DENEY 2 UJT Karakteristikleri

Transkript

1 DENEY 2 UJT Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. UJT nin iç yapısını ve karakteristiklerini öğrenmek. 2. UJT nin çalışma ilkelerini ve iki transistörlü eşdeğer devresini öğrenmek 3. UJT karakteristiklerinin ölçümü. 4. Temel UJT uygulama devrelerinin kurulumu ve ölçümleri. GİRİŞ SCR veya Triyak gibi Unijonksiyon (tek jonksiyonlu) transistör kullanımı hızla artmaktadır. İlk olarak 1948 de tanıtılmış ve 1952 de satılmak üzere piyasaya sürülmüştür. Ucuz fiyatı ile mükemmel karakteristiklerinin birleşimi sonucunda UJT ler osilatörler, trigger devreleri, testere dişli dalga üreticileri, faz kontrol ve zamanlayıcı devreleri gibi birçok uygulamada kullanılmaktadır. Genellikle UJT normal çalışma koşullarında düşük güç tüketen ve sistemin verimini arttıran güçlü bir yarı iletken elemandır. Şekil 2-1 UJT İç Yapısı Şekil 2-1 de gösterildiği gibi bir UJT pn jonksiyondan yapılmış bir silikon tabaka olarak düşünülebilir. Yüksek dirençli bir N tipi silikon tabakanın iki ucunda iki baz kontağı vardır ve bir alüminyum çubuk bu silikon plakaya sabitlenmiştir. İki uçtaki iki kontak baz 1 (B1) ve baz 2 (B2) olarak adlandırılır. Elemanın pn jonksiyonu alüminyum çubuk ile n tipi silikon plakanın temas noktalarıdır. Bu tek pn jonksiyon unijonksiyon teriminin çıkış noktasıdır. Alüminyum çubuk emetör (E) olarak adlandırılır. İki baz kontağından dolayı UJT ler çift baz diyot olarak bilinir. Şekil 2-1 de Alüminyum çubuğun B2 kontağına B1 kontağından daha yakın oluşuna dikkat ediniz. Uygulamada genellikle B2 bazı B1 bazına göre (V B1B2 ) pozitif yapılır. Şekil 2-2 de UJT nin devre gösterimi ve temel kutuplaması gösterilmiştir. 2-1

2 Şekil 2-2 Ujt nin Devre Gösterimi Ve Temel Kutuplaması Şekil 2-3 te UJT eşdeğer devresi gösterilmiştir. Diyot, emetör ve baz arasındaki pn jonksiyon karakteristiğine karşılık gelir. Baz arası direnç R BB, emetör akımı (I E ) sıfır iken B 2 ve B 1 bazları arasındaki dirençtir ve R B1 ve R B2 dirençlerinin seri bağlanması olarak düşünülebilir. R BB = R B1 +R B2 I E = 0... (2-1) R BB direnci tipik olarak 4 ile 10 KΩ arasındadır. Emetör açık devre durumunda iken (I E = 0) direnç R B1 ve R B2 arasında eşit olarak paylaşılır. Ancak B 2 bazı emetöre B 1 bazından daha yakın olduğundan R B1 direnci R B2 den çok az daha büyüktür. R B1 direnci I E emetör akımı ile değiştiğinden değişken direnç olarak gösterilmiştir. Örneğin 2N492 unijonksiyon transistörünün R B1 değeri şöyle değişmektedir: I E = 0 iken 4.6 KΩ, I E =1mA iken 2kΩ, I E =10mA iken 150Ω, ve I E =50mA iken 40Ω. Şekil 2-3 UJT Eşdeğer Devresi R BB baz arası direnci sıcaklığa bağlıdır ancak sıcaklık katsayısı oldukça düşüktür, yaklaşık olarak 1 o C için 0.5~1Ω. I E = 0 iken R B1 direncindeki gerilim düşümü gerilim bölücü kuralı ile belirlenir: V RB1 = R B1 R B1 +R B2 V B1B2 IE = 0 = η V B1B2 IE = 0..(2-2) 2-2

