun iletime geçebilmesi için anodun katoda nazaran daha pozitif olması gerekir. Yani giri ş sinyali, V de ğerini a ştı ğı anda diyot iletime geçer. Şekil 3.3 - Polarmalı Kırpıcı Devresi Şekil 3.4. Polarmalı Kırpıcı Devresi Giri ş ve Çıkı şı 9 Deneyde Yapılacaklar: Şekil 3.5 Kırpıcı devresi 1. Şekil 3.5’deki deney devresini kurunuz. 6V AC kaynak için boardlar üzerindeki trafodan yararlanınız. 2. Vdd=0V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz. 3. Vdd=3V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz. 4. Vdd=8V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz. 5. Diyot ve AC kayna ğı ters çevirerek devreyi tekrar kurunuz. ( Şekil 3.6) Şekil 3.6. 6. Vdd=0V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz. 7. Vdd=3V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz. 8. Vdd=8V için osiloskopta gördü ğünüz çıkı şı çiziniz Sorular: 1) Kırpıcı devrelerin çalı şma prensibi nedir? 2) Kırpıcı devrelerin (polarmasız) AC çıkı ş sinyali ne ile sınırlıdır? 3) Kırpıcı devrelerinin çıkı ş i şareti ile giri ş i şaretlerini ortalama de ğer açısından kar şıla ştırın. Kar şıla ştırmanıza bağlı olarak kırpıcı devrelerin kullanım amacı ne olabilir? 4) Deneyde kurduğunuz devreleri spice programı ile simüle ederek sonuçları kar şıla ştırınız. 10 DENEY 3 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: 3.1 Şekil 3.5 için Vdd=0V. 3.2 Şekil 3.5 için Vdd=3V. 3.3 Şekil 3.5 için Vdd=8V. 113.4 Şekil 3.6 için Vdd=0V. 3.5 Şekil 3.6 için Vdd=3V. 3.6 Şekil 3.6 için Vdd=8V. Sonuç ve Yorumlar: • Şekil 3.5 ve 3.6 da kurdu ğunuz devrelerin çıkı şları arasında fark var mıdır? • Varsa nedenlerini açıklayınız. • Yoksa nedenlerini açıklayınız. 12DENEY 4 : DO ĞRULTUCU DEVRELER Amaç : Diyotlu tek yollu (yarım dalga), iki yollu (tam dalga) ve köprü diyotlu do ğrultucu devre yapılarını öğrenmek, çalı şmalarını deney yoluyla incelemek. Malzeme Listesi : Diyot : 4x 1N4001 Direnç : 1x 1k ?, 1x 100k ? Kondansatör : 1x 1 µf, 1x 100 µf Genel Bilgiler : DC ve AC gerilim ve akımlar elektronik elemanlara güç sa ğlamaktadırlar. Günümüzde ta şınma ekonomikli ği ve etkinli ği nedeniyle AC güç nakil hatları kullanılmaktadır. Elektronik elemanlarının pek çoğunun çalı şması için gerekli DC güç AC’den DC’ye do ğrultma ile mümkün olmaktadır. Do ğru akım tek yönlüdür. Diyotun tek yönlü iletim karakteristi ği doğrultma i şlemi için en uygun eleman olmasını sağlar. Silikon, germanyum, selenyum ve bakır oksit doğrultucular güç do ğrultucuları olarak işlev yapan katı hal elemanlarıdır. Günümüz elektroni ğinin en yaygın kullandı ğı do ğrultucu Silikon tabanlıdır. 200 mA ile 1000 A arasında yük akımı iletebilen, 1000 V tan daha yüksek ters tepe gerilimlerine dayanabilen çok çeşitli Silikon do ğrultucular mevcuttur. Temelde iki çe şit doğrultma devresi mevcuttur. Bunlar yarım dalga ve tam dalga doğrultuculardır. Yarım dalga do ğrultmayı tek yollu do ğrultucu devresi, tam dalga doğrultmayı ise iki yollu do ğrultucu ve köprü tipi do ğrultucu ile gerçeklemek mümkündür. Tek yollu do ğrultucu Şekil 4.1’de tek yollu do ğrultucu devresi görülmektedir. Diyot tek yönde akım geçiren bir devre elemanıdır. Anodu (+), katodu (-) yapan alternans (pozitif alternans) uygulandı ğında diyot iletken olur. Bu alternansta, C kondansatörü gerilimin maksimum değerine şarj olur. Bu andan itibaren bir sonraki pozitif alternans gelene kadar C kondansatörü direnç (devre) üzerinden de şarj olarak akımı devam ettirir. İki yollu do ğrultucu Şekil 4.2’de iki yollu do ğrultucu devresi görülmektedir. Devrenin iki yollu çalı şması yani tam dalga çıkı ş vermesi bir alternansta D1 diyotunun, di ğer alternansta ise D2 diyotunun iletken olması ile sağlanır. Tek yollu do ğrultucuda giri ş i şaretinin negatif alternansındaki iletim bo şlu ğu bu devre yardımıyla ortadan kaldırılır ve çıkı şa pozitife çevrilmi ş olarak verilir. Bu devre tipi sadece orta uca sahip transformatörlerle kullanılabilir. Köprü tipi do ğrultucu Şekil 4.3’te köprü tipi do ğrultucu devresi görülmektedir. Kullanılan transformatörde orta uca gerek olmaksızın tek alçak gerilim sargısı varsa tam dalga doğrultma yapılmak isteniyorsa köprü tipi do ğrultucu kullanılır. Bu devrenin çıkı ş i şareti 4.2’deki devre ile aynıdır. Sadece, 4 adet diyot kullanıldı ğı için çalı şma prensibi farklıdır. Bir alternansta D1 ile D3 iletimdeyse di ğer alternansta D2 ile D4 iletimdedir ve çıkı şta yine tam dalga i şaret gözlenir. 13Deney Öncesi Yapılacaklar : Tek yollu do ğrultucu, iki yollu do ğrultucu ve köprü diyotlu do ğrultucu devrelerini inceleyiniz. A şağıdaki soruların yanıtlarını düşününüz. Deneyde Yapılacaklar : Deneyde, devre şekillerinde görülen transformatörler kullanılmayacaktır. Onun yerine devre giri şleri board’lar üzerindeki 2 x 6V trafo çıkı şına ba ğlanacaktır. 1 Şekil 1’deki tek yollu do ğrultucu devresini önce kondansatör ba ğlamadan sonra ba ğlayarak kurup çıkı ş i şaretini gözleyiniz. Yük direncinin de ğerini arttırıp azaltarak çıkı şın de ği şimini inceleyiniz. Gördü ğünüz de ği şimleri yorumlayınız. 2 Yük direnci 1k ?, kondansatör yok. 2.1 RY=1k ? ve C=1 µf, RY=100k ? ve C=100 µf için devrenin çalı şmasını inceleyip sonuçları kaydediniz. 3 Şekil 2’deki iki yollu do ğrultucuyu kurup kondansatörün ve yük direncinin de ğerlerini de ği ştirerek çıkı şı gözleyiniz. Çıkı ş i şaretini çiziniz. 3.1 RY=1k ? ve C=1 µf, RY=100k ? ve C=100 µf için devrenin çalı şmasını inceleyip sonuçları kaydediniz. 4 Şekil 3’deki do ğrultucuyu kurup kondansatör ve direnç de ğerlerinin de ği şimi ile çıkı şı gözleyiniz. Çıkı ş i şaretlerini çiziniz. Di ğer devreler ile farkını yorumlayınız. 4.1 RY=1k ? ve C=1 µf, RY=100k ? ve C=100 µf için devrenin çalı şmasını inceleyip sonuçları kaydediniz. Sorular: 1) Do ğrultma devrelerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını açıklayınız. 2) Bir do ğrultma devresinin çıkı şındaki kapasitörün fonksiyonu nedir? 3) Dalgalılık faktörü ile kapasitörün sı ğası arasındaki ili şkiyi açıklayınız. 4) İki yollu ve köprü tipi do ğrultucuları birbirinin yerine aynı gerilim çıkı şını verecek şekilde kullanmak için şebeke gerilimini indirgeyen trafo sarım sayısı nasıl seçilmelidir? 5) Deneyde yaptı ğımız do ğrultucular, şebeke gerilimi ve yük akımı de ği şimlerinde verimli çalı şabilir mi? Nedenleriyle açıklayınız. 14Deney : 15DENEY 4 RAPOR SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: 1. Tek Yollu Doğrultucu R Y = 1k ?, C = 0. 2. a) R Y = 1k ?, C = 1 µF b)R Y = 100k ?, C = 100 µF 16DENEY 4 RAPOR SAYFASI 2 3. a) İki Yollu Do ğrultucu R Y = 1k ?, C = 1 µF b) İki Yollu Do ğrultucu R Y = 100k ?, C = 100 µF 4. a) Köprü Tipi Do ğrultucu R Y = 1k ?, C = 1 µF b) Köprü Tipi Do ğrultucu R Y = 100k ?, C = 100 µF Sonuç ve Yorum: 17DENEY 5 : TRANS İSTÖR KARAKTERİST İKLERİ Amaç : Bipolar Transistörlerin çalı şmasını teorik ve pratik olarak öğrenmek. Malzeme Listesi : Transistör : 1xBC 237 Diyot : 1x1N4001 ya da 1N4148 Direnç : 1x1k ?,1x33k ? Ön Çalı şma : Transistörler ve çalı şma prensiplerini inceleyiniz. Çıkı ş ve geçi ş karakteristikleri ile bu karakteristiklerin nasıl çıkartılaca ğını ve nasıl kullanılaca ğını ara ştırınız. Genel Bilgiler: Günümüzde akım kontrol elemanı olarak en çok kullanılan yarıiletken düzenler bipolar transistörlerdir. Bipolar transistörlerin alan etkili transistörlere göre en önemli üstünlükleri akım kontrol yeteneklerinin (geçi ş iletkenliklerinin) daha yüksek olmasıdır. Bir npn tipi transistörü göz önüne alarak akım kontrol mekanizmasını inceleyelim. Transistörün emetör baz jonksiyonu geçirme yönünde, kollektör baz jonksiyonu da tıkama yönünde kutuplanmı ş olsun ( Şekil 5.1). Şekil 5.1 Bu durumda: 1. Geçirme yönünde kutuplanmı ş olan E-B jonksiyonunda emetör bölgesindeki ço ğunluk ta şıyıcısı olan elektronlar difuzyonla baz bölgesine, benzer şekilde baz bölgesindeki ço ğunluk ta şıyıcıları da emetör bölgesine geçerler. Bu iki ta şıyıcı akı şının sebep oldu ğu elektrik akımı aynı yönde ve emetörden dı şarıya doğrudur. Emetör bölgesinin katkı yoğunlu ğu baz bölgesininkine göre çok yüksek yapılırsa toplam akım üzerinde bazdan emetöre geçen deliklerin payı ihmal edilebilir. Akacak olan akım geçirme yönünde bir pn jonksiyonunun akımıdır ve de ğeri ( ) 1 e I I T EB V V EBS E - ? - ba ğıntısı ile belirlidir. Buradaki I EBS katsayısı kollektör jonksiyonundan da akım akması (kollektörün baza kısa devre edilmesi) haline kar şı dü şen emetör-baz jonksiyonu doyma akımıdır. 