ELEKTRONİK DERS NOTU (DİYOTLAR)

Transkript

1 ELEKTRONİK DERS NOTU (DİYOTLAR)

2 BÖLÜM-I DİYOT, DİYOT MODELLERİ VE UYGULAMALARI Giriş: Bu bölümde yarıiletken malzemeler ve bu malzemelerden yapılmış en basit elektronik devre elemanı olan diyotlar hakkında bilgi verilecek ve diyot elemanının analizi yapılarak çeşitli uygulamaları açıklanacaktır. Yarıiletken, bir izolatör (çok düşük iletkenlik) ile bakır (yüksek iletkenlik) gibi iletkenin sınırları arasında kalan iletkenlik düzeyine sahiptir. Bir madenin, yük akışına veya akıma karşı direnci iletkenliği ile ters orantılıdır. Yani iletkenlik düzeyi ne kadar yüksekse, direnç düzeyi o kadar düşüktür. verilmiştir. Aşağıdaki tabloda üç genel madde kategorisi için tipik öz dirençler (ρ) İletken Yarıiletken Yalıtkan ρ 10 6 Ω (bakır) ρ 50 Ω (germanyum) ρ Ω (silisyum) ρ Ω (mika) 2

3 Yarıiletken malzemeler kristal yapıya sahiptir ve her atomun dış yörüngesinde 4 er valans elektronu vardır. Silisyum atomunun yörüngelerindeki 14 elektron; şeklinde germanyum atomunun yörüngelerindeki elektronlar şeklinde yerleşmişlerdir. Valans elektronları komşu atomların valans elektronları ile kimyasal bağ yaparlar. Bu bağlar kovalent bağ adını alır. Valans (Değerlik) Elektronu: Bir atomun en dış kabuğunda bulunan elektronlardır. 3

4 Silisyum gibi bir yarıiletkenin iletkenliğini arttırmak oldukça kolaydır. Örneğin silisyum ısıtılırsa, iletkenlik her 25 o C de 10 kat artırılabilir. Bunun dışında, silisyum kristali üzerine ışık uygulayarak da iletkenlik artırılabilir. Bu şekildeki iletkenlik artışından, genellikle sıcaklık ve ışığın ölçülmesi ve kontrolü gibi uygulamalarda faydalanılabilir. Oda sıcaklığında, saf bir silisyum kristalinin bir metre küpündeki atom sayısı dir. Bu hacimdeki serbest elektron sayısı dır. Yani her silisyum atomundan biri serbest elektron üretmektedir. Buna karşın metallerde ise her bir atomun en az bir serbest elektronu vardır. Yarıiletken içerisindeki yüklü tanecikler sadece elektronlar değildir. Elektronlardan başka oyuk (delik) diye isimlendirilen pozitif yüklü tanecikler de vardır. Saf bir yarıiletkende oyuk ve elektron sayısı birbirine eşittir. Sıcaklık artınca kovalent bağ kopar ve ortaya serbest elektronlar çıkar. Elektronun çıktığı yerde elektronun yüküne eşit yükte pozitif yüklü tanecik oluşur. Yeni oluşan bu tanecik oyuk olarak isimlendirilir. 4

5 Enerji 5

6 Saf silisyum iyi bir iletken değildir. Silisyumun iletkenliğini artırmak için serbest elektron sayısını (veya oyuk sayısını) çoğaltmak gerekir. Elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılan yarıiletken malzemenin iletkenliğini artırmak için yarıiletken içine uygun bir metot ile yabancı katkı maddeler ilave edilir. Kullanılan yabancı katkı maddelerinin +3 valanslı veya +5 valanslı olması gerekir. Silisyum kristaline Bor (B) veya Alüminyum (Al) gibi 3 valans elektronu olan yabancı katkı maddeleri ilave edilerek delik (oyuk) sayıları artırılabilir. Yabancı madde ilavesi yarıiletken malzemenin kristal yapısını değiştirmez. İlave edilen maddenin valans elektronlarının 3 ü yarıiletkenin 3 valans elektronu ile ortak bağ oluşturur. Yarıiletkenin 4. valans elektronu karşısında kovalent bağ oluşturacak elektron bulamayacağından bunun karşısında bir delik oluşur. Deliklerin sayısı negatif yüklü elektronlardan daha fazla olur. Pozitif yüklerin çoğunlukta olduğu böyle bir malzeme p-tipi yarıiletken malzeme olarak isimlendirilir. 6

7 Yarıiletkene Antimon (Sb) veya fosfor (P) gibi 5 valans elektronu olan yabancı katkı maddeleri ilave edilerek serbest elektronların sayıları artırılabilir. Yabancı madde ilavesi yarıiletken malzemenin kristal yapısını değiştirmemelidir. İlave edilen maddenin valans elektronlarının 4 ü yarıiletkenin 4 valans elektronu ile ortak bağ oluşturur. Geriye kalan 5. elektron serbest elektron olur. Elektronların sayısı pozitif yüklü deliklerden daha fazla olur. Negatif yüklerin çoğunlukta olduğu böyle bir malzeme n-tipi yarıiletken malzeme olarak isimlendirilir. (Pastacı, H. 2015) (Pastacı, H. 2015) (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 7

8 Yarıiletken Diyot: p ve n-tipi iki parçacığın yan yana getirilmesi ile oluşur. Üretim esnasında eklem veya arakesit civarında hareketli yükler birleşerek yok olurlar. Sonuçta eklem bölgesi civarında hareketli taşıyıcıların bulunmadığı ve sadece iyonların bulunduğu arıtılmış bölge olarak isimlendirilen bir bölge oluşur. Bu bölgede bir elektrik yükü dağılımı meydana gelir ve elektrik alan oluşur. Elektrik alan da bir potansiyel fark meydana getirir. Bu potansiyel silisyum tipi diyotlarda yaklaşık 0.7V ve germanyum tipi diyotlarda yaklaşık 0.3V civarındadır. (Pastacı, H. 2015) 8

