DENEY NO: 3 TRANZİSTORLU KUVVETLENDİRİCİ DEVRELER

Transkript

1 DENEY NO: 3 TRANZİSTORLU KUVVETLENDİRİCİ DEVRELER DENEYİN AMACI: Bu deneyde BJT ve MOS kuvvelendiriciler incelenecek ve elde edilecek veriler yardımıyla her iki kuvvelendiricinin çalışma prensipleri ve özellikleri gözlemlenecekir. ÖN HAZIRLIK Lüfen aşağıdaki soruları yanılayınız. Kuvvelendirici ne demekir? BJT ve MOS kuvvelendiricilerin çalışma bölgeleri nelerdir? Kuvvelendirme işlevi, kuuplama akım ve gerilimlerinin değerinden başka hangi ekenlere bağlıdır? Kuuplama ne demekir? Bağlama kapasiesi ne demekir? Nerede ve ne amaçla kullanılır? Köprüleme kapasiesi ne demekir? Nerede ve ne amaçla kullanılır? Kazanç ne demekir? Faz farkı ne demekir? Kırpılma olayı nedir ve neden olmakadır? Lüfen aşağıdaki hesaplamaları yapınız. Şekil.2a daki devrenin çalışma nokası büyüklüklerini (V C, V B, V E, I C ) belirleyin. Şekil.2a daki devre için V c / V b gerilim kazancını C 3 devrede varken ve yokken (iki durum için ayrı ayrı) hesaplayın. Şekil.2b deki devrenin çalışma nokası büyüklüklerini (V D, V G, V S, I D ) belirleyin. Şekil.2b deki devre için V d / V g gerilim kazancını hesaplayın. Deney öncesinde, ön hazırlıka yapılması isenilenler (yanılanması isenilen sorular ve hesaplamalar) ile ilgili yazılı kısa sınav yapılacakır! GÖZDEN GEÇİRİLMESİ FAYDALI KONULAR BJT li kuvvelendiricilerde orak emeör ve orak bazlı devreleri (benzerlikler ve farklılıklar açısından) karşılaşırın. MOS kuvvelendiricilerde orak kaynak ve orak geçili devreleri (benzerlikler ve farklılıklar açısından) karşılaşırın. DENEYİN ÖĞRENCİYE KATACAĞI ŞEYLER Bu deney sonunda aşağıda sıralanmış olan bilgileri öğrenmiş ve gerçeklediğiniz devreler yardımı ile özümsemiş olmanız gerekmekedir. 3-1

2 Kuvvelendirici ne demekir ve işlevi nedir? BJT ve MOS kuvvelendiricilerin çalışma bölgeleri nelerdir? Kazanca eki eden fakörler nelerdir? Kuuplama koşulları nedir? Bağlama ve köprüleme kapasielerinin kullanım amaçları nelerdir? Faz farkı nedir ve nasıl gözlemlenir? DENEYDE KULLANILACAK MALZEME VE CİHAZLAR: Malzemeler: Şekil2.a için: Şekil2.b için: BC238B BS108 R g = 10kΩ R 3 = 820kΩ R 1 = 220kΩ R 4 = 330kΩ R 2 = 33kΩ R D = 1kΩ R C = 8.2kΩ R S = 220Ω R E = 1.2kΩ R y = 10kΩ R y = 12kΩ C 4 = C 5 = C 6 = 1µF C 1 = C 2 = 4.7µF Tel, kablo C 3 = 220µF Tel, kablo Cihazlar: Mulimere (kuuplama gerilimlerinin ve akımlarının ölçülmesinde kullanılacak) Osiloskop (giriş ve çıkış işarelerinin gözlenmesinde kullanılacak) Besleme kaynağı (12V, 15V) İşare Üreeci (1-100 khz lik sinüzoidal işare) Board Genel Bilgi Bir işare kaynağı arafından girişine uygulanan gücü, çıkış uçlarına bağlı bir yüke kuvvelendirerek veren devrelere kuvvelendirici denir. Kuvvelendiriciler, bir DC kaynakan sağlanan akımı girişine uygulanan işarele deneleyebilen elemanlardan (örneğin ranzisorlar) yararlanılarak gerçekleşirilir. Günümüzde, kuvvelendiricilerde bipolar jonksiyonlu ranzisorlar (BJT) veya alan ekili ranzisorlar (MOSFET, JFET, MESFET, vs.) yer almakadır. Tranzisorun bulunuşundan önce kullanılan elekron üpleri arık yalnızca çok yüksek güç uygulamalarında (örneğin radyo vericisi çıkış kaları) kullanılmakadır. Bilindiği gibi, ileri akif modda (BE jonksiyonu ileimde, BC jonksiyonu ıkamada) olan bir BJT nin çıkış akımı (I C ), giriş gerilimi (V BE ) ile denelenebilmekedir; oysa çıkış geriliminden (V CE ) neredeyse bağımsızdır. Doymada çalışan bir FET in I D, V GS ve V DS 3-2

