ELEKTRONİK DERS NOTU (DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER)

Transkript

1 ELEKTRONİK DERS NOTU (DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER)

2 BÖLÜM-III DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER Giriş: Transistörlü bir yükseltecin analizi ve tasarımı için dc veya ac tepkisini bilmek gereklidir. Transistörün dıştan bir enerji kaynağının yardımı olmadan uygulanan ac girişin seviyesini yükselttiğini düşünmek yanlıştır. Gerçekte, çıkışın yükseltilmiş güç seviyesi uygulanan dc kaynağın enerjisinin aktarılması sonucudur. Bir transistörün dc analizinin gerçekleştirilebilmesi için bilinmesi gereken değer ve formüller aşağıda verilmiştir. V BE = 0.7V (3.1) I E = 1 + β I B + I C (3.2) I C = βi B (3.3) 2

3 DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER Transistörlü yükselteçlerde dc akım ve dc gerilim, uygulanan sinyalin yükseltilmesinde kullanılacak bölgedeki çalışma noktasını oluşturacaktır. Çalışma noktası karakteristik eğride sabit bir nokta olduğu için bu noktaya hareketsiz (quiescent) nokta denir ve Q ile gösterilir. Şekil 3.1 de ortak-emitörlü yapıya ait karakteristik eğri verilmiştir. Bu eğrideki kesikli çizgiler ile ayrılmış bölüm aktif bölgeyi diğer kısımlar ise kesim ve doyum bölgelerini ifade etmektedir. Aktif Kesim Doyum BE İleri ön-gerilimli Ters ön-gerilimli İleri ön-gerilimli CB Ters ön-gerilimli Ters ön-gerilimli İleri ön-gerilimli Şekil 3.1 Ortak Emitörlü yapıya ait karakteristik eğri 3

4 DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER Kutuplama Devreleri-Sabit Eğilimlemeli Yapı: Şekil 3.2 ile verilen devre en basit dc eğilimleme devresidir. Devrede npn transistör kullanılmıştır. Bütün akımların yönleri ve gerilim kutuplarının yönü değiştirilerek pnp transistör için hesaplamalar aynen yapılabilir. DC analizde kapasitörler açık devre kabul edilerek analiz yapılabilir. Çünkü dc durumda kapasitörün reaktansı sonsuzdur. I. Yol denklemi I. Yol II. Yol V CC I B R B V BE = 0 V CC V BE R B II. Yol denklemi V CC I C R C V CE = 0 V CE = V CC I C R C Şekil 3.2 Sabit eğilimlemeli devre Şekil 3.3 devrenin dc eşdeğeri V CE = V C V E V BE = V B V E 4

5 DC EĞİLİMLEME (KUTUPLAMA) BJT LER Örnek 3.1: Şekil 3.4 ile verilen sabit eğilimleme devresinde V CC = 12V, R B = 240kΩ, R C = 2.2kΩ olduğuna göre; baz (I B ) ve kollektör (I C ) akımı ile kollektör-emitör arası gerilimi (V CE ), Baz gerilimini (V B ), kollektör gerilimini (V C ) ve baz-kollektör gerilimini (V BC ) bulunuz. I. Yol denklemi V CC I B R B V BE = 0 V CC V BE R B kΩ = μA I C = β μA = 2. 35mA V CC I C R C V CE = 0 II. Yol denklemi V CE = V CC I C R C = mA 2.2kΩ = 6. 83V V CE = V C V E V E = 0 olduğundan; V BE = V B V E V CE = V C = 6. 83V Şekil 3.4 Sabit eğilimlemeli devre V BE = V B = 0. 70V V BC = V B V C V BC = = 6. 13V 5

