DENEY 4 PUT Karakteristikleri

Transkript

1 DENEY 4 PUT Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. PUT karakteristiklerini ve yapısını öğrenmek. 2. PUT un çalışmasını ve iki transistörlü eşdeğer devresini öğrenmek. 3. PUT karakteristiklerini ölçmek. 4. Temel PUT uygulama devreleri ve bu devrelerin ölçümlerini yapmak. GİRİŞ Programlanabilir Unijonksiyon Transistör (PUT) Şekil 4-1 de gösterildiği gibi dört katlı bir PNPN yarı iletken elemandır. Şekilden, ismindeki benzerliğe rağmen PUT un gerçek yapısının UJT den tamamen farklı olduğunu görebiliriz. Şekil 4-1 PUT Yapısı. (a) Devre Sembolü Ve PNPN Dizilişi, (b) İki Transistörlü Eşdeğer Devre. Şekil 4-1(a) daki iki transistörlü PUT eşdeğer devresinin birer adet PNP ve NPN transistörlerden oluştuğunu görebiliriz. Bu yapıda PNP transistörün emetörü anot (A), NPN transistörün kollektörü kapı (G: gate), ve NPN transistörün emetörü katot (K) olur. Kapı, anota yakın olduğundan, bazen anot kapısı olarak adlandırılır. PUT un yapısı SCR ye benzerdir. Bu iki eleman arasındaki birincil fark kapılar arasındaki farktır. SCR nin kapısı NPN transistörün bazı (P tipi), PUT un kapısı is N tipi bir yarı iletkendir. Dolayısıyla PUT, N-kapılı SCR yada Tümleşik SCR (Complementary SCR: CSCR) olarak adlandırılır. PUT un kapısında çok yüksek tetikleme hassasiyeti vardır. PUT un gerilim ve akım sınıfı SCR nin akım ve gerilim sınıfından daha küçüktür. Genellikle bir tetikleme darbesi üreteci yada düşük güçlü bir anahtar olarak kullanılır. 4-1

2 PUT Karakteristikleri ve Parametreleri PUT karakteristikleri, Şekil 4-2 de gösterildiği gibi, UJT ye çok benzerdir. Eşdeğer bir UJT ye göre PUT un bir avantajı η parametresinin harici elemanlar tarafından kontrol edilebilmesidir. Şekil 4-2 PUT Anot Karakteristikleri Şekil 4-2 ye bakınız. V A = 0 da PUT kesimdedir ve sadece I GA0 ters kaçak akımı akar. V A artarken I A negatiften sıfıra doğru yükselir. I A sıfıra ulaştığındaki V A değeri V S olarak adlandırılır. V S gerçekte UJT için tanımlanan ηv BB değeridir. Burada η değeri devre tasarımcıları tarafından programlanabilir. V A V P ye (P noktası) ulaştığında, I A, I P den I V ye doğru yükselir ve V A, V P den V V ye doğru azalır, böylece PUT negatif direnç bölgesinde P ve V noktaları arasında çalışır. Negatif direnç bölgesi kararsız bölge olarak da adlandırılır. V noktasının sağında kalan bölge kararlı bölge yada ON konumu olarak adlandırılır. PUT, UJT de olduğu gibi, kararsız konumda kalamaz; yani ON yada OFF konumundan birine geçer. Karakteristik eğrisinde gösterildiği gibi, parametreler PUT un çalışmasını anlamada önemli anahtarlardır. Her bir parametrenin tanımını altta verdik: 1. I GA0 : Kapı-anot kaçak akımı kapı ve anot arasında akan küçük bir ters akımdır. Bu akım, Şekil 4-3 te gösterildiği gibi açık devre edilmiş katot ve ters kutuplanmış A-G jonksiyon koşullarında ölçülmüştür. I GA0 değeri tipik olarak T A = 25 o C de ve V S = 10V de 1µA dır. I GA0 değeri sıcaklıktaki her 10 o C artışta yaklaşık iki katına çıkar. Şekil 4-3 I GA0 Ölçümü 4-2

