1.1 Özet ve Motivasyon

Transkript

1 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Elektroniğe Giriş Laboratuvarı Deneyin Amacı Diyot çeşitleri ve çalışma prensiplerinin anlaşılması ve diyotların başlıca kullanım alanlarından biri olan doğrultucu devrelerinin incelenmesi Direncin küçük olduğu yöne "doğru yön" veya "iletim yönü", büyük olduğu yöne "ters yön" veya "tıkama yönü" denir. Diyot sembolü akım geçiş yönünü gösteren bir ok şeklindedir.. Özet ve Motivasyon.. Diyotların Çalışma Prensipleri Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren iki uçlu devre elemanıdır. Diyot N tipi yarıiletken madde ile P tipi yarıiletken maddenin bir araya gelmesi ile oluşur. Diyotun P kutbuna "Anot", N kutbuna da "Katot" adı verilir. Ayrıca, diyodun uçları pozitif () ve negatif ( ) işaretleri ile de belirtilir. Diyodun anoduna, gerilim kaynağının pozitif () kutbu, katoduna kaynağın negatif ( ) kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandığında diyot iletime geçer. Pratikte diyotların davranışları yukarıda açıklanan ideal diyot karakteristiğinden biraz farklıdır. Diyotlar pratikte, pozitif yönde eşik geriliminin üzerinde (genellikle 0,7 V civarı) bir gerilim uygulanması ile iletime girer. Bu yüzden iletimde iken diyot üzerinde 0,7V civarı bir gerilim düşümü olur. Diyot üzerindeki gerilim düşümü diyottan geçen akım arttıkça bir miktar artar. Bu artış diyotta bulunan küçük değerli iç dirençten kaynaklanır. Dolayısıyla pratikte ileri yönde iletimde olan bir diyot; seri bağlı ideal diyot, direnç ve ters bağlı bir gerilim kaynağı ile modellenebilir. Ters yönde ise (ters kutuplama), delinme gerilimine kadar çok küçük sızıntı akımlar geçiren bir yalıtkan gibidir. Ancak delinme geriliminin üzerinde bir ters gerilim uygulanırsa, güç kaybından dolayı diyot yarı iletken özelliğini kaybeder ve genellikle iletken hale gelir. Bu duruma, genel olarak çığ devrilme denilmektedir. Şekil.2 de diyot akım gerilim karakteristiği verilmiştir. deney Şekil. : Diyot simgesi ve P N Jonksiyonu Işık Yayan Diyot (LED) : Üzerinden akım geçtiğinde ışık yayan bir diyot çeşididir. Üzerlerinden geçen akımın kontrol edilmesi amacıyla genellikle bir dirence seri bağlanırlar. Bu direncin diyot ile aynı pakete yerleştirildiği modeller (LED) de bulunmaktadır. Genellikle 2 ma civarı bir akımla gözle görülür ışık yayabilen LEDler, üzerinden 20 ma civarı bir akım geçtiğinde oldukça parlak olarak ışık verirler. Zener Diyot : Ters kutuplama altında (zener bölgede) güvenli bir şekilde çalışması için tasarlanmış bir diyot çeşididir. Diyotun ters kutuplama altındaki devrilme noktasından yararlanılarak geliştirilmiş özel diyotlardır. Zener diyotlar doğru kutuplama yapılırsa normal kristal diyot gibi (Germenyum=0,V, Silisyum=0,7V) iletime geçerler. Ters kutuplama yapıldığında ise delinme (zener) gerilimine kadar iletime geçmezler. Uygulanan gerilim delinme değerinin üstüne çıktığında çığ etkisi şeklinde akım geçirirler. Zener diyotlar, dalgalı doğru gerilimden düzgün doğru gerilim elde etmek için veya gerilim regülasyonu amacıyla kullanılır. Şekil.2 : Diyot akım gerilim karakteristiği Anot gerilimi katot geriliminden büyük olduğunda diyot, ihmal edilebilecek kadar küçük değerli bir iç dirence sahip olan iletken gibi davranır ve akım anottan katota doğru ok yönünde serbestçe akar. Ancak katot gerilimi anot geriliminden büyük olduğunda diyot sonsuz dirence sahiptir ve akım akmasına izin vermez. Şekil. : Zener diyot ve LED (Light Emitting Diode)