3 büyüklükleri arasında da buna benzer bir ilişki vardır. Tranzisorun bu özelliği (çıkış akımının giriş gerilimine bağımlılığı) ona ismini vermekedir. ransfer resisor ransisor (geçiş direnci) Bu özelliğin bir ranzisorun kuvvelendirme yapmasını nasıl sağladığını kolayca göserebiliriz. Çıkış akımı giriş gerilimine BJT de (ileri akif modda) üsel, FET e ise (doymada) yaklaşık karesel biçimde bağlıdır. BJT nin ileri akif modda (FET in doymada) kuuplandığını varsayalım. Giriş gerilimindeki bir değişim ( V BE veya V GS ) çıkış akımındaki bir değişime ( I C veya I D ) neden olacakır. Eğer bu değişimler yeerince küçükse, I V C BE I V C BE I V D GS I V D GS yazılabilir. Buradaki ürevler, ranzisorların geçiş özeğrilerinin (I C V BE ve I D - V GS özeğrileri) çalışma nokasındaki eğimleridir ve geçiş ilekenliği adını alıp g m simgesi ile göserilir. Şimdi, çıkış akımının bir R direnci üzerine akarıldığını düşünelim. BJT ileri akif modda (FET doymada) kaldıkça, çıkış akımındaki bir değişim ( I C veya I D ) bu direnç üzerinde mulak olarak I C R kadar (FET için I D R kadar) bir gerilim değişimine neden olacakır. Çıkışa bağlı bu direnç üzerindeki bu gerilim değişimi (yani çıkış gerilimindeki değişim) o zaman, küçük değişimler için VO = I C R g m R VBE VO = I D R g m R VGS biçiminde yazılabilir. Buna göre, giriş gerilimindeki değişim çıkış geriliminde g m R ka bir değişime neden olmuşur. g m R > 1 olduğu sürece ranzisor kuvvelendirme yapmakadır. Burada önemli olan 2 noka vardır: 1- Tranzisorun kuvvelendirme yapabilmesi için uygun çalışma bölgesinde kuuplanması gerekir. 2- Tranzisorun yük direncine akardığı güç, ranzisor girişindeki güçen büyük olmakadır. Tranzisor bu gücü üreemeyeceğine göre bu güç bir kaynakan gelmekedir. Bu iki noka bizi şu sonuca göürür: Tranzisor, uygun çalışma nokasında kuuplanmak için bir besleme kaynağına gereksinim duyar. Uygun kuuplama koşulları alında kuvvelendirme yapan ranzisor, aslında bu besleme kaynağından yüke akarılacak akımı (gücü), girişine uygulanan işare aracılığı ile deneleyen bir akım konrol elemanı işlevi görmekedir. 3-3