6 Yük Hattı Analizi: yük hattı analizinde; I C = 0 ise (kesim durumu), V CE = V CC 0 R C V CEmax = V CC olur. V CE = 0 ise (doyum durumu), 0 = V CC I C R C I Cmax = V CC R C V CC I C R C V CE = 0 Yük Hattı Analizi: yük hattı analizinde; Sabit V CC ve R B değerleri için R C değişimlerine karşılık çalışma noktaları (Şekil 3.6); Şekil 3.5 Sabit eğilimlemeli yük hattı Şekil 3.6 Artan bir R C seviyesinin yük hattına etkisi ve Q- noktaları. 6

7 Yük Hattı Analizi: Yük Hattı Analizi: yük hattı analizinde; Farklı I B değerleri için yük hattı ve çalışma noktaları (Şekil 3.7); Yük Hattı Analizi: yük hattı analizinde; Farklı V CC değerleri için yük hattı ve çalışma noktaları (Şekil 3.8); Şekil 3.7 Artan bir I B akımının yük hattına etkisi ve Q-noktaları. Şekil 3.8 Farklı V CC nin değerleri için yük hattı ve Q-noktaları 7

8 Emitöründe direnç olan sabit eğilimlemeli yapı: Şekil 3.9 da verilen devrenin çalışmasını analiz etmek için devrenin baz-emitör ile kollektör-emitör çevresi ayrı ayrı ele alınmalıdır. I. Yol denklemi (baz-emitör) V CC I B R B V BE I E R E = 0 I E = β + 1 I B için V CC I B R B V BE β + 1 I B R E = 0 V CC V BE R B + β + 1 R E II. Yol denklemi(kollektör-emitör) V CC I C R C V CE I E R E = 0 I E I C için Şekil 3.9 Emitör direnci eklenmiş Sabit eğilimlemeli devre V CE = V CC I C (R C + R E ) 8

9 Örnek 3.2: Şekil 3.10 ile verilen devrede V CC = 20V, R B = 430kΩ, R C = 2kΩ, R E = 1kΩ olduğuna göre; I B, I C, V CE, V B, V C, V E ve V BC yi bulunuz. I. Yol denklemi V CC I B R B V BE β + 1 I B R E = 0 V CC V BE R B + β + 1 R E kΩ kΩ = 40. 1μA I C = β μA = 2. 01mA II. Yol denklemi(kollektör-emitör) V CC I C R C V CE I E R E = 0 V CE = V CC I C (R C + R E ) Şekil 3.10 V CE = mA (2kΩ + 1kΩ) V CE = V I C = βi B 9

10 Örnek 3.2: Şekil 3.10 ile verilen devrede V CC = 20V, R B = 430kΩ, R C = 2kΩ, R E = 1kΩ olduğuna göre; I B, I C, V CE, V B, V C, V E ve V BC yi bulunuz. V C = V CC I C R C V C = 20 (2.01mA)(2kΩ) V C = V V CE = V CC I C (R C + R E ) V E = V C V CE V E = = 2. 01V V B = V BE + V E V B = = 2. 71V Şekil 3.10 V BC = V B V C V BC = = V 10

11 Örnek 3.3: Örnek 3.1 ve Örnek 3.2 için β nın 50 ve 100 değerleri için eğilimleme gerilimlerini ve akımlarını hesaplayarak bir tablo oluşturunuz. β daki değişim için I C ve V CE değerlerini karşılaştırınız kΩ = μA Örnek 3.1 β=50 için; kΩ kΩ = 40. 1μA β=50 için; Örnek 3.2 I C = β μA = 2. 01mA I C = β μA = 2. 35mA V CE = mA 2kΩ + 1kΩ = V V CE = V CC I C R C = mA 2.2kΩ = 6. 83V β=100 için; β=100 için; kΩ kΩ = 36. 3μA I C = β μA = 4. 71mA V CE = V CC I C R C = mA 2.2kΩ = 1. 64V β I B (μa) I C (ma) V CE (V) I C = β μA = 3. 63mA V CE = mA 2kΩ + 1kΩ = 9. 11V β I B (μa) I C (ma) V CE (V)