3 UJT öz standoff oranı, η, tipik olarak 0.5 ile 0.85 arasındadır. Örneğin, 2N4870 unijonksiyon transistörünün η değerleri 0.56 ile 0.75 arasında değişir ve 0.65 tipik değere sahiptir. 2N4871 unijonksiyon transistörünün η değerleri 0.7 ile 0.85 arasında değişir ve 0.75 tipik değere sahiptir. Şekil 2-4 (a) UJT Görünümü, (b) 2SH20 ve 2SH22 Bacak Dizilimi, (c) SS537 ve 2N2420 Bacak Dizilimi, (d) 2N4870 ve 2N4871 Bacak Dizilimi Şekil 2-4, sık kullanılan UJT lerin bacak dizilimlerini ve görünümlerini gösterir. UJT Karakteristikleri Tipik bir UJT nin statik emetör karakteristik eğrisi Şekil 2-5 te verilmiştir. Uygulanan emetör gerilimi (V E ), tepe noktası geriliminden (V P ) küçük ise emetördeki pn jonksiyonu ters kutuplanır ve emetörden sadece küçük bir I EO kaçak akımı akar. I EO akımı µa seviyesindedir, ve bir bipolar transistörün I CO kaçak akımına yaklaşık bir değerdedir. Şekilde gösterildiği gibi bu bölge kesim bölgesi olarak adlandırılır. Şekil 2-5 UJT Statik Emetör Karakteristiği V E geriliminin pn jonksiyonundaki gerilim düşümü ve R B1 direncindeki gerilimin toplamına eşit bir değere ulaştığı gerilimdir. V P tepe noktası gerilimi (peak-point voltage) yada ateşleme noktası gerilimi (firing-point voltage) olarak bilinir. Uygulanan 2-3

4 V E gerilimi ateşleme gerilimine, V P, ulaştığında diyot iletime geçecek ve UJT kesim bölgesinden negatif direnç bölgesine geçecektir. Emetör ateşleme gerilimi şu denklem ile hesaplanır: V P = ηv B1B2 + V D..(2-3) Burada diyot üzerindeki gerilim düşümü V D genellikle 0.7V dir. Emetör-baz1 gerilimi V P den daha büyük olduğunda pn jonksiyonu iletim yönünde kutuplanmıştır, dolayısıyla delikler emetörden silikon plakaya geçerler. B1 emetöre göre negatif olduğundan elektrik alan deliklerin B1 e doğru hareket etmesini sağlayacak yöndedir. Plakadaki yük dengesinin bozulmaması için delik sayısına eşit sayıda elektron B1 den ayrılır. Silikon plakada taşınan akımın artması R B1 değerini düşürür. Bu durum R B1 üzerindeki gerilimin düşmesini, bu da emetör akımı I E nin daha çok artmasına ve R B1 direncinin daha çok düşmesine neden olur. Tepe noktası gerilimi ile çukur noktası gerilimi (valley-point voltage) arasındaki bu bölge negatif direnç bölgesi olarak adlandırılır. Negatif direnç karakteristiği dolayısıyla UJT ler osilatör, multivibratör, ve zamanlayıcı devreleri için uygun yarı iletken elemanlardır. Denklem (2-3) te Vp tepe noktası geriliminin V B1B2 bazlar arası gerilim ile doğru, ve çalışma sıcaklığı ile ters orantılı olduğu görülür. µa yada na ile ölçülen tepe noktası akımı, I P, UJT yi tetiklemek için gerekli minimum emetör akımıdır. I P, V B1B2 ile ters orantılıdır. Şekil 2-6 V B1B2 = 20V için I P ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi gösterir. 25 o C den sonra sıcaklığın artmasıyla I P düşer. Şekil 2-6 I p Ve Sıcaklık Arasındaki İlişki Şekil 2-5 teki eğrinin minimum noktası çukur noktası olarak adlandırılır. Şekil 2-7 de gösterildiği gibi V B1B2 değeri arttıkça çukur noktası gerilimi V V artar. Jonksiyon sıcaklığı arttıkça çukur noktası gerilimi azalacaktır. V B1B2 değeri sabit tutulursa çukur noktası gerilimi B2 bazına dışarıdan takılan bir R2 direncinin büyüklüğü ile ters orantılı, B1 bazına dışarıdan takılan bir R1 direnci ile doğru orantılıdır. Çukur noktasındaki emetör akımı çukur noktası akımı olarak 2-4