2. Tıkama yönünde kutuplanmı ş olan B-C jonksiyonunda p bölgesindeki azınlık taşıyıcıları olan elektronlar kollektör bölgesine, kollektör bölgesindeki azınlık ta şıyıcıları da baz bölgesine do ğru, jonksiyondaki V CB nin de destekledi ği alanın etkisi ile akarlar. Bunların toplamı kollektör ucundan içeriye do ğru bir elektrik akımı demektir. Akıma katkıda 18bulunan ta şıyıcıların yo ğunlu ğu her iki bölgede de çok az oldu ğundan akım de ğeri küçüktür ve ta şıyıcı yoğunlukları ile sınırlıdır. Şimdi tekrar ba şa, emetör bölgesinden baz bölgesine difuzyonla geçen elektronlara dönelim. Bu elektronların baz bölgesi içinde ilerledikçe burada ço ğunlukta bulunan deliklerle birleşeceklerini ve yo ğunluklarının uzaklıkla üstel olarak azalaca ğını, elektronların difuzyon uzaklı ğı denilen uzaklıkta yo ğunluk artımının, ba şlangıçtaki de ğerinin 1/e sine dü şece ğini biliyoruz. P tipi baz bölgesinin geni şliği elektronların L n difuzyon uzaklı ğına göre küçük olacak şekilde çok dar yapılırsa emetörden baz bölgesine geçen elektronların henüz pek azı deliklerle birle şmi şken, büyük ço ğunlu ğu kollektör jonksiyonuna ulaşır. Bu jonksiyondaki kutuplama gerilimi elektronları kollektör bölgesine do ğru akıtacak yönde oldu ğundan kollektör jonksiyonuna ulaşmı ş olan elektronlar kollektör bölgesine geçerek kollektörden dı şarıya doğru bir elektron akımı (kollektörden içeriye do ğru bir elektrik akımı) olu ştururlar. Bu akım emetörden baza geçen elektronların akıttı ğı akımdan biraz küçüktür. Aradaki fark baz bölgesinden geçerken deliklerle birle şen az sayıda elektrona kar şı dü şen akıma e şittir. Baz bölgesi yeteri kadar dar ise baz içinde meydana gelen birle şmeler az olaca ğından baz akımı çok küçük ve emetör akımı yaklaşık olarak kollektör akımına e şit olur. Burada elektron akımı yolu emetörden – baz üzerinden – kollektöre do ğru, yani elektrik akımının yolu kollektörden – baz üzerinden – emetöre do ğrudur ve bu akımı sağlayan toplam kaynak V CE gerilimidir. Akımı kontrol eden büyüklük ise, baza geçen elektronların sayısını belirleyen V EB gerilimidir. O halde transistörü Şekil 5.2 deki gibi de kutuplayabiliriz. Böylece kontrol edilen akımın, kontrolü sağlayan kaynak üzerinden akması önlenmi ş olur. Ortak bazlı devre denilen Şekil 5.1 deki devrede kontrol kayna ğından akan akım yakla şık olarak kontrol edilen akıma e şit oldu ğu halde Şekil 5.2 deki ortak emetörlü devre’de kontrol kayna ğından akan akım (baz akımı) kontrol edilen akıma göre çok küçüktür. Şekil 5.2 npn tipi transistör için bu anlatılanlar pnp tipi bir transistör için de geçerlidir. Tek fark akım ve gerilimlerin yönlerini yukarıdakinin tersi olmasıdır. Pratikte her iki transistör tipi için de geçerli olmak üzere akım referans yönlerinin transistöre do ğru alınması kabul edilmi ştir. Şekil 5.2’deki gibi kutuplanmı ş bir transistör için çe şitli akım – gerilim ili şkilerini gösteren eğri veya e ğri ailelerine transistörün öze ğrileri denir. Öze ğriler arasında en önemli olanları 19giri ş öze ğrisi (I B =f(V BE )), geçi ş öze ğrisi (I C = f (I B ) ) ve çıkı ş öze ğrileri (I C = f (V CE ) , I B parametre) dir. B Giri ş Öze ğrisi Ortak emetörlü bir devrede transistörün emetöründen bazına geçen elektronların miktarını (dolayısıyla I E akımını) belirleyen etken V BE gerilimidir. I E nin V BE ye ba ğımlılı ğı pn jonksiyonunun akım gerilim bağıntısı ile belirlidir. ( ) 1 e I I T BE V V EBS E - - ? (I EBS : emetör baz jonksiyonunun ısıl doyma akımı) () FE E B h 1 I I + - = O halde transistörün giriş öze ğrisini belirleyen bağıntı: () () 1 e h 1 I I T BE V V FE EBS B - + ? Çıkı ş Öze ğrileri Bir transistörde kollektör akımını emetörden baza difuzyonla geçen ta şıyıcılardan, birleşmeyle baz içinde yok olmadan kollektör jonksiyonuna ula şabilenler olu şturur. O halde bu akım emetör akımına ve transistörün h FE sine, dolayısıyla baz akımına ba ğlıdır, fakat kollektör emetör geriliminden ba ğımsızdır. Yani ideal olarak sabit bir I B de ğeri için çizilecek I C = f (V CE ) e ğrisinin yatay bir do ğru olması gerekir. Ancak V CE nin I C üzerinde bazı etkileri vardır: 1. Kollektör baz jonksiyonu V CE > V BE kaldıkça tıkama yönünde kutuplanmı ş bir jonksiyondur. Bu jonksiyondaki geçi ş bölgelerinin geni şliği, tıkama gerilimi yükseldikçe artar. O halde baz bölgesinin etkin geni şliği V CE (dolayısıyla V CB ) arttıkça azalır. Baz geni şli ğinin azalması ise h FE nin, dolayısıyla belli bir I B de ğeri için akacak kollektör akımının artması sonucunu verir. Bu etkiye Early Olayı denir. B 2. V CE nin de ğeri azalma yönünde de ği ştirilirse V CE = V BE de ğerinde çıkı ş jonksiyonunu tıkama yönünde kutuplayan V CB gerilimi sıfıra düşer. V CE < V BE için ise kollektör baz jonksiyonu tıkama yönünde de ğil artık iletim yönünde kutuplanmı ştır. Bu durumda akacak olan baz – kollektör akımını meydana getiren, kollektör ve baz bölgelerindeki ço ğunluk ta şıyıcılarıdır ve akımın yönü normal çalı şma durumundaki akım yönünün tersidir. Baz akımına bu olaydan dolayı eklenen bileşenin yönü ise normal baz akımınınkinin aynıdır. O halde V CE < V BE bölgesinde, belirli bir baz akımı için akacak olan kollektör akımı V CE > V BE bölgesindekine göre çok küçüktür ve V CE küçüldükçe hızla azalır. Bu bölgeye 20transistörün doyma (satürasyon) bölgesi denir. Doyma bölgesinin sınırını belirleyen V CE = V BE noktalarının I B küçüldükçe sola do ğru kayaca ğı kolayca görülebilir. Geçiş Öze ğrisi: Çıkı ş özeğrisinden, V CE nin belirli bir de ğeri için I C =f (I B ) akım geçiş özeğrisini veren noktalar elde edilebilir. Bu özeğri (çıkı ş öze ğrilerinin tam yatay olmaması sebebiyle) de ği şik V CE =sabit de ğerleri için ba şka ba şkadır. Ancak bunlar birbirlerine çok yakın olaca ğından pratikte ortalama bir V CE de ğeri için tek bir öze ğri vermekle yetinilir. Geçi ş öze ğrisi ba şlangıçtan geçen hemen hemen lineer bir e ğridir. Bu, h FE nin akımdan ba ğımsız sayılabilece ğini ifade eder. Aslında çok küçük veya çok büyük I C de ğerlerinde bazı ikincil olaylar sebebi ile h FE nin de ğeri dü şer, dolayısı ile geçiş öze ğrisinin lineerli ği bozulur. 21 Deneyde Yapılacaklar : Uyarı : Bu deneyde toprak problemi sebebiyle hatalı ölçümler yapmamak için osiloskobun toprak yalıtımını yapınız. Giri ş : a. Deney devrelerinde kullanılacak baz direnci 33k ?, kollektör direnci 1k ?’dur. b. Deneyde şekil 5.3’teki devre ile transistörün çıkı ş ve geçiş karakteristi ği multimetre yardımıyla gerekli akım ve gerilimler ölçülerek elde edilecektir. Daha sonra şekil 5.4 ve 5.5’teki devreler ile osiloskobun X-Y modu kullanılarak aynı karakteristikler osiloskopta elde edilecektir. Son olarak elde edilen sonuçlar kar şıla ştırılacaktır. 