9 Şekil 1.1a da iletim yönünde kutuplanan bir yarıiletken diyotta akan akım ve bunu oluşturan çoğunluk taşıyıcılar gösterilmiştir. İletim yönündeki kutuplamada delikler ve elektronlar arakesite doğru itileceklerinden dolayı geçiş bölgesi daralır ve çoğunluk taşıyıcılar bir taraftan diğer tarafa kolaylıkla geçebilir hale gelirler bu durumda diyot üzerinden büyük bir akım akışı sağlanır. Diyot uçlarında ise yaklaşık 0.3V ile 0.7V civarında gerilim düşümü meydana gelir. Şekil 1.1b de ise tıkama yönünde kutuplanan diyotta akan akımlar gösterilmiştir. (Pastacı, H. 2015) 9

10 Şekil 1.1c ve 1.1d de ise diyot sembolik olarak çizilmiş ve buna seri bağlı R akım sınırlama direnci ve V gerilim kaynağı bağlanmıştır. Diyotun anoduna katodundan daha yüksek bir gerilim uygulanırsa diyottan fazla akım (I D ) akar. Diyotun bu şekilde kutuplanmasına iletim yönünde kutuplama denir. Eğer diyotun anoduna katodundan daha negatif bir gerilim uygulanırsa diyottan çok az tıkama akımı (I 0 ) akar. Diyotun bu şekilde kutuplanmasına tıkama yönünde kutuplama denir. (Pastacı, H. 2015) 10

11 Şekil 1.2 de gösterilmiş olan diyot karakteristiğini (V D -I D ) elde etmek için R veya V den birisini değiştirmek yeterlidir. Şekil 1.2a da diyotun iletim yönünde kutuplanmasına ait karakteristik gösterilmiştir. Bu durumda V kaynağının pozitif ucu p tarafına ve negatif ucu n tarafına bağlanmalıdır. Büyük değerli olan bu akım iletim akımı olarak isimlendirilir. Şekil 1.2b de ise diyot karakteristiğinin orijin civarındaki üstel değişimi gösterilmiştir. Bu bölgedeki akım na, gerilim ise mv lar seviyesindedir. Tıkama akımı, tıkama yönündeki gerilimin bir kaç yüz volt mertebesine kadar sabittir. (I D = I 0 ) (Pastacı, H. 2015) 11

12 İletim akımı iki bileşenden oluşur; bunlar p bölgesinden n bölgesine geçen delikler ve ters yönde hareket eden elektronların oluşturduğu akımlardır. Toplam iletim akımı delik ve elektronların oluşturdukları akımların toplamı kadardır. Her iki bölgedeki katkı maddesi yoğunluğu aynı ise delik ve elektronların oluşturduğu akımlar birbirine eşittir. Tıkama gerilimi diyota bağlı olarak belirli bir değeri aşınca (Şekil 1.2c) tıkama akımı aniden artmaya başlar. Bu olay p-n ekleminde (jonksiyonunda) yeni akım taşıyıcıların oluşması sonucu ortaya çıkmaktadır. (Pastacı, H. 2015) 12

13 Belirli bir noktadan sonra tıkama gerilimindeki küçük bir artış tıkama akımında büyük bir artışa sebep olmaktadır. Bu anda diyota yüksek gerilim uygulandığı için arakesitte elektrik alan artışı meydana gelmiştir. Artan alan serbest elektronların ortaya çıkmasına sebep olur ve elektronlar hızlı bir şekilde hareket ederek diğer atomlara çarpar ve yeni elektronların ortaya çıkmasına sebep olur. Bu olay zincirleme bir şekilde devam ederek elektronların çığ gibi artmasına sebep olur. Bu yüzden, bu bölge çığ bölgesi veya zener bölgesi olarak isimlendirilir. Bu bölgedeki kırılma gerilimi V BR ile gösterilir. Diyotun iletim yönündeki akımına ait matematiksel ifade, I D = I 0 V D env KT 1 (1) şeklindedir. Burada V KT = kt q dir. q = C olarak elektron yükünü, k = olarak Boltzman sabitini, T- Kelvin Sıcaklığı (273 + ), I 0 = A ile 1 ma arasındaki tıkama akımını, n ise yarıiletken malzemenin özelliğine bağlı bir sabiti (1 ile 2 arasında ) gösterir. 13

14 25 de V KT =25.69mV olacağından diyot eşitliği aşağıdaki gibi olur. I D = I 0 (e V D/ n 1) (2) Diyotun Devre Modelleri (Pastacı, H. 2015) 14

15 Şekil 1.3 elektronik devre elemanlarından biri olan diyot elemanının modellerine ait geniş bir sınıflandırmayı göstermektedir. Bu diyagram hem DC model hem de AC modeli içermektedir. Çalışma noktasının belirlenmesinde DC model önemli olup, gerilim kazancı, akım kazancı, güç kazancı, giriş empedansı, çıkış empedansı ve gerilim izolasyonu gibi karakteristiklerin hesaplanmasında AC model önemli olmaktadır. DC MODEL: Diyota ait eşitlik (1) ve akım-gerilim karakteristiği (Şekil 1.2) DC şartlar için geçerlidir. Yarıiletken diyota ait lineer olmayan çözümler oldukça zor olup bilgisayar destekli nümerik iterasyon metotları ile çözülebilirler. Lineer eşitlikler, lineer devrelerden elde edilir ve çözümleri kolaydır. Yarıiletken diyotun bir çok lineer modeli vardır. DC modeller parça parça lineer modellerdir. Yani lineer olmayan diyotun akım gerilim karakteristiği birçok doğru parçasının toplamı olarak düşünülebilir. Şekil 1.4 te beş çeşit parça parça lineer model gösterilmiştir. 15

16 (Pastacı, H. 2015) En basit diyot modeli Şekil 1.4a daki ideal modelidir. Bu modelde iletim yönündeki kutuplamada diyot uçlarındaki gerilim sıfır ve tıkama yönündeki kutuplamada tıkama akımı sıfırdır. Bir başka değişle, iletim yönünde kısa devre ve tıkama yönünde açık devredir. 16

17 Daha doğru bir model Şekil 1.4b de gösterilmiştir. Buradaki R 0 direnci iletim yönündeki gerilimin sıfır olmadığını gösterir. Direncin değeri diyotun iletim yönündeki karakteristiğine bağlıdır. Şekil 1.4c de ise diyot bir V 0 gerilimi kaynağı ile modellenmiştir. Bu gerilim kaynağının değeri diyotun silisyum veya germanyum diyot olmasına bağlıdır. Şekil 1.4d de diyot bir direnç ve buna seri bağlı bir gerilim kaynağı ile modellenmiştir. R 0 ve V 0 elemanlarının değeri, diyot akımının birkaç ma değerinden daha büyük değerleri için sırası ile R 0 = 1 50Ω ve V 0 = V arasındadır. Şekil 1.4d ile gösterilen devre lineer bir eşitlikle ifade edilebilir. V D > V 0 için; V D = V 0 + I D R 0 (2) Tıkama yönündeki kutuplamada akımın hızlı bir şekilde arttığı bölge, Şekil 1.4e deki gibi modellenebilir. Eşdeğer devredeki doğru gerilim kaynağı diyotun eşik gerilimi V BR ye eşittir. 1/R z değeri ise eşik bölgesindeki eğrinin eğimini gösterir. 17

18 Örnek 1: Aşağıda verilen devrede diyot için kullanılan eşdeğer devreleri kullanarak V D ve I D değerlerini bulunuz. Diyot için V T = 0.7V ve R 0 = 5Ω ve 25 de I 0 = A ve n = 1.1 dir. Çözüm: (a-modeli için) Diyotun ideal olduğu (V D = 0) bu modelde; I D = 2V/100Ω = 20mA bulunur. I D > 0 değerleri için yani iletim yönündeki kutuplamalar için çalışma noktası 0.0V, 20mA dir. 18

19 Örnek 1: Aşağıda verilen devrede diyot için kullanılan eşdeğer devreleri kullanarak V D ve I D değerlerini bulunuz. Diyot için V T = 0.7V ve R 0 = 5Ω ve 25 de I 0 = A ve n = 1.1 dir. Çözüm: (b-modeli için) A V D K Diyot yerine R 0 = 5Ω luk direnç bağlanarak model devre elde edilir. I D Ro=5 Bu modelde; R=100 V=2V I D = 2V/105Ω = 19mA bulunur. Diyot uçlarındaki gerilim V D = 5Ω 19mA = 95mV olur. yani iletim yönündeki kutuplamlar için çalışma noktası 95mV, 19mA dir. 19

20 Örnek 1: Aşağıda verilen devrede diyot için kullanılan eşdeğer devreleri kullanarak V D ve I D değerlerini bulunuz. Diyot için V T = 0.7V ve R 0 = 5Ω ve 25 de I 0 = A ve n = 1.1 dir. Çözüm: (c-modeli için) A I D R=100 V D V T 0. 7V K V=2V Daha doğru bir model için diyot yerine V T = 0.7V luk gerilim kaynağı bağlanarak model devre elde edilir. Bu modelde; I D = (2 0.7)V/100Ω = 13mA bulunur. Yani iletim yönündeki kutuplamlar için çalışma noktası 0.7V, 13mA dir. 20

21 Örnek 1: Aşağıda verilen devrede diyot için kullanılan eşdeğer devreleri kullanarak V D ve I D değerlerini bulunuz. Diyot için V 0 = 0.7V ve R 0 = 5Ω ve 25 de I 0 = A ve n = 1.1 dir. Çözüm: (d-modeli için) A I D Ro=5 R=500 V D V T 0. 7V V=3V K En doğru bir model için diyot yerine V 0 = 0.7V luk gerilim kaynağı ve R 0 = 5Ω luk direnç bağlanarak model devre elde edilir. bu modelde; I D = (2 0.7)V/105Ω = 12.38mA bulunur. Diyot gerilimi ise V D = 0.7V mA 5Ω = 0.762V dur. Yani iletim yönündeki kutuplamlar için çalışma noktası 0.762V, 12.68mA dir. 21

22 Örnek 1: Aşağıda verilen devrede diyot için kullanılan eşdeğer devreleri kullanarak V D ve I D değerlerini bulunuz. Diyot için V T = 0.7V ve R 0 = 5Ω ve 25 de I 0 = A ve n = 1.1 dir. Çözüm: (Gerçek Çözüm) Diyota ait modellerin doğruluğunu kontrol etmek ve gerçek çözümün zorluğunu görmek için lineer olmayan modele ait eşitlik (1) ve 25 için verilen değerler kullanılarak aşağıdaki bağlantılar yazılabilir. KGK na göre Çevre denklemi I D = I 0 V D env KT 1 = (e 38.92V D 1.1 1) ve 2 = e 38.92V D V D Akım ifadesi Bu eşitlik cebirsel yolla çözülemeyip, yalnızca nümerik metotlar yardımı ile çözülebilir. Pratik olarak deneme-yanılma (iterasyon) yöntemi ile gerçek değer çok yakın çözüm bulunabilir. Bilgisayar yardımı ile yapılan çözüme göre; V D = 0.786V ve I D = 12.14mA olarak bulunur. 22