4 Tranzisorların buraya kadar basileşirilerek anlaılan kuvvelendirme işlevi, aslında kuvvelendiricide ranzisor uç bağlanılarının nasıl yapıldığı, giriş ve çıkış uçlarının hangi uçlar olduğu, yükün ve işare kaynağı iç direncinin merebesi, kuuplama akım ve gerilimlerinin değeri, uygulanan işarein frekansı, yükün devreye doğrudan mı yoksa bir kondansaör üzerinden mi bağlı olduğu gibi sayısız ekene bağlıdır. Yine de, ranzisorların anım bağınıları ve bunlardan elde edilecek ürevler (yani özeğrilerin eğimleri) herhangi bir ranzisorlu kuvvelendiricide yeerince düşük frekanslar ve küçük işareler için kazancın nasıl ifade edilebileceğini bulmamızda kolaylık sağlar. Bilindiği gibi BJT için ileri akif modda ve MOSFET için doyma bölgesinde akım bağınıları şu biçimde verilebilmekedir: BJT: I = β I = I exp( V / V )(1 + V / V ) [V T = kt / q : ısıl gerilim] C F B S BE T 1 ( V ) 2 GS VT MOSFET: I G = 0, I D = β (1 + λvds ) [V T : eşik gerilimi] 2 Bu bağınılardan, çalışma nokası civarındaki küçük değişimler için aşağıdaki ilişkiler elde edilir. (Değişken işareler küçük harf / küçük indis, çalışma nokası büyüklükleri büyük harf / büyük indis ile göserilmekedir.) CE A BJT: MOSFET: i / c = g mvbe + vce ro, ib g mvbe / β F d m gs ds o [g m = r e -1 = I C / V T, r o = V A / I C ] i = g v + v / r, i = 0 [g m = β(v GS V T ) = (2βI D ) 1/2, g r o = (λi D ) -1 ] Daha önce, ileri akif moddaki BJT nin (doymadaki MOSFET in) çıkış akımının çıkış geriliminden bağımsız olduğunu varsaymışık. Oysa BJT de Early Olayı, MOSFET e ise Kanal Boyu Modülasyonu adı verilen ekiler nedeni ile I c akımı V CE den, I D akımı V DS den belirli oranda ekilenmekedir. Bu ekiler sırasıyla V A ve λ paramereleri ile modellenmeke ve küçük işareler için sonlu bir çıkış direnci r o sonucunu oluşurmakadır. Çıkış direnci, çıkış düğümündeki eşdeğer yük direnci ifadesine doğrudan girerek bu direncin değerini, dolayısıyla kazancı sınırladığı için olabildiğince büyük olması isenir. Bazı uygulamalarda (örneğin pasif dirençlerin çok yer kapladığı ümdevrelerde) yük olarak direnç değil de ranzisorun bu büyük çıkış direncinden yararlanılır ( akif yüklü kuvvelendiriciler ). Burada dikka edilecek bir noka, küçük işare paramerelerinin (g m ve r o ) çalışma nokası akımına bağımlı olduğudur. Yani ranzisorlu bir devrenin küçük işare davranışı (örneğin gerilim kazancı) ranzisorun kuuplama akımıyla değişir. Yukarıda küçük işareler için verilen bağınılar yardımıyla, BJT ve FET için sırasıyla Şekil.1a ve Şekil.1b deki küçük işare eşdeğer devreleri elde edilebilir. Bu devreler, doğrusal elemanlardan oluşuklarından, ranzisorlu kuvvelendiricilerin değişken işare davranışını incelemede büyük kolaylık sağlarlar. 3-4

5 Şekil.1 BJT küçük işare eşdeğeri Küçük işare eşdeğeri, ranzisorlu bir devrenin büyük genlikli işareler için nasıl davranacağını (büyük işare davranışı) doğru olarak belirleyemez, çünkü bu davranış doğrusal olmaz. Yine de, böyle büyük genlikler için, ranzisorlar doyma veya kesime (FET e doymasız bölge veya kesime) girmedikleri sürece, küçük işare eşdeğeri, ranzisorlu devrenin davranışıyla ilgili kabaca da olsa bir fikir verir. Giriş işarei değişirken, belirli bir ani giriş değeri için ranzisorun BE jonksiyonu ıkamaya ya da BC jonksiyonu ileime sokulabilir. Bu giriş değerinin daha öesine geçen giriş büyüklükleri için, ranzisorun çıkış akımı (I C ) değişmez (0A ya da I Csa değerinde kalır). Bu durumda çıkış işarei o bölge için yaklaşık sabi kalır. Böyle bir ekiye kırpılma denir. Analog uygulamalarda, çıkış işareindeki bu bozulma, ranzisorun doğrusal olmamasından ileri gelen bozulmadan çok daha ciddidir ve uygun çalışma nokası seçilerek ve giriş işarei genliği sınırlanarak önlenmesi gerekir. DENEY 1. Kısım: Şekil2.a daki BJT li kuvvelendiricinin kuuplama devresini (Şekil2.a da çizgi içerisine alınan kısım) kurun ve V CC = 15V ile besleyin. Tranzisorun kolekör, baz ve emeör DC gerilimlerini ve kolekör akımının DC değerini ölçün. Kuuplama devrenize eksik elemanlarınızı ekleyerek Şekil2.a daki devreyi elde edin. Girişe 1kHz lik bir sinüzoidal işare uygulayın. Giriş işareinizin genlik değerini değişirerek çıkış işareinin kırpılmaya girip girmediğini, giriyorsa kırpılmaya girdiği değeri belirleyin. Poziif ve negaif yöndeki kırpılma değerlerinin simerik olup olmadığına bakınız. Simerik değilse nedenlerini düşününüz. Çıkış işareinizi osiloskop ile gözlemleyerek, kırpılmaya girmemiş düzgün bir sinüs işare elde edecek biçimde giriş işareinizin genliğini ayarlayın. Giriş işareinizin genliğini ayarladığınız değerde sabi uarak osiloskopan sırasıyla V g, kolekör, baz ve emeör gerilimlerinin değişimini ölçme sonuçlarını işleme kısmına ölçekli olarak çiziniz. Osiloskopan aldığınız ölçüm sonuçlarına göre V c / V b gerilim kazancını hesaplayınız. Kolekör ve baz uçlarını aynı anda (dual olarak) osiloskopa gözlemleyip faz farkı olup olmadığını belirleyin. Faz farkı varsa ne kadar olduğunu belirleyiniz. C 3 kapasiesini devreden çıkarın ve buraya kadar yapıklarınızı (C 3 devrede yokken) ekrarlayınız. 3-5