2 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Elektroniğe Giriş Laboratuvarı deney..2 Yarım Dalga ve Tam Dalga Doğrultucu Doğrultucularda, şebeke gerilimi bir transformatör ile daha küçük bir seviyeye düşürülür. Bu gerilim diyotlar ile doğrultulur. Doğrultma işlemi için Yarım Dalga ve Tam Dalga Doğrultucular kullanılır. Transformatörden alınan gerilim, ortalaması veya DC bileşeni olan tek yönlü dalgalı bir işarete çevrilir. Bu işaretin dalgalılığı, filtre edilerek azaltılır. Doğrultucular, yük üzerinden tek yönde akım geçmesini sağlar. Şekil. te tek yönlü ve çift yönlü doğrultucu devreler gösterilmiştir. Anlaşılacağı gibi tek yönlü doğrultucuya ait çıkış işareti ortalama değeri, çift yönlü doğrultucunun çıkış işaretinin yarısı kadardır. Tek yönlü doğrultucu için çıkış işareti genlik değeri Vdc = Vm / π olarak tanımlanır. Şebeke gerilimi orta uçlu bir transformatör ile düşürüldüğü durumda iki diyot ile tam dalga bir doğrultucu tasarlanabilir. Bu durumda pozitif alternansta üst koldaki, negatif alternansta ise alt koldaki diyot iletime geçer. Ancak bu durumda çıkışa transformatör geriliminin yarısı uygulanmış olur. VAC Vout L Şekil.6 : Orta uçlu bir transformatör tam dalga doğrultucu şeması ve çıkış dalga şekli Tam Dalga doğrultucu elde etmenin daha uygun bir yöntemi ise Şekil.7 de gösterilen diyot köprüsüdür. Diyot köprüsünde, pozitif alternansta ve nolu diyotlar iletime geçer ve giriş gerilimi yüke uygulanmış olur. Negatif alternansta ise 2 ve nolu diyotlar iletime geçerek, negatif giriş geriliminin yüke ters olarak uygulanmasını sağlarlar. Bu şekilde yük üzerinden hem pozitif hem de negatif alternansta akım geçmektedir ve T süresi boyunca çıkış gerilimi alınır. Her bir alternans için yarı iletken elemanların üzerinden geçen akımın yönü Şekil.'de verilmiştir. Şekil. : Yarım dalga doğrultucu ve tam dalga doğrultucu devreye ait akım yönleri VAC VAC Vout Vout L Yarım dalga doğrultucularda, giriş geriliminin pozitif olduğu zamanlarda diyot iletimde olup giriş gerilimi çıkışa iletilmektedir. Giriş gerilimi negatif olduğu durumda ise diyot sonsuz direnç gösterir ve çıkış gerilimi sıfır olur. Dolayısıyla, yük üzerinden sadece pozitif alternansta akım geçer. Bu nedenle yük üzerinde, besleme geriliminin periyodu T olmak üzere, T/2 süresince çıkış gerilimi ölçülür. Şekil.7 : Köprü diyot tam dalga doğrultucu şeması ve çıkış dalga şekli Doğrultulmuş işaretin ortalama değerini arttırma amaçlı olarak, doğrultucu çıkışına, gerilim değeri AC sinyalin tepe değerinin daha üzerinde olan bir kondansatör bağlanır. Yüksek frekanslı giriş işareti için küçük değerli, alçak frekanslı giriş işareti için ise daha büyük değerli bir kondansatör kullanılmalıdır. Aksi durumda filtreleme işlemi gerçeklenemez. Şekil. : Yarım Dalga Doğrultucu için dalga doğrultucu şeması ve çıkış gerilim şekli Doğrultulmuş gerilim tepe değerine eriştiği anlarda kapasitör şarj edilir. İki tepe değeri arasında, kapasitör yükü besler ve deşarj olur. Bu durum DC gerilimde bir dalgalanma meydana getirir. Kapasitör deşarj süresi sabiti C olduğundan, dalgalanma büyüklüğü daha büyük bir kondansatör kullanılarak azaltılabilir.

3 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Elektroniğe Giriş Laboratuvarı Filtreleme işlemine tabi tutulmuş işaretin tepe dalgalanmasının genliği denklem (.) den hesaplanabilir. (.) V Vm fc V i V Z I Z L (.2) yük direnç, f frekans değeri, C kondansatör değeri, V m AC işarete ait gerilim tepe değeri. Bu durumda DC işaretin genliği ise tepe dalgalanması değerinden yararlanılarak hesaplanır. V dc V o V m V Vm.( ) fc Şekil.9 : Basit bir gerilim regülatörü devre şeması Zener diyotla yapılan gerilim regülatörünün daha gelişmiş versiyonu, zener diyotlar, dirençler, ve transistörler içeren gerilim regülatör entegreleridir. Örneğin 78L0, giriş, çıkış ve toprak olmak üzere üç bacağı olan voltluk bir gerilim regülatörüdür. Girişine 7 0V arasında bir gerilim uygulandığında çıkışından V elde edilir. Girişine bağlanan dalgalı regüle edilmemiş gerilimden 78L0 aracılığı ile düzgün gerilimli güç kaynağı elde edilir. Çalışma prensibi ayrıntıları için 78L0 datasheeti incelenebilir. deney Doğrultulmuş işaretin dalgalılık faktörü, Denklem. ile ifade edilebilir. (.) r V ef / V ( V / ) / V dc dc 2 fc.2 Uygulama Bölümü :.2. Deneyden Önce Yapılması Gerekenler VAC C L Vout İstenen bilgileri yaptığınız araştırmalardan anladığınız şeyleri özetleyerek el yazınız ile cevaplayınız. Bu bilgileri ön rapor olarak hazırlayıp deneye beraberinizde getiriniz. Şekil.8 : Köprü diyot çıkışının kapasite ile düzeltilmesi..2 Gerilim egülatörü Düzgün bir DC gerilim elde edebilmek için gerilim regülasyonu yapılmalıdır. En basit gerilim regülatörü, bir zener diyot kullanılarak yapılabilir. Bu uygulamalarda zener diyotların ters kutuplama altındaki davranışından faydalanılır. Doğrultulmuş sinüsoidal gerilim ters kutuplanmış zener diyoda uygulandığında, sinüsoidal gerilimin zener geriliminden yüksek olan değeri kırpılmış olur. Böylece daha düzgün bir gerilim elde edilir. Şekil.9 da böyle basit bir gerilim regülatörü devre şeması görülmektedir. Zener diyotların bu özelliğinden gelişmiş güç kaynakları gibi uygulamalarda gerilim referansı elde etmek için faydalanılır. Osiloskop kullanımı ve sinyal jeneratörü kullanımı ile ilgili dökümanlara çalışınız. 2 Direnç kodlarının okunması ile ilgili dökümana çalışınız. Sinyal generatorü ile xx V maksimum genliği olan xx khz bir gerilimin nasıl elde edileceğini kısaca açıklayınız. (Burada xx öğrenci numaranızın son iki hanesidir.) Bu dalganın osiloskopta kendi belirlediğiniz volts/div ve sec/div ayarları ile nasıl görüneceğini çiziniz. Çizimde seçtiğiniz ayarları ve referans çizgilerini de veriniz. Diyotların ve zener diyotların çalışma prensiplerini inceleyiniz. Bilgilerinizi föy harici kaynaklarla da destekleyiniz. Edindiğiniz bilgilere göre diyot ve zener diyot akım gerilim karakteristiklerini çizerek, grafikler aracılığı ile çalışma prensiplerini açıklayınız. Doğrultucu çeşitlerini ve kullanım alanlarını belirtiniz. En yaygın kullanıma sahip doğrultucu çeşidi hangisidir? Neden?

4 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Elektroniğe Giriş Laboratuvarı deney.2.2 Gerekli Cihaz ve Elemanlar adet osiloskop adet dc ampermetre adet dijital multimetre adet sinyal jeneratörü adet N9 veya N00 diyot adet kω direnç 2 adet 00 Ω direnç adet. V zener diyot adet 0 µf/2 V kondansatör adet 22 µf/2 V kondansatör adet 7 µf/2 V kondansatör.2. Deneyin Yapılışı Yarım Dalga Doğrultucu Şekil.0'da gösterilen yarım dalga doğrultucuyu kurunuz. 2 Sinyal jeneratörü ile ürettiğiniz V S(p p)=20v / 0Hz AC gerilim için V o DC geriliminin maksimum (tepe) değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta V S(p p)=20v/ khz olarak değiştirip, V o DC geriliminin maksimum değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta Tam Dalga Doğrultucu Şekil.'de gösterilen tam dalga doğrultucuyu (kondansatör hariç) kurunuz. 2 Sinyal jeneratörü ile ürettiğiniz V S(p p)=20v/00hz AC gerilim için, V o DC geriliminin maksimum(tepe) değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta gözlemleyerek, dalga şeklini kaydediniz. Negatif ve pozitif yarı periyotlarda, akımın diyot köprüsü üzerinden yolunu nasıl tamamladığını raporunuzda açıklayınız. Şekil.'de gösterildiği gibi = kω luk yük direncine paralel olarak, C=22 μf lık bir elektrolitik kapasite bağlayınız. Bu durumda V o DC geriliminin maksimum değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta Kapasiteye zarar vermemek veya patlamasına yol açmamak için bağlantı yaparken kapasitenin yönüne dikkat ediniz. Yüke parelel kapasite bağlamanın çıkış gerilimi tepe dalgalanması üzerinde nasıl bir etki sağladığını raporunuzda açıklayınız. V S(p p) =20V/ khz için V o DC geriliminin maksimum değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta Gerilim dalgalanmasının ( V) frekans değişimine bağlı olarak nasıl değiştiğini raporunuzda açıklayınız. V S(p p) =20V/00 khz olarak değiştirip, V o DC geriliminin maksimum değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta V S(p p) =20V/00 Hz için C=7 μf bağlayarak gerilim dalgalanmasını inceleyiniz. V o gerilimini osiloskopta Dalga şeklinin farklı olduğunu göreceksiniz. Bu diyodun ters toparlanma süresi ile ilgilidir. Ters toparlanma süresinin ne olduğunu ve yüksek frekanslarda bizi nasıl etkilediğini ve bu problemin nasıl çözümlendiğini araştırınız ve raporunuzda açıklayınız. Vs N9 veya N00 Io A kω Vo Vs Gözlemlediğiniz dalga şeklini. adımda kaydettiğiniz dalga şekli ile karşılaştırarak, kapasite değerini değiştirmenin çıkış gerilimi dalgalanması üzerinde nasıl bir etki sağladığını raporunuzda açıklayınız. V DC A Io kω Vo C Şekil.0 : Yarım dalga doğrultucu devre şeması Şekil. : Tam dalga doğrultucu devre şeması

5 Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik Mühendisliği Bölümü Elektroniğe Giriş Laboratuvarı 6 Devrede yük direncini =00Ω olarak değiştirerek (V S(p p) =20V/00Hz, C=22 μf değerleri için) tepe dalgalanmasını inceleyiniz. V o gerilimini osiloskopta Devre Devre Parametreleri Gerilim Frekansı Yük Direnci Kapasite Değeri Çıkış Büyüklükleri Maksimum Gerilim Gerilim Dalgalanması Gözlemlediğiniz dalga şeklini. adımda kaydettiğiniz dalga şekli ile karşılaştırarak, yükü değiştirmenin çıkış gerilimindeki dalgalanmayı nasıl etkilediğini raporunuzda açıklayınız. Zener Gerilim egülatörü Şekil.2'de gösterilen zener gerilim regülatörü devresini (kondansatör hariç) kurunuz. Burada zener diyodun ters olarak (ters kutuplama) bağlandığına dikkat ediniz. 2 V S(p p)=20v/00 Hz için V o DC geriliminin maksimum değerini ölçünüz. V o gerilimini osiloskopta Yarım Dalga Doğrultucu Tam Dalga Doğrultucu Zener Gerilim egülatörü 0 Hz kω khz kω 00 khz kω 00 Hz kω 00 Hz kω 22 μf khz kω 22 μf 00 Hz kω 7 μf 00 Hz 00 Ω 7 μf 00 Hz kω 00 Hz kω 0 μf 00 Hz 00 Ω deney Zener diyot bağlamanın bağlamanın çıkış geriliminin dalgalanmasına nasıl bir etki yaptığını raporunuzda açıklayınız.. apor Hazırlanması : VAC Devrede gösterilen yere C=0 μf bağlantısını yaparak tepe dalgalanmasını inceleyiniz. V o gerilimini osiloskopta Bu kapasite değerinin tam dalga doğrultucuda kullanılan kapasite değerinden küçük olduğunu göz önünde bulundurarak, raporunuzda nedenleriyle birlikte performans değerlendirmesi yapınız. (Opsiyonel) 2. adımdaki devrede L yük dürencini =00Ω yaparak V o gerilimini osiloskopta gözlemleyiniz. 2. adıma göre dalga şeklinde oluşan farklılığı açıklamaya çalışınız. 2 C =00Ω V Z I Z L =kω L Deneyde aldığınız bütün dalga şekillerini rapora ekleyiniz. 2 aporunuzu örnek rapor formatına uygun şekilde hazırlayınız. Deneyin yapılışında bulunan bütün adımları simülasyon ortamında kurarak çalıştırınız. Simülasyondan elde edilen ve deneyde kaydettiğiniz sonuçları bir arada vererek karşılaştırınız. Deney maddeleri arasındaki inceleme ve araştırma içeren ve raporda açıklanması istenen maddelerin ( ile belirtilen maddeler) sonuçlarını raporunuza ekleyiniz. Yarım dalga ve tam dalga doğrultucular ve zener gerilim regülatörü çıkış gerilimlerinin ortalama değerini hesaplayıp karşılaştırınız. Dalga şekilleri ve çıkış gerilimleri ortalama değerlerine bakarak hangi doğrultucu tipinin daha iyi olduğunu açıklayınız. Şekil.2 : Zener gerilim regülatörü devre şeması

6 N00 - N007 General Purpose ectifiers Features Low forward voltage drop. High surge current capability. Absolute Maximum atings * T A = 2 C unless otherwise noted Symbol Parameter Value May 2009 V M Peak epetitive everse Voltage V I F(AV) I FSM Average ectified Forward Current.7 " lead T A = 7 C Non-epetitive Peak Forward Surge Current 8.ms Single Half-Sine-Wave DO- COLO BAND DENOTES CATHODE Units.0 A 0 A I 2 t ating for Fusing ( t<8.ms ).7 A 2 sec T STG Storage Temperature ange - to 7 C T J Operating Junction Temperature - to 7 C N00 - N007 General Purpose ectifiers * These ratings are limiting values above which the serviceability of any semiconductor device may by impaired. Thermal Characteristics Symbol Parameter Value Units P D Power Dissipation.0 W θja Thermal esistance, Junction to Ambient 0 C/W Electrical Characteristics T A = 2 C unless otherwise noted Symbol Parameter Value Units V F Forward V I rr Maximum Full Load everse Current, Full Cycle T A = 7 C I everse ated V T A = 2 C T A = 00 C 2009 Fairchild Semiconductor Corporation N00 - N007 ev. C2 0 µa C T Total Capacitance V =.0V, f =.0MHz pf.0 0 µa µa

7 Typical Performance Characteristics Figure. Forward Current Derating Curve Figure. Non-epetitive Surge Current Figure 2. Forward Characteristics Figure. everse Characteristics N00 - N007 General Purpose ectifiers 2009 Fairchild Semiconductor Corporation N00 - N007 ev. C2 2

8 N9 Small Signal Diode December 200 N9 Small Signal Diode DO- Color Band Denotes Cathode Absolute Maximum atings * T a = 2 C unless otherwise noted Symbol Parameter Value Unit V M Maximum epetitive everse Voltage 00 V I F(AV) Average ectified Forward Current 00 ma I FSM Non-repetitive Peak Forward Surge Current Pulse Width =.0 second Pulse Width =.0 microsecond.0.0 A A T STG Storage Temperature ange -6 to 200 C T J Operating Junction Temperature 7 C * These ratings are limiting values above which the serviceability of the diode may be impaired. NOTES: ) These ratings are based on a maximum junction temperature of 200 degrees C. 2) These are steady limits. The factory should be consulted on applications involving pulsed or low duty cycle operations. Thermal Characteristics Symbol Parameter Value Unit P D Power Dissipation 00 mw θja Thermal esistance, Junction to Ambient 00 C/W Electrical Characteristics T C = 2 C unless otherwise noted Symbol Parameter Conditions Min. Max Units V Breakdown Voltage I = µa I = 00µA V F Forward Voltage I F = 0mA.0 V I everse Leakage V = 20V V = 20V, T A = 0 C C T Total Capacitance V = 0, f =.0MHz 2 pf t rr everse ecovery Time I F = 0mA, V = 6.0V ns L = 00Ω, I rr = ma V V na µa 200 Fairchild Semiconductor Corporation N9 ev. A

9 BZX8CV - BZX8C6 Zener Diodes Tolerance = % September 20 BZX8CV - BZX8C6 Zener Diodes DO- Glass Case COLO BAND DENOTES CATHODE Absolute Maximum atings Stresses exceeding the absolute maximum ratings may damage the device. The device may not function or be operable above the recommended operating conditions and stressing the parts to these levels is not recommended. In addition, extended exposure to stresses above the recommended operating conditions may affect device reliability. The absolute maximum ratings are stress ratings only. Values are at T A = 2 C unless otherwise noted. Symbol Parameter Value Units Power T A = 2 C.0 P D Power T L = 2 C at mm distance from the glass W. package Derate above 0 C 6.67 mw/ C T J, T STG Operating and Storage Temperature ange -6 to 200 C 2007 Fairchild Semiconductor Corporation BZX8CV - BZX8C6 ev...0

10 Electrical Characteristics Values are at T A = 2 C unless otherwise noted. Device BZX8CV BZX8CV6 BZX8CV9 BZX8CV BZX8CV7 BZX8CV BZX8CV6 BZX8C6V2 BZX8C6V8 BZX8C7V BZX8C8V2 BZX8C9V BZX8C0 BZX8C BZX8C2 BZX8C BZX8C BZX8C6 BZX8C8 BZX8C20 BZX8C22 BZX8C2 BZX8C27 BZX8C0 BZX8C BZX8C6 BZX8C9 BZX8C BZX8C7 BZX8C Zener Voltage () Zener Impedance Leakage Current V Z (V) I Z Z I Z Z I ZK V Min. Max. ma (Ω) (Ω) (ma) μa Max. Volts BZX8C V F Forward Voltage =.2 V I F = 200 ma Note:. Zener Voltage (V Z ): The zener voltage is measured with the device junction in the thermal equilibrium at the lead temperature (T L ) at 0 C ± C and /8 lead length BZX8CV - BZX8C6 Zener Diodes 2007 Fairchild Semiconductor Corporation BZX8CV - BZX8C6 ev...0 2