3 2. I P : Tepe akımı PUT u ateşlemek için gerekli minimum akımdır. Şekil 4-4 teki PUT gevşemeli osilatör devresinde R T şarj direncinden akan akım I P den daha büyük olmalıdır, böylece PUT iletime geçer. I P değeri PUT teknik özelliklerinde belirtilen çok önemli bir parametredir. I P değeri R G nin büyüklüğü ve sıcaklık ile değişir. R G değerinin yada sıcaklığın daha büyük olması durumunda I P küçülür. V R1 = V S R1 + R 2, R1R 2 R G = R1 + R2 Şekil 4-4 Temel PUT Gevşemeli Osilatör 3. V P : I A =I P iken anot ve katot arasındaki gerilim, tepe gerilimdir. V P değeri daima V S den daha büyüktür. Şekil 4-5 V P ve V T Ölçümleri 4. V T : Ofset gerilimi V P ve V S değerleri arasındaki gerilim farkıdır. Şekil 4-5 te gösterildiği gibi, V T şu denklemle verilir: V T I P = VP VS VBE( ON ) + RG.(4-1) 1+ β1 Burada V BE(ON) değeri, PNP transistörün iletimdeki V BE değerine karşılık gelir. V BE(ON) ve I P nin sıcaklık değişimlerine çok duyarlı olmasından dolayı V T de sıcaklığa duyarlıdır. 25 o C de V T tipik olarak 0.5V dir. V T nin sıcaklık katsayısı 2.5mV / o C. 4-3

4 5. I V : Çukur noktası akımı, PUT doyma bölgesine girmeden önceki I A değeridir. Şekil 4-4 teki PUT gevşemeli osilatörün çalışmasında, R T üzerinden akan akım I V den daha küçük olmalıdır. Dolayısıyla I A, I P ile I V aralığında olmalıdır. Şekil 4-6 V V Ölçümü 6. V V : Tepe noktası gerilimi, I A = I V iken anot ile katot arasındaki gerilimdir. Şekil 4-6 da gösterildiği gibi, V V değeri alttaki eşitlikle ifade edilebilir. V V = V BE(sat-PNP) + V CE(sat-NPN).(4-2) Yani iki transistörün doyma gerilimlerinin toplamıdır. V V değeri 1V den daha küçüktür. 7. V F : İleri gerilim (Forward voltage) PUT doymada çalışırken anot ve katot arasındaki gerilimdir. I F = 50mA iken V F değeri tipik olarak 1.2V dir. Şekil 4-7 İleri Devrilme Gerilimi Ölçümü Devresi 4-4

5 Anot ve katot kısa devre edilirse yada Şekil 4-7 de gösterildiği gibi aralarına küçük değerli bir direnç takılırsa, PUT kesim bölgesinde çalışır. Bu durumda, belirli bir ileri gerilim (pozitif A ya, negatif K ya bağlanacak şekilde),v AK, PUT u iletime geçirecektir. Bu gerilim sınıfı ileri devrilme gerilimi olarak tanımlanır. V AK nın kutuplarının değiştirilmesi durumunda OFF konumu SCR ye benzerdir. Şekil 4-8 deki devreye bakın. V GK değeri uygulanırsa ve V GK > V AK ise, PNP transistörün B-E jonksiyonu ters kutuplanır, dolayısıyla transistörler kesime giderler. Dolayısıyla PUT OFF durumda çalışır. Şekil 4-8 PUT Çalışmasının İllüstrasyonu Şekil 4-9 PUT Karakteristiği V AK > V GK + V T ise, PNP transistörün B-E jonksiyonu ileri kutuplanır, ve transistörler iletime geçerler. Dolayısıyla PUT ON durumda çalışır. A ile K arasındaki direnç çok küçüktür, dolayısıyla V AK gerilim düşümü Şekil 4-9 da gösterildiği gibi küçüktür. 4-5

6 PUT Kapı Devresinden Etkilenen Parametreler 1. I P :2N6027 ve 2N6028 PUT ların I P &R G eğrileri Şekil 4-10 da gösterilmiştir. Tepe akımı I P nin R G değeri ile ters orantılı olduğu eğriden görülebilir. Şekil 4-10 I P &R G Eğrileri 2. I V : PUT iletim durumundayken, I G = V G / R G kapı akımı kapıdan akar. Şekil 4-11 den çukur akımı I V nin kapı akımı I G ile doğru orantılı olduğunu görebiliriz. 3. V P : PUT kapısının kutuplaması için genellikle temel bir gerilim bölücü devre kullanılır. Şekil 4-12 de gösterildiği gibi, R2 üzerindeki gerilim düşümü, Thevenin eşdeğer gerilimi V G, gerilim bölücü kuralı ile belirlenir. V G = V BB x R2 / (R1 + R2) Burada UJT için tanımlandığı gibi η = R2 / (R1 + R2), ve V G V P dir. Şekil 4-11 I V & I G eğrileri 4-6