12 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı: Sabit eğilimleme yapısında eğilimleme akımı I CQ ve gerilimi V CEQ transistörün akım kazancı β nın fonksiyodur. Ancak, özellikle silikon transistörlerde β sıcaklığa duyarlı olduğu için β nın gerçek değeri genellikle tam olarak tanımlı değildir. Transistörün akım kazancı β ya az bağımlı, hatta bağımsız bir eğilimleme devresi istenen bir durumdur. Şekil 3.11 de verilen gerilim bölücü eğilimleme devresi böyle bir devredir. Devrenin analizi yapılacak olursa; Tam Analiz I I 1, I 2, I B akımları bulunur. Bilinmeyen sayısı üç olduğu için çözüm için üç denkleme ihtiyaç vardır. B V CC I 1 R 1 I 2 R 2 = 0 V CC I 1 R 1 V BE 1 + β I B R E = 0 I E = β + 1 I B için I 1 = I 2 + I B I 2 R 2 V BE 1 + β I B R E = 0 Denklemleri kullanılarak I B hesaplanır ve V CE ; Şekil 3.11 Gerilim bölücü eğilimleme yapısı V CE = V CC I C R C + I E R E şeklinde yazılır. 12

13 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı (Devam) B Tam Analiz II Şekil 3.11 deki devre Şekil 3.12 de gösterildiği gibi yeniden çizilecek olursa; B noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) bulunarak I B, I C ve I E hesaplanır. Şekil 3.12 Gerilim bölücü yapının dc bileşenleri E TH = V CCR 2 R 1 + R 2 R TH = R 1 //R 2 E TH I B R TH V BE I E R E = 0 I E = β + 1 I B için V CE = V CC I C R C + I E R E E TH V BE R TH + β + 1 R E V CE V CC I C (R C + R E ) 13

14 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı (Devam) Yaklaşık Analiz Şekil 3.12 de verilen devrede B noktasının gerilimi (V B ) aşağıdaki gibi hesaplanabilir. V B = V CCR 2 R 1 + R 2 B Eğer βr E 10R 2 koşulu sağlanıyorsa yaklaşık analiz yapılabilir. durumda V B hesaplandıktan sonra V E aşağıdaki gibi hesaplanabilir. Bu V E = V B V BE Şekil 3.12 Gerilim bölücü yapının dc bileşenleri I E = V E R E I CQ I E V CE = V CC I C R C + I E R E V CE V CC I C (R C + R E ) 14

15 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı (Devam) Örnek 3.4: Şekil 3.13 ile verilen devrede I C akımını ve V CE gerilimini bulunuz. Tam Analiz II B noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) E TH = V CCR 2 R 1 + R 2 = (22V)(3.9kΩ) 39kΩ + 3.9kΩ = 2V B R TH = R 1 //R 2 R TH = E TH V BE R TH + β + 1 R E = 3.9kΩ (39kΩ) 39kΩ + 3.9kΩ = 3. 55kΩ 3.55kΩ kΩ = 8. 38μA I C = βi B Şekil 3.13 Örnek 3.4 için kullanılan devre I C = β μA = 0.84mA V CE mA 10kΩ + 1.5kΩ = V 15

16 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı (Devam) Örnek 3.4: Şekil 3.13 ile verilen devrede I C akımını ve V CE gerilimini bulunuz. Yaklaşık analiz: Yaklaşık analiz için çözüm testi yapılırsa; βr E 10R kΩ (10)(3.9kΩ) 150kΩ 39kΩ (Yaklaşık çözüm kullanılabilir.) B V B = V CCR 2 R 1 + R 2 = (22V)(3.9kΩ) 39kΩ + 3.9kΩ = 2V V E = V B V BE = = 1.3V I E = V E R E = 1.3V 1.5kΩ = 0.867mA I CQ I E = mA Şekil 3.13 Örnek 3.4 için kullanılan devre V CE V CC I C (R C + R E ) V CE (10kΩ + 1.5kΩ) = V 16

17 Gerilim Bölücü Eğilimleme (Kutuplama) Yapısı (Devam) Örnek 3.5: Örnek 3.4 ile verilen devrede β = 50 alınırsa I C akımını ve V CE gerilimini bulunuz. Tam Analiz II B noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) E TH = 2V R TH = 3. 55kΩ E TH V BE R TH + β + 1 R E = kΩ kΩ = μA B β = 50 I C = βi B I C = β μA = 0. 81mA V CE mA 10kΩ + 1.5kΩ = V Şekil 3.13 Örnek 3.5 için kullanılan devre β I C (ma) V CE (V)

18 Ortak Kollektörlü Devrelerin Kutuplanması Önceki bölümlerde gösterilen yapılarda çıkış gerilimi tipik olarak transistörün kollektör terminalinden alınmıştı. Bu bölümde ise Şekil 3.14 te gösterildiği gibi emitör terminalinden alınmıştır. I. Yol denklemi I B R B V BE 1 + β I B R E + V EE = 0 V EE V BE R B β R E II. Yol denklemi V CE I E R E + V EE = 0 Şekil 3.14 Ortak kollektörlü yapı V CE = V EE I E R E 18

19 Ortak Kollektörlü Devrelerin Kutuplanması Örnek 3.6: Şekil 3.15 ile verilen devrede I C akımını ve V CE gerilimini bulunuz. I. Yol denklemi I B R B V BE 1 + β I B R E + V EE = 0 V EE V BE R B β R E 1 + β I E kΩ (2kΩ) = 45.73μA I E = μA = 4. 6mA Şekil 3.15 Örnek 3.6 için kullanılan devre II. Yol denklemi V CE I E R E + V EE = 0 V CE = V EE I E R E V CE = mA 2kΩ = V 19

20 Ortak Bazlı Devrelerin Kutuplanması Ortak bazlı yapıda diğerlerinden farklı olarak uygulanan sinyal emitör terminaline bağlıdır ve baz topraktadır. Bu kutuplama yöntemi çok popülerdir çünkü ac durumda düşük giriş empedansı, yüksek çıkış empedansı ve iyi bir kazancı vardır. Tipik olarak ortak bazlı yapı Şekil 3.16 de verilmiştir. Dikkat edilirse bu yapıda iki kaynak vardır. I. Yol denklemi V BE I E R E + V EE = 0 I E = V EE V BE R E II. Yol denklemi V CC I C R C V CE I E R E + V EE = 0 Şekil 3.16 Ortak bazlı yapı V CE = V CC + V EE I E (R E +R C ) 20

21 Ortak Bazlı Devrelerin Kutuplanması Örnek 3.7: Şekil 3.17 ile verilen devrede I B, I E akımlarını ve V CE, V CB gerilimlerini bulunuz. I. Yol denklemi V BE I E R E + V EE = 0 I E = V EE V BE R E I E = kΩ = 2. 75mA 1 + β I E I E 1 + β = 2.75mA (1 + 60) II. Yol denklemi = μA Şekil 3.17 Örnek 3.7 için kullanılan devre V CE = V CC + V EE I E (R E +R C ) V CE = 10V + 4V 2.75mA 1.2kΩ + 2.4kΩ = 4. 1V V CB = V CC I C R C V CB = V CC βi B R C = 10V μA 2.4kΩ = 3. 51V 21

22 PNP transistörün kutuplaması Şekil 3.18 ile verilen devrenin analizi için KGK yazılırsa; I. Yol denklemi I E R E + V BE I B R B + V CC = β I E V CC + V BE R B β R E II. Yol denklemi I E R E + V CE I C R C ( V CC ) = 0 I C I E V CE = V CC + I C (R C +R E ) Şekil 3.18 PNP transistörün Kutuplaması 22

23 Örnek 3.8: Şekil 3.19 ile verilen devrede I B, I E akımlarını ve V CE, V CB gerilimlerini bulunuz. Tam Analiz II B noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) E TH = V CCR 2 = 18V 10kΩ R 1 + R 2 47kΩ + 10kΩ = 3. 16V R TH = 47kΩ//10kΩ = 8. 25kΩ I B 8.25k 3.16V + 0.7V 8.25kΩ kΩ = 17. 4μA -3.16V V EB 1.1k I C = β μA = 2. 09mA Şekil 3.19 Örnek 3.8 için kullanılan devre I E I E R E V CE I C R C + V CC = 0 V CE = V CC + I E (R E + R C ) V CE = mA 3.5kΩ = 10.69V 23

24 Çok Katlı Kuvvetlendiriciler Örnek 3.9: Şekil 3.20 ile verilen devrede I B, I E ve I C akımlarını β 1 = β 2 = 100 için bulunuz. V cc 20V B1 noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) R3=27.9k RC2=2k C3 R1=82.4k RC1=8k B 2 I C 2 Q 2 v 0 E TH1 = V CCR 2 R 1 + R 2 = kΩ 82.4kΩ kΩ = 2. 82V I C1 B v 1 i Q1 C1 C2 R4=4.5k RE2=1k R TH1 = 82.4kΩ//13.5kΩ = 11. 6kΩ R2=13.5k RE1=2k I B1 = E TH1 = I B1 R TH1 + V BE β I B1 R E1 E TH1 V BE R TH R E1 = kΩ kΩ 10μA Şekil 3.20 Örnek 3.9 için kullanılan kaskat devre I C1 = βi B1 = μA = 1mA I E1 = 1 + β I B1 = μA = 1. 01mA 24

25 Çok Katlı Kuvvetlendiriciler Örnek 3.9: Şekil 3.20 ile verilen devrede I B, I E ve I C akımlarını β 1 = β 2 = 100 için bulunuz. (devam) V cc 20V B2 noktasındaki Thevenin eşdeğer gerilimi (E TH ) ve Thevenin eşdeğer direnci (R TH ) R3=27.9k RC2=2k C3 R1=82.4k RC1=8k B 2 I C 2 Q 2 v 0 E TH2 = V CCR 4 R 3 + R 4 = kΩ 27.9kΩ + 4.5kΩ = 2. 78V I C1 B v 1 i Q1 C1 C2 R4=4.5k RE2=1k R TH2 = 27.9kΩ//4.5kΩ = 3. 88kΩ R2=13.5k RE1=2k I B2 = E TH2 = I B2 R TH2 + V BE β I B2 R E2 E TH2 V BE R TH R E2 = kΩ kΩ 20μA Şekil 3.20 Örnek 3.9 için kullanılan kaskat devre I C2 = βi B2 = μA = 2mA I E2 = 1 + β I B2 = μA = 2. 02mA 25

26 Çok Katlı Kuvvetlendiriciler Ödev: Şekil 3.20 ile verilen devrede I C2 akımını 2mA yapacak R4 direncinin değerini β 1 = β 2 = 250 ve V BE = 0.6V için bulunuz. V cc 20V R4 I 1 R5=4.7k R6=47 C3 R1=10k v 0 I B2 I C 2 Q 2 I B1 I C1 v i C1 Q 1 R7=4.7k R2=100 R3=4.7k Şekil 3.21 Ödev için kullanılan kaskat devre 26

27 KAYNAKLAR Pastacı, H. 2015, ELEKTRONİK, Nobel Yayın, 1. Baskı Boylestad, R. and Nashelsky L. 2011, ELEKTRONİK CİHAZLAR VE DEVRE TEORİSİ, Palme Yayıncılık, (Onuncu Baskıdan Çeviri), Çevirenler: Adnan Köksal (Ed.), Ahmet Selçuk, Sevda Özdemir, Şölen KumbayYıldız, Gürhan Bulu. 27