EHM2802 TEMEL ELEKTRONİK DEVRELERİ LABORATUVAR FÖYÜ

Transkript

1 EHM2802 TEMEL ELEKTRONİK DEVRELERİ LABORATUVAR FÖYÜ ELEKTRONİK ANABİLİM DALI ARAŞTIRMA GÖREVLİLERİ ARŞ.GÖR. ONUR CAN KURBAN ARŞ.GÖR. ALİ RIZA YILMAZ ARŞ.GÖR. MURAT TAŞKIRAN ARŞ.GÖR. ÖZDEN NİYAZ* ARŞ.GÖR. HATİCE VİLDAN DÜDÜKÇÜ ARŞ.GÖR. ÖZCAN TUNÇTÜRK * Bahar Yarıyılı Laboratuvar Sorumlusu 1

2 DENEY 1: DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ VE LEHİMLEME TEKNİĞİ Deneyin Amacı: Diyot elemanının çalışmasının teorik ve pratik olarak öğrenilmesi, lehimleme tekniğinin teorik ve pratik olarak öğrenilmesi. Malzeme Listesi: 1 adet 1N4001 diyot (silisyum), 1 adet 1N4148 diyot (silisyum), 1 adet AA119 diyot (Germanyum), 1 adet LED, 1 adet 5.6V zener diyot ve 1 adet 1kΩ direnç. 1 adet 2x6V trafo (Trafonuz için güç kablosunu almayı unutmayınız.) (Malzemelerin yedeklerini bulundurunuz.) UYARI: Bu deney için lehim makinesi, lehim teli ve pertenaks getirilmelidir. 1.1 Ön Bilgi Diyot p ve n-tipi yarıiletkenin aynı kristal yapıda oluşturulması ile elde edilen elemandır. Diyotta p ve n tipi malzemeler arasında düzlemsel metalürjik kontak da denen jonksiyon (eklem) vardır. Genellikle n-tipi bir pulun (donör katkılamalı), belli bölgesinin akseptör (p-tipi) katkılanması ile oluşturulur. Çalışması kutuplanmasına bağlı olarak uzay yük bölgesinin (SCR) genişleyip daralması prensibi üzeredir. Kaynağın pozitif ucu p tarafı kontağına negatif ucu da n tarafının kontağına bağlanırsa diyot iletim yönünde kutuplanır çünkü uzay yük bölgesi en dar şekle gelmiştir ve uygulanan gerilim bu dar bölgenin geçilmesine yeterli bir eşik gerilim değerini aştığı zaman iletim akımı Id akar. Aslında akım eşik değerine yaklaşılan gerilimlerde akmaya başlamaktadır fakat bu gerilimlerdeki akım değerleri iletim akımından küçüktür. Ters kutuplanması halinde idealde diyotun akım iletmemesi gerekmektedir çünkü uzay yük bölgesi çok büyüyecektir açık devre karakteristiği gösterecektir, ancak çok küçük (femto Amper mertebesinde) bir sızıntı akımı akar bu akıma Is ters satürasyon akımı denir. Diyot akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki transandantal denklem ile modellenmektedir. Bu denklemde; IS : Ters satürasyon akımı VD : Diyota uygulanan gerilim n : İdealden uzaklaşma faktörü VT : Termal voltaj V T = k.t q 2

3 Parçalı Lineer Diyot Modeli: Şekil 1.1 Diyot akım-gerilim karakteristiği. Şekil 1.2 Parçalı lineer diyot modeli akım-gerilim karakteristiği. Diyot yukarıda görüldüğü üzere karakteristik eğrisine çizilen teğetlerle parçalı lineer modellenir. Yukarıdaki karakteristik teğetleri incelenirse diyotun; gerilimi iletmeye başladığı bir açma potansiyeline ve iletim yönünde çizilen teğetin eğimi kadar bir iletkenliğe sahip olduğu görülür. Şekil 1.3 İletimdeki diyotun eşdeğer parçalı lineer modeli. Şekil 1.4 Kesimdeki diyotun eşdeğer modeli. 3

4 Diyotun iki bacağına uygulanan gerilim farkı eşik geriliminden büyük olursa diyot iletime geçer aksi halde yani uygulanan gerilim eşik geriliminden küçük veya ters kutuplanmış ise diyot kesimdedir. Diyotun Küçük İşaret Eşdeğeri: Diyot DC kutuplama ile iletime geçirilip diyotu iletimden kesmeyecek kadar küçük bir AC işaret iletilebilir. Bu uygulama genellikle optokuplörlerde veya infra LED ler ile işaret aktarımında kullanılır. DC gerilim ile AC işarete diyotun göstereceği direnç kontrol edilir, böylece DC gerilim ile AC işaretin genliği ayarlanmış olur. r AC = V T I DC Burada diyotun AC küçük işaret analizinde kullanılacak direnç değerini göstermektedir. ise DC analizden elde edilen diyot akımıdır. Bu denklemde bize diyotun DC kutuplamaya bağlı AC direncini göstermektedir. Şekil 3 diyotun küçük işaret kullanımını göstermektedir. Zener Diyot: Zener diyotun parçalı lineer eşdeğer modeli ve diyot eşdeğer modeli aşağıdaki gibidir. Şekil 1.5 Zener diyotun akım-gerilim karakteristiği. 4

5 Şekil 1.6 Zener diyotun eşdeğer parçalı lineer modeli. Yukarıda gösterilen zener eşdeğer devresinde diyotların iç dirençleri ve eşik gerilimleri sıfır kabul edilmiş ve gerekli eşik gerilim değerleri ve iletim dirençleri ilgili diyota seri bağlanmak suretiyle gösterilmiştir. Lehimleme: Lehimleme, elektronik cihazlarda devre elemanlarının bakır plaket üzerine ya da birbirlerine tutturulabilmesi için kullanılan birleştirme yöntemidir. Lehimin Yapısı: Lehim genel olarak kurşun ve kalay karışımından oluşur. Kullanılan kurşun ve kalay miktarına göre değişik durumlar alır. En çok kullanılan bileşimler: %40 Kalay + %60 Kurşun %50 Kalay + %50 Kurşun %60 Kalay + %40 Kurşun Lehimde kullanılan kalay miktarı arttıkça lehim daha kaliteli olur. Kurşun miktarı arttıkça lehim sertleşir. Günümüzde kurşunun insan sağlığına zararlı etkilerinin olmasından dolayı alternatif lehim karışımları üzerinde araştırmalar yapılmaktadır. Yüksek maliyet ve birtakım lehimleme sorunlarının olması halen lehimlemede klasik yöntemlerin tercih edilmesine neden olmaktadır. Lehimleme Tekniği: 1. Havya lehimlemeden bir süre önce fişe takılır ve ısınması sağlanır. 2. İyice ısındıktan sonra havya ucu eğer kirliyse temizlenir. Temizleme işlemi için havya ucu ıslak bir bez ya da sünger parçasına sürtülerek yapılabilir. Temizlemeden sonra havya ucuna lehim sürülerek havya lehim yapmaya hazır hale getirilir. 3. Lehim yapılacak yerin de temiz olması gerekir. 4. Lehim yapılacak yer ve devre elemanı birlikte ısıtılır ve lehim, birleşim noktasına tutulur (havya ucuna değil). Birleşim noktasına gerektiği kadar lehim akıtılmalıdır. 5

6 5. Lehim birleşim yapılacak yerde sıvı hale geldiğinde ve yeteri kadar lehim akıtıldığından emin olunduktan sonra ÖNCE LEHİM TELİ sonra HAVYA çekilerek lehimleme işlemi sonlandırılır. 6. Lehimleme işlemi sırasında parçalardan biri ya da ikisi iyice ısıtılmadan lehim yapıldıysa böyle bir lehimlemeye soğuk lehimleme denir. Bu istenmeyen bir durumdur. Hem güzel bir lehimleme olmaz hem de parçalar birbirini iyice tutmadığı için bağlantı sorunları yaşanır. İyi bir lehimleme pürüzsüz ve parlak olmalıdır. 1.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. Şekil 1.7, Şekil 1.8 deki devrelerin teorik analizlerini yapınız. 2. Kataloglarda verilen diyot parametrelerini araştırıp, deneyde kullanılacak diyotlar için çalışma frekans aralıklarını, maksimum iletim akımlarını ve kırılma gerilimlerini inceleyiniz. 1.3 Deneyin Yapılışı 1. Şekil 1.7 de görülen devreyi 1N4001, AA119, LED ve 5.6V zener elemanları için delikli pertanaks üzerinde lehimleyerek oluşturunuz. Vkaynak geriliminin sekiz farklı değeri için V1 ve V2 gerilimlerini ölçünüz. Ölçtüğünüz değerleri Tablo 1.1 e kaydediniz. (Vkaynak, ayarlanabilir DC gerilim kaynağıdır.) 2. Şekil 1.8 de görülen osiloskop bağlantısını kullanarak 1N4001 ve zener devre elemanları için osiloskobun X-Y modunda karakteristikleri gözlemleyiniz. Gözlediğiniz çıkışları Şekil 1.9 daki ve Şekil 1.10 deki koordinat düzlemi üzerine çiziniz. (Devrenin kısa devre olmaması için Y probu şekilde gösterildiği gibi toprağa, probların toprak uçları ise GND yazan yere takılacaktır.) Sorular : Şekil 1.7 Şekil Deneyde bulduğunuz sonuçlar ile teorik analiziniz arasında farklılıklar var mı? Neden? 2. Kullandığınız farklı diyotların karakteristik eğrilerinde fark var mı? 3. Diyotun küçük işaret modeli nerelerde kullanılabilir? Niçin? 4. Şekil 1.2 deki diyot tam ters yönde bağlansaydı ne değişiklik olurdu? 6

7 DENEY 1 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Şekil 1.9 ( ) Şekil 1.10 ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 7