6 Şekil-2.a BJT kuvvelendirici devre 2. Kısım: Şekil2.b deki MOS kuvvelendiricinin kuuplama devresini (Şekil2.b de çizgi içerisine alınan kısım) kurun ve V DD = 12V ile besleyin. Tranzisorun savak, geçi ve kaynak DC gerilimlerini ve I D akımının DC değerini ölçün. Kuuplama devrenize eksik elemanlarınızı ekleyerek Şekil2.b daki devreyi elde edin. Girişe genliği 20mV olan 50kHz lik bir sinüzoidal işare uygulayın. Osiloskop yardımı ile gözlemlediğiniz savak, geçi ve kaynak gerilimlerinin değişimini deney sonuç kağıdına ölçekli olarak çiziniz. Osiloskopan aldığınız ölçüm sonuçlarına göre V d / V g gerilim kazancını hesaplayınız. Savak ve geçi uçlarını aynı anda (dual olarak) osiloskopa gözlemleyip faz farkı olup olmadığını belirleyin. Faz farkı varsa ne kadar olduğunu belirleyiniz. Şekil-2.b MOSFET kuvvelendirici devre 3-6

7 ÖLÇME SONUÇLARINI İŞLEME KISMI Öğrenci Ad Soyad : Öğrenci Numara : Öğrenci Grup No: Öğrenci Deneyi yapıran Araş. Gör.: Araş. Gör. Oda No: Araş. Gör. Şekil.2a daki devre için: V C V B V E I C Deney Öncesinde Teorik Olarak Hesaplanan Değer Deney Esnasında Ölçülen Değer C 3 devredeyken: V g V c 3-7

8 V b V e 3-8

9 Şekil.2a daki devre için: C 3 devrede yokken: V g V c 3-9

10 V b V e 3-10

11 Şekil.2b deki devre için: V D V G V S I D Deney Öncesinde Teorik Olarak Hesaplanan Değer Deney Esnasında Ölçülen Değer V g V d V s V sin 3-11

12 EK BİLGİLER BC238B 3-12

13 BS

14 RAPORDA İSTENENLER: Ön hazırlık kısmında hesaplamış olduğunuz eorik değerler ile deney esnasında ölçüğünüz değerleri karşılaşırın. (Ön hazırlık için yapılmış olan eorik hesaplamalar, açık bir şekilde ve yapılan işlemler adım adım göserilerek rapora da yazılacak.) Ölçüm değerleriniz ile hesapladığınız değerler uyumlu mu? Uyumlu ise haa payınızı hesaplayın, uyumlu değilse nedenlerini belirin. Raporunuzu yazarken deneyden ne öğrendiğinizi bizim de anlamamızı sağlayacak şekilde, başka bir ifade ile, sadece deneyi nasıl yapığınızı adım adım yazmak yerine her bir adım ile neyi öğrendiğinizi mümkünse yorumlarınızı da ekleyerek yazın. Kolay gelsin, iyi çalışmalar 3-14