7 Şekil 4-12 Temel Kutuplama Devresi Ve Kapı Devresi İçin Thevenin Eşdeğeri Yukarıda anlatılan bu üç parametre PUT gevşemeli osilatör tasarımında çok önemlidirler ve tasarımcılar tarafından programlanabilirler. PUT ve UJT nin Karşılaştırması PUT ve UJT nin karakteristiklerinin benzer olmasına rağmen, PUT un farklılığı η, R BB, I P, ve I V gibi PUT parametrelerinin kontrol edilebilirliğinden dolayı tasarım ve uygulamada UJT den daha esnek olmasıdır. Şimdi Şekil 4-13 te gösterilen gevşemeli osilatör devrelerini inceleyerek Tablo 4-1 de PUT ve UJT karakteristiklerinin karşılaştırmasını özetleyeceğiz. Şekil 4-13 PUT ve UJT Gevşemeli Osilatörler 4-7

8 Tablo 4-1 PUT & UJT karşılaştırması Karakteristikler PUT (Şekil 4-13a) UJT (Şekil 4-13b) V S V S = V BB xr1 / (R1 + R2) Kapı-katot gerilimi R G R G = R1R2 / (R1 + R2) Kapı-katot direnci R BB Baz arası direnci R BB = R1 + R2 Programlanabilir R BB = 4K~10K Değiştirilemez η Doğal devrilme oranı η= R1 / (R1 + R2) η = 0.45~0.8 Değiştirilemez I P Tepe akımı Programlanabilir, 0.5µA dan küçük olabilir I P = 2µA Tipik, değiştirilemez I V Çukur akımı Programlanabilir, 2mA dan küçük olabilir. I V = 10mA Tipik, değiştirilemez Doyma gerilimi V AK(sat) =1.2V Tipik, I A = 50mA da V EB1(sat) = 3V Tipik, I E = 50mA da V O Darbe çıkış gerilimi V O = 10V Tipik V O = 6V Tipik t r Darbe yükselme zamanı t r = 40ns Tipik t r = 200ns Tipik Frekans aralığı 0.003Hz ~ 80KHz 0.03Hz ~ 500KHz Tablo 4-1 den, PUT un tepe ve çukur akımlarının UJT nin değerlerinden daha küçük olduğunu görebiliriz. Dolayısıyla, PUT gevşemeli osilatörün osilasyon frekansı kademesi, UJT osilatörün değerinden daha küçüktür. Frekans aralıklarını genişletmek için, Şekil 4-14 te gösterildiği gibi I P yi azaltacak ve I V yi arttıracak bazı teknikler kullanılabilir. (a) (b) (c) (d) Şekil 4-14 (a) düşük I P ve I V, (b) düşük I P ve oldukça yüksek I V, (c) düşük I P ve ortalama I V, (d) düşük I V ve ortalama I P 4-8

9 Şekil 4-14(a) da R G için yüksek değerli direnç kullanılması, I P ve I G akımlarının R G ile ters orantılı oluşundan dolayı, I P ve I G akımlarını küçülmesine neden olur. Şekil 4-14(b) deki transistör, PUT iletimdeyken I AK akımını şöntlemek için kullanılmıştır. Böylece oldukça yüksek I V elde edilmiştir. Şekil 4-14(a) ve (b) de diyot ve PUT iletimde değildir. Yüksek R G direnci I P nin küçük olmasına neden olur. PUT iletimdeyken, diyot ileri yönde kutuplanmıştır ve düşük bir R G direnci gösterir. Düşük R G direnci yüksek I V akımına neden olur. PUT un Ohmmetre ile test edilmesi Analog multimetrede bulunan ohmmetre PUT un durumunu kontrol etmek ve uçlarını tespit etmek için kullanılabilir. Burada, pilinin negatif ucu ohmmetrenin + ucuna (normalde kırmızı) ve pilinin pozitif ucu ohmmetrenin ucuna (normalde siyah) içerden bağlı bir ohmmetre kullanıyoruz. 1. Multimetrenin kademe seçicisini R kademsine getirin. Kırmızı ucu PUT un kapısına (G: gate) ve siyah ucu anota (A) bağlayın. Düşük bir direnç değeri okunmalıdır. Probların yerini değiştirmek sonsuz direnç görünmesine neden olur. 2. G ve K arasındaki direnç kutuplamadan bağımsız olarak daima sonsuzdur. 3. G açık devre iken, siyah ucu anota (A) ve kırmızı ucu katota (K) bağlayın, düşük bir değer sıklıkla okunacaktır. Bunun sebebi kapının çok yüksek tetikleme duyarlılığıdır. Eğer sonsuz değer okunuyorsa, kapıya (G) elinizle dokunmanız düşük direnç okunmasına neden olacaktır. Kutuplamanın yönü değiştirildiğinde, sonsuz değer okunur. Put un İki Transistörle İfade Edilmesi Şekil 4-15 PUT a Karşılık Gelen İki Transistörlü Model Şekil 4-15 te gösterildiği gibi bağlanan iki silikon tümleşik transistör PUT u ifade edebilir. D2 diyotu ters gerilim sınıfını arttırmak için kullanılmıştır. VR kapı tetikleme duyarlılığını ayarlamak için kullanılır. VR değerinin büyüklüğü I P ve I V değerlerini belirler. VR yükseldikçe I P ve I V küçülür. 4-9

10 Deney Devresinin Açıklaması Şekil 4-16 Modül KL deki deney devresini gösterir. Bu devrede PUT, iki transistörlü eşdeğer devresi, CDS, RTH, ve LED sürücüsü vardır. Şekil 4-16 Deney Devresi Devrenin besleme gerilimi 12VAC den alınır, ve D1 yarım dalga doğrultucusu ile dalgalı dc gerilime V+ dönüştürülür. PUT un kapı gerilimi V G, VR3 ve R9 dan oluşan gerilim bölücü tarafından belirlenir ve şu şekilde yazılır: V G = (R9 x V+) / (VR3 + R9) VR3 ü ayarlayarak V G değerini değiştirebilirsiniz. Anot gerilimi V A, R4, R5, ve VR1 den oluşan gerilim bölücü tarafından belirlenir ve şöyle ifade edilir: V A = ((VR1 + R5) x V+) / (VR1 + R5 + R4) V A değeri VR1 ayarlanarak kontrol edilebilir. Güç uygulandığında V A <V G ise PUT kesimdedir, dolayısıyla Q3 ve LED OFF durumundadırlar. V A >V G + 0.5V olacak şekilde VR1 ayarlanarak, PUT iletime geçirilir ve R8 de bir gerilim darbesi görünür. Böylece Q3 ve LED ON durumuna geçerler. Her pozitif yarım dalgada PUT iletimde iken, V G değerini düşürmek için VR3 ayarlansa bile UJT iletimde kalmaya devam eder. I AK < I H ise UJT kesime gider. Q1 ve Q2 transistörleri PUT un iki transistörlü eşdeğer devresini oluştururlar. Bu devre gerçek bir PUT un çalışmasını canlandırmak için kullanılmıştır. Q3 transistörü bir LED sürücü olarak davranır ve Q3 ün baz işareti R8 üzerindeki tetikleme işaretinden gelir. 4-10

11 R4 ile bir CDS değiştirilerek ışıkla kontrol edilen anahtar elde edilir. CDS ışığa duyarlı bir elemandır ve ortamın ışık yoğunluğu ile ters orantılıdır. V A değeri, R3, CDS, VR1, ve R5 ten oluşan gerilim bölücü ile belirlenir. Düşük ışıklı bir ortamda CDS nin direnci çok yükseleceğinden PUT u iletime geçirecek V A değeri çok küçük kalır. Yüksek ışıklı bir ortamda CDS nin direnci düşeceğinden, V A PUT u ateşleyecek gerilim değerine ulaşır ve LED yanar. Bu devre temel bir sokak lambası kontrol devresidir. Aynı şekilde, R4 ile bir RTH termistör değiştirilerek yangın alarm devresi elde edilir. RTH negatif sıcaklık katsayılı (NTC: Negatif Temperature Coefficient) termistördür. NTC nin direnci ortam sıcaklığı ile ters orantılıdır. Diğer bir deyişle, sıcaklığın artması NTC termistörün direncinin azalmasına, sıcaklığın düşmesi NTC termistörün direncinin artmasına neden olur. Devrenin çalışması yukarıda anlatılan CDS ışıkla kontrol edilen devre ile aynıdır. KULLANILACAK ELEMANLAR KL Güç Kaynağı Ünitesi KL Modülü Dual-Trace Osiloskop Analog Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. Şekil 4-16 ya bakarak, KL Güç Kaynağı Ünitesinin AC12V çıkışını KL Modülüne bağlayın. A. PUT Karakteristiklerinin Ölçümü 2. VR1 ve VR3 ü saat yönünün tersi yönde sonuna kadar çevirin. 3. Bağlantı fişlerini 1, 4, 6, 7, ve 10 numaralara takın. Multimetrenin kademe seçicisini DCV kademesine getirin. Kapı (G) ile toprak (GND) arasındaki gerilimi ölçün ve kaydedin (kırmızı prob G ucuna ve siyah uç GND ye bağlanır). V G = V 4. V G = 2V olacak şekilde VR3 ü ayarlayın. 5. LED (yanık yada sönük). PUT durumunda çalışıyor. Multimetreyi kullanarak, R8 üzerindeki DC gerilimi ölçün ve kaydedin. V R8 = V 4-11

12 6. Multimetreyi kullanarak, anot-toprak arası gerilimi ölçün ve kaydedin. V A = V 7. VR1 i sağa doğru (saat yönünde) yavaşça çevirerek, gerilim değeri bir tepe değere ulaşıp ardından aniden bir çukur değere düşene kadar V A daki değişimi gözlemleyin. Tepe ve çukur değerlerini kaydedin. Tepe ve çukur değerleri sırasıyla PUT un tepe ve çukur gerilimleridir. V P = V V V = V 8. LED (yanık yada sönük). PUT durumunda çalışıyor. 9. Multimetreyi kullanarak, R8 üzerindeki gerilimi ölçün ve kaydedin. V R8 = V. 10. V G = 3V olacak şekilde VR3 ü sola doğru (saat yönünün tersine) çevirin. Bu anda LED (yanık yada sönük). V A = V. PUT durumundadır. 11. LED yanana kadar VR1 i sağa doğru çevirin. V P ve V V değerlerini ölçün ve kaydedin. V P = V. V V = V ve 11. Adımlardaki V P ve V V değerlerini karşılaştırın. Uyuşuyorlar mı? V P ve V V değerleri değişken mi? 13. Dual-trace osiloskopu X-Y moduna getirin. GND yi PUT un anotuna (A), CH1 girişini R6 nın diğer ucuna, ve CH2 girişini katota (K) bağlayın. Osiloskopta V AK & I AK eğrisini gözlemleyin ve Tablo 4-2 ye çizin. Tablo

13 14. VR1 i çevirerek V AK & I AK eğrisindeki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. 15. VR3 ü çevirerek V AK & I AK eğrisindeki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. B. PUT Sıcaklık Kontrol Devresinin Yapılması ve Ölçümleri 16. Bağlantı fişini 4 numaradan çıkarıp 3 numaraya takın. 17. V G = 2V olacak şekilde VR3 ü ayarlayın. 18. VR1 i yavaşça çevirin ve LED yanmak üzere iken durun. V A gerilimini ölçün ve kaydedin. V A = V. 19. RTH termistöre sıcak bir havya yaklaştırın. V A daki değişimi ölçün ve kaydedin. 20. RTH ı ısıtmaya devam edin. PUT ve LED in durumlarını gözlemleyin ve kaydedin. 21. Havyayı RTH den uzaklaştırın. PUT un durumundaki değişimi gözlemleyin ve kaydedin. C. PUT Işık Kontrollü Devrenin Yapılması ve Ölçümleri 22. Bağlantı fişini 3 numaradan çıkarın ve 2 numaraya takın. CDS penceresini elinizle kapatın Ve 18. Adımları tekrar edin. V A = V. 24. Işık seviyesini arttırmak için elinizi CDS penceresinden uzaklaştırın. PUT ve LED durumlarını gözlemleyin ve kaydedin. 4-13

14 D. İki transistörlü PUT devresinin karakteristiklerinin ölçümü 25. Bağlantı fişlerini 1, 4, 5, 8, ve 9 numaralara takın. 2 den 13. Adıma kadar olan adımları tekrar edin ve karakteristik eğrisini Tablo 4-3 e çizin. Tablo 4-2 ve Tablo 4-3 teki eğrileri karşılaştırın, uyuşuyorlar mı? Tablo 4-3 SONUÇ Üçüncü adımda ölçülen V G değeri 4.9V civarında olmalıdır. V G > V A olduğundan, PUT ve LED OFF durumundadır. VR1 direnci arttıkça ölçülen V A değeri de artar. V A, V P = 2.5V değerine ulaşınca PUT iletime geçer ve R8 üzerindeki 0.5V lik bir gerilim düşümü LED i yakar. Ölçülen V V değeri 0.9V civarındadır. V G = 3V iken V G > V V olduğundan PUT kesimdedir. PUT u iletime geçirmek için V A değeri VR1 ayarlanarak 3.5V ye çıkarılmalıdır. Bu durumda, ölçülen V V değeri 1V civarında olmalıdır. Bu deneyde PUT u kesimden iletime geçirecek koşulun V A > (V G + 0.5V) olduğunu görülmüştür. 4-14