8 DENEY 2: KIRPICI VE DOĞRULTUCU DEVRELER BÖLÜM 1 Deneyin Amacı: Kırpıcı devrelerin çalışma prensiplerinin deney yoluyla incelenmesi. Malzeme Listesi: 2 adet 1N4001 diyot, 1 adet 1kΩ direnç, 1 adet 22kΩ direnç, 1 adet 1uF kondansatör, 1 adet 2x6V trafo (Trafonuz için güç kablosunu almayı unutmayınız.) (Malzemelerin yedeklerini bulundurunuz.) 2.1 Ön Bilgi: Girişine uygulanan sinyalin bir bölümünü kırpan devrelere kırpıcı adı verilir. En basit kırpıcı devre, Şekil 2.1'de görülmektedir. Diyotun yönüne bağlı olarak giriş sinyalinin pozitif veya negatif alternansı kırpılır. Şekil 2.1 Kırpıcı devre. Şekil 2.2 Kırpıcı devre giriş ve çıkışları. Şekil 2.1 deki kırpıcı yüke seri olarak bağlandığı için seri kırpıcı olarak adlandırılır. Bu devrede v i V D olduğu anda diyot ON olacaktır. Bu durumda v o = v i V D olacaktır. v i < V D olduğu anda ise diyot OFF konumundadır. Bu durumda v o = 0 olacaktır. Diyotun ideal olduğu varsayılırsa Şekil 2.2 de gözlemlenen çıkış elde edilir. Şekil 2.1 deki diyotun kutuplama yönü değiştirildiği durumda ise pozitif alternanslar kırpılırken negatif alternanslar çıkışta görülür. Şekil 2.3 de başka bir kırpıcı devre yapısına yer verilmiştir. Burada diyot çıkışa paralel olduğu için devre paralel kırpıcı devresidir. 8

9 Şekil 2.3 Paralel kırpıcı devresi. Şekil 2.3 deki devrede, v i V D olduğu anda diyot ON olacaktır. Bu durumda v o = V D olacaktır. v i < V D olduğu anda ise diyot OFF konumundadır. Bu durumda v o = V i olacaktır. Diyot ON olduğu durumda bütün akım diyot üzerinden akacağı için çıkışta gözlemlenen gerilim diyotun üzerine düşen gerilim olacaktır. Diyotun OFF olduğu yani negatif alternans geldiği durumda ise çıkış girişe paralel olduğu için çıkışta giriş işareti gözlemlenecektir. Şekil 2.4 de gösterilen kırpıcı devre yapısı sinyalin pozitif kısmından kırpma yapmak için kullanılır. Şekil 2.4 de gösterilen devrede, Şekil 2.4 Pozitif uç kırpıcı devre ve çıkışı. 9

10 v o V D + V DC olduğu anda diyot ON olacağı için çıkışta v o = V D + V DC gerilimi görülür. v o < V D + V DC olduğu anda diyot OFF olacağı için çıkışta v o = v i gerilimi görülür. Bu devre yapısı sinyalim pozitif kısmını kırparken negatif kısmına şekil vermek için kullanılan devre yapısı Şekil 2.5 te verilmiştir. Şekil 2.5 Negatif uç kırpıcı devre ve çıkışı. Şekil 2.5 te verilen devrenin negatif kısmı çıkışta görüldüğü üzere V D V DC ile sınırlandırılmıştır. Daha negatif olduğu kısımlarda diyot ON konumuna geçmektedir. Kenetleme devresi: Kenetleme devresi bir sinyalin DC seviyesini istenen değere değiştirmek içim kullanılır. Şekil 2.6 da negatif kenetleme devresi verilmiştir. Şekil 2.6 Kenetleme devresi, çalışma prensibi ve çıkışı. 10

11 Şekil 2.6 da verilen devrede pozitif alternansta kapasite şarj olur ve diyot ON konumundadır. Diyotun ideal kabul edildiği durumda v 0 = 0 olacaktır. Diyotun iç direnci çok küçük olduğu için küçük kapasite değerleri kısa sürede şarj olacaktır. Negatif alternansta giriş işaretinin kutuplaması değiştiği için ve kapasite üzerinde Vi gerilimi depolandığı için çıkışta v o = 2v i görülür. Şekil 2.6 daki devre sinyali negatif DC seviyesi sağladığı için negatif kenetleme devresi denir. Şekil 2.7 deki devre ise pozitif kenetleme devresidir. Şekil 2.7 Pozitif kenetleme devresi ve çıkışı. Şekil 2.7 de v i < 0 ise Diyot ON, v 0 = 0 v i > 0 ise Diyot OFF, v 0 = 2v i 2.2 Deneyin Yapılışı Şekil 2.8 Negatif uç kırpıcı deney devresi. 1. Şekil 2.8 deki deney devresini kurunuz. 6V AC kaynak için trafonuzdan yararlanınız. Devrenin çıkışını Şekil 2.12 deki grafiklerde gösteriniz. 11

12 Vdd=0V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Vdd=3V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Vdd=8V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Şekil 2.8 Pozitif uç kırpıcı deney devresi. 2. Şekil 2.9 daki deney devresini kurunuz. 6V AC kaynak için trafonuzdan yararlanınız. Devrenin çıkışını Şekil 2.13 deki grafiklerde gösteriniz. Vdd=0V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Vdd=3V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Vdd=8V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. Şekil Şekil 2.10 daki deney devresini kurunuz. 6V AC kaynak için trafonuzdan yararlanınız. Devrenin çıkışını Şekil 2.14 deki grafiklerde gösteriniz. VB1= 3V, VB2= 3V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. VB1= 2V, VB2= 4V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. VB1= 4V, VB2= 2V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. 12

13 Sorular: Şekil Şekil 2.11 deki deney devresini kurunuz. 6V AC kaynak için trafonuzdan yararlanınız. Devrenin çıkışını Şekil 2.15 deki grafiklerde gösteriniz. VB1= 0V için osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. VB1= 2Viçin osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. VB1= 4Viçin osiloskopta gördüğünüz çıkışı çiziniz. 1. Şekil 2.11 deki devrenin diğer devrelerden farkı nedir? 2. Şekil 2.11 deki devrede DC kaynak yerine zener diyot bağlanması durumunda çıkış nasıl olacaktır? 13

14 DENEY 2 BÖLÜM 1 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Giriş İşareti 0V için çıkış 3V için çıkış Şekil V için çıkış Giriş İşareti 0V için çıkış 3V için çıkış 8V için çıkış 14

15 Şekil 2.13 Giriş İşareti VB1= 3V, VB2= 3V için çıkış VB1= 2V, VB2= 4V için çıkış VB1= 4V, VB2= 2V için çıkış Şekil 2.14 Giriş İşareti VB1= 0V için çıkış VB1= 2V için çıkış VB1= 4Viçin çıkış Şekil 2.15 ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorumlar: 15

16 BÖLÜM 2 Deneyin Amacı: Doğrultucu devrelerin çalışma prensiplerinin deney yoluyla incelenmesi. Malzeme Listesi: 4 adet 1N4001 diyot, 1 adet 1kΩ direnç, 1 adet 100kΩ direnç, 1 adet 1µF kondansatör, 1 adet 100µF kondansatör ve 1 adet 2x6V trafo (Trafonuz için güç kablosunu almayı unutmayınız.) (Malzemelerin yedeklerini bulundurunuz.) 2.3 Ön Bilgi DC ve AC gerilim ve akımlar elektronik elemanlara güç sağlamaktadırlar. Günümüzde taşınma ekonomikliği ve etkinliği nedeniyle AC güç nakil hatları kullanılmaktadır. Elektronik elemanlarının pek çoğunun çalışması için gerekli DC güç AC den DC ye doğrultma ile mümkün olmaktadır. Doğru akım tek yönlüdür. Diyotun tek yönlü iletim karakteristiği doğrultma işlemi için en uygun eleman olmasını sağlar. Silikon, germanyum, selenyum ve bakır oksit doğrultucular güç doğrultucuları olarak işlev yapan katı hal elemanlarıdır. Günümüz elektroniğinin en yaygın kullandığı doğrultucu Silikon tabanlıdır. 200 ma ile 1000 A arasında yük akımı iletebilen, 1000 V tan daha yüksek ters tepe gerilimlerine dayanabilen çok çeşitli Silikon doğrultucular mevcuttur. Temelde iki çeşit doğrultma devresi mevcuttur. Bunlar yarım dalga ve tam dalga doğrultuculardır. Yarım dalga doğrultmayı tek yollu doğrultucu devresi, tam dalga doğrultmayı ise iki yollu doğrultucu ve köprü tipi doğrultucu ile gerçeklemek mümkündür. Tek yollu doğrultucu Şekil 2.16 da tek yollu doğrultucu devresi görülmektedir. Diyot tek yönde akım geçiren bir devre elemanıdır. Anodu (+), katodu (-) yapan alternans (pozitif alternans) uygulandığında diyot iletken olur. Bu alternansta, C kondansatörü gerilimin maksimum değerine şarj olur. Bu andan itibaren bir sonraki pozitif alternans gelene kadar C kondansatörü direnç (devre) üzerinden deşarj olarak akımı devam ettirir. İki yollu doğrultucu Şekil 2.17 de iki yollu doğrultucu devresi görülmektedir. Devrenin iki yollu çalışması yani tam dalga çıkış vermesi bir alternansta D1 diyotunun, diğer alternansta ise D2 diyotunun iletken olması ile sağlanır. Tek yollu doğrultucuda giriş işaretinin negatif alternansındaki iletim boşluğu bu devre yardımıyla ortadan kaldırılır ve çıkışa pozitife çevrilmiş olarak verilir. Bu devre tipi sadece orta uca sahip transformatörlerle kullanılabilir. Köprü tipi doğrultucu Şekil 2.18 de köprü tipi doğrultucu devresi görülmektedir. Kullanılan transformatörde orta uca gerek olmaksızın tek alçak gerilim sargısı varsa tam dalga doğrultma yapılmak isteniyorsa köprü tipi doğrultucu kullanılır. Bu devrenin çıkış işareti 2.17 deki devre ile aynıdır. Sadece, 4 adet diyot kullanıldığı için çalışma prensibi farklıdır. Bir alternansta D1 ile D3 iletimdeyse diğer alternansta D2 ile D4 iletimdedir ve çıkışta yine tam dalga işaret gözlenir. 16