5 adlandırılır. Jonksiyon sıcaklığı artarsa çukur akımı azalır. Çukur akımı karakteristikleri Şekil 2-8 de gösterilmiştir. Bunlara ek olarak, R1 yada R2 direncindeki bir artış çukur noktası akımının azalmasına neden olur. Şekil 2-7 Çukur Noktası Gerilim Karakteristikleri Şekil 2-8 Çukur Noktası Akım Karakteristikleri Çukur noktası gerilimi ve daha yüksek gerilimlerde yük taşıyıcıların yoğunluğu, üretilen yeni yük taşıyıcıların etkisini ortadan kaldıracak derecede yüksektir, ve V E emetör gerilimi I V nin üzerindeki akımlarda azar azar artar ve yaklaşık olarak sabit bir değere,v E(Sat) ulaşır. Bu gerilim doyma gerilimi olarak adlandırılır. Çukur noktasının sağ tarafındaki bölge doyma noktası olarak bilinir, burada dinamik direnç I-V eğrisinin eğimi ile belirlenir ve 10 ile 20Ω arasındadır. Emetör gerilim değeri sıfıra düşerse, doyum bölgesinde çalışan UJT kesime gider. UJT emetör direnci 100Ω lar mertebesinden MΩ lar mertebesine kadar çeşitli değerler alır. Kesim bölgesinde emetör direnci tipik olarak 100KΩ lar ile MΩ lar mertebesindedir. Negatif direnç bölgesinde 1000Ω lar, ve doyum bölgesinde 100Ω lar mertebesindedir. Denklem (2-3) ten V P değerinin, V D ve η nin sabit değerleri için V BB gibi değişeceği görülür. Bir takım statik emetör karakteristik eğrileri Şekil 2-9 da gösterilmiştir. 2-5

6 Şekil 2-9 Bir Ujt nin Tipik Emetör Karakteristik Eğrileri UJT lerin önemli bir karakteristiği de Şekil 2-10 da gösterilen baz arası karakteristiğidir. Baz arası karakteristiği, temel bir transistörün kollektör karakteristiğine benzer, bu karakteristik baz arası direncinin sadece emetör akımı sıfır iken doğrusal olduğunu gösterir. Bir UJT devresi tasarlarken çıkış işaretinin genişliğini belirlemek için eğriler üzerinde bir yük çizgisi çizilir. Şekil 2-10 UJT nin Baz Arası Karakteristiği UJT nin iki fiziksel yapısı vardır. En çok kullanılan Şekil 2-11(a) da gösterilen bar yapısıdır. Yukarıda anlatılan UJT iç yapı ve karakteristikleri bu tip fiziksel yapıyı temel alırlar. Baz plakası 8x10x60mils boyutlarında bir n-tipi silikon plakadan yapılmıştır. Diğer fiziksel yapı ise Şekil 2-11(b) de gösterilen küp yapısıdır. Yaklaşık olarak 13x17x17 mils boyutlarında kübik bir n-tipi silikon baz plakası olarak kullanılmıştır ve 2 mils çapında metal bir çubuk (B1) bu baz plakası ile ohmik kontak halindedir. B2 2-6

7 ucu substrate e bağlıdır. Kullanılan UJT lerin çok küçük bir kısmı kübik yapıdadır. 2N2646 bu yapıdaki tipik bir UJT dir, Şekil 2-12 de 2N2646 nın karakteristikleri verilmiştir. Bar yapısından daha küçük V P, V CE(Sat), ve iletime geçme zamanlarına sahiptir. Bunlara ek olarak B1 ucundan daha büyük bir darbe elde edilebildiğinden trigger darbe üreteçleri için uygundur. (A) Bar Yapısı (B) Kübik Yapı Şekil 2-11 UJT Yapıları Şekil N2646 UJT Statik Karakteristiği UJT nin Ohmmetre ile Kontrolü Analog multimetrede bulunan ohmmetre UJT nin durumunu kontrol etmede ve uçlarını bulmada kullanılabilir. Doğru ölçüm yapmak için ohmmetrenin pilinin kutuplarının doğruluğu kontrol edilmelidir. Biz pilinin negatif ucu + prob ucuna (genellikle kırmızı renk), pozitif ucu da prob ucuna (genellikle siyah) bağlı bir ohmmetre kullanıyoruz. Multimetrenin kademe seçicisini Rx1KΩ kademesine getirin. Kırmızı renkli probu UJT nin baz 2 sine, siyah renkli probu da baz 1 e bağlayınız. 4KΩ ile 10KΩ arasında bir değer okunmalıdır. Problar yer değiştirildiğinde de aynı değer okunur. Bu değer, UJT emetör akımı sıfırken baz arası direnç değeridir. Emetöre siyah, ve baz 1 yada baz 2 ye de siyah uç bağlandığında, pn jonksiyonu ohmmetrenin pili tarafından iletim yönünde kutuplanır ve ohmmetre düşük bir direnç gösterir. Böylece emetör ucu tespit edilir. E-B1 direnci E-B2 direncinden daha büyüktür. Böylece UJT nin üç ucu da tespit edilmiş olur. 2-7

8 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 2-13 KL modülündeki deney devresini gösterir. Q1 ve Q2 transistörleri, UJT nin iki transistörlü eşdeğer devresini temsil eder. Gerçek bir UJT nin çalışmasını simüle etmek için kullanılmışlardır. Q3 transistörü bir LED sürücüsü olarak çalışır ve Q3 transistörünün baz akımı tetikleme işareti olarak R11 üzerinden gelir. UJT ve ilişkili elemanlar karakteristik ölçümleri için kullanılmıştır. AC gerilim kaynağı ile R4, VR1, ve R5 ten oluşan direnç bölücü UJT nin emetör gerilimini V E belirler. Eğer VR1 değeri çok küçükse, V E < V P olduğundan UJT kesimde kalacaktır ve R11 direncinde bir gerilim gözlenemeyecektir. Dolayısıyla Q3 transistörü iletime geçemeyecek ve LED yanmayacaktır. VR1 ayarlanarak V E > V P +0.5V koşulu gerçekleştirildiğinde UJT iletime geçer ve R11 de bir çıkış gerilimi gözlenir. Bu gerilim Q3 ü iletime geçirir ve LED yanar. R4 yerine bir CDS takılarak devre ışıkla kontrol edilen bir devre haline gelir. CDS ışığa duyarlı bir elemandır ve direnci ışıkla ters orantılıdır. Diğer bir deyişle ortamda ışık yoksa direnci yüksektir, ortam ışıklıysa direnci düşüktür.cds, VR1, ve R5 ten oluşan gerilim bölücü V E geriliminin büyüklüğünü belirler. Işık yoksa, CDS direnci oldukça yüksektir, dolayısıyla V E < V P dir ve UJT kesimdedir. Yüksek ışık seviyesinde CDS nin direnci düşer, V E gerilimi UJT yi tetikleyecek gerilim değerine ulaşır, ve LED yanar. Burada VR1 potansiyometresi hassasiyet ayarı için kullanılır. Bu devre sokak lambalarının temel kontrol devresidir. R4 yerine bir RTH termistör takılarak devre yangın alarm devresine haline dönüştürülebilir. RTH negatif sıcaklık katsayılı (NTC: Negative Temperature Coefficient) termistördür. Bir NTC nin direnci ortam sıcaklığı ile ters orantılıdır. Diğer bir deyişle, sıcaklıktaki bir yükselme NTC termistörünün direncinin düşmesine neden olur; sıcaklıktaki bir düşüş NTC termistörünün direncinin artmasına neden olur. Bu devrenin çalışma prensibi yukarıda anlatılan CDS ışık kontrollü devre ile benzerdir. KULLANILACAK ELEMANLAR KL Güç Kaynağı Ünitesi KL Modülü Analog Multimetre Dual-Trace Osiloskop 2-8

9 DENEYİN YAPILIŞI 1. KL modülüne KL Güç Kaynağı Ünitesinin AC12V çıkışını bağlayın. Şekil 2-13 Deney Devresi A. UJT Karakteristiklerinin Ölçümü 2. Bağlantı fişlerini 1,4,6, ve 8 nolu konulara bağlayın. VR1 i saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirerek minimum direnç konumuna getirin. 3. Güç kaynağını açınız. LED in durumunu gözlemleyip kaydedin. UJT bölgesinde çalışıyor. Multimetreyi kullanarak R11 uçlarındaki gerilimi ölçün ve kaydedin. V. 4. Multimetre ile UJT nin emetör gerilimini ölçün ve kaydedin (kırmızı renkli prob E ye, siyah renkli prob da GND ye bağlanacaktır). V E = V 2-9

10 5. VR1 i saat yönünde yavaşça çevirin, gerilim değeri bir tepe değerine ulaşıp aniden çukur değerine düşünceye kadar V E nin değişimini izleyin. Tepe ve çukur değerlerini kaydedin. Tepe değer UJT nin tepe noktası gerilimine çukur değer de UJT nin çukur noktası gerilimine karşılık gelir. V P = V V E = V 6. LED (yanıyor yada yanmıyor). UJT bölgesinde çalışıyor. 7. Multimetreyi kullanarak, R11 uçlarındaki gerilimi ölçün ve kaydedin. V R11 = V. 8. Osiloskopu X-Y moduna getirin. Osiloskopun GND girişine UJT nin emetörünü (E), CH1 girişine R6 nın diğer ucunu, ve CH2 girişine de UJT nin baz 1 ini (B1) bağlayın. Osiloskopta görünen I E -V E eğrisini Tablo 2-1 e çiziniz. Tablo VR1 i ayarlayarak I E -V E eğrisindeki değişimi gözlemleyerek kaydedin. 10. Güç kaynağını kapatınız. 2-10

11 B. Ujt Sıcaklık Kontrol Devresinin Yapımı ve Ölçümü 11. Bağlantı fişini 4 numaradan çıkarıp 3 numaraya bağlayınız. Güç kaynağını açınız. Sıcak bir havyayı RTH termistöre yaklaştırın. V E deki değişimi gözlemleyip kaydedin. 12. RTH yi ısıtmaya devam edin. UJT ve LED in durumlarını gözlemleyip kaydedin. 13. Havyayı RTH den uzaklaştırın. UJT nin değişimini gözlemleyip kaydedin. C. UJT Işık Kontrol Devresinin Yapımı ve Ölçümü 14. Bağlantı fişini 3 numaradan çıkarıp 2 numaraya takın. CDS penceresini elinizle kapatın. UJT ve LED in durumlarını gözlemleyip kaydedin. 15. Işık seviyesini arttırmak için CDS penceresinden elinizi uzaklaştırın. UJT ve LED in durumlarını gözlemleyip kaydedin. 2-11

12 D. İki Transistörlü UJT Devresinin Yapımı ve Ölçümü 16. Bağlantı fişlerini 1,4,5, ve 7 numaralara takın. Osiloskopu X-Y moduna getirin. Osiloskopun GND girişine Q1 in emetörünü, CH1 girişine R6 nın diğer ucunu, ve CH girişine de Q2 nin emetörünü bağlayın. Osiloskopta görünen I E -V E eğrisini Tablo 2-2 ye çiziniz. Tablo 2-2 SONUÇ 5. adımda V P ve V V gerilimleri sırasıyla yaklaşık olarak 2.5V ve 0.9V olarak ölçülmelidir. UJT nin η değeri V P = ηv B1B2 + V D denkleminden elde edilebilir. VR1 de gerçekleşecek bir direnç artışı V E emetör geriliminin artmasına neden olur. V E değeri V P +0.5V değerine ulaştığında UJT iletime geçer, bu durumda R11 direnci üzerindeki gerilim düşümü 0.5V civarındadır. Bu V E gerilim Q3 transistörünü iletime sokar, ve LED yanar. 2-12