23 DC veya Statik Direnç: Yarıiletken bir diyota DC gerilim uygulanması karakteristik eğrisinde zamanla değişmeyen bir çalışma noktası oluşmasına neden olacaktır. Diyotun belirli bir çalışma noktasındaki direncine DC veya statik direnci (R 0 veya R dc ) denir ve R 0 = V D I D karakteristik eğri verilmiştir. ile hesaplanır. Aşağıda bir diyota ait Dirsek ve altında kalan bölgede diyota ait DC direnç değeri karakteristik eğrideki dikey yükselmenin olduğu bölgedeki DC dirençten daha yüksek olmaktadır. Şekil 1.5 Silisyum diyota ait karakteristik eğri (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) Tıkama bölgesinde ise DC direnç doğal olarak oldukça yüksek olmaktadır. 23

24 Örnek 2: Şekil 1.5 ile verilen karakteristik eğriye göre diyotun DC direncini; (a) I D = 2mA, (b) I D = 20mA ve (c) V D =-10V için bulunuz. Çözüm: (a) Karakteristik eğriye göre I D = 2mA için V D =0.5V dur. Bu durumda DC direnç: R 0 = V D I D = 0.5V 2mA = 250Ω dur. (b) Karakteristik eğriye göre I D = 20mA için V D =0.8V dur. R 0 = V D I D = 0.8V 20mA = 40Ω dur. Şekil 1.5 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) (c) Karakteristik eğriden V D = 10V için I D = 2μA dir. R 0 = V D I D = 10V 2μA = 5MΩ dur. 24

25 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) AC MODEL (Alçak Frekans Küçük İşaret Modeli): Diyotun DC direnci çalışma noktasını çevreleyen bölgedeki karakteristiğin biçiminden bağımsızdır. DC gerilim yerine sinüzoidal bir gerilim uygulandığında durum tamamen değişecektir. Değişken giriş karakteristik eğri üzerinde anlık çalışma noktasını aşağı-yukarı hareket ettirecektir. Şekil 1.6 da gösterildiği gibi akım ve gerilimde özel bir değişim meydana gelecektir. Değişken bir gerilim uygulanmadığı takdirde; çalışma noktası, uygulanan DC düzeyler tarafından belirlenen, Şekil 1.6 da gösterilen Q noktası olacaktır. Q noktasından geçen eğriye çizilen teğet, diyot karakteristiğin bu bölgesi için AC veya dinamik (r ac,r d ve r) Q direnci hesaplarken kullanılabilecek akım ve gerilimdeki değişimleri tanımlayacaktır. Dinamik direnç denklem olarak ifade edilirse; r = r ac = r d = V d I d (3) Şekil 1.6 (Pastacı, H. 2015) 25

26 Örnek 3: Şekil 1.7 ile verilen karakteristik eğri için; (a) I D = 2mA için (b) I D = 25mA için ac (dinamik) direnci belirleyiniz. (c) (a) ve (b) de verilen her bir akım seviyesindeki çalışma noktaları için dc (statik) dirençleri karşılaştırınız. Çözüm: (a) I D = 2mA olan çalışma noktasına bir teğet çizildiğinde yaklaşık 2mA lik bir değişim için; I D = 4mA 0mA = 4mA ΔV D = 0.76V 0.65V = 0.11V ve ac direnç; r = V d = 0.11V I d 4mA = 27. 5Ω (b) I D = 20mA olan çalışma noktasına bir teğet çizildiğinde ve yaklaşık 5mA lik bir değişim için; I D = 30mA 20mA = 10mA ΔV D = 0.8V 0.78V = 0.02V ve ac direnç; r = V d I d = 0.02V 10mA = 2Ω Şekil 1.7 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) (c) Karakteristik eğriye göre I D = 2mA için V D =0.7V ve I D = 25mA için V D =0.79V dur. Bu durumda DC direnç I D = 2mA için: R 0 = V D I D = 0.7V 2mA = 350Ω, I D = 25mA için:r 0 = 0.79V 25mA = Ω 26

27 Bir fonksiyonun bir noktadaki türevi, o noktaya çizilen teğetin eğimine eşittir. Bu durumda çalışma noktasındaki toplam akımın gerilime göre türevi dinamik iletkenliği (g) verir. İletkenliğin tersi ise dinamik dirençtir. Bu durumda; g = di D ቚ = dv D Q 1 I 0 e nv KT v D nv KT ฬ (4) v D =V D I D = I 0 V D env KT 1 V D ifadesinden I 0 env KT ifadesi çekilerek (4) eşitliğinde yerine konuşursa; g = di D ቚ = dv D Q 1 (I ቚ nv D + I 0 ) (5) KT elde edilir. Dinamik direnç ise; Şekil 1.8 (Pastacı, H. 2015) r = 1 g = nv KT I D +I 0 nv KT I D (6) V KT = kt q dir. q = C olarak elektron yükünü, k = olarak Boltzman sabitini, T- Kelvin Sıcaklığı (273 + ) ifade eder. 27