17 2.4 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. Tek yollu doğrultucu, iki yollu doğrultucu ve köprü diyotlu doğrultucu devrelerini inceleyiniz. Rapor sorularını cevaplayınız. 2.5 Deneyin Yapılışı 1. Şekil 2.16 daki tek yollu doğrultucu devresini önce kondansatör bağlamadan sonra bağlayarak kurup çıkış işaretini gözleyiniz. Devreyi önce RY=1kΩ ve C=1µf iken, daha sonra ise RY=100kΩ ve C=100µf olduğu durumda inceleyiniz. Çıkış işaretlerini çiziniz 2. Şekil 2.17 deki iki yollu doğrultucuyu kurup devreyi önce RY=1kΩ ve C=1µf iken, daha sonra ise RY=100kΩ ve C=100µf olduğu durumda inceleyiniz. Çıkış işaretlerini çiziniz. 3. Şekil 2.18 teki köprü tipi doğrultucuyu kurup devreyi önce RY=1kΩ ve C=1µf iken, daha sonra ise RY=100kΩ ve C=100µf olduğu durumda inceleyiniz. Çıkış işaretlerini çiziniz. Diğer devreler ile farkını yorumlayınız. Şekil 2.16 Tek yollu doğrultucu devresi. Şekil 2.17 İki yollu doğrultucu devresi. Şekil 2.18 Köprü tipi doğrultucu devresi. 17

18 DENEY 2 BÖLÜM 2 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Tek Yollu Doğrultucu Çıkışları 1kΩ, C = 0 R= 1kΩ, C = 1µF R=100kΩ, C = 100µF İki Yollu Doğrultucu Çıkışları R= 1kΩ, C = 1µF R=100kΩ, C = 100µF 18

19 Köprü Tipi Doğrultucu Çıkışı R= 1kΩ, C = 1µF R=100kΩ, C = 100µF ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 19

20 DENEY 3: BİPOLAR JONKSİYONLU TRANSİSTÖR KARAKTERİSTİKLERİ Deneyin Amacı: Bipolar transistörlerin giriş-çıkış karakteristiklerinin anlaşılması ve pratik olarak transistörlü devrelerde ölçüm yapmak. Malzeme Listesi: 1 adet BC237 veya BC238 transistör, 1 adet 1kΩ, 1 adet 120kΩ direnç, 1 adet 1N4001 diyot 3.1 Ön Bilgi Günümüzde akım kontrol elemanı olarak en çok kullanılan yarıiletken düzenler bipolar transistörlerdir. Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup npn ve pnp tipi olmak üzere iki ana grupta toplanmıştır. Bacak bağlantıları baz (B-base), kollektör (C-collector) ve emetör (E-emitter) ile ifade edilir. Bir npn tipi transistörü göz önüne alarak akım kontrol mekanizmasını inceleyelim. Transistörün emetör- baz eklemi geçirme yönünde, kollektör-baz eklemi de tıkama yönünde kutuplanmış olsun (Şekil 3.1). Şekil 3.1 Npn transistörün fiziksel yapısı ve bacak bağlantıları. Npn transistör n-p arası emetör-baz diyotu, p-n arası baz-kollektör diyotu şeklinde düşünülebilir. Npn transistörü çalıştırmak için emetör-baz diyotu ileri, baz-kollektör diyotu ters kutuplanmış gibi düşünülür. Ancak transistörün yapısı her ne kadar diyotun yapısına benzese de çalışması ve fonksiyonları diyottan farklıdır. Npn tipi transistör için bu anlatılanlar pnp tipi bir transistör için de geçerlidir. Tek fark akım ve gerilimlerin yönlerini yukarıdakinin tersi olmasıdır. Transistörün yarı iletken yapısı ile ilgili ayrıntılara daha fazla girilmeyecektir. Transistörün DC Eşdeğer Modeli Npn ve pnp transistöri için en sık kullanılan bağlantı tipi Şekil 3.2 de verilmiştir. Emetörün hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak olması sebebiyle bu devre tipine ortak emetörlü devre denir. Bu deneyde ortak emetörlü bağlantı kullanılacaktır. 20

21 Şekil 3.2 Npn ve pnp tipi transistör için ortak emetör devre bağlantısı ve akım yönleri. Transistörlerin dört çalışma bölgesi vardır. Bunlar doyum, aktif, kesim ve ters aktiftir. Şekil 3.3 de aktif modda çalışan bir transistörün DC eşdeğer modeli verilmiştir. Şekil 3.3 Aktif modda çalışan bir transistörün DC eşdeğer devresi. Transistörlü bir devrede DC analiz yapılırken transistörün aktif bölgede çalıştığı bulunursa, devrede transistör yerine Şekil 3.3 te verilen model kullanılarak analiz yapılabilir. Bu modele ait akım-gerilim bağıntıları Tablo 3.1 de verilmiştir. Tablo 3.1 Aktif modda çalışan bir transistörün DC akım-gerilim bağıntıları. 21

22 Bir transistörlü devrede transistörün DC çalışma noktası (Q point) DC analizle bulunur. DC çalışma noktasını devredeki kutuplama elemanları (DC kaynak,direnç, vb.) belirler. Transistörün çalışma noktasındaki akım ve gerilimleri (IBQ, ICQ, VCEQ) bulunduktan sonra, bu çalışma noktasındaki transistörün AC sinyaller için davranışını gösteren AC eşdeğer model ile AC analiz yapılabilir. Transistör Özeğrileri Şekil 3.2 deki gibi kutuplanmış bir transistör için çeşitli akım-gerilim ilişkilerini gösteren eğrilere veya eğri ailelerine transistör öz eğrileri denir. Bu eğriler arasında en önemli olanları: giriş öz eğrileri geçiş öz eğrisi çıkış öz eğrileri VBE=f(VBE,VCE) IC=f(IB) IC=f(IB,VCE) eğrileridir. Bu eğriler kabaca Şekil 3.4 de verildiği gibidir. Eğrilerden görüleceği üzere hem giriş hem de çıkış özeğrileri eğrisel (nonlineer)dir. Giriş öz eğrilerinin VCE ye bağımlığı az olduğundan genellikle tek bir eğri ile verilirler. 22

23 Şekil 3.4 Transistör özeğrileri. Transistör eğriler üzerinden kolayca belirlenebilen bir Q çalışma noktasında kutuplanmışken IBQ akımı IB kadar ve VCEQ gerilimi VCE kadar değiştirilirse, VBEQ ve ICQ da meydana gelecek değişimler özeğriler yardımıyla Şekil 3.4 de gösterildiği gibi belirlenebilir. 3.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. BC237 nin katalog bilgilerini araştırıp bacak bağlantısını öğreniniz. Transistörü multimetre yardımıyla sağlamlık testinin nasıl yapılacağını araştırıp, transistöre sağlamlık testi yapınız. Transistörün parametresini multimetre ile ölçüp kaydediniz. 2. Deneyde kuracağınız devrenin analizini matematiksel olarak ve deneyin yapılışı kısmındaki bütün adımları benzetim yoluyla (Orcad Pspice simülatör yardımıyla) yapıp çalışma noktasındaki akım ve gerilimleri karşılaştırınız. 3.3 Deneyin Yapılışı 1. Giriş Özeğrilerinin Çıkarılması: Şekil 3.5 deki devreyi kurunuz. (BC237 veya BC 238 transistörünü kullanınız.) VCC gerilim kaynağı ile VCC=7.5V sabit tutarak, VBB gerilim kaynağını Tablo 3.2 de verilen VBB değerlerini verecek şekilde ayarlayınız. R1 direnci üzerindeki gerilimi ölçüp kaydediniz. Şekil 3.6 daki giriş özeğrisi grafiğini çiziniz. (Her 23

24 VBB değeri için VCC=7.5V olacak şekilde VCC kaynağını her adımda ayarlamayı unutmayınız) Şekil 3.5 Deneyde kurulacak ortak emetörlü devre. 2. Çıkış öz eğrilerinin çıkarılması: Şekil 3.5 deki devrede Tablo 3.3 de verilen değere gelinceye kadar VBB gerilim kaynağını ayarlayınız. Sonra VCC gerilim kaynağını artırarak VCC gerilimini ayarlayınız ve R2 direnci uçlarındaki gerilimi ölçerek tabloya kaydediniz. Aynı işlemi Tablo 3.4-Tablo 3.7 için tekrarlayınız. Şekil 3.7 deki çıkış özeğrisi grafiğini çiziniz. 24

25 DENEY 3 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Tablo 3.2 Giriş özeğrisi ölçüm tablosu. VCC=sbt VBB[V] VR1[V] IB[µA] 7.5 V Tablo 3.3 Çıkış özeğrisi ölçüm tablosu. VBB=sbt VCC[V] VR2[V] IC[mA] 0.10 V Tablo 3.4 Çıkış özeğrisi ölçüm tablosu 2. VBB=sbt VCC[V] VR2[V] IC[mA] 0.30 V Tablo 3.5 Çıkış özeğrisi ölçüm tablosu 3. VBB=sbt VCC[V] VR2[V] IC[mA] 0.50 V Tablo 3.6 Çıkış özeğrisi ölçüm tablosu 4. VBB=sbt VCC[V] VR2[V] IC[mA] 0.70 V Tablo 3.7 Çıkış özeğrisi ölçüm tablosu 5. VBB=sbt VCC[V] VR2[V] IC[mA] 1 V

26 Şekil 3.6 Giriş özeğrisi. Şekil 3.7 Çıkış özeğrisi. ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 26

27 DENEY 4: TRANSİSTÖRÜN ZAMAN, ISI VE IŞIK ANAHTARI OLARAK KULLANILMASI Deneyin Amacı: Endüstride anahtar olarak kullanılan transistörlerin kesim ve doyum bölgelerindeki çalışmalarını incelemek. Transistörün zaman, ışık ve ısı değişimleriyle anahtarlama yaptığını öğrenmek. Malzeme Listesi: 1 adet 330 direnç, 1 adet 1k direnç, 1 adet 100k direnç, 1 adet 100k POT direnç, 1 adet 220 f kondansatör, 1 adet BC237 transistör, 1 adet LED, 1 adet LDR(1k ~10k ), 1 adet NTC (1k ~10k ) veya PTC 4.1 Ön Bilgi Zaman Gecikmeli Devreler Günümüzde birçok yerde zaman gecikmesiyle çalışan veya duran devreler kullanılmaktadır. Elektronik zaman gecikmeli devreler çeşitli yapı elemanlarıyla çeşitli prensiplerde çalışacak şekilde yapılırlar. Bunları genel olarak üç grupta toplayabiliriz. 1) Zaman gecikmesiyle çalışmaya başlayan devreler, 2) Zaman gecikmesiyle çalışmasını durduran devreler, 3) Programlanabilir zaman gecikmeli devreler. Zaman gecikmesiyle çalışmaya başlayan devreler: Anahtara basıldığında kontrol edilen devreyi ayarlanan süre sonunda çalıştırırlar ve çalışma sürekli devam eder. Aynı çalışmanın tekrarı için devrenin ya beslemesi kesilmeli ya da gecikme devresinde görev yapan kondansatör uçlarındaki gerilim sıfır yapılmalıdır. Zaman gecikmesiyle çalışmayı durduran devreler: Anahtara basıldığında kontrol edilen devreyi hemen çalıştırırlar, ayarlanan süre sonunda çalışmayı otomatik olarak durdururlar. Aynı çalışmanın tekrarı yukarıda bahsedilen yollardan birinin uygulanması ile mümkündür. Programlanabilir zaman gecikmeli devreler: Bir makinenin önceden belirlenen bir programa göre belli sürelerde çalışma ve durdurma işlemlerini periyodik olarak sürdüren devrelerdir. Doğrusal çalışan analog zamanlayıcılarda zaman gecikmesi, bir direnç üzerinden yavaş yavaş şarj olan bir kondansatörle sağlanır. Bir RC devresiyle en fazla 1,5-2 saatlik gecikme sağlanabilir. Bu süre aşılmak istenirse, kondansatörden yeterli akım akamadığından şarj olamaz. Sayısal zamanlayıcılarda zaman gecikmesi, frekansın multivibratör (Flip-flop) devreleriyle bölünmesiyle elde edilir. Bu tip zamanlayıcılar ile daha uzun gecikmeler elde etmek mümkündür. RC Zaman Sabiti ( ) : = R x C 27

28 Dolan bir kondansatörde zaman sabiti, boş bir kondansatörün %63 üne doluncaya kadar geçen süredir. Boşalan bir kondansatörde zaman sabiti ise, dolu bir kondansatörün %37 sine boşalıncaya kadar gecen süredir. Şekil 4.1 Bir kondansatörün dolma karakteristiği. Şarj olan bir kondansatörün herhangi bir andaki şarj gerilim değeri; Formülüyle hesaplanır. Bu formülde: Vc=Kondansatör şarj gerilimi Vs=Kaynak gerilimi R=Ohm olarak direncin değeri C=Farad olarak kondansatörün değeri t=saniye olarak 0 anından sonraki zamandır. Isı Kontrol Devreleri Isıtıcı-soğutucu cihazlarda, sıcaklık koşulları değiştiğinde çalışmasının da değişmesi istenen devrelerde ısı kontrolü yapılır. Termistör ısı ile çalışan bir anahtardır. Genellikle metallerin ısı ile genleşmesi prensibine göre çalışır. İki çeşittir: NTC (Negative Temperature Coefficient) : Negatif ısı katsayılı dirençtir. Isındıkça direnç değeri azalır. Soğuyunca artar. PTC (Positive Temperature Coefficient) : Pozitif katsayılı dirençtir. Isındıkça direnci artar. Soğuyunca azalır. Işık Kontrol Devreleri Ortamda ışık olup olmaması durumlarına göre otomatik olarak çalışan devreler ışık kontrollü devrelerdir. Sokak lambalarının güneş batımında yanması, hava aydınlandığında otomatik olarak sönmesi bu tip devrelere güzel bir örnektir. Işık kontrol devreleri, ışık etkisiyle direnci değişen LDR (Light Dependent Resistor) yani foto direnç elemanı kullanılır. Foto direnç üzerine ışık düşürüldüğünde direnci azalır, üzerinden geçen akım artar. 28

29 4.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. Deneyde kullanılacak olan LDR ve NTC elemanları ile RC zaman sabiti hakkında bilgi edininiz. Bu elemanlarla devre çalışmasını inceleyip aşağıdaki soruların cevaplarını araştırınız. İpucu: 2. Deneye gelmeden önce almış olduğunuz LDR, NTC (PTC) elemanlarının direnç değerlerini ve direnç değerlerinin ortam koşullarıyla (ışık ve ısı) değişimini tespit ediniz. Şekil 4.2 deki devreyi bu doğrultuda yeniden tasarlayınız. Deneyin 2. ve 3. aşamalarında kuracağınız devreler sizin tasarladığınız devreler olacaktır. LDR nin aydınlık ve karanlık ortamlarda gösterdiği direnç değerlerini, NTC (PTC) nin ortam sıcaklığında ve el ile biraz ısıtıldıklarında direnç değişimlerini kaydediniz (Tablo 4.1). LDR ve NTC (PTC) sırasıyla C1 kondansatörünün yerine yerleştirilip, transistörün doğru kutuplanması ve doğru zamanlarda anahtarlama yapmasını sağlamak için R1 direncinin değeri bulunacaktır. 100k luk R2 direnci ile ince ayar yapılacaktır. LDR li devre, ortam ışığında OFF durumunda (LED sönük), karanlıkta ON durumunda (LED yanık) olacak şekilde çalışacaktır. NTC li devre ortam ısısında ON durumunda, NTC ısıtıldığında OFF durumunda olacak şekilde çalışacaktır. Almış olduğunuz 100k luk potansiyometrenin (POT) ayaklarına tel lehimleyiniz. Aksi takdirde POT un ayakları çok büyük olduğu için boardun üzerine yerleşmeyebilir. 4.3 Deneyin Yapılışı 1. Şekil 4.2 de verilen devreyi kurup çalışmasını inceleyiniz, tabloda istenen noktalardaki gerilimleri ölçüp kaydediniz. Tablo 4.2 ve 4.3 ü doldurunuz. C1 kondansatörünün üzerine paralel bağlayacağınız bir anahtar ya da tel yardımı ile kondansatörü kısa devre ediniz ve şarj süresince LED in durumunu gözleyiniz. R2 POT unun değerini değiştirdiğinizde devrenin çalışmasının nasıl değiştiğini inceleyiniz. 2. Şekil 4.2 deki devreyi LDR kullanarak ışık kontrollü devre haline getiriniz, devrenin çalışmasını inceleyiniz. Tablo 4.2 ve 4.3 ü doldurunuz. C1 kondansatörü yerine LDR takınız. Deneye gelmeden önce yaptığınız hesaplamalar doğrultusunda R1 direncini bağlayınız. R2 POT u ile ince ayar yapınız. Devrenin ortam ışığında ve karanlıkta çalışmasını gözlemleyiniz. 3. Şekil 4.2 deki devreyi NTC ya da PTC kullanarak ısı kontrollü devre haline getiriniz, devrenin çalışmasını inceleyiniz. Tablo 4.2 ve 4.3 ü doldurunuz. C1 kondansatörü yerine NTC (PTC) takınız. Deneye gelmeden önce yaptığınız hesaplamalar doğrultusunda R1 direncini bağlayınız. R2 POT u ile ince ayar yapınız. Devrenin ortam ısısı ve ısıtıldığında çalışmasını gözlemleyiniz. 29

30 4. Şekil 4.2 deki devrede LDR kullanarak Şekil 4.3 te verilen grafiğe IC- VCE karakteristiğini çiziniz. Karakteristiği çizmek için akım ve gerilimi sıfırdan veya sıfıra yakın bir noktadan ölçmeniz daha sonra akım ve gerilimi belirli aralıklarda artırarak en az beş nokta için ölçüm almanız gerekmektedir. Ölçüm sonucunda bulduğunuz noktaları grafikte işaretleyerek birleştirerek karakteristiği elde ediniz ve çalışma bölgelerini yorumlayınız. Sorular: Şekil R ve C elemanları ile ne tip devre yapıları oluşturulabilir? 2. LDR hakkında bilgi veriniz. Bu elemanla ne tip devreler oluşturulabilir? 3. NTC ve PTC elemanları hakkında bilgi veriniz. Bu elemanlarla ne tip devreler oluşturulabilir? 4. Deneyde kurduğumuz devrenin ne gibi sınırlamaları vardır? Nerelerde kullanılabilir, nerelerde kullanılamaz? 5. Şekil 4.2 deki devrede R2 direncinin görevi nedir? 6. Merdiven otomatiği devresi tasarlayınız. 7. Hava karardığında otomatik olarak evin ışıklarını açacak ve perdelerini kapatacak bir devre tasarlayınız. 8. Yazın hava ısındığında soğutucuyu, kışın soğuduğunda ise ısıtıcıyı çalıştıracak bir devre tasarlayınız. 9. Elektronik termometre devresi tasarlayınız. 10. Aydınlık olunca LED i yakan bir devre tasarlayınız. Ek elemanlar kullanarak bir butona basılana kadar LED in sönmemesini sağlayınız. 30

31 DENEY 4 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Tablo 4.1 Tablo 4.2 Tablo 4.3 Şekil 4.3 ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 31

32 DENEY 5: REGÜLELİ GÜÇ KAYNAKLARI Deneyin Amacı: Gerilim regülatörü devre topolojilerini ve çalışma prensiplerini öğrenmek. Malzeme Listesi: 1 adet 2x6V trafo, 1 adet 560Ω direnç, 1 adet 10kΩ POT direnç, 4 adet 1N4001 diyot, 1 adet 9.1V zener diyot, 1 adet 470μF 25V kondansatör, 1 adet 100μF 35V kondansatör, 1 adet 1000μF 35V kondansatör, 1 adet BC140 transistör 5.1 Ön Bilgi Regüleli Güç Kaynakları: Elektronik cihazlar harcadıkları güçlere göre farklı akımlara ihtiyaç duyarlar. Örneğin; bir radyo veya amplifikatörün hoparlöründen duyulan ses şiddetine göre devrenin güç kaynağından çektiği akım değişir. Güç kaynağından çekilen akımdaki değişme ise gerilimin devamlı değişmesine neden olur. Regüleli güç kaynakları, çekilen değişik akımlarda ve şebeke gerilimindeki değişimlerde çıkış gerilimi sabit olan kaynaklardır. Yüksek bir gerilim kaynağından, daha düşük fakat sabit bir gerilim elde edilir. Bir zener diyot ve bir transistör kullanılarak basit ve kullanışlı bir regüleli güç kaynağı yapılabilir. Regüleli güç kaynakları olarak Anahtarlamalı Güç Kaynakları da (SMPS) mevcuttur. Ancak halen çoğu yerde tasarım kolaylığı, pratikliği ve maliyeti sebebiyle klasik regüleli güç kaynakları kullanılmaktadır. Zener Diyotlu Regüleli Güç Kaynağı: Zener diyotlar özel yapılı silisyum diyotlardır. Doğru polarizasyonda normal diyot gibi çalışırlar, uçlarındaki gerilim arttıkça içlerinden geçen akım da artar. Ters polarizasyon altında ise eşik geriliminin (Vzener ) altında μa ler seviyesinde kaçak akımlar geçirirler ki bu akımlar ihmal edilebilir. Diyot uçlarındaki gerilim kırılma gerilimine ulaştığında diyottan geçen akım hızla artmaya başlar. Kırılma noktasında akımda meydana gelen hızlı artış, zenere bir direnç bağlandığında zener uçlarındaki gerilimin pratik olarak kırılma gerilimine eşit kalmasını sağlar. Bu nedenle zener diyot devrede ters polarizasyon altında ve bir ön dirençle çalıştırılır. Bu direnç zener diyodun akımını sınırlayan ve gerilim düşümü yapan koruma direncidir. Aşağıda Şekil 5.1 de bir zenerli regülatör devresi görülmektedir. Şekil 5.1 Zener diyotlu regüleli güç kaynağı. 32

33 Bu devrede giriş gerilimi ile zener geriliminin farkı direnç üzerinde düşer. Zenerden maksimum 5mA lik akım geçtiği varsayılırsa direnç gerilimi bu akıma bölünerek direncin minimum değeri hesaplanır. Bu değerden daha küçük direnç kullanılırsa zenerden geçen akımın artmasına dolayısıyla zenerin yanmasına neden olur. Transistörlü Paralel Regülatör Devresi: Şekil 5.2 Transistörlü paralel regülatör devresi. Şekil 5.2 de görülen devre, transistör yüke paralel bağlandığı için paralel regülatör devresi olarak adlandırılır. U1, doğrultucu çıkışı, U2 ise regülatör çıkış gerilimdir. Zener diyot transistorün emetörüne bağlandığından emetör gerilimi zener kırılma geriliminde sabit kalır. P potansiyometresi ile R2 ve R3 dirençleri gerilim bölücü olarak çalışır ve transistorün baz polarmasını kontrol eder. R1 direnci devreye seri bağlanmıştır, devreden çekilen akım değiştiğinde bu direnç gerilimi de değişir. Oluşabilecek durumlar: 1. U1 gerilimi artarsa; A-B gerilimi artar. Dolayısıyla transistör baz polarması ve transistör akımı artarak A-B gerilimini normal değere getirir. 2. U1 gerilimi düştüğü zaman A-B çıkış gerilimi düşer. Dolayısıyla baz polarması düşer. Emetör gerilimi zenerden dolayı sabittir. Düşen polarma transistör akımını düşürür ve gerilim normal değere yükselir. 3. Yük akımı arttığında R1 direncine düşen gerilim artar. A-B gerilimi düşer. Baz polarması ve transistör akımı azalır. Çıkış değeri normal seviyeye yükselir. 4. Yük akımı azaldığında R1 de düşen gerilim de azalır. A-B gerilimi artar. Baz polarması ve transistör akımı yükselir. Transistör akımının artması çıkış gerilimini düşürür. Seviye sabit kalır. Transistorlü Seri Regülatör Devresi: Seri regülatörde transistör yüke seri bağlıdır. Yük akımı transistör üzerinden geçer. Eğer bir kaynağın regülasyonu kötüyse iç direnci büyük demektir. Bu devre kaynağın yüksek olan iç direncini küçültür. İyi bir regülasyon için giriş gerilimi çıkış geriliminden en az 5V yüksek seçilmelidir. 33

34 Şekil 5.3 Transistörlü seri regülatör devresi. Şekil 5.3 de seri bir regülatör devresi görülmektedir. R2 ve zener gerilim bölücü gibi çalışmaktadır. Transistorün baz gerilimi zenerden dolayı sabittir. Çıkış gerilimi V2 de zener gerilimden Vbe gerilimi kadar eksiğinde sabitlenir. V1 gerilimi arttığında zener akımı artar. R2 gerilimi arttığı için transistor ün iletkenliği azalır. Transistör üzerinde daha fazla gerilim düşer ve çıkış gerilimi sabitlenir. V1 gerilimi azaldığında ise tam tersi olur. 5.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. Regülasyon ne demektir, araştırınız? 2. Föyde anlatılan klasik regülatörün ne gibi avantaj, dezavantajları vardır. Dezavantajlıysa, bunların yerine kullanabileceğimiz alternatif devreler var mı? 3. Bir regülatör tasarlarken transformatör, transistör ve zener nasıl seçilmelidir? 4. Regülatör yerine kullanabileceğimiz entegre devreler var mıdır? Araştırıp örnek veriniz. 5.3 Deneyin Yapılışı 1. Şekildeki devreyi kurunuz. Köprü diyot çıkışı ile devre çıkış gerilimini (Vo) osiloskopta üst üste gözleyiniz. Çıkış geriliminin 9.1V değerinde sabit kaldığını görünüz. Sonucu kaydediniz ve Şekil 5.6 daki grafiği çiziniz. Şekil 5.4 Zener diyotlu regülatör devresi. 2. Çıkışa birbirine seri 560Ω ve 10kΩ POT u yük olarak bağlayarak çıkış geriliminin değişimini inceleyiniz, sonucu kaydediniz ve yorumlayınız. 3. Şekil 5.5 te yük direncini bağlamadan, köprü çıkış gerilimi, transistorün baz gerilimi ve çıkış gerilimini ölçüp sonucu kaydediniz, Şekil 5.7 deki grafiği çiziniz, yorumlarınızı yazınız. 34

35 Şekil 5.5 Transistörlü seri regülatör devresi. 4. Yük olarak 10kΩ POT bağlayınız ve Çıkıştan 1mA ile 250mA arasında akım çekerek çıkış gerilimini ve aynı zamanda yük akımını ölçünüz Şekil 5.7 ye kaydediniz. Böylece regülatörün hangi akım aralığında çıkış gerilimini sabit tutabileceğini gözleyiniz. 5. İki regülatör arasındaki farkları sonuç sayfasında yorumlayınız. 35

36 DENEY 5 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. 1. Zener diyotlu doğrultucu sonuç ve yorumlar : Şekil Transistörlü doğrultucu sonuç ve yorumlar : Şekil 5.7 ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenler ve değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 36

37 DENEY 6: BİPOLAR JONKSİYONLU TRANSİSTÖRLÜ KUVVETLENDİRİCİNİN FREKANS CEVABI Deneyin amacı: Tek katlı ortak emetörlü kuvvetlendiricilerde kazancın eleman değerlerine ve frekansa bağlılığını gözlemek. Malzeme Listesi: 1 adet BC237 transistör, 2 adet 10μf kondansatör, 1 adet 470μf kondansatör, 1 adet 1nf kondansatör, 1 adet 82kΩ direnç, 1 adet 8.2kΩ direnç, 1 adet 1kΩ direnç, 1 adet 3.3kΩ direnç, 1 adet 12kΩ direnç 6.1 Ön Bilgi Küçük genlikli işaretlerin büyük genlikli işaretlere dönüştürülmesini sağlayan devrelere Kuvvetlendirici Devreler denir. Bu devreler girişlerine uygulanan sinyalleri, kuvvetlendiricinin gerilim kazancı kadar yükselterek çıkışa verirler. Çıkışta elde edilen güç, girişe verilen gücün kuvvetlenmiş halidir. (Transformatörlerde ise sekonder çıkışında elde edilen güç ile primer tarafından verilen güç birbirlerine eşittir. VP IP = VS IS ). Bir önceki kuvvetlendirici devresinin çıkışının, bağlantısı benzer diğer bir kuvvetlendirici devresinin girişine bağlanması (Kaskat Bağlantı) ile oluşan ve birden fazla transistör içeren devreler çok katlı kuvvetlendiriciler olarak adlandırılır. Yüksek kazanç elde etmek için bu tür kuvvetlendiriciler kullanılır. Uygulama alanlarına ve istenen performansa göre kuvvetlendiriciler 3 farklı bağlantı biçiminde kullanılır. Transistörün AC Eşdeğer Modelleri Burada verilecek AC modeller Q DC çalışma noktası etrafındaki küçük genlikli AC değişimler için transistörün davranışını tanımlarlar. Bu modeller VBE üzerinde 10 mv u aşmayan AC değişimler için geçerlidirler. Bu modeller, DC Q çalışma noktası için geçerli bazı parametreler ile tanımlanır. Transistörün bu parametreleri her Q çalışma noktası için farklı olabilir. Bu parametreler transistör öz eğrilerinden elde edilebilir. Bu deneyin amaçlarından birisi de izleyen deney devreleri için yapılacak AC analizlerde kullanılacak model parametrelerinin öz eğrilerden elde edilmesidir. i) Melez- Modeli B i b + i c v be r g mv b r - C E Şekil 6.1 Transistörün melez- modeli. i e 37

38 ii) Hibrid Model hie B C i b i c h rev c h fei b 1/h o v be v ce - v be i c h h ie i fe i b b h h re oe v v ce ce - - i e E Şekil 6.1 Transistörün hibrid modeli. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici Ortak emetörlü devre, emetörün girişle çıkış arasında ortak kullanıldığı kuvvetlendirici biçimidir. Ortak emetörlü devre diğer kullanılan kuvvetlendiricilere (Ortak Kollektörlü Kuv., Ortak Bazlı Kuv.) göre kullanımı daha yaygın olan kuvvetlendirici devresidir. Çıkışta elde edilen güç kazancı diğer kuvvetlendiricilere kıyasla çok yüksektir. Ayrıca devrenin giriş direnci de yüksek olduğundan kaskat bağlamaya uygundur. Ortak emetörlü kuvvetlendiricinin temel devresi Şekil 6.3 de verilmiştir. Şekil 6.3 de ise kuvvetlendiricinin (giriş çıkış eğrisi) geçiş eğrisi verilmiş olup, kuvvetlendirme işlemi rahatlıkla görülmektedir. Şekil 6.3 Şekil 6.4 Şekil 6.4 den görüldüğü gibi giriş ile çıkış arasında 180 o lik faz farkı bulunmaktadır. Şekil 6.4 de geçiş eğrisi üzerinde verilen değerlere göre, Şekil 7.3 deki kuvvetlendirici devresi giriş sinyali Vi yi 10 kat kuvvetlendirmiştir. A v = V 0 V i = = 10 38

39 Girişe verilen sinyalin gerilim seviyesi çok düşük veya yüksek olması durumunda çıkış sinyali bozulmaya (kırpılır) uğrar. Bu da çıkışta distorsiyonlu işaretin elde edilmesine neden olur. Girişe verilen sinyalin gerilim seviyesi çok düşük ve ya yüksek olması durumunda çıkış sinyali bozulmaya (kırpılır) uğrar. Bu da çıkışta distorsiyonlu işaretin elde edilmesine neden olur. Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Ortak kollektörlü devre, kollektörün girişle çıkış arasında ortak kullanıldığı kuvvetlendirici biçimidir. Devre yüksek giriş direnci ve düşük çıkış direncine sahiptir. Fakat elde edilen gerilim ve güç kazancı ortak emetörlü kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre oldukça düşüktür. Ortak Kollektörlü devrede DC giriş akımı IB, DC çıkış akımı IE dir. Buna göre DC akım kazancı; hfc=(ß + 1), VCE sabit olmak üzere hfc=ie / IB olur. - Ortak kollektörlü devrelerin özellikleri; - Gerilim kazancı 1 den küçük - Giriş empedansı yüksek, örneğin 300 Kohm - Çıkış empedansı çok küçük, 2ohm 300 ohm - Giriş ve çıkış arasında faz farkı yok. Ortak kollektörlü devreler bağlandıkları devreleri yüklemezler. Çıkışları ise düşük empedanslı olduğu için çoğunlukla güç yükselteci, regülatör çıkış katı ve tampon devreler olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ortak Bazlı Kuvvetlendirici Ortak bazlı devre, bazın girişle çıkış arasında ortak kullanıldığı kuvvetlendirici biçimidir. Bu tür kuvvetlendiriciden elde edilen gerilim kazancı yüksek olmasına rağmen, giriş direnci düşük, çıkış direnci yüksek olan kuvvetlendirici biçimidir. Kuvvetlendiricinin Performansını Tanımlayan Önemli Parametreler Gerilim Kazancı Akım Kazancı Güç Kazancı Giriş Direnci Çıkış Direnci Kuvvetlendirici tasarlarken istenilen parametre değerleri sağlanacak şekilde eleman değerleri ve kuvvetlendirici tipi seçilir. Ayrıca çıkışta minimum distorsiyon sağlanacak şekilde girişteki gerilim seviyesi ayarlanır. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici Devresinin Teorik Analizi: Bu deneyde ortak emetörlü kuvvetlendirici devresinin eleman değerlerine ve frekansa bağımlılığını gözleyeceğimizden Şekil 6.5 teki OE lü devrenin teorik analizini yapalım. 39

40 Şekil 6.5 Şekil 6.5 teki OE kuvvetlendirici devresinden görüldüğü gibi giriş gerilimi baz gerilimi, çıkış gerilimi ise kollektör gerilimidir. Devre DC şartlar altında incelendiğinde devrede bulunan kapasiteler açık devre, AC şartlar altında (orta frekans bölgesinde) incelendiğinde ise kısa devre edilir. Bu koşullar dikkate alınarak Şekil 6.5 teki ortak emetörlü devrede kullanılan elemanları inceleyelim. C1: Bu kondansatör girişten gelecek DC sinyali yalıtmak amacıyla kullanılır. C2 : Bu kondansatör, kuvvetlendiricinin çıkışına bağlanan devreye DC işaret gönderilmesini engeller. Devreleri DC bileşenler açısından yalıtmak amacıyla kullanılan kondansatörlere bağlama kondansatörleri denir. CE : AC işaretler açından incelendiğinde kısa devre olur ve RE direncinin kazanç üzerindeki olumsuz etkisini ortadan kaldırır. Değişken işaretler açısından istenmeyen elemanların kısa devre edilmesi için kullanılan kondansatörlere köprüleme kondansatörleri denir. RE : Emetör direnci DC şartlar altında incelendiğinde devreye olumlu yönde etkisi olmaktadır. RE direnci, kuvvetlendiricinin özelliklerinin transistör parametrelerine olan bağımlılığını azaltmakta ve iyileştirici etkiler meydana getirmektedir. Transistördeki kaçak akımlar nedeniyle kollektör akımında ve transistörün β değerinde meydana gelen değişimler, RE direnci sayesinde çalışma noktasında büyük bir kayma yaratmayacaktır. AC şartlar altında emetörde köprülenmemiş direnç bulunması devrenin kazancını mutlak olarak azalmasına neden olacaktır. R1 ve R2: Devrede gerilim bölücü olarak kullanılan bu dirençler ile IB akımı, dolayısıyla IC akımının değerleri kontrol edilebilir. Orta frekans bölgesinde Kuvvetlendirici orta frekans bölgesinde incelendiğinde, bağlama ve köprüleme kondansatörleri (C1,C2,CE) kısa devre edilir. Kuvvetlendirici içinde kullanılan transistörlerin, yapısından kaynaklanan iç kapasiteleri bulunmaktadır. Bu kapasiteler yarıiletken elemanların yapısında bulunan jonksiyonlar arasında meydana gelir. Bu kapasiteler pf değerindedir. Kuvvetlendirici orta ve düşük frekans bölgesinde incelendiğinde bu kapasitelerin empedans değerleri çok büyük olacağından açık devre gibi düşünülebilir. Şekil 6.4 te OE lü kuvvetlendiricinin orta frekans bölgesinde eşdeğer devre modeli verilmiştir. 40

41 Şekil 6.6 Kuvvetlendiricinin Kazanç-Frekans Eğrisi: Bu bilgiler doğrultusunda kuvvetlendiricinin kazanç-frekans eğrisi çizildiğinde Şekil 6.7 deki eğri elde edilir. Şekil 6.7 Kazanç frekans eğrisinden görüldüğü gibi kazancın 1/ 2 sine düştüğü noktalar (Q, P ) köşe frekansları olarak adlandırılır. Kuvvetlendiriciden maksimum kazanç elde etmek için kuvvetlendirici orta frekans bölgesinde çalıştırılmalıdır. Q noktasına karşılık gelen frekans fl alt kesim frekansı, P noktasına karşılık gelen frekans üst kesim frekansı olarak adlandırılır. Köşe frekansları arasında kalan bölge kuvvetlendiricinin bant genişliği olarak adlandırılır. Bant genişliği = fh fl 6.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. BC237 nün deneyde ve raporda yapacağınız teorik hesaplarda kullanabileceğinizi düşündüğünüz katalog bilgilerini araştırınız. 2. Şekil 6.10 daki devreyi DC çalışma koşullarında inceleyiniz. (Deneyde incelenen devrenin eleman değerlerini kullanarak devrenin DC çalışma noktasındaki ICQ ve VCEQ değerleri hesaplanacak). 3. Orta frekanslarda aynı devrenin giriş ve çıkış empedanslarını ve kuvvetlendiricinin gerilim kazancını bulunuz. 4. Devrenin alt ve üst kesim frekans değerlerini bulunuz. 5. Hesaplamalar doğrultusunda elde edilen kritik noktaları, Kazanç-Frekans eğrisi üzerinde gösteriniz. (Hesaplamalar için ders notlarınız yeterli olacaktır. Hesaplamalarda transistörler için gerekli parametreler kataloglardan elde edilecektir.) 6.3 Deneyin Yapılışı 41

42 1. Şekil 6.8 de verilen devreyi kurunuz. (Vin değişken frekanslı sinüzoidal gerilim kaynağıdır.) 2. f=1khz ve Vin=20mV (peak to peak) uygulayınız. CE devredeyken ve değilken gerilim kazancını ve akım kazancını bulunuz. 3. Devrede bulunan transistörün VCE değerini ölçerek, transistörün hangi bölgede çalıştığını belirtiniz. 4. Sinyal üretecinin frekansını değiştirerek devrenin alt ve üst kesim frekansını belirleyiniz. 5. Şekil 6.9 da verilen devre için f=1kz ve Vin=20mV (peak to peak) olan giriş işareti verildiğinde gerilim kazancını bulunuz. Şekil 6.8 Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici. V2 12V R1 82k Rc 12k Cc Cs Q2 470u 0 Vin 10u BC237BP/ZTX Ce 10u Vo VAMPL = 20mV FREQ = 1000 R2 8.2k Re 1k RL 3.3k C4 1n Şekil 6.9 Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici. Sorular: 1. Girişe verilen sinyalin gerilim seviyesinin düşük ve yüksek olması durumunda çıkışta elde edilen sinyal bozulmaya uğrar. Bu durumu giriş-çıkış eğrisi üzerinde gösteriniz. 2. OE lü devre DC şartlar altında incelendiğinde RE direncinin devreye olumlu etkisi nasıl olmaktadır. 0 42

43 3. Transistörün yarı iletken yapısından kaynaklanan ve jonksiyonlar arasında oluşan jonksiyon kapasitesi ve difuzyon kapasitesinin yüksek frekanslarda etkisi nasıl olmaktadır. 4. Kaskat bağlı çok katlı transistörlü kuvvetlendiricilerde kazanç nasıl hesaplanır. Hesaplamada yer alan parametreleri blok bazında basit olarak gösteriniz. 5. Şekil 6.10 da iki katlı yükselteç devresinde, birinci katın gerilim kazancı AV1 = 40; ikinci katın gerilim kazancı AV1 = 50 ve birinci katın giriş gerilimi Vİ1 = 1mV ise ikinci katın çıkış gerilimi VO2 i hesaplayınız. 6. Şekil 6.10 daki kuvvetlendirici devresinin toplam gerilim ve güç kazancını belirli empedans ve akım parametrelerine bağlı olarak formülüze ediniz. Şekil W çıkışlı bir yükselteç 10Ω luk bir hoparlöre bağlanmıştır. a-) Güç kazancı 25dB ise tam güç sağlamak için gereken giriş gücünü bulunuz. b-) Yükseltecin gerilim kazancı 40dB ise nominal çıkış için giriş gerilimini hesaplayın. Şekil Uygulamada kazancın frekansa göre değişimi genelde Desibel cinsinden verilir. Decibel kavramı ve ilgili hesaplamalar hakkında bilgi edininiz. Şekil 6.11 de görülen frekansnormalize kazanç eğrisinin desibel cinsinden kazanç(db)-frekans grafiğini tekrar elde ediniz. (Normalize kazanç, her bir frekanstaki kazanç değeri orta frekanslardaki kazanç değerine bölünerek elde edilir.) 43

44 DENEY 6 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. CE devredeyken ve değilken elde edilen kazanç grafiklerini veriniz. Her iki durum için elde edilen kazanç eğrilerini yorumlayınız. Sinyal üretecinin frekansını değiştirerek elde ettiğiniz kazanç-band genişliği eğrisini veriniz. Kuvvetlendiricinin band genişliği nedir? ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 44

45 DENEY 7: MOSFET KARAKTERİSTİKLERİ Deneyin Amacı: Bir MOSFET transistörün çalışmasını teorik ve pratik olarak öğrenmek. Malzeme Listesi: 1 adet BS170 N-Kanal (Kanal Oluşturmalı) mosfet ya da muadili. (Transistörlerin yanma olasılığına karşı yedek transistör getiriniz.) 1 adet 1N4001 diyot, 1 adet 1kΩ direnç 7.1 Ön Bilgi Alan etkili transistörler (field-effect transistor, FET) bir yarıiletkenin içinden akan akımın bir elektriksel alan yardımı ile kontrol edilmesi prensibine dayanırlar. FETler yapı bakımından iki sınıfa ayrılırlar: jonksiyonlu alan etkili transistörler (JFET) ve yalıtılmış geçitli alan etkili transistörler (metal-oksit-yarıiletken transistörler, MOSFET). Bunların ortak önemli özellikleri çok büyük (teorik olarak sonsuz) giriş direncine sahip yarıiletken aktif devre elemanları olmalarıdır. MOSFET lerin gitgide daha geniş ölçüde kullanıldıkları bir alan da dijital tümdevrelerdir. Bunun nedeni MOSFET lerin boyutlarının daha küçük olması (dolayısıyla birim kırmık alanı (pul) içine daha çok transistör sığdırma olanağı sağlaması) ve üretim süreçlerinin transistörlere oranla daha kolay olmasıdır. Bir MOS transistörün kesiti Şekil 7.1 de verilmiştir. p-tipi bir yarıiletken taban yüzeyinde iki bölge difüzyonla katkılanarak n-tipine dönüştürülmüştür. Biri source diğeri drain olarak adlandırılan bu uçlar arasında kalan p-tipi yarıiletken tabakanın üzeri çok ince bir yalıtkan (yarıiletkenin silisyum olması durumunda silisyum dioksit) tabaka ile kaplanmıştır. Yüzeyin geri kalan kısmı, daha kalın bir yalıtkan tabaka ile kaplanmıştır. İnce oksit tabakanın üst yüzeyi üzerine bir iletken (genellikle polisilisyum veya alüminyum) film oluşturulmuştur. Bu yapıda ince oksit tabakasının yüzeyindeki iletkene geçit elektrodu denir. Şekil 7.1 Bu elemanın source ucu ile drain ucu arasına bir gerilim uygulandığında source taban veya drain taban jonksiyonları tıkama yönünde kutuplanmış olacağından devreden pratik olarak akım akmaz. Şimdi p-tipi tabanla geçit elektrodu arasına geçidi tabana göre pozitif yapacak yönde bir doğru gerilim uygulandığını düşünelim. Meydana gelen alan etkisi ile, yarıiletken tabanın oksit tabakasına yakın yerlerde pozitif taşıyıcılar (delikler) itilerek bu bölgeden uzaklaştırılırken, elektronlar oksit-yarıiletken geçiş yüzeyine doğru çekilirler. Uygulanan gerilimin bir değeri için bu bölgedeki elektron yoğunluğu delik yoğunluğunu aşar; yani geçit elektrodu altında kalan 45

46 bölgede ince bir yarıiletken tabakası, p-tipinden n-tipine dönüşmüş olur. Böylece, zaten n-tipi olan source ve drain bölgeleri arasında bir iletim yolu (kanal) oluşmuş olur. Kanal n-tipi olduğundan böyle bir MOS a n-kanallı MOS veya kısaca nmos denir. Kanal bölgesinin uygulanan gerilimle tip değiştirmesi olayına evirtim, kanal bölgesine de evirtim tabakası denir. Evirtimin meydana gelmesi için gereken minimum geçit gerilimine de eşik gerilimi denir ve genellikle VT ile gösterilir. Geçide uygulanan pozitif gerilim arttırılırsa n-tipine dönüşen tabakanın kalınlığı artar, yani kanal direnci küçülür. Yeteri kadar büyük bir gerilim uygulanarak kanalı oluşturulmuş bir MOS transistörde source (S) ucu ile drain (D) ucu arasına bir gerilim uygulanırsa kanal boyunca bir akım akar. Akımın değeri VDS gerilimi ile orantılı olarak artar. S ucu tabana bağlanmış bir n kanallı MOS da D ucu S ye göre pozitif olacak şekilde bir gerilim uygulanırsa çok küçük VDS değerleri için akım gerilim bağıntısı yine lineerdir. VDS gerilimi arttırılırsa, kanalın S ucuna yakın noktalarda geçit taban gerilimi, uygulanmış olan VGS gerilimine eşit olduğu halde, kanal içinde D ye doğru gidildikçe akmakta olan akımın kanal direncinde meydana getirdiği gerilim düşümü sebebi ile geçitle taban arasındaki gerilim azalır ve bir noktadan sonra VT eşik geriliminin altına düşer. Böylece kanal kısılır. Bundan sonra VDS gerilimi arttırılsa da akım daha artamaz. Şimdi tüm bu anlatılanlar ışığında MOSFET in çalışma bölgelerini inceleyelim: MOSFET in çalışma bölgeleri: i. Kesim bölgesi: VDS = 0 iken, ancak VGS > VT durumunda MOSFET iletime geçer, VGS < VT için Drain ucunda hiçbir hareketli yük bulunmayacağından ID = 0 dır. VGS < VT ve ID = 0 koşullarında transistör kesimdedir (cut-off) ve açık bir anahtar davranışı gösterir. ii. Direnç bölgesi (doymasız bölge): VGS>VT olduğunda kanal iletkenliği VDS tarafından kontrol edilmektedir. Direnç bölgesi VGS VT>VDS eşitsizliği ile tanımlanır. VDS nin bu küçük değerleri için MOSFET direnç özelliği göstermektedir yani ID akımı VDS ile doğrusal olarak değişmektedir (Lineer Bölge). I D = β [(V GS V T )V DS V DS 2 2 ] iii. Doyma Bölgesi: Doyma bölgesi şartı VGS VT < VDS (sıfırdan büyük) dir. Idealde, doyma bölgesinde ID akımı VDS den bağımsızdır ve sabittir. ID akımının değeri sadece efektif kontrol gerilimi VGS VT nin bir fonksiyonudur. Dolayısıyla I D = β 2 (V GS V T ) 2 dir. 46

47 Şekil 7.2 Şekil 7.2 de gösterilen akım gerilim karakteristiği ideal bir MOSFET içindir. Gerçekte ise doyma bölgesinde ID akımı, VDS ile az da olsa artar. Bu etkinin sebebi kanal boyu modülasyonu dur. Kanal boyu modülasyonu etkisi de dikkate alınarak: I D = k ( W L ) (V GS V T ) 2 (1 + λv DS ) yazılabilir. Kanal boyu modülasyonu dijital devreler için genellikle ihmal edilir ancak analog devreler için önemli olabilir. Buraya kadar anlatılmış olan MOS larda geçite bir gerilim uygulanmadığı sürece bir iletim kanalı yoktur. Kanalı, geçide uygulanan gerilim oluşturur. Bu yüzden, bu tip bir MOS a kanal oluşturmalı MOS (enhancement MOS, normally-off MOS) denir. Lojik devrelerde kullanılan MOS lar bu tiptendir. Bazı uygulamalarda geçide gerilim uygulanmamışken MOS un belirli bir ölçüde iletken olması, VGS gerilimini bir yönde değişimi ile akımın artması, diğer yönde değişimi ile akımın azalması istenir. N-kanallı MOS transistörlerde bu durum tabanın katkı yoğunluğuna bağlı olarak, genellikle kolayca sağlanır, p-kanallı yapılarda kanal bölgesinin katkılanması gerekir. Bu tipten bir MOSa da kanal ayarlamalı MOS (depletion MOS, normallyon MOS) denir. 8.2 Deney Öncesi Yapılacaklar 1. MOSFET transistörlerin çalışma prensiplerini ve önemli parametrelerini inceleyiniz. 2. MOSFET transistörlerin transfer karakteristiklerini inceleyiniz. 3. Bacak bağlantıları ve eşik değerleri için BS170 kataloğuna bakınız. 4. Deney sonundaki sorulara hazırlanınız. 7.3 Deneyin Yapılışı 1. Şekil 7.3 teki devreyi kurup VDS kaynağını 2V a ayarlayınız. Daha sonra VGS yi 0V dan itibaren arttırarak mosfetin iletime geçtiği VGS eşik gerilimini tespit ediniz. 2. VGS ve VDS gerilimlerini 0V a ayarlayınız. Daha sonra VGS yi 0V dan itibaren 0.5V adımlarla 2V a kadar arttırırken her adım için; VDS nin 0V, 0.1V, 0.2V, 0.3V, 0.4V, 0.5V, 1V, 2V, 4V, 6V, 8V ve 10V değerlerinde devreden geçen ID akımını ölçünüz. ID akımını değerlendirirken 1K lık direnç üzerindeki gerilimi göz önüne alınız. Bulduğunuz 47

48 değerler ile Tablo 7.1 i doldurunuz. Bu tablodan yararlanarak ID-VDS karakteristiğini Şekil 7.4 teki koordinat eksenine çiziniz. 3. Mosfetin ID VDS eğrisini osiloskop ekranında gözlemlemek üzere uygun devreyi kurunuz. Gözlemlediğiniz eğriyi Şekil 7.5 teki koordinat eksenine çiziniz. 4. I C V CE grafiğini çizip çalışma noktasını gösteriniz. Grafiği çizerken sıfır noktaları haricinde herhangi iki nokta belirleyiniz ve grafiği o şekilde çiziniz. Sıfır noktalarını devreye zarar vereceğinden ölçmeye çalışmayınız. Şekil 7.3 Sorular: 1. İdeal bir gerilim kontrollü akım kaynağının 3 önemli özelliğini belirtiniz. 2. NMOS kanal oluşturmalı bir MOSFET in temel yapısını çiziniz. 3. NMOS kanal ayarlamalı bir MOSFET in temel yapısını çiziniz. 4. NMOS kanal oluşturmalı bir transistörün çıkış ve geçiş karakteristiklerini çiziniz. 5. NMOS transistörlerin PMOS transistörlere göre daha çok kullanılmasının nedeni nedir? 6. Eşik gerilimi VT nin i) kanal oluşturmalı ii) kanal ayarlamalı MOSFET ler için anlamını açıklayınız. 7. Bir MOSFET e ilişkin W/L oranının ID akımına etkisi nedir? 8. Bir MOSFET direnç olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 9. Bir MOSFET anahtar elemanı olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 10. Bir MOSFET kuvvetlendirici olarak kullanılabilir mi? Nasıl? 11. CMOS ne demektir? 48

49 DENEY 7 SONUÇ SAYFASI Ad Soyad : Numara : Grup No: Amaç: Deney sırasında gerekli yerleri doldurunuz. Mosfetin İletime Geçtiği VGS Eşik Gerilimi : VT = Tablo 7.1 Şekil 7.4 Şekil 7.5 ÖNEMLİ NOT: Çizilen grafiklerde eksenlerin ait olduğu değişkenlerin birimleri mutlaka yazılmalıdır. Birimsiz grafikler değerlendirmeye alınmayacaktır. Sonuç ve Yorum: 49

50 DENEY 8: MOSFET Lİ KUVVETLENDİRİCİ DEVRELERİNİN FREKANS CEVABI Deneyin Amacı: Mosfetli kuvvetlendiricilerde kazancın frekansa ve eleman değerlerine bağımlılığını gözlemek. Malzeme Listesi: 1 adet BS170 ya da muadili mosfet, 3 adet 1μF kondansatör, 3 adet 100μF konansatör, 1 adet 220Ω direnç, 1 adet 1kΩ direnç, 1 adet 10kΩ direnç, 1 adet 360kΩ direnç, 1 adet 1MΩ direnç, 1 adet 10kΩ POT direnç 8.1 Ön Bilgi MOS lu Kuvvetlendiriciler: MOSFET olarak adlandırılan yarıiletken eleman iki gruba ayrılır: Kanal oluşturmalı MOSFET Kanal ayarlamalı MOSFET Kanal oluşturmalı MOSFET te drain ile source arasında belli bir kanal transistörün üretimi sırasında oluşturulmamıştır. Gate ile source arasına uygulanan gerilim sayesinde bu kanal oluşur. Kanal ayarlamalı MOSFET te ise bu kanal zaten vardır. VGS gerilim ile kanal genişliği ayarlanarak ID akımı ayarlanır. ID akımının VDS geriliminden bağımsız alınabildiği doyma bölgesinde; ilişkisi vardır. Prensip olarak kuvvetlendirici devrelerinde her düğümden toprağa doğru bir kondansatör mevcuttur. Kuvvetlendirici devrelerinde kondansatör kullanılmasının amacı, AC işaretler açısından istenmeyen elemanların kısa-devre edilmesidir. AC işaretler göz önüne alındığında kondansatörün değeri, çalışılan frekans aralığında yeteri kadar büyük seçilmiş ise kondansatörler kısa-devre kabul edilir. Devreye dışarıdan bağlanan kondansatörler, alçak frekanslarda devrenin AC işaret özellikleri üzerinde etkili olacaktır. Kuvvetlendirici içerisinde kullanılan transistörlerin iç kapasiteleri (parazitik kapasiteleri) bulunmaktadır. Bu kapasiteler, transistör ve benzeri yarıiletken elemanların yapısında oluşan jonksiyonlarda meydana gelmektedir. Bu parazitik kapasiteler yüksek frekanslarda etkili olarak kuvvetlendiricinin yüksek frekanslardaki davranışını etkiler. Düşük ve orta frekanslı işaretler için ihmal edilir. Transistörlü kuvvetlendiriciler için kazanç dışındaki diğer önemli parametreler, giriş ve çıkış empedanslarıdır. Çünkü birden fazla kuvvetlendirici ard arda bağlandığında bu parametreler farklı katlar arasındaki ilişkinin bir ölçütü olmaktadır. Örneğin iki kat arka arkaya bağlandığında ikinci katın giriş direnci düşük olursa birinci kattan akım çeker ve birinci katın kazancını düşürür. Bu yüzden kuvvetlendiricilerin yüksek giriş direnci ve düşük çıkış direnci sağlaması istenir. 50

51 Ortak Source lu kuvvetlendiriciler en yüksek güç kazancını sağlarlar ve bu yüzden de en çok kullanılan devrelerdir. Ortak Drain li kuvvetlendiriciler yüksek giriş empedansı ve küçük çıkış empedansına sahip olduğundan bazen avantajlı olabilirler ve buffer gibi kullanılabilirler. Ortak Gate li kuvvetlendiriciler ise düşük giriş ve büyük çıkış direncine sahiptirler. ORTA FREKANS BÖLGESİNDE; Ortak Sourcelu Devre: Şekil 8.1 Ortak Source lu Mosfet Kuvvetlendirici Orta Frekans Eşdeğer Devresi. Şekil 8.2 Tek katlı MOSFET kuvvetlendiricinin temel devresi. Şekil 8.2 de Y terminali toprağa, X terminali AC giriş kaynağına, Z terminali ise RL yük direncine bağlanırsa ortak sourcelu devre elde edilir. MOSFET in çalışma noktası negatif beslemeye bağlı R direnci ile belirlenir.bu direnç yerine bir akım kaynağı da kullanılabilir. Bir RB direnci MOS un gate ucunu toprağa bağlar. Bu direnç DC sürekliliği sağladığı gibi gate ucunda DC gerilimi sıfır voltlarda sabit tutar. Gate akımı çok küçüktür. Bu yüzden RB direnci çok büyük olabilir. RD direnci ise MOS un drain ucunu pozitif beslemeye bağlar. Bu DC drain geriliminin salınımına izin verir. Son olarak üç tane büyük değerli kapasite drain, source ve gate i yük direncine, AC giriş gerilimine ve toprağa bağlamak için kullanılır. 51

52 Yukarıdaki bağıntılara göre ortak source lu kuvvetlendirici, RB ile kontrol edilen yüksek giriş direncine sahiptir. Yüksek gerilim kazancı ve çıkış direnci sağlar. Ortak Gateli Devre: Ortak gate li devre Şekil 8.2 deki X terminali toprağa bağlanarak elde edilebilir. Giriş sinyali, Y terminaline bağlanarak source ucuna bağlanmış olur. Z terminaline RL çıkış direnci bağlanarak çıkışın drain ucundan alınması sağlanır. Bu kuvvetlendiricinin analizini yapabilmek için önce rd giriş direncini ihmal edelim. Devrede VGS = Vi dir. Vi üzerinden gmvi akımı akmaktadır. Buradan giriş direncinin 1/gm olduğu açıktır. Şekil 8.3 Ortak Gate li Mosfet Kuvvetlendirici Orta Frekