Bu bölümde iki kutuplu (bipolar) tranzistörlerin çalışma esasları incelenecektir.

Transkript

1 TRANZİSTÖRLERİN ÇALIŞMASI VE KARAKTERİSTİKLERİ Bu bölümde iki kutuplu (bipolar) tranzistörlerin çalışma esasları incelenecektir. Temel kavramlar PNP ve NPN olmak üzere iki çeşit BJT tranzistör vardır. Bunlar, iki adet diyotun birleştirilmesine benzerler. Orta katman baz (base) olmak üzere diğer iki ucunda emetör (emitter) ve kolektör (collector) olarak adlandırılan katmanlar vardır. Bu katmanlar bir iletken uç ile dışarı çıkarılır ve paketlenir. Şekil 1'de bu tranzistörlerin sembolik gösterimleri gösterilmiştir. Şekil 2 de ise terminal bacaklarının isimlendirilmesine örnek bir tranzistörün (BC547) dış görünüşü ile birlikte terminal uçlarının dizilimi verilmiştir. Şekil 1: NPN ve PNP tranzistörlerde P, N katmanları ve terminaller Şekil 2: Örnek bir tranzistörün (BC547), fiziksel görünümü ve uçlarının gösterimi (Not: V BE gerilimi, Baz ve Emetör arası gerilimi ifade eder. Baz terminali + kutbu ifade eder. V B ise, baz gerilimini ifade eder.) Kazanç α DC Doğru polarizasyon altında, kolektördeki akım emetördeki akıma hemen hemen eşittir. Emetör ve kolektör arasındaki ilişkiyi gösteren α DC kazanç değeri aşağıdaki gibi tanımlanır: α DC = I C I E Bu değer birçok durumda yaklaşık olarak 1 e eşittir. 1

2 Ortak emetör devresi ve kutuplanması şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 3: Örnek bir ortak emetör devresi Kazanç β DC Bu kazanç şu şekilde ifade edilir: β DC = I C I B Bunun değer bazen 1000 değerine kadar yükselse bile, genellikle 50 ile 300 arasındadır. H-parametreleri modelinde h fe olarak ifade edilir. α DC ile β DC arasındaki ilişki Kirchhoff kanunları ve basit birkaç işlem yardımı ile parametreler arasındaki ilişki belirlenebilir. Bu işlem adımları aşağıda belirtilmiştir. I E = I B + I C I E I C = I B I C + I C I C 1 = α DC β DC α DC β DC = 1 α DC 2

3 Tranzistörlerin Karakteristikleri Bir tranzistörün çalışmasını anlamanın bir yolu da, tranzistörün akım - gerilim grafiklerini incelemektir. Baz terminalinin hesaba katılmasından dolayı, tranzistörlerin I-V grafikleri diyotlara göre daha karmaşık olur. Kolektör (Collector) Eğrileri Şekil 4(a)'daki gibi bir ortak emetörlü tranzistör devresinden kolektör eğrilerine ilişkin bilgiler elde edilebilir. Örneğin Şekil 4(b)'de görüldüğü üzere, I B =10μA değerine ayarlanarak, V CC değeri değiştirilir. Buna karşın I C ve V CE değerleri ölçülür. Ölçümlerin grafiğe aktarılması durumunda, Şekil 4(b)'deki grafik elde edilir. Bu grafikte tranzistörün nasıl çalıştığı görülmektedir. V CE sıfıra çok yakın bir değer ile 1V arasında iken, kolektör akımı büyük eğimli bir artış göstererek artar ve sonra hemen hemen sabit kalır. Bunu kolektör olan diyotun ters polarizasyon durumu olarak düşünebiliriz. Ters kutuplanmış bir diyotun delinme gerilimi yaklaşık 0.7V dir. Bu değere ulaşıldığında, tüm elektronların akışı kolektör üzerinden olur. Eğrinin eğimi çok küçük olduğundan, V CE gerilimindeki artışa rağmen kolektör akımı, dikkate değer bir artış göstermez. Bakınız Şekil 4(b). Delinme noktası Şekil 4: Kolektör eğrileri Tranzistörün β DC = 100 olması durumunda, kolektör akımı baz akımının 100 katı olur. V CE gerilim değeri çok fazla artırılır ise kolektör diyotu delinir ve tranzistör beklenen işlevini yerine getiremez. Bir tranzistördeki maksimum gerilim değişimi, kolektör - emetör terminallerinin gerilim değişimi kadardır. Şekil 4(c)'de görüldüğü üzere; V CE gerilimi, 1 V ile delinme gerilimi arasında değişebilir. Bu aktif çalışma aralığında tutulduğu sürece tranzistör kontrollü akım kaynağı olarak görev yapar. Bu aralık dışında tutulduğunda tranzistör görev yapamaz. I B =20μA durumunda I C -V CE grafiği Şekil 4(c)'deki gibi elde edilir. Bu eğri, Şekil 4(b) ile benzerdir. Bir farkla ki, dirsek noktası üzerinde kolektör akımı I C =2 ma dir. 3

4 I B akımının farklı değerleri için söz konusu eğrilerin çizilmesi durumunda, Şekil 5'de gösterildiği şekilde elde edilir. β DC = 100 olan bir tranzistör kullandığımızı söylediğimize göre, normal gerilim bölgesi içindeki her nokta için kolektör akımı baz akımı değerinin 100 katı olur. DC gerilim ve akım değerleri ile çizildiğinden bunlara çoğu zaman statik kolektör eğrileri denir. Şekil 5: Farklı I B değerleri için karakteristik eğrilerin gösterimi Baz akımının sıfır olduğu eğri dikkate alınır ise, kolektör diyotundan gelen sızıntı akımı nedeniyle kolektörde ufak bir akım gözlemlenir. Silikon tranzistörlerde bu sızıntı akımı çok küçük olduğundan, pratikte dikkate alınmaz. Bu grafiklerden akımların büyük olması durumunda delinme geriliminin küçüldüğünü de dikkate almamız gerektiği anlaşılmaktadır. Uygulamalarda tranzistörün her şart altında delinmeden çalışmasını sağlamak önemli bir noktadır. Baz (Base) Eğrileri Şekil 6(a) da baz-emetör gerilimine karşı baz akımı grafiği görülmektedir. Tranzistörde baz-emetör bölümü bir diyot olduğundan elde edeceğimiz grafiğin bir diyot eğrisine benzeyeceğini tahmin etmek güç olmayacaktır. Gözlemler de bu durumu desteklemektedir. Tranzistör içinde diyottan başka değişkenlerin de bulunduğunu unutulmamalıdır. Yüksek kolektör gerilimi bunun daha fazla elektron almasına neden olur ki, bu baz akımının azalmasına neden olur. Bu durum Şekil 6(b)'de görülmektedir. Verilen bir V BE için yüksek değerlikli bir V CE geriliminde baz akımının çok az miktarda azaldığı görülebilmektedir. Şekil 6: Baz eğrileri 4

5 Akım Kazanç Eğrileri Tranzistörün akım kazancı olarak da tanımlanan β DC değeri büyük değişim gösterebilir. β DC değerinin tipik değişimi şekil 7'de gösterilmiştir. Sabit bir sıcaklıkta, kolektör akımının artışı ile β DC maksimum değere ulaşır. I C akımı daha fazla artırılır ise β DC azalmaya başlar. Tranzistörün türüne bağlı olarak β DC deki değişim, olağan tranzistör akım değişimi içinde 3:1 oranına kadar olabilir. Şekil 7 de görüldüğü üzere, çevre sıcaklığındaki değişimin β DC üzerinde etkisi vardır. Verilen bir kolektör akımı için sıcaklığın artması, β DC değerini artırır. Geniş bir sıcaklık aralığında, tranzistörün türüne bağlı olarak β DC deki değişim, yaklaşık 3:1 oranı kadar olabilir. Dolayısıyla, hem sıcaklık hem de kolektör akımının önemli ölçüde değişimi durumunda, β DC deki değişim 9:1 oranında olabilir. Kesme ve Delinme Şekil 7: Akım kazanç eğrisi Şekil 5'de I B =0 olarak gösterilen eğri, şekil 8'de yinelenmiştir. I B =0 olması, baz terminalinin açık devre olması ile aynı anlamdadır. Baz devresinin açık olması halinde, kolektörden geçen akım I CEO ile gösterilir. Burada CEO harfleri, "baz devresi açık, kolektörden emetöre" anlamında kullanılır. Şekil 8: I B =0 durumunun incelenmesi Yeteri kadar büyük bir kolektör gerilimi ile BV CEO ile gösterilen delinme gerilimine ulaşılabilir (Şekil 8). Tranzistörün normal çalışabilmesi için V CE geriliminin BV CEO geriliminden küçük olması gerekir. Tranzistörlerin maksimum spesifikasyonlarını belirten teknik bilgilerin kapsamında BV CEO bilgisi yer alır. Tranzistörlerin türüne bağlı olarak, delinme gerilimi 20 volttan küçük veya 200 volttan büyük olabilir. 5

6 Genel bir kural olarak, yüksek emniyet payı bırakmak amacıyla, tranzistör tasarımında V CE geriliminin değeri, BV CEO değerinin oldukça altında tutulur. Devre tasarımında maksimum nominal çalışma sınır değerlerinde çalışmaya zorlanan bir tranzistörün kullanılma ömrü kısalır. Kolektör Doyma Gerilimi Şekil 9, kolektör eğrilerinden birini göstermekle beraber, aşağıdaki açıklamalar herhangi bir kolektör eğrisi için de geçerlidir. Eğrinin ilk bölümü doyma bölgesi olup, orijin ile dirsek arasında bütün eğrileri kapsar. Yatay düz bölüm, tranzistörün kontrollü akım kaynağı olarak görev yaptığı aktif çalışma bölgesidir. Son bölüm, delinme veya bozulma bölgesidir. Bu bölgeden her zaman kaçınılması gerekir. Doyma bölgesinde kolektör diyotu doğru polarizasyondadır ve tranzistör normal fonksiyonunu kaybeder, akım kaynağı yerine küçük bir direnç gibi görev yapar. Baz akımında ek bir artış kolektör akımında ek bir atış sağlamaya yetmez. Doyma bölgesinde kolektör-emetör gerilimi mevcut kolektör akımının değerine bağlı olarak, genellikle bir voltun birkaç onda biridir. Şekil 9: Doyma, aktif ve delinme bölgeleri ile kolektör eğrisi Tranzistörün aktif bölgede çalışması için kolektör diyotunun ters polarizasyonda olması gerekir. Bunun için yaklaşık 1 volttan biraz fazla bir gerilim yeterlidir. BJT Tranzistörlerin Karakteristik Değerleri Küçük işaret tranzistörleri ½ W değerinden daha az enerji harcarlar. V CEO : baz devresi açık kolektör-emetör gerilimi V CBO : emetör devresi açık baz-kolektör gerilimi V EBO : kolektör devresi açık baz-emetör gerilimi I C : kolektörün maksimum DC nominal (anma) akımıdır. P D : Tranzistörün maksimum nominal gücüdür. Tranzistörün harcadığı güç aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: P D = V CE I C 6

7 Bir tranzistörün uzun ömürlü olması; tasarımının iyi olması yanı sıra, delinme gerilimi ile nominal çalışma gerilim arasında gerekli emniyet katsayısının sağlanmasına bağlıdır. Bu katsayı çoğu zaman 2 veya üzerindedir. Örneğin maksimum nominal gücü 300mW olan bir tranzistörde, bu katsayı 2 ise enerji harcaması 150mW altında olmalıdır. DC Yük Doğruları Kolektör eğrileri üzerine bir yük doğrusu çizerek, bir tranzistörün çalışma alanı ile çalışma özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinilebilir. Şekil 10(a) da, V CC besleme gerilimi R C direnci üzerinden kolektörü ters yönde polarize eder. Bu direnç üzerindeki gerilim V CC V EC değerine eşit olur. Buna göre R C den geçen akım: I C = V CC V CE R C olur. Bu denklem, yük doğrusunun denklemidir. Örnek: Besleme geriliminin 10V, R C = 5 kω olduğunu varsayalım. Yük doğrusunun denklemi aşağıdaki şekilde yazılabilir. I C = 10 V CE 5000 V CE = 0 ise yük doğrusunun üst sınırı I C =0.002V = 2 mv, I C = 0 ise yük doğrusunun alt sınırı V CE = 10 V olarak bulunur. Yük doğrusunun üst sınırını bulmanın diğer bir yolu ise, Şekil 10(a)'daki tranzistörün kolektör-emetör bacaklarının kısa devre yapıldığını varsayarak, kolektör akımını hesaplamaktır. Bu durumda kolektör akımı V CC / R C olarak elde edilir. Yük doğrusunun alt sınırını bulmak için ise, kolektör-emetör terminallerinin açık olduğu varsayarak, kolektöremetör geriliminin hesabı yapılır. Bu durumda hesaplanacak gerilim, V BC gerilimine eşittir. Şekil 10:Tranzistörün yük doğrusu ve çalışma noktası 7

8 Kesme ve Doyma noktası Yük doğrusunun I B = 0 eğrisini kestiği yere kesme noktası denir. Bu noktada baz akımı sıfır olup kolektör akımı aşırı derecede küçük kalır (I CEO ile gösterilen sızıntı akımı). Kesme noktasında emetör diyotu doğru polarizasyondan çıkar ve tranzistör normal çalışma fonksiyonunu kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile kolektör-emetör gerilimi yük doğrusunun alt sınır değerine eşitlenir. Yani, V CE V CC Yük doğrusunun I B = I B(doy) eğrisi ile kesiştiği noktaya doyma noktası denir. Bu noktada baz akımı I B(doy) değerine eşittir. Kolektör akımı ise maksimum değerdedir. Doyma sırasında kolektör diyotu ters polarizasyondan çıkar, tranzistör normal çalışma fonksiyonunu yine kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile doyma anındaki kolektör akımını yük doğrusunun üst sınır değerine eşitlenir. Diğer bir değişle, I C(doy ) V CC R C olur. Şekil 10(b) deki I B(doy) terimi, doyma meydana gelmesi için gerekli baz akımını temsil eder. Baz akımı, I B(doy) akımından küçük ise tranzistör aktif çalışma bölgesinde kesme ve doyma noktaları arasındaki bir noktada, normal çalışma fonksiyonunu gösterir. Baz akımı I B(doy) akımından büyük ise, kolektör akımı mümkün olan maksimum değere (yaklaşık olarak V CC /R C değerine) eşit olur. Grafiksel olarak bu durum Şekil 10(b)'de görüldüğü üzere, I B(doy) akımından büyük her baz akımı, eğrisinin yük doğrusu ile kesişmesinde aynı doyma noktası bulunacaktır. Maksimum değişim DC yük doğrusu, bir tranzistörün maksimum çıkış sınırını da (aktif gerilim sınırı V CE ) gösterir. Şekil 10(b) de görüldüğü gibi tranzistörün maksimum çıkış gerilimi 0 ile yaklaşık V CC arasında değişir. Diğer bir deyişle, tranzistör akım verme özelliğini kaybettiği kesme ve doyma noktaları hariç, DC yük doğrusunun izdüşümü boyunca bir akım kaynağı görevi yapar. 8

9 UYGULAMA Tranzistörle Çalışma Deneyin Yapılışı: 1) Multimetrelerden birini DC ampermetre yapıp, A kademesine getirin ve A1 olarak kullanın. Diğer multimetreyi de DC ampermetre yapıp, ma kademesine getirin ve A2 olarak kullanın. 2) İki çıkışlı ayarlı DC kaynağı INDEP (iki çıkış bağımsız çalışmaz) olarak ayarlayın. Bunun için seçim düğmelerinin ikisi de basılı olmamalı.1 nolu çıkışı (soldaki) Vs1 olarak, 2 nolu çıkışı (sağdaki) Vs2 olarak kullanın. 3) Şekil 11 deki devreyi kurunuz. 4) Ayarlı DC kaynağı voltaj ayarlarını minimum değere getirerek devreye enerji veriniz. Şekil 11:Deney düzeneği 9

10 Tranzistörün I C V CE Karakteristiğinin Çıkarılması 5) Ayarlı DC kaynaktan Vs2 gerilimini (V CE ) gerilimini yavaş yavaş arttırarak, V CE gerilimini Tablo 1 de verilen 1V değerine getiriniz. 6) Vs2 gerilimini çok yavaş arttırarak A1 den I B =20 A değerine gelene kadar arttırınız. 7) Buna karşılık gelen I C akımını ölçünüz ve Tablo 1 e kaydediniz. 8) Vs2 gerilimini arttırarak I B =40 A ve I B =60 A için I C ölçümlerini tekrarlayıp Tablo 1'e kaydediniz. 9) 5,6,7,8 adımlarını Tablo 1 deki diğer V CE değerleri için de tekrarlayıp ölçüm işlemini tamamlayınız. 10) Tablo 1'de bulduğunuz değerler için β DC = I C / I B değerlerini hesaplayarak Tablo 2 ye yazınız. 11) Tablo1'deki değerleri kullanarak milimetrik kağıt üzerinde kolektör akımı eğrilerini çiziniz. (Şekil 5'de görülen değişime benzer bir grafik elde edilecektir. Çizimi V CE =1V dan başlatınız. V CE =0-1V arası ölçülmemiştir.) Ölçüm Sonuçları: Tablo 1:Çeşitli I B baz akımı ve V CE gerilimlerine karşı, I C kolektör akımı ölçümler I C, Kolektör akımı (ma) I B = 0 μa I B = 20 μa I B = 40 μa I B = 60 μa V CE = 1 V V CE = 3 V V CE = 6 V V CE = 9 V Tablo 2: Çeşitli I B baz akımı ve V CE gerilimlerine karşı, β DC kazancı I B = 20 μa I B = 40 μa I B = 60 μa β DC = I C / I B kazancı V CE = 1 V V CE = 3 V V CE = 6 V V CE = 9 V 10