1) Şekil 5.3’teki devreyi kurup tablo 5.1’de verilen V B =0.5-1-1.5-2V için V C gerilimlerini sırasıyla uygulayıp istenen akım ve gerilimleri ölçerek tabloya kaydediniz. Tablo 5.1’deki verileri kullanarak şekil 5.7 ve 5.8’e çıkı ş ve geçi ş karakteristiklerini çiziniz. 2) Şekil 5.4’teki devreyi kurup osiloskop ekranında transistörün çıkı ş karakteristi ğini elde ediniz. V B gerilimini yani transistörün baz akımını de ği ştirerek çıkı ş karakteristi ğindeki de ği şimi gözleyiniz. Tablo 5.1’de uyguladı ğınız V B gerilimlerini sırasıyla uygulayarak elde etti ğiniz grafikleri şekil 5.9’a çiziniz ve daha önce çizdi ğiniz şekil 5.7’deki grafikle kar şıla ştırınız. 3) Şekil 5.5’teki devreyi kurup osiloskop ekranında transistörün geçi ş karakteristi ğini elde ediniz. Elde etti ğiniz karakteristi ğin doğrulu ğundan emin olduktan sonra şekil 5.10’a çiziniz ve daha önce çizdi ğiniz şekil 5.8 ile kar şıla ştırınız. Sorular: 1. Tablo 1 verilerine göre BJT transistorun hangi çalı şma bölgeleri hangi V B de ğerlerinde görülmektedir? 2. BJT kontrollü kaynak olarak de ğerlendirilecek olursa ne tip bir kaynak olabilir? Neden? 3. Bir BJT transistörün kollektör ve emitör ba ğlantıları yer de ği ştirirse kazancı nasıl deği şir? 4. Bir BJT transistörün çalı şma bölgelerini tanımlayınız. Neye göre çalı şma bölgeleri belirlenir, açıklayınız. 5. Aktif bölgede çalı şan bir pnp transistöre ili şkin I E , I C , I B , V CB ve V EB büyüklüklerinin i şaretleri nedir (pozitif veya negatif)? 6. Aktif bölgede çalı şan bir npn transistöre ili şkin I E , I C , I B , V CB ve V EB büyüklüklerinin i şaretleri nedir (pozitif veya negatif)? 7. Bir npn-BJT anahtar olarak kullanılmaktadır, BJT nin doyuma gitmesi ve kesime gitmesi için gerekli şartları yazınız. 8. Osiloskopta gözledi ğiniz e ğri ile daha önceki e ğriler aynı şekle mi sahip, aynı veya farklı olması durumunda nedenlerini yazınız. 22Deney Devreleri: Şekil 5.3 Şekil 5.4 Şekil 5.5 23DENEY 5 SONUÇ SAYFASI 1 Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Tablo 5.1 V B (V) V C (V) I C (mA) I B (mA) V CE (V) 0.5 0.2 0.5 0.5 0.5 0.8 0.5 1 0.5 1.5 0.5 2 0.5 3 0.5 5 1 0.2 1 0.5 1 0.8 1 1 1 1.5 1 2 1 3 1 5 1.5 0.2 1.5 0.5 1.5 0.8 1.5 1 1.5 1.5 1.5 2 1.5 3 1.5 5 2 0.2 2 0.5 2 0.8 2 1 2 1.5 2 2 2 3 2 5 24DENEY 5 SONUÇ SAYFASI 2 Şekil 5.7 Şekil 5.8 25 Şekil 5.9 Şekil 5.10 ÖNEML İ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait oldu ğu de ği şkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 26DENEY 6: MOSFET KARAKTER İST İKLER İ Amaç : Bir MOSFET Transistörün çalı şmasını teorik ve pratik olarak ö ğrenmek. Malzeme Listesi : MOSFET : 1xBS108 N-Kanal (Kanal Olu şturmalı) ya da muadili. ( Transistörlerin yanma olasılı ğına kar şı yedek transistör getiriniz.) Diyot : 1x1N4001 Direnç : 1x1k ? Ön Çalı şma : 1) MOSFET transistörlerin çalı şma prensiplerini ve önemli parametrelerini inceleyiniz. 2) MOSFET transistörlerin transfer karakteristiklerini inceleyiniz.. 3) Bacak ba ğlantıları ve eşik değerleri için BS108 kataloğu edininiz. 4) Deney sonundaki sorulara hazırlanınız. 6.1 Genel bilgiler: Alan etkili transistörler (field-effect transistor, FET) bir yarıiletkenin içinden akan akımın bir elektriksel alan yardımı ile kontrol edilmesi prensibine dayanırlar. FETler yapı bakımından iki sınıfa ayrılırlar: jonksiyonlu alan etkili transistörler (JFET) ve yalıtılmı ş geçitli alan etkili transistörler (metal-oksit-yarıiletken transistörler, MOSFET). Bunların ortak önemli özellikleri çok büyük (teorik olarak sonsuz) giri ş direncine sahip yarıiletken aktif devre elemanları olmalarıdır. MOSFET lerin gitgide daha geni ş ölçüde kullanıldıkları bir alan da dijital tümdevrelerdir. Bunun nedeni MOSFET lerin boyutlarının daha küçük olması (dolayısıyla birim kırmık alanı (pul) içine daha çok transistör sı ğdırma olana ğı sağlaması) ve üretim süreçlerinin transistörlere oranla daha kolay olmasıdır. Bir MOS transistörün kesiti Şekil 6.1 de verilmi ştir. p-tipi bir yarıiletken taban yüzeyinde iki bölge difüzyonla katkılanarak n-tipine dönü ştürülmü ştür. Biri source di ğeri drain olarak adlandırılan bu uçlar arasında kalan p-tipi yarıiletken tabakanın üzeri çok ince bir yalıtkan (yarıiletkenin silisyum olması durumunda silisyum dioksit) tabaka ile kaplanmı ştır. Yüzeyin geri kalan kısmı, daha kalın bir yalıtkan tabaka ile kaplanmı ştır. İnce oksit tabakanın üst yüzeyi üzerine bir iletken (genellikle polisilisyum veya alüminyum) film olu şturulmu ştur. Bu yapıda ince oksit tabakasının yüzeyindeki iletkene geçit elektrodu denir. Şekil 6.1 Bu elemanın source ucu ile drain ucu arasına bir gerilim uygulandı ğında source–taban veya drain–taban jonksiyonları t ıkama yönünde kutuplanmı ş olaca ğından devreden pratik olarak akım akmaz. Şimdi p-tipi tabanla geçit elektrodu arasına geçidi tabana göre pozitif yapacak yönde bir doğru gerilim uygulandı ğını düşünelim. Meydana gelen alan etkisi ile, yarıiletken tabanın 27oksit tabakasına yakın yerlerde pozitif ta şıyıcılar (delikler) itilerek bu bölgeden uzakla ştırılırken, elektronlar oksit-yarıiletken geçi ş yüzeyine do ğru çekilirler. Uygulanan gerilimin bir de ğeri için bu bölgedeki elektron yo ğunlu ğu delik yoğunlu ğunu a şar; yani geçit elektrodu altında kalan bölgede ince bir yarıiletken tabakası, p-tipinden n-tipine dönü şmü ş olur. Böylece, zaten n-tipi olan source ve drain bölgeleri arasında bir iletim yolu (kanal) olu şmu ş olur. Kanal n-tipi oldu ğundan böyle bir MOS a n-kanallı MOS veya kısaca nMOS denir. Kanal bölgesinin uygulanan gerilimle tip de ği ştirmesi olayına evirtim, kanal bölgesine de evirtim tabakası denir. Evirtimin meydana gelmesi için gereken minimum geçit gerilimine de e şik gerilimi denir ve genellikle V T ile gösterilir. Geçide uygulanan pozitif gerilim arttırılırsa n-tipine dönü şen tabakanın kalınlı ğı artar, yani kanal direnci küçülür. Yeteri kadar büyük bir gerilim uygulanarak kanalı olu şturulmuş bir MOS transistörde source (S) ucu ile drain (D) ucu arasına bir gerilim uygulanırsa kanal boyunca bir akım akar. Akımın de ğeri V DS gerilimi ile orantılı olarak artar. S ucu tabana bağlanmı ş bir n kanallı MOS da D ucu S ye göre pozitif olacak şekilde bir gerilim uygulanırsa çok küçük V DS de ğerleri için akım–gerilim ba ğıntısı yine lineerdir. V DS gerilimi arttırılırsa, kanalın S ucuna yakın noktalarda geçit–taban gerilimi, uygulanmı ş olan V GS gerilimine e şit oldu ğu halde, kanal içinde D ye do ğru gidildikçe – akmakta olan akımın kanal direncinde meydana getirdi ği gerilim dü şümü sebebi ile – geçitle taban arasındaki gerilim azalır ve bir noktadan sonra V T eşik geriliminin altına dü şer. Böylece kanal kısılır. Bundan sonra V DS gerilimi arttırılsa da akım daha artamaz. Şimdi tüm bu anlatılanlar ı şı ğında MOSFET in çalı şma bölgelerini inceleyelim: 6.2 MOSFET in çalı şma bölgeleri: 6.2.1 Kesim bölgesi: V DS = 0 iken, ancak V GS > V T durumunda MOSFET iletime geçer, V GS < V T için Drain ucunda hiçbir hareketli yük bulunmayaca ğından I D = 0 dır. V GS < V T ve I D = 0 ko şullarında transistör kesimdedir (cut-off) ve açık bir anahtar davranı şı gösterir. 6.2.2 Direnç bölgesi (doymasız bölge): V GS >V T olduğunda kanal iletkenli ği V DS tarafından kontrol edilmektedir. Direnç bölgesi V GS –V T >V DS e şitsizli ği ile tanımlanır. V DS nin bu küçük de ğerleri için MOSFET direnç özelli ği göstermektedir yani I D akımı V DS ile do ğrusal olarak de ği şmektedir (Lineer Bölge). () [] 2 DS DS T GS D V V V V 2 L W k I - - ? ? ? ? ? ? = 6.2.3 Doyma Bölgesi Doyma bölgesi şartı V GS –V T < V DS (sıfırdan büyük) dir. Idealde, doyma bölgesinde I D akımı V DS den ba ğımsızdır ve sabittir. I D akımının de ğeri sadece efektif kontrol gerilimi V GS –V T nin bir fonksiyonudur. Dolayısıyla () 2 T GS D V V L W k I - ? ? ? ? ? ? = dir. 28 Şekil 6.2 Şekil 6.2 de gösterilen akım gerilim karakteristi ği ideal bir MOSFET içindir. Gerçekte ise doyma bölgesinde I D akımı, V DS ile az da olsa artar. Bu etkinin sebebi kanal boyu modülasyonu dur. Kanal boyu modülasyonu etkisi de dikkate alınarak: () ( DS 2 T GS D V 1 V V L W k I ? + - ? ? ? ? ? ? = ) yazılabilir. Kanal boyu modülasyonu dijital devreler için genellikle ihmal edilir ancak analog devreler için önemli olabilir. Buraya kadar anlatılmı ş olan MOS larda geçite bir gerilim uygulanmadı ğı sürece bir iletim kanalı yoktur. Kanalı, geçide uygulanan gerilim olu şturur. Bu yüzden bu tipten bir MOS a kanal olu şturmalı MOS (enhancement MOS, normally-off MOS) denir. Lojik devrelerde kullanılan MOS lar bu tiptendir. Bazı uygulamalarda geçide gerilim uygulanmamı şken MOS un belirli bir ölçüde iletken olması, V GS gerilimini bir yönde de ği şimi ile akımın artması, di ğer yönde deği şimi ile akımın azalması istenir. N-kanallı MOS transistörlerde bu durum tabanın katkı yoğunlu ğuna ba ğlı olarak, genellikle kolayca sa ğlanır, p-kanallı yapılarda kanal bölgesinin katkılanması gerekir. Bu tipten bir MOSa da kanal ayarlamalı MOS (depletion MOS, normally-on MOS) denir. 6.3. Deneyde Yapılacaklar : 1) Şekil 6.3’deki devreyi kurup V DS kayna ğını 2V’a ayarlayınız. Daha sonra V GS ’yi 0V’dan itibaren arttırarak mosfetin iletime geçtiği V GS e şik gerilimini tespit ediniz. 2) V GS ve V DS gerilimlerini 0V’a ayarlayınız. Daha sonra V GS ’yi 0V’dan itibaren 0.5V adımlarla 2V’a kadar arttırırken her adım için; V DS ’nin 0V, 0.1V, 0.2V, 0.3V, 0.4V, 0.5V, 1V, 2V, 4V, 6V, 8V ve 10V değerlerinde devreden geçen I D akımını ölçünüz. I D akımını de ğerlendirirken 1K’lık direnç üzerindeki gerilimi göz önüne alınız. Buldu ğunuz de ğerler ile Tablo 6.1’i doldurunuz. Bu tablodan yararlanarak I D -V DS karakteristi ğini Şekil 6.4’deki koordinat eksenine çiziniz. 3-) Mosfetin I D – V DS e ğrisini osiloskop ekranında gözlemlemek üzere uygun devreyi kurunuz. Gözlemlediğiniz eğriyi Şekil 6.5’deki koordinat eksenine çiziniz. 296.4. Sorular: 1. İdeal bir gerilim kontrollü akım kayna ğının 3 önemli özelli ğini belirtiniz. 2. NMOS kanal olu şturmalı bir MOSFET in temel yapısını çiziniz. 3. NMOS kanal ayarlamalı bir MOSFET in temel yapısını çiziniz. 4. NMOS kanal olu şturmalı bir transistörün çıkı ş ve geçi ş karakteristiklerini çiziniz. 5. NMOS transistörlerin PMOS transistörlere göre daha çok kullanılmasının nedeni nedir? 6. E şik gerilimi V T nin a. kanal olu şturmalı b. kanal ayarlamalı MOSFET ler için anlamını açıklayınız. 7. Bir MOSFET e ili şkin W/L oranının I D akımına etkisi nedir? 8. Bir MOSFET direnç olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 9. Bir MOSFET anahtar elemanı olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 10. Bir MOSFET kuvvetlendirici olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 11. CMOS ne demektir? Deney : Şekil 6.3 30DENEY 6 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. 1. Mosfetin İletime Geçti ği V GS E şik Gerilimi : V T = Tablo 6.1 Akım de ğerleri V DS V GS =0V I DS V GS =0.5V I DS V GS =1V I DS V GS =1.5V I DS V GS =2V I DS 0 V 0.1V 0.2V 0.3V 0.5V 0.7V 1 V 2 V 4 V 6 V 8 V 10V ( ) ( ) ( ) ( ) Şekil 6.4 Şekil 6.5 ÖNEML İ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait oldu ğu de ği şkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 31DENEY 7 : TRANS İSTÖRÜN ZAMAN, ISI VE I ŞIK ANAHTARI OLARAK KULLANILMASI Amaç : Endüstride anahtar olarak kullanılan transistörün kesim ve doyum durumlarındaki çalı şmalarını incelemek. Transistörün zaman, ı şık ve ısı de ği şimleriyle anahtarlanmasını öğrenmek. Malzeme Listesi : Direnç : 1x330 ? - 1x1k ? - 1x100k ? - 1x100k ? POT Kondansatör : 1x220 µf Transistör : 1x BC 237 Sarf : 1xLED – 1xLDR (1k ? ~10k ?) – 1xNTC (1k ? ~10k ?) veya PTC Genel Bilgiler : Zaman Gecikmeli Devreler Günümüzde birçok yerde zaman gecikmesiyle çalı şan veya duran devreler kullanılmaktadır. Elektronik zaman gecikmeli devreler çe şitli yapı elemanlarıyla çe şitli prensiplerde çalı şacak şekilde yapılırlar. Bunları genel olarak üç grupta toplayabiliriz. 1) Zaman gecikmesiyle çalı şmaya başlayan devreler, 2) Zaman gecikmesiyle çalı şmasını durduran devreler, 3) Programlanabilir zaman gecikmeli devreler. Zaman gecikmesiyle çalı şmaya başlayan devreler : Anahtara basıldı ğında kontrol edilen devreyi ayarlanan süre sonunda çalı ştırırlar ve çalı şma sürekli devam eder. Aynı çalı şmanın tekrarı için devrenin ya beslemesi kesilmeli ya da gecikme devresinde görev yapan kondansatör uçlarındaki gerilim sıfır yapılmalıdır. Zaman gecikmesiyle çalı şmayı durduran devreler: Anahtara basıldı ğında kontrol edilen devreyi hemen çalı ştırırılar, ayarlanan süre sonunda çalı şmayı otomatik olarak durdururlar. Aynı çalı şmanın tekrarı yukarıda bahsedilen yollardan birinin uygulanması ile mümkündür. Programlanabilir zaman gecikmeli devreler: Bir makinenin önceden belirlenen bir programa göre belli sürelerde çalı şma ve durdurma i şlemlerini periyodik olarak sürdüren devrelerdir. Do ğrusal çalı şan analog zamanlayıcılarda zaman gecikmesi, bir direnç üzerinden yava ş yava ş şarj olan bir kondansatörle sa ğlanır. Bir RC devresiyle en fazla 1.5-2 saatlik gecikme sağlanabilir. Bu süre a şılmak istenirse, kondansatörden yeterli akım akamadı ğından şarj olamaz. Sayısal zamanlayıcılarda zaman gecikmesi, frekansın multivibratör (Flip-flop) devreleriyle bölünmesiyle elde edilir. Bu tip zamanlayıcılar ile daha uzun gecikmeler elde etmek mümkündür. RC Zaman Sabiti ( ?) : ? = R x C 32Dolan bir kondansatörde zaman sabiti, bo ş bir kondansatörün %63’üne doluncaya kadar geçen süredir. Bo şalan bir kondansatörde zaman sabiti ise, dolu bir kondansatörün %37’sine bo şalıncaya kadar gecen süredir. Şekil 7.1. Bir kondansatörün dolma karakteristi ği Şarj olan bir kondansatörün herhangi bir andaki şarj gerilim de ğeri ; ? ? ? ? ? ? ? ? - × = - RC t e 1 Vs Vc formülüyle hesaplanır. Bu formülde : Vc=Kondansatör şarj gerilimi Vs=Kaynak gerilimi R=Ohm olarak direncin de ğeri C=Farad olarak kondansatörün de ğeri t=saniye olarak 0 anından sonraki zaman Isı Kontrol Devreleri Isıtıcı-so ğutucu cihazlarda, sıcaklık koşulları de ği ştiğinde çalı şmasının da de ği şmesi istenen devrelerde ısı kontrolü yapılır. Termistör ısı ile çalı şan bir anahtardır. Genellikle metallerin ısı ile genleşmesi prensibine göre çalı şır. İki çeşittir: 1) NTC (Negative Temperature Coefficient) : Negatif ısı katsayılı dirençtir. Isındıkça direnç de ğeri azalır. Soğuyunca artar. 2) PTC (Positive Temperature Coefficient) : Pozitif katsayılı dirençtir. Isındıkça direnci artar. So ğuyunca azalır. I şık Kontrol Devreleri Ortamda ı şık olup olmaması durumlarına göre otomatik olarak çalı şan devreler ı şık kontrollü devrelerdir. Sokak lambalarının güne ş batımında yanması, hava aydınlandı ğında otomatik olarak sönmesi bu tip devrelere güzel bir örnektir. I şık kontrol devreleri, ı şık etkisiyle direnci de ği şen LDR (Light Dependent Resistor) yani foto direnç elemanı kullanılır. Foto direnç üzerine ı şık düşürüldü ğünde direnci azalır, üzerinden geçen akım artar. 33Deney Öncesi Yapılacaklar : • Deneyde kullanılacak olan LDR ve NTC elemanları ile RC zaman sabiti hakkında bilgi edininiz. Bu elemanlarla devre çalı şmasını inceleyip a şa ğıdaki soruların cevaplarını ara ştırınız. • Deneye gelmeden önce almı ş olduğunuz LDR, NTC (PTC) elemanlarının direnç de ğerlerini ve direnç de ğerlerinin ortam ko şullarıyla (ı şık ve ısı) de ği şimini tespit ediniz. Şekil 7.2’deki devreyi bu do ğrultuda yeniden tasarlayınız. Deneyin 2. ve 3. aşamalarında kuraca ğınız devreler sizin tasarladı ğınız devreler olacaktır. İpucu: 1. LDR’nin aydınlık ve karanlık ortamlarda gösterdi ği direnç de ğerlerini, NTC (PTC)’nin ortam sıcaklı ğında ve el ile biraz ısıtıldıklarında direnç de ği şimlerini kaydediniz. 