28 (Pastacı, H. 2015) Eşitlik (5) ve (6) dan görüleceği üzere dinamik iletkenlik ve dinamik direnç çalışma noktası akımının (i D ) yalnız DC bileşenine (I D ) bağlıdır. Bunun dışında V KT ye dolayısıyla sıcaklığa karşı bir bağımlılıkta vardır. Karakteristik eğri kullanarak nv KT nin hesaplanması: I D = I 0 V D env KT 1 ifadesinin doğal logaritması (ln) alınırsa; ln I D = ln I 0 + V D nv KT olur ve bu durumda elde edilen doğrunun eğimi; 1 nv KT = ln I D V D (7) olarak yazılabilir. (7) eşitliği karakteristik eğri üzerinde iki faklı nokta seçilerek çözülebilir. Bu durumda daha genel bir matematiksel eşitlik; Şekil nv KT = ln I D1 ln I D2 V D1 V D2 = ln(i D1/I D2 ) V D1 V D2 (8) 28

29 Örnek 4: Şekil 1.10 da 1N4001 diyotunun iletim yönündeki karakteristik eğrisi yarı-logaritmik eksen üzerinde çizilmiştir. Bu eğriyi kullanarak I D = I 0 hesaplayınız. V D env KT 1 ifadesindeki n ve I 0 değerlerini Çözüm: n ve I 0 değerlerinin hesaplanması için Şekil 1.10 da verilen karakteristik eğride iki noktanın seçilmesi gerekir. Bunlar V D = 0.4V ile I D = 22μA ve V D = 0.6V ile I D = 1.3mA olsun. (8) eşitliği kullanılarak; 1 = ln(i D1/I D2 ) nv KT V D1 V D2 = ln(1.3/0.022) = 20.4 bulunur. 25 deki n = = olur. Şekil 1.10 (Pastacı, H. 2015) I 0 akımı, diyot eşitliği I D = I 0 V D env KT 1 den; = I 0 e V ve I 0 = 5.97nA 6nA olarak bulunur. V KT = kt q dir. q = C olarak elektron yükünü, k = olarak Boltzman sabitini, T- Kelvin Sıcaklığı (273 + ) ifade eder. 29

30 Örnek 5: Şekil 1.11 ile gösterilen devrede diyotun oda sıcaklığındaki (25 ) dinamik direncini hesaplayınız. A I D R=500 V D 1N4001 V D K V=3V Çözüm: Diyotun dinamik direnci çalışma noktasına ve sıcaklığa bağlıdır. Eğer sıcaklık sabit tutulursa dinamik direnç yalnızca çalışma noktasına bağlıdır. DC modelde değeri belli olmayan R 0 ve V T ın değeri çalışma noktasında geçerli olabilecek şekilde seçilmelidir. Diyota bağlanmış olan 3V luk gerilim kaynağı ve 500Ω luk direnç en çok 6mA lik akım akıtabilir. (diyotun ideal olması durumunda) A I D Ro R=500 V T V=3V K 1N4001 diyotuna ait Şekil 1.10 ile verilen karakteristiğe göre 6mA lik akım geçmesi halinde diyot uçlarında 0.68V oluşur. Böylece direnç uçlarındaki gerilim 3V-0.68V=2.32V olur. Bu durumda devreden akım; 2.32V/500 Ω=4.64mA olur. Bu bilgilere göre I D akımı yaklaşık 4.5mA ile 6mA arasında bir değer alır. Şekil

31 Örnek 5: Şekil 1.11 ile gösterilen devrede diyotun oda sıcaklığındaki (25 ) dinamik direncini hesaplayınız. A I D R=500 V D 1N4001 K V=3V Çözüm: (devamı) Bu diyot için Örnek 4 te n = 1.9 ve I 0 = 6nA olarak bulunmuştu. Diyot eşitliği kullanılarak 4.5mA ve 6mA için çalışma noktaları hesaplanırsa; 4.5mA = 6nA (e V D 1.9 1) den V D = 0.660V olarak, V D 6mA = 6nA (e V D 1.9 1) den V D = 0.674V olarak hesaplanır. A I D Ro K Bu noktalar için diyotun parametreleri; R=500 V T V=3V R 0 = 0.674V 0.660V 6mA 4.5mA = 9.33Ω 9.3Ω V T = 0.674V 9.33Ω 6mA = 0.618V 0.62V şeklinde olur. Şekil

32 Örnek 5: Şekil 1.11 ile gösterilen devrede diyotun oda sıcaklığındaki (25 ) dinamik direncini hesaplayınız. A I D V D 1N4001 K Çözüm: (devamı) DC modelden; I D = 3V 0.62V 500Ω+9.3Ω = 4.67mA R=500 V=3V V D = 0.62V + 9.3Ω 4.67mA = 0.663V değerleri hesaplanır. A V D K Hesaplanan değerler Şekil 1.10 ile gösterilen 1N4001 diyotunun karakteristik eğrisi üzerinde olduğundan seçilen model ve Q noktası doğrudur. I D Ro V T Diyotun oda sıcaklığındaki (25 ) dinamik direncini I D =4.67mA, I 0 = 6nA ve n = 1.9 değerleri için hesaplayacak olursak; R=500 Şekil 1.11 V=3V r = nv KT = I D + I 0 Olarak hesaplarız (4.67mA + 6nA) = 10.45Ω 32

33 AC MODEL (Yüksek Frekans Küçük İşaret Modeli): Yüksek frekanslarda veya hızlı çalışmalarda kaçak kapasiteler elektronik devre elemanlarının çalışmasına etki etmektedir. Diyotun tıkama yönünde kutuplanması halinde arakesit (arıtılmış bölge) genişleyeceğinden n-tarafındaki elektronlarla, p-tarafındaki delikler jonksiyon bölgesinden karşı tarafa çok zor geçeceklerinden dolayı çok küçük bir tıkama akımı akar. Hareketli taşıyıcılardan arıtılmış bu bölge dış kutuplama kaynağı ile genişletilebilir. Bu bölge yalıtkan bir özelliğe sahip olup arıtılmış bölge olarak isimlendirilir. Bu bölgenin ötesinde p ve n tipi bölgelerde taşıyıcı yoğunluğu zengindir ve kapasitenin iletken plakaları gibi düşünülebilir. Bu durum Şekil 1.12 de gösterilmiştir. Şekil 1.12 (Pastacı, H. 2015) 33

34 Diyotun bu hali kapasiteye benzetilebilir. Buna jonksiyon veya arıtılmış kapasite denir ve C j ile gösterilir. Tıkama yönünde kutuplanmış bir diyotun yüksek frekans küçük işaret modeli Şekil 1.13 te verilmiştir. Bu modelde büyük değerli dinamik direnç ile jonksiyon kapasitesi paralel bağlanmıştır. Diyotun iletim yönünde ve yüksek frekans küçük işaret modeli ise Şekil 1.14 te verilmiştir. Buradaki R s direnci yarıiletken malzemenin toplam direncini göstermektedir. Şekil 1.13 (Pastacı, H. 2015) Şekil

35 Sıcaklığın Diyot Üzerine Etkileri: Sıcaklık, elektronik sistemlerin tasarım ve analizinde dikkate alınması gereken çok önemli bir parametredir. Bir yarıiletken diyotun sıcaklık değişiminden kaynaklanan karakteristik eğrisi Şekil 1.15 te verilmiştir. Örneğin 100 de ileri yönde uygulanan gerilimdeki düşüşe karşılık doyma akımındaki artış sıcaklığın etkisini göstermektedir. Ayrıca, sıcaklık değişimlerinin tıkama bölgesinde kırılma/zener geriliminde belirgin bir fark ortaya çıkardığı görülmektedir. Şekil 1.15 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 35

36 Tıkanma Süresi: Önceki konularda ileri öngerilim durumunda, n-tipi malzemeden p-tipi malzemeye ilerleyen çok sayıda elektron ve n-tipi malzeme içinde de çok sayıda delik olduğu gösterilmiştir. Bu durum iletim için bir gerekliliktir. p-tipi malzemedeki elektronlar ve n-tipi malzemedeki delikler, her bir malzemede azınlık taşıyıcısı oluştururlar. Uygulanan gerilim, tersine çevrildiğinde, ideal diyotun iletim durumundan kesim (tıkama) durumuna anında geçmesini bekleriz. Ancak, her iki malzemedeki çok sayıdaki azınlık taşıyıcısı nedeniyle diyot Şekil 1.16 daki gibi tersine dönecek ve azınlık taşıyıcılarının karşı malzemedeki çoğunluk taşıyıcısı durumuna dönmeleri için gereken t s zamanı kadar (saklama süresi) I ters akımı ile ters yönde kısa devre durumunda kalacaktır. Bu saklama süresi geçtikten sonra akım, iletmeme durumu düzeyine inecektir. Bu ikinci süre t t (geçiş aralığı) ile ifade edilir. Tıkanma süresi bu iki aralığın toplamıdır Şekil 1.15 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) t rr = t s + t t. Ticari olarak kullanılan anahtarlama diyotlarının çoğu birkaç ns den 1μs ye kadar tıkama süresi (t rr ) aralığına sahiptirler. 36

37 Zener Diyot: Genel olarak P ve N yarıiletken malzemelerinden oluşan, silikon yapılı özel bir diyot çeşididir. Asıl amacı uçlarına uygulanan gerilimi sabit tutmaktır. Bu doğrultuda belirli bir gerilim değerini aşana kadar akım geçirmezler. Bu gerilime de zener (kırılma) gerilimi adı verilir ve V z ile ifade edilir. Devrede ileri yönlü olacak şekilde bağlı olduğunda normal diyot gibi çalışır. Ancak, tıkama durumunda zener gerilimi prensibiyle çalışır ve bağlı olduğu elemana elektriksel olarak koruma sağlar. Bu yüzden zener diyotlar çoğunlukla koruma amaçlı olarak ters bağlanırlar. Karakteristik eğrisi Şekil 1.16 da verilmiştir. Zener Diyot'un Kullanım Alanları: Sabit bir referans gerilim sağlamak amacıyla veya koruma amacıyla kendine çeşitli sayıda uygulama alanı bulan zener diyot, birçok elektronik devrede karşımıza çıkmaktadır. Bu yüzden gerilim sabitleme, sinyal kırpma, elektronik eleman koruma görevlerini üstlenen birçok devrede zener diyot mevcuttur. Şekil

38 Diyot Uygulamaları: Yarım Dalga Doğrultucu: Pil veya akü kullanılmayan bir çok elektronik cihazda 50 Hz lik şebeke gerilimini doğru gerilime dönüştüren doğrultucular kullanılır. Doğrultucuların en basiti Şekil 1.17 ile verilen yarım dalga doğrultucusudur. Devredeki transformatör şebeke geriliminin değerini değiştirdiği gibi doğrultucuyu şebekeden izole etmiş olur. Şekil 1.17 Yarım dalga doğrultucu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) (Pastacı, H. 2015) 38

39 Şekil 1.19 Yarım dalga doğrultucu (iletim bölgesinde) (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) Şekil 1.20 Yarım dalga doğrultucu (Tıkama/kesim bölgesinde) (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 39

40 Yarım dalga doğrultucu devrelerindeki (Şekil 1.17) V 0 veya V L ile ifade edilen yük gerilimi ortalaması sıfır olmayan dalgalı bir DC gerilimdir. Yarım dalga doğrultucusunun çıkış olarak verdiği gerilimin ortalaması hesaplanırsa: V ort = V DC = 1 T T/2 Vm sin ωtdt = V m 0 = 0.318V π m (9) Diyotun tıkama bölgesinde kırılma gerilimi (PIV) V BR nin değeri diyota uygulanan gerilimin max değerine (V m ) eşit veya daha büyük olmalıdır. Şekil 1.21 Yarım dalga doğrultulmuş sinyal (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 40

41 Şekil 1.22 de ileri önerilim bölgesinde eşik gerilimi 0.7V olan silisyum diyotun yarım dalga doğrultucu devresindeki etkileri gösterilmiştir. Bu durumda ortalama gerilim yaklaşık olarak eşitlik (10) ile ifade edilir. Şekil 1.22 Yarım dalga doğrultulmuş sinyal sinyal üzerinde eşik geriliminin etkisi (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) V ort = V DC 0.318(V m V T ) (10) 41

42 Şekil 1.22 de ileri önerilim bölgesinde eşik gerilimi 0.7V olan silisyum diyotun yarım dalga doğrultucu devresindeki etkileri gösterilmiştir. Bu durumda ortalama gerilim yaklaşık olarak eşitlik (10) ile ifade edilir. Şekil 1.22 Yarım dalga doğrultulmuş sinyal sinyal üzerinde eşik geriliminin etkisi (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) V ort = V DC 0.318(V m V T ) (10) 42

43 Örnek 6: Şekil 1.23 ile verilen devre için (a) ideal diyot için v 0 çıkışını çiziniz ve ortalama değerini hesaplayınız. (b) ideal diyot yerine 0.7V eşik değerli silisyum diyot kullanarak (a) şıkkını tekrarlayınız. (c) Geriliminin tepe değeri 200V olursa (a) ve (b) şıkkı için ortalama değerler ne olur. Karşılaştırınız. Çözüm: (a) 43

44 Örnek 6: Şekil 1.23 ile verilen devre için (a) ideal diyot için v 0 çıkışını çiziniz ve ortalama değerini hesaplayınız. (b) ideal diyot yerine 0.7V eşik değerli silisyum diyot kullanarak (a) şıkkını tekrarlayınız. (c) Geriliminin tepe değeri 200V olursa (a) ve (b) şıkkı için ortalama değerler ne olur. Karşılaştırınız. Çözüm: (b) 44

45 Örnek 6: Şekil 1.23 ile verilen devre için (a) ideal diyot için v 0 çıkışını çiziniz ve ortalama değerini hesaplayınız. (b) ideal diyot yerine 0.7V eşik değerli silisyum diyot kullanarak (a) şıkkını tekrarlayınız. (c) Geriliminin tepe değeri 200V olursa (a) ve (b) şıkkı için ortalama değerler ne olur. Karşılaştırınız. Çözüm: (c) 45

46 Tam Dalga Doğrultucu: Bir sinüzoidal girişten her yarım periyot için dc düzey elde etmek için kullanılan doğrultucu tam dalga doğrultucu olarak isimlendirilir. En yaygın tam dalga doğrultucu tipi 4 adet diyottan oluşan köprü tipi doğrultucudur. Köprü tipi tam dalga doğrultucu Şekil 1.23 te verilmiştir. Şekil 1.23 Köprü tipi tam dalga doğrultucu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) V ort = V DC = 2 T 0 T/2 Vm sin ωtdt = 2V m π = 0.636V m (11) 46

47 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) Tam Dalga Doğrultucu (İdeal Diyot Durumu) Şekil 1.24 Giriş geriliminin pozitif bölgesi için diyotların iletim durumu Şekil 1.25 Giriş geriliminin negatif bölgesi için diyotların iletim durumu 47

48 Tam Dalga Doğrultucu (Silisyum diyot için (V T = 0. 7V)) V ort = V DC 0.636(V m 2V T ) (12) Şekil 1.26 Eşik değeri 0.7V olan silisyum diyot için tam dalga doğrultma (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 48

49 Orta Uçlu Transformatör ile Tam Dalga Doğrultucu: İkinci ve yaygın olarak kullanılan tam dalga doğrultucu Şekil 1.27 de gösterilmiştir. Bu doğrultucuda yalnızca iki diyot kullanılmıştır. Şekil 1.27 Orta uçlu transformatör ile tam dalga doğrultucu (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 49

50 Orta Uçlu Transformatör ile Tam Dalga Doğrultucu: Şekil 1.28 Giriş geriliminin pozitif bölgesi için tam dalga doğrultucu Şekil 1.29 Giriş geriliminin negatif bölgesi için tam dalga doğrultucu 50

51 Örnek 7: Şekil 1.30 ile verilen devrede v 0 geriliminine ait dalga şeklini çizerek V DC ve PIV değerini hesaplayınız. Çözüm: (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 51

52 Örnek 7: Şekil 1.30 ile verilen devrede v 0 gerilimine ait dalga şeklini çizerek V DC ve PIV değerini hesaplayınız. Çözüm (devamı) Şekil 1.30 V DC = 0.636V m = = 3.18V PIV değeri ise R üzerindeki maksimum gerilime eşittir ve bu değer 5 Volttur. (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 52

53 Üç faz yarım dalga doğrultucu: (Chapman, S. J. 2007) Şekil 1.31 (a) üç faz yarım dalga doğrultucu devre (b) Doğrultucu devrenin üç faz giriş gerilimleri (c) doğrultucu devrenin çıkışı 53

54 Üç faz tam dalga doğrultucu: Üç faz tam dalga doğrultucunun çıkışı yarım dalga doğrultucuya göre daha düzgündür. (Chapman, S. J. 2007) Şekil 1.32 (a) üç faz tam dalga doğrultucu devre (b) Doğrultucu devrenin üç faz giriş gerilimleri (c) doğrultucu devrenin çıkışı 54

55 Kırpıcılar (Clippers): Giriş sinyalinin bir kısmını kırpıp geri kalan kısmını yüke aktaran devrelere kırpıcı devreler denir. En basit kırpıcı örneği yarım dalga doğrultucu devreleridir. Seri ve paralel olmak üzere iki tip kırpıcı devreleri vardır. Seri kırpıcılarda diyot yüke seri, paralel kırpıcılarda ise yüke paraleldir. Şekil 1.32 de seri kırpıcı devresi ve kırpılmış çıkışlar görülmektedir. Şekil 1.32 seri kırpıcı (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 55

56 Seri kırpıcıya Şekil 1.33 te gösterildiği gibi dc kaynağın eklenmesi kırpıcının çıkışında belirli bir etki meydana getirebilir. Pozitif bölge için v 0 = v i V Negatif bölge için v 0 = 0 V Şekil 1.33 dc kaynak eklenmiş seri kırpıcı v i = V oluncaya kadar v 0 = 0 dır. 56

57 Örnek 8: Şekil 1.34 ile verilen devrenin v 0 çıkış gerilimine ait dalga şeklini çiziniz. Şekil 1.34 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) Diyotun iletimde olduğu bölge için; v 0 = v i + 5 V olarak yazılabilir. Diyot kesimde iken; v 0 = 0 V olur Çözüm: v i nin pozitif bölgesindeki her gerilim değeri için diyot dc kaynağın etkisi ile iletim durumundadır. Negatif bölge için ise v i nin -5V tan daha negatif değerleri için açık devre durumundadır. (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 57

58 Kırpıcılar (Clippers): Şekil 1.35 de paralel kırpıcı devresi ve kırpılmış çıkışlar görülmektedir. Şekil 1.35 paralel kırpıcı devresi ve giriş işaretlerine karşın çıkış çıkış işaretleri (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 58

59 Örnek 10: Şekil 1.36 ile verilen devre için v 0 çıkış gerilimine ait dalga şeklini çiziniz. Çözüm: Şekil 1.36 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) Şekil 1.36 ile verilen devre ve giriş gerilimi için pozitif bölgede, v i < 4V olduğu sürece diyot iletimdedir ve çıkış gerilimi v 0 = 4V tur. v i 4V olduğunda diyot kesime gider ve kaynak gerilimi bu değerler için yük üzerinde aynen görülür. Negatif bölge için diyot iletimdedir ve çıkış gerilimi v 0 = 4V tur. Diyotun iletimde olduğu durumda giriş gerilimi R direnci üzerine düşmektedir. (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 59

60 Örnek 11: Örnek 10 daki devrede kullanılan ideal diyot yerine silisyum diyot (V T = 0.7V) kullanılırsa v 0 çıkış gerilimine ait dalga şeklini çiziniz. Çözüm: Şekil 1.36 (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 60

61 Kenetleme Devreleri (Clampers): Kenetleyici bir işareti farklı bir dc düzeye kenetleyen devredir. Devrede bir kondansatör, bir diyot ve direnç (direnç özelliği gösteren yük) elemanı bulunmak zorundadır. Ayrıca, ek bir kayma elde etmek için bağımsız bir dc kaynakta kullanılabilir. R ve C nin değeri, τ = RC zaman sabiti kondansatördeki gerilim diyotun kesimde olduğu zaman aralığı için kondansatörün deşarj olmasını önleyecek büyüklükte olmalıdır. Şekil 1.37 de kenetleme devresi görülmektedir. Şekil 1.37 Kenetleme devresi (Boylestad, R. and Nashelsky L. 2004) 61

62 Kenetleme Devreleri (Clampers): Şekil 1.37 ile verilen kenetleme devresine Şekil 1.38 ile verilen giriş uygulandığında; 0 T/2 zaman aralığı içerisinde devre Şekil 1.39 daki gibi olmaktadır. Burada diyot kısa devre olduğu için R direncinin etkisini ortadan kaldırır. Bu durumda v 0 = 0 volttur. Şekil 1.37 Kenetleme devresi Şekil 1.38 Giriş gerilimi Şekil T/2 için Şekil 1.40 T/2 T için T/2 T zaman aralığı içerisinde ise devre Şekil 1.40 daki gibi olmaktadır. Burada diyot açık devredir ve R direnci tekrar devrededir. T/2 T aralığı RC ile belirlenen zaman sabitinden çok küçük olduğundan dolayı kondansatörün gerilimini içinde tuttuğu kabul edilir. KGK na göre çıkış gerilimi: v 0 = V V = 2V olur ve Şekil 1.41 ile gösterilmiştir. Şekil 1.41 Çıkış gerilimi 62

63 KAYNAKLAR Pastacı, H. 2015, ELEKTRONİK, NOBEL YAYIN, 1. BASKI Boylestad, R. and Nashelsky L. ELECTRONIC DEVICES AND CIRCUIT THEORY, PRENTICE HALL, SEVENTH EDITION Chapman, S. J ELEKTRİK MAKİNALARININ TEMELLERİ, ÇAĞLAYAN KİTAPEVİ, (Çevirenler: Dr. Erhan Akın, Dr. Ahmet Orhan) 63