2. LDR ve NTC (PTC) sırasıyla C1 kondansatörünün yerine yerle ştirilip, transistörün do ğru kutuplanması ve doğru zamanlarda anahtarlama yapmasını sa ğlamak için R1 direncinin de ğeri bulunacaktır. 100k ?’luk R2 direnci ile ince ayar yapılacaktır. 3. LDR’li devre, ortam ı şı ğında OFF durumunda (LED sönük), karanlıkta ON durumunda (LED yanık) olacak şekilde çalı şacaktır. 4. NTC’li devre ortam ısısında ON durumunda, NTC ısıtıldı ğında OFF durumunda olacak şekilde çalı şacaktır. • Almı ş oldu ğunuz 100k ?’luk Potansiyometrenin (POT) ayaklarına tel lehimleyiniz. Aksi takdirde POT’un ayakları çok büyük oldu ğu için boardun üzerine yerle şmeyebilir. Deneyde Yapılacaklar : 1. Şekil 7.2’de verilen devreyi kurup çalı şmasını inceleyiniz, tabloda istenen noktalardaki gerilimleri ölçüp kaydediniz. Tablo 7.2 ve 7.3’ü doldurunuz. • C1 kondansatörünün üzerine paralel bağlayaca ğınız bir anahtar ya da tel yardımı ile kondansatörü kısa devre ediniz ve şarj süresince LED’in durumunu gözleyiniz. • R2 POT’unun de ğerini de ği ştirdi ğinizde devrenin çalı şmasının nasıl de ği ştiğini inceleyiniz. 2. Şekil 7.2’deki devreyi LDR kullanarak ı şık kontrollü devre haline getiriniz, devrenin çalı şmasını inceleyiniz. Tablo 7.2 ve 7.3’ü doldurunuz. • C1 kondansatörü yerine LDR takınız. Deneye gelmeden önce yaptı ğınız hesaplamalar doğrultusunda R1 direncini ba ğlayınız. R2 POT’u ile ince ayar yapınız. Devrenin ortam ı şı ğında ve karanlıkta çalı şmasını gözlemleyiniz. 3. Şekil 7.2’deki devreyi NTC ya da PTC kullanarak ısı kontrollü devre haline getiriniz, devrenin çalı şmasını inceleyiniz.Tablo 7.2 ve 7.3’ü doldurunuz. • C1 kondansatörü yerine NTC (PTC) takınız. Deneye gelmeden önce yaptı ğınız hesaplamalar do ğrultusunda R1 direncini ba ğlayınız. R2 POT’u ile ince ayar yapınız. Devrenin ortam ısısı ve ısıtıldı ğında çalı şmasını gözlemleyiniz. 34 Deney : Şekil 7.2 Sorular: 1) R ve C elemanları ile ne tip devre yapıları olu şturulabilir? 2) LDR hakkında bilgi veriniz. Bu elemanla ne tip devreler olu şturulabilir? 3) NTC ve PTC elemanları hakkında bilgi veriniz. Bu elemanlarla ne tip devreler olu şturulabilir? 4) Deneyde kurdu ğumuz devrenin ne gibi sınırlamaları vardır? Nerelerde kullanılabilir, nerelerde kullanılamaz? 5) Şekil 6.2’deki devrede R2 direncinin görevi nedir? 6) Merdiven otomati ği devresi tasarlayınız. 7) Hava karardı ğında otomatik olarak evin ı şıklarını açacak ve perdelerini kapatacak bir devre tasarlayınız. 8) Yazın hava ısındı ğında so ğutucuyu, kı şın so ğudu ğunda ise ısıtıcıyı çalı ştıracak bir devre tasarlayınız. 9) Elektronik termometre devresi tasarlayınız. 10) Aydınlık olunca LED’i yakan bir devre tasarlayınız. Ek elemanlar kullanarak bir butona basılana kadar LED’in sönmemesini sa ğlayınız. 35DENEY 7 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deneyde kullanılan elemanların direnç de ğerleri LDR NTC PTC Tablo 7.1 Ölçü Noktaları Montaj Durum 1 2 3 Ib Ic I LED sönük Zaman LED yanık Aydınlık I şık Karanlık Sıc a k Isı So ğu k Tablo 7.2 Devre R1 R2 Süre (sn) Zaman I şık Isı Tablo 7.3 Sonuç ve Yorum: 36DENEY 8 : B İPOLAR TRANS İSTÖRLÜ KUVVETLEND İR İC İLERİN FREKANS CEVABI Amaç : Tek katlı ortak emetörlü kuvvetlendiricilerde kazancın eleman de ğerlerine ve frekansa ba ğlılı ğını gözlemek. Malzeme Listesi : Transistör : 1x BC237 transistör Kondansatör : 2x10 µf, 1x470 µf, 1x1nf, Direnç : 1x82k ?, 1x8.2k ?, 1x1k ?, 1x3.3k ?, 1x12k ? Genel Bilgi: Küçük genlikli i şaretlerin büyük genlikli i şaretlere dönü ştürülmesini sa ğlayan devrelere Kuvvetlendirici Devreler denir. Bu devreler giri şlerine uygulanan sinyalleri, kuvvetlendiricinin gerilim kazancı kadar yükselterek çıkı şa verirler. Çıkı şta elde edilen güç, girişe verilen gücün kuvvetlenmiş halidir. ( Transformatörlerde ise seconder çıkı şında elde edilen güç ile primer tarafından verilen güç birbirlerine e şittir. ? V P × I P = V S × I S ). Bir önceki kuvvetlendirici devresinin çıkı şının, ba ğlantısı benzer di ğer bir kuvvetlendirici devresinin giri şine bağlanması (Kaskat Ba ğlantı) ile olu şan ve birden fazla transistör içeren devreler çok katlı kuvvetlendiriciler olarak adlandırılır. Yüksek kazanç elde etmek için bu tür kuvvetlendiriciler kullanılır. Uygulama alanlarına ve istenen performansa göre kuvvetlendiriciler 3 farklı ba ğlantı biçiminde kullanılır. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici Ortak emetörlü devre, emetörün giri şle çıkı ş arasında ortak kullanıldı ğı kuvvetlendirici biçimidir. Ortak emetörlü devre di ğer kullanılan kuvvetlendiricilere (Ortak Kollektörlü Kuv., Ortak Bazlı Kuv.) göre kullanımı daha yaygın olan kuvvetlendirici devresidir. Çıkı şta elde edilen güç kazancı di ğer kuvvetlendiricilere kıyasla çok yüksektir. Ayrıca devrenin giri ş direnci de yüksek oldu ğundan kaskat ba ğlamaya uygundur. Ortak emetörlü kuvvetlendiricinin temel devresi Şekil 8.1’de verilmi ştir. Şekil 8.2 ‘de ise kuvvetlendiricinin (giriş – çıkı ş e ğrisi) geçiş e ğrisi verilmi ş olup, kuvvetlendirme i şlemi rahatlıkla görülmektedir. 37Şekil 6.2’den görüldü ğü gibi giri ş ile çıkı ş arasında 180 0 lik faz farkı bulunmaktadır. Şekil 6.2’ de geçi ş e ğrisi üzerinde verilen de ğerlere göre, Şekil 8.1’deki kuvvetlendirici devresi giriş sinyali Vi’yi 10 kat kuvvetlendirmi ştir. 10 4 . 0 4 = = = Vi Vo K V Girişe verilen sinyalin gerilim seviyesi çok dü şük ve ya yüksek olması durumunda çıkı ş sinyali bozulmaya (kırpılır) uğrar. Bu da çıkı şta distorsiyonlu i şaretin elde edilmesine neden olur. Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Ortak kollektörlü devre, kollektörün giri şle çıkı ş arasında ortak kullanıldı ğı kuvvetlendirici biçimidir. Devre yüksek giri ş direnci ve dü şük çıkı ş direncine sahiptir. Fakat elde edilen gerilim ve güç kazancı ortak emetörlü kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre oldukça düşüktür. Ortak Bazlı Kuvvetlendirici Ortak bazlı devre, bazın giri şle çıkı ş arasında ortak kullanıldı ğı kuvvetlendirici biçimidir. Bu tür kuvvetlendiriciden elde edilen gerilim kazancı yüksek olmasına ra ğmen, giriş direnci düşük, çıkı ş direnci yüksek olan kuvvetlendirici biçimidir. Kuvvetlendiricinin Performansını Tanımlayan Önemli Parametreler • Gerilim Kazancı • Akım Kazancı • Güç Kazancı • Giriş Direnci • Çıkı ş Direnci Kuvvetlendirici tasarlarken istenilen parametre de ğerleri sağlanacak şekilde eleman de ğerleri ve kuvvetlendirici tipi seçilir. Ayrıca çıkı şta minimum distorsiyon sa ğlanacak şekilde giri şteki gerilim seviyesi ayarlanır. 1. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici Devresinin Teorik Analizi: Bu deneyde ortak emetörlü kuvvetlendirici devresinin eleman de ğerlerine ve frekansa ba ğımlılı ğını gözleyece ğimizden Şekil 8.3’deki OE ‘lü devrenin teorik analizini yapalım. 38 Şekil 8.3 deki OE kuvvetlendirici devresinden görüldü ğü gibi giri ş gerilimi baz gerilimi, çıkı ş gerilimi ise kollektör gerilimidir. Devre DC şartlar altında incelendi ğinde devrede bulunan kapasiteler açık devre, AC şartlar altında (orta frekans bölgesinde) incelendi ğinde ise kısa devre edilir. Bu ko şullar dikkate alınarak Şekil 8.3’deki ortak emetörlü devrede kullanılan elemanları inceleyelim. C1 : Bu kondansatör girişten gelecek DC sinyali yalıtmak amacıyla kullanılır. C2 : Bu kondansatör, kuvvetlendiricinin çıkı şına ba ğlanan devreye DC i şaret gönderilmesini engeller. Devreleri DC bile şenler açısından yalıtmak amacıyla kullanılan kondansatörlere ba ğlama kondansatörleri denir. CE : AC i şaretler açından incelendi ğinde kısa devre olur ve RE direncinin kazanç üzerindeki olumsuz etkisini ortadan kaldırır. De ği şken i şaretler açısından istenmeyen elemanların kısa devre edilmesi için kullanılan kondansatörlere köprüleme kondansatörleri denir. RE : Emetör direnci DC şartlar altında incelendi ğinde devreye olumlu yönde etkisi olmaktadır. RE direnci, kuvvetlendiricinin özelliklerinin transistör parametrelerine olan ba ğımlılı ğını azaltmakta ve iyile ştirici etkiler meydana getirmektedir. Transistördeki kaçak akımlar nedeniyle kollektör akımında ve transistörün ß de ğerinde meydana gelen de ği şimler, RE direnci sayesinde çalı şma noktasında büyük bir kayma yaratmayacaktır. AC şartlar altında emetörde köprülenmemi ş direnç bulunması devrenin kazancını mutlak olarak azalmasına neden olacaktır. R1 ve R2 : Devrede gerilim bölücü olarak kullanılan bu dirençler ile I B akımı, dolayısıyla I C akımının de ğerleri kontrol edilebilir. Orta frekans bölgesinde Kuvvetlendirici orta frekans bölgesinde incelendi ğinde, ba ğlama ve köprüleme kondansatörleri (C1,C2,CE) kısa devre edilir. Kuvvetlendirici içinde kullanılan transistörlerin, yapısından kaynaklanan iç kapasiteleri bulunmaktadır. Bu kapasiteler yarıiletken elemanların yapısında bulunan jonksiyonlar arasında meydana gelir. Bu kapasiteler pF de ğerindedir. Kuvvetlendirici orta ve dü şük frekans bölgesinde incelendi ğinde bu kapasitelerin empedans de ğerleri çok büyük olacağından açık devre gibi dü şünülebilir. Şekil 8.4’de OE’lü kuvvetlendiricinin orta frekans bölgesinde e şde ğer devre modeli verilmi ştir. 39Dü şük frekans bölgesinde Ba ğlama ve köprüleme kondansatörleri, frekansın küçülmesi halinde devrenin de ği şken i şaret özellikleri üzerinde etkisi olacaktır. Bu kapasiteler µF de ğerindedir. Dü şük frekanslarda kondansatörlerin empedans değerleri artar ? ? ? ? ? ? ? ? = fC X C ? 2 1 ve devrede göz ardı edilemeyecek de ğer alırlar. Empedans de ğerlerinin etkisi ile kuvvetlendiriciden elde edilen kazanç azalır. Transistörün iç yapısından kaynaklanan, jonksiyonlar arasında oluşan kapasiteler ise daha önce bahsedildiği gibi kapasitif de ğerlerinden dolayı açık devre olarak davranır. Şekil 8.5 de OE’lü kuvvetlendiricinin dü şük frekans bölgesinde e şde ğer devre modeli verilmi ştir. Yüksek frekans bölgesinde Frekans yükseldi ğinde transistörün iç yapısından kaynaklanan, jonksiyonlar arasında olu şan kapasitelerin etkileri artmaktadır. Bu da yüksek frekanslarda kuvvetlendiriciden elde edilen kazancın azalmasına neden olmaktadır. Şekil 8.6’da OE’lü kuvvetlendiricinin yüksek frekans bölgesinde e şde ğer devre modeli verilmi ştir. Kuvvetlendiricinin Kazanç-Frekans E ğrisi: Bu bilgiler do ğrultusunda kuvvetlendiricinin kazanç-frekans e ğrisi çizildiğinde Şekil 8.7’deki eğri elde edilir. 40Kazanç frekans e ğrisinden görüldüğü gibi kazancın 2 / 1 ’sine dü ştü ğü noktalar ( Q , P ) kö şe frekansları olarak adlandırılır. Kuvvetlendiriciden maksimum kazanç elde etmek için kuvvetlendirici orta frekans bölgesinde çalı ştırılmalıdır. Q noktasına kar şılık gelen frekans f L alt kesim frekansı, P noktasına kar şılık gelen frekans üst kesim frekansı olarak adlandırılır. Kö şe frekansları arasında kalan bölge kuvvetlendiricinin band geni şli ği olarak adlandırılır. L H f f Bandwidth - = Deney Öncesi Yapılacaklar : 1) Şekil 8.10’daki devreyi DC çalı şma ko şullarında inceleyiniz. (Deneyde incelenen devrenin eleman de ğerlerini kullanarak devrenin DC çalı şma noktasındaki I CQ ve V CEQ de ğerleri hesaplanacak) 2) Orta frekanslarda aynı devrenin giriş ve çıkı ş empedanslarını ve kuvvetlendiricinin gerilim kazancını bulunuz. 3) Devrenin alt ve üst kesim frekans de ğerlerini bulunuz. 4) Hesaplamalar do ğrultusunda elde edilen kritik noktaları, Kazanç-Frekans eğrisi üzerinde gösteriniz. ( Hesaplamalar için ders notlarınız yeterli olacaktır. Hesaplamalarda transistörler için gerekli parametreler kataloglardan elde edilecektir.) Deneyde Yapılacaklar : 1) Şekil 8.10’da verilen devreyi kurunuz. (Vin de ği şken frekanslı sinüzoidal gerilim kayna ğıdır.) 2) f=1Khz ve Vin=20mV (peak to peak) uygulayınız. CE devredeyken ve de ğilken gerilim kazancını bulunuz. 3) Sinyal üretecinin frekansını de ği ştirerek devrenin alt ve üst kesim frekansını belirleyiniz. 41Sorular: 1. Girişe verilen sinyalin gerilim seviyesinin dü şük ve yüksek olması durumunda çıkı şta elde edilen sinyal bozulmaya u ğrar. Bu durumu giri ş-çıkı ş e ğrisi üzerinde gösteriniz. 2. OE’lü devre DC şartlar altında incelendi ğinde RE direncinin devreye olumlu etkisi nasıl olmaktadır. 3. Transistörün yarı iletken yapısından kaynaklanan ve jonksiyonlar arasında olu şan jonksiyon kapasitesi ve difuzyon kapasitesinin yüksek frekanslarda etkisi nasıl olmaktadır. 4. Kaskat ba ğlı çok katlı transistörlü kuvvetlendiricilerde kazanç nasıl hesaplanır. Hesaplamada yer alan parametreleri blok bazında basit olarak gösteriniz. 5. Şekil 8.8’de iki katlı yükselteç devresinde, birinci katın gerilim kazancı A V1 = -40 ; ikinci katın gerilim kazancı A V1 = -50 ve birinci katın giri ş gerilimi V İ1 = 1mV ise ikinci katın çıkı ş gerilimi V O2 ‘i hesaplayınız. 6. Şekil 8.8’deki kuvvetlendirici devresinin toplam gerilim ve güç kazancını belirli empedans ve akım parametrelerine ba ğlı olarak formülüze ediniz. 7. 40W çıkı şlı bir yükselteç 10 ? ‘luk bir hoparlöre ba ğlanmı ştır. a-) Güç kazancı 25dB ise tam güç sa ğlamak için gereken giriş gücünü bulunuz. b-) Yükseltecin gerilim kazancı 40dB ise nominal çıkı ş için giriş gerilimini hesaplayın. 8. Uygulamada kazancın frekansa göre deği şimi genelde Desibel cinsinden verilir. Decibel kavramı ve ilgili hesaplamalar hakkında bilgi edininiz. Şekil 8.9’da görülen frekans-normalize kazanç e ğrisinin desibel cinsinden kazanç(dB)-frekans grafi ğini tekrar elde ediniz. (Normalize kazanç, her bir frekanstaki kazanç de ğeri orta frekanslardaki kazanç de ğerine bölünerek elde edilir.) 42Deney Devresi : Şekil 8.10. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici 43DENEY 8 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: 1.a) C E devredeyken ve de ğilken elde edilen kazanç grafiklerini veriniz. ..........( ) ..........( ) ..........( ) ..........( ) C E devredeyken C E devrede değilken 1.b) Her iki durum için elde edilen kazanç e ğrilerini yorumlayınız. 2.a) Sinyal üretecinin frekansını de ği ştirerek elde etti ğiniz kazanç-band geni şli ği e ğrisini veriniz. ..........( ) ..........( ) 2.b) Kuvvetlendiricinin band geni şliği nedir? ÖNEML İ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait oldu ğu de ği şkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 44 DENEY 9: MOSFET’L İ KUVVETLEND İR İC İ DEVRELER İN İN FREKANS CEVABI Amaç:Mosfetli kuvvetlendiricilerde kazancın frekansa ve eleman de ğerlerine bağımlılı ğını gözlemek. Malzeme Listesi : MOSFET : 1xBS108 ya da muadili Kondansatör : 3x1 µF, 3x100 µF Direnç : 1x220 ?, 1x1k ?, 1x10k ?, 1x360k ?, 1x1M ? Genel Bilgi : MOS’lu Kuvvetlendiriciler: MOSFET olarak adlandırılan yarıiletken eleman iki gruba ayrılır: 1. Kanal olu şturmalı MOSFET 2. Kanal ayarlamalı MOSFET Kanal olu şturmalı MOSFET’te drain ile source arasında belli bir kanal transistörün üretimi sırasında olu şturulmamı ştır. Gate ile source arasına uygulanan gerilim sayesinde bu kanal olu şur. Kanal ayarlamalı MOSFET’te ise bu kanal zaten vardır. VGS gerilim ile kanal geni şli ği ayarlanarak I D akımı ayarlanır. I D akımının V DS geriliminden ba ğımsız alınabildi ği doyma bölgesinde; () 2 2 Th GS V V ID - · = ß ili şkisi vardır. Prensip olarak her devrede her dü ğümden topra ğa do ğru bir kapasite mevcuttur. Kuvvetlendirici devrelerinde kondansatör kullanılmasının amacı, AC i şaretler açısından istenmeyen elemanların kısa-devre edilmesidir. AC işaretler göz önüne alındı ğında kondansatörün de ğeri, çalı şılan frekans aralı ğında yeteri kadar büyük seçilmi ş ise kondansatörler kısa-devre kabul edilir. Devreye dı şarıdan ba ğlanan kondansatörler, alçak frekanslarda devrenin AC i şaret özellikleri üzerinde etkili olacaktır. Kuvvetlendirici içerisinde kullanılan transistörlerin iç kapasiteleri (parazitik kapasiteler) bulunmaktadır. Bu kapasiteler, transistör ve benzeri yarıiletken elemanların yapısında oluşan jonksiyonlarda meydana gelmektedir. Bu parazitik kapasiteler yüksek frekanslarda etkili olarak kuvvetlendiricinin yüksek frekanslardaki davranı şını etkiler. Transistörlü kuvvetlendiriciler için kazanç dı şındaki diğer önemli parametreler, giri ş ve çıkı ş empedanslarıdır. Çünkü birden fazla kuvvetlendirici ard arda ba ğlandı ğında bu parametreler farklı katlar arasındaki ili şkinin bir ölçütü olmaktadır. Örneğin iki kat arka arkaya ba ğlandı ğında ikinci katın giri ş direnci dü şük olursa birinci kattan akım çeker ve birinci katın kazancını dü şürür. Bu yüzden kuvvetlendiricilerin yüksek giri ş direnci ve dü şük çıkı ş direnci sağlaması istenir. Ortak sourcelu kuvvetlendiriciler en yüksek güç kazancını sağlarlar ve bu yüzden de en çok kullanılan devrelerdir. Ortak drainli kuvvetlendiriciler yüksek giri ş empedansı ve küçük çıkı ş empedansına sahip oldu ğundan bazen avantajlı olabilirler ve buffer gibi kullanılabilirler. Ortak gateli kuvvetlendiriciler, dü şük giri ş ve büyük çıkı ş direncine sahiptirler. 45 Şekil 9.1. Tek katlı MOSFET kuvvetlendiricinin temel devresi ORTA FREKANS: Ortak Sourcelu Devre: Şekil 9.1’de Y terminali topra ğa, X terminali AC giriş kayna ğına, Z terminali ise R L yük direncine ba ğlanırsa ortak sourcelu devre elde edilir.MOSFET’in çalı şma noktası negatif beslemeye ba ğlı R direnci ile belirlenir.Bu direnç yerine bir akım kayna ğı da kullanılabilir. Bir R B direnci MOS’un gate ucunu topra ğa ba ğlar. Bu direnç DC süreklili ği sa ğladı ğı gibi gate ucunda DC gerilimi sıfır voltlarda sabit tutar. Gate akımı çok çok küçüktür. Bu yüzden R B direnci çok büyük olabilir. R D direnci ise MOS’un drain ucunu pozitif beslemeye bağlar. Bu DC drain geriliminin salınımına izin verir. Son olarak üç tane büyük de ğerli kapasite drain, source ve gate’i yük direncine, AC giri ş gerilimine ve topra ğa bağlamak için kullanılır. ) // // ( // o D L m i o v o D out B in r R R g V V A r R R R R - = ? = = out L L vo v o D m R i o vo R R R A A r R g V V A L + = - = ? ? = ) // ( Yukarıdaki ba ğıntılara göre ortak sourcelu kuvvetlendirici, R B ile kontrol edilen yüksek giri ş direncine sahiptir. Yüksek gerilim kazancı ve çıkı ş direnci sa ğlar. Devrenin dezavantajı yüksek frekanslardaki davranı şıdır. Cgd kapasitesi yüksek frekanslarda devreyi en fazla etkileyen kapasitedir. Ortak Gateli Devre: Ortak gateli devre X terminali topra ğa bağlanarak elde edilebilir. Giri ş sinyali, Y terminaline ba ğlanarak source ucuna bağlanmı ş olur. Z terminaline R L ç ıkı ş direnci ba ğlanarak çıkı şın drain ucundan alınması sağlanır. Bu kuvvetlendiricinin analizini yapabilmek için önce r o giri ş direncini ihmal edelim. Devrede i GS V V - = ‘dir. V i üzerinden g m V i akımı akmaktadır. Buradan giriş direncinin 1/g m olduğu açıktır. 46m in g R / 1 ? Gerilim kazancını bulmak için, (r o ihmal edildiğinden) drain akımı ’ye e şitlenir. Buradan şu ba ğıntılar bulunur. i m GS m V g V g - = o D out D L m i o v D L m o r R R R R g V V A R R g V // ] // [ ) // ( = ? = = r o direncini i şleme katarsak R in giriş direncinin fazla de ği şmedi ğini görürüz. Buna kar şın gerilim kazancı şu şekilde elde edilebilir: ] // // [ o D L m v r R R g A = Bu ba ğıntılara göre ortak gateli devrenin gerilim kazancı ortak sourcelu devreninkine e şittir. Tek farkı pozitif olmasıdır. İki konfigürasyon arasındaki di ğer önemli bir fark da ortak gateli devrenin giri ş direncinin ortak sourcelu devreninkinden daha küçük olmasıdır. Tek avantajı, ortak sourcelu devreden daha geni ş band-geni şliğine sahip olmasıdır. Ortak Drainli Devre: Ortak drainli devre bir buffer kuvvetlendiricidir. Yüksek giriş, dü şük çıkı ş direnci ve bire yakın gerilim kazancı vardır. Ortak drainli devre Şekil 9.1’de Z terminalinin topra ğa, Y terminalinin R L yük direncine ve X terminalinin AC kaynağa bağlanmasıyla elde edilir.Devreden R in =R B olduğu görülür. m out o m out g R r g R / 1 ] // ) / 1 [( ? = ? = L R için; o GS m o r V g V · · = ve GS o m GS o GS i V r g V V V V + = + = ’dir. Buradan; o L L o m L o m v out L L vo v o m o m R i o vo r R R r g R r g A R R R A A r g r g V V A L + + = + · = + = ? ? = 1 ALÇAK FREKANS: Deney sırasında kurulacak olan ortak sourcelu devrenin küçük genlikli i şaret e şde ğer modeli Şekil 9.2’de verilmi ştir. 47 Şekil 9.2. Ortak-sourcelu devrenin alçak frekans e şde ğer devresi Alçak frekanslarda üç kapasitörün devrede etkili olması akımın ve gerilim kazancının azalmasına sebep olur. Yine alçak frekansta kö şe frekansını, bu üç kapasiteden frekansı en küçük olanı belirler. () İ S C R R C W + = 1 1 1 () L C R R C W + = 0 2 2 1 ? ? ? ? ? ? ? ? = m C g R C W 1 // 1 RC W Z 1 = C L W W = YÜKSEK FREKANS: Ortak sourcelu devrenin yüksek frekans e şde ğer devresi Şekil 9.3’de görülmektedir. R in direnci R B1 //R B2 ‘dir. Yüksek frekansta 3 dB noktasını bulmanın bir kaç yolu vardır. Bunlardan biri Miller teoremi yöntemiyle gerçekle ştirilebilir. C gd kapasitesine Miller teoremi uygulanır. C gd üzerinden akan akım g m V GS ’den çok çok küçüktür. Bu yüzden çıkı ş gerilimini şu şekilde yazabiliriz. ' L gs m o R V g V - ? ( L D o L R R r R // // ' = ds L L r R R // ' = ) E şde ğer kapasiteyi şu ba ğıntı ile hesaplayabiliriz. ) ' 1 ( L m gd eq R g C C + = toplam giriş kapasitesi ise ) ' 1 ( L m gd gs T R g C C C + + = ’dir. ) // ( 1 in T H R R C W = H M H W s A s A + = 1 1 ) ( Şekil 9.3. Ortak-sourcelu devrenin orta frekans e şde ğer devresi 48Deney Öncesi Yapılacaklar: Deney öncesinde MOSFET’lerin kazanç ve frekans özelliklerinin ve eleman de ğerlerine ba ğımlılı ğının ara ştırılmı ş olması gerekir. Deney sırasında ise bu bilgilerin pratik olarak gözlenmesi hedeflenmektedir. Bu nedenle, deneyde kullanılacak elemanın katalog bilgilerinden de yararlanarak a şa ğıdaki devrenin kazançlarını, bu kazançların frekansa ba ğlı ifadelerini, devrelerin alt ve üst kesim frekanslarını ve devrelere ili şkin önemli gördü ğünüz di ğer parametreleri (deneyde kullanılacak tüm kapasite değerleri için ayrı ayrı) hesaplayınız. Deneyde Yapılacaklar : 1) a) Şekil 9.4’deki devreyi kurup giri ş ve çıkı ş i şaretlerini osiloskop ekranında gözleyerek kazancını belirleyiniz. Daha sonra giri ş i şaretinin frekansını s ırasıyla 100Hz, 1kHz, 10kHz, 1Mhz de ğerlerine ayarlayarak her durum için kazancı belirleyiniz. b) Giri ş i şaretini veren sinyal jeneratörünü uygun kademelere getirerek devrenin alt ve üst kesim frekanslarını bulunuz. c) Devredeki C1, C2 ve C3 kapasitelerinin üçü de aynı de ğerde olacak şekilde 100 µF ile de ği ştirip a ve b şıklarında yaptı ğınız i şlemleri tekrarlayınız ve sonuçları tablo halinde veriniz. Buldu ğunuz tüm sonuçları hesapladı ğınız değerler ile kar şıla ştırınız. Deney : Şekil 9.4. Deneyde kurulacak olan ortak sourcelu devre 49DENEY 9 SONUÇ SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Frekans C L =1 µFC L =100µF 100Hz 1kHz 100kHz 1MHz Tablo 9.1: Kazancın Frekansla De ği şimi Frekans C L =1 µFC L =100µF f L f H Tablo 9.2: Devrede kapasite de ği şimlerine göre alt ve üst kesim frekansları Şekil 9.5: C= 1 µF ve f=10kHz için giri ş ve çıkı şın zamanla de ği şimi e ğrisi Şekil 9.6: C= 100 µF ve f=10kHz için giri ş ve çıkı şın zamanla deği şimi e ğrisi 50DENEY 9 SONUÇ SAYFASI 2 Şekil 9.8: C= 1 µF için kazanç-band geni şli ği grafi ği Şekil 9.9: C= 100 µF için kazanç-band geni şli ği grafiği SORU 1: Tablo1’de kapasite de ğerleri de ği ştikçe kazancın de ği şmesinin neden(ler)ini açıklayınız. SORU 2: Alçak ve yüksek frekanslarda gerilim kazancının de ği şmesinin sebebi nedir? ÖNEML İ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait oldu ğu de ği şkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler de ğerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 51DENEY 10 : REGÜLEL İ GÜÇ KAYNAKLARI Amaç : Gerilim regülatörü devre topolojilerini ve çalı şma prensiplerini ö ğrenmek. Malzeme Listesi : Direnç: 1x560? – 10k POT Diyot: 4x1N4001 – 9.1V zener Kondansatör:1x470µF 25V – 1x100µF 35V - 1x1000 µF 35V Transistör : BC 140 Genel Bilgi: Regüleli Adaptörler Elektronik cihazlar deği şik akım çeken devrelerdir. Örne ğin; bir radyo veya amplifikatörün hoparlöründen duyulan ses şiddetine göre devrenin güç kayna ğından çekti ği akım de ği şir. Güç kaynağından çekilen akımdaki de ği şme ise gerilimin devamlı de ği şmesine neden olur. Regüleli adaptörler; çekilen de ği şik akımlarda ve şebeke gerilimindeki de ği şimlerde çıkı ş gerilimi sabit olan kaynaklardır. Yüksek bir gerilim kayna ğından, daha dü şük fakat sabit bir gerilim elde edilir. Bir zener diyot ve bir transistör kullanılarak basit ve kullanı şlı bir regüleli güç kaynağı yapılabilir. Günümüzde bu tip regüleli güç kaynakları, çok yer kapladıkları ve enerji kaybına neden oldukları için çok tercih edilmemekte, onların yerine daha hafif ve enerji kaybı çok daha az olan Anahtarlamalı Güç Kaynakları (SMPS) tercih edilmektedir. Ancak halen ço ğu yerde klasik regüleli güç kaynakları kullanılmaktadır. Zener Diyotlu Regüleli Güç Kayna ğı : Zener diyotlar özel yapılı silisyum diyotlardır. Do ğru polarizasyonda normal diyor gibi çalı şırlar, uçlarındaki gerilim arttıkça içlerinden geçek akım da artar. Ters polarizasyon altında ise eşik geriliminin (V zener ) altında µA’ler seviyesinde kaçak akımlar geçirirler ki bu akımlar ihmal edilebilir. Diyot uçlarındaki gerilim kırılma gerilimine ulaştı ğında diyottan geçen akım hızla artmaya ba şlar. Kırılma noktasında akımda meydana gelen hızlı artı ş, zenere bir direnç ba ğlandı ğında zener uçlarındaki gerilimin pratik olarak kırılma gerilimine e şit kalmasını sağlar. Bu nedenle zener diyot devrede ters polarizasyon altında ve bir ön dirençle çalı ştırılır. Bu direnç zener diyodun akımını sınırlayan ve gerilim dü şümü yapan koruma direncidir. A şa ğıda şekil 10.1’de bir zenerli regülatör devresi görülmektedir. 52 Şekil 10.1 Bu devrede giriş gerilimi ile zener geriliminin farkı direnç üzerinde dü şer. Zenerden maksimum 5mA’lik akım geçti ği varsayılırsa direnç gerilimi bu akıma bölünerek direncin de ğeri hesaplanır. Transistörlü Paralel Regülatör Devresi: Şekil 10.2 Bu devre, transistör yüke paralel ba ğlandı ğı için paralel regülatör devresi olarak adlandırılır. U1, redresör çıkı şı, U2 ise regülatör çıkı ş gerilimdir. Zener diyot transistor’ün emetörüne ba ğlandı ğından emetör gerilimi zener kırılma geriliminde sabit kalır. P potansiyometresi ile R2 ve R3 dirençleri gerilim bölücü olarak çalı şır ve transistor ün baz polarmasını kontrol eder. R1 direnci devreye seri ba ğlanmı ştır, devreden çekilen akım de ği ştiğinde bu direnç gerilimi de de ği şir. Olu şabilecek durumlar: 1. Redresör gerilimi artarsa; A-B gerilimi artar. Dolayısıyla transistör baz polarması ve transistör akımı artarak A-B gerilimini normal de ğere getirir. 2. Redresör gerilimi düştü ğü zaman A-B çıkı ş gerilimi dü şer. Dolayısıyla baz polarması düşer. Emetör gerilimi zenerden dolayı sabittir. Dü şen polarma transistör akımını düşürür ve gerilim normal de ğere yükselir. 3. Yük akımı arttı ğında R1 direncine dü şen gerilim artar. A-B gerilimi dü şer. Baz polarması ve transistör akımı azalır. Çıkı ş de ğeri normal seviyeye yükselir. 534. Yük akımı azaldı ğında R1’de dü şen gerilim de azalır. A-B gerilimi artar. Baz polarması ve transistör akımı yükselir. Transistör akımının artması çıkı ş gerilimini dü şürür. Seviye sabir kalır. Transistorlü Seri Regülatör Devresi : Seri regülatörde transistör yüke seri bağlıdır. Yük akımı transistör üzerinden geçer. E ğer bir kayna ğın regülasyonu kötüyse iç direnci büyük demektir. Bu devre kayna ğın yüksek olan iç direncini küçültür. İyi bir regülasyon için giri ş gerilimi çıkı ş geriliminden en az 5V yüksek seçilmelidir. Şekil 10.3 Şekil 10.3’de seri bir regülatör devresi görülmektedir. R2 ve zener gerilim bölücü gibi çalı şmaktadır. Transistor ün baz gerilimi zenerden dolayı sabittir. Çıkı ş gerilimi V2’de zener gerilimden Vbe gerilimi kadar eksi ğinde sabitlenir. V1 gerilimi arttı ğında zener akımı artar. R2 gerilimi arttı ğı için transistor ün iletkenli ği azalır. Transistör üzerinde daha fazla gerilim düşer ve çıkı ş gerilimi sabitlenir. V1 gerilimi azaldı ğında ise tam tersi olur. Sorular: 1. Regülasyon ne demektir? 2. Regülatör çe şitlerini ara ştırınız. Föyde anlatılan seri ve paralel regülatörlerin farkları nelerdir. 3. Föyde anlatılan klasik regülatörün ne gibi avantaj, dezavantajları vardır. Dezavantajlıysa, bunların yerine kullanabilece ğimiz alternatif devreler var mı? 4. Bir regülatör tasarlarken (ör. Seri regülatör, çıkı ş gerilimi 12V-1A) transformatör, transistör ve zener nasıl seçilmelidir? 5. Regülatör yerine kullanabilece ğimiz entegre devreler varmıdır. Araştırıp örnek veriniz. Ön Hazırlık : 1. Şekil 10.4’teki devrede çıkı ş geriliminin 9.1V olması için Rz direncinin de ğerini hesaplayınız. Iz max =5mA alınız. Hesaplayacağınız direnç, deneyde kullanaca ğınız direnç olacaktır. 54 Deney : 1. Şekildeki devreyi kurunuz. Köprü diyot çıkı şı ile devre çıkı ş gerilimini (Vo) osiloskopta üst üste gözleyiniz. Çıkı ş geriliminin 9.1V’de ğerinde sabit kaldı ğını görünüz. Sonucu raporun 1. bölümüne ( şekil 10.6) kaydediniz. Şekil 10.4 2. Çıkı şa seri 560 ? ve 10k? POT ba ğlayarak farklı yük dirençleri için çıkı ş geriliminin de ği şimini inceleyiniz, rapor 1. bölümünde yorumlayınız. 2. 12V AC gerilimi 100k’lık bir POT yardımıyla dü şürerek çıkı ş gerilimini inceleyiniz ve rapor 1. bölümünde yorumlayınız. 3. Şekil 10.5’te yük direncini ba ğlamadan, köprü çıkı ş gerilimi, transistorün baz gerilimi ve çıkı ş gerilimini ölçüp rapor bölüm 2’ye kaydediniz, yorumlarınızı yazınız. Şekil 10.5 4. Çıkı ştan 1mA ile 250mA arasında akım çekerek çıkı ş gerilimini ve aynı zamanda yük akımını ölçünüz şekil 10.7’ye kaydediniz. Böylece regülatörün hangi akım aralı ğında çıkı ş gerilimini sabit tutabilece ğini gözleyiniz. 6. İki regülatör arasındaki farkları rapor bölümünde yorumlayınız. 55 DENEY 10 RAPOR SAYFASI Ad – Soyad : Numara : Grup No: Amaç: 1. Zener diyotlu do ğrultucu sonuç ve yorumlar : Şekil 10.6 2. Transistörlü do ğrultucu sonuç ve yorumlar : Şekil 10.7 56Elektronik ve Hab. Labaratuarı Örnek Spice Simulasyon Raporu Vds 0V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10V ID(M1) 0A 200uA 400uA 600uA 800uA 1000uA Buraya Yazilacak!!!!!!!!!! Ogrenci Adi Soyadi ve Numarasi Vgs = 5v Vgs = 4v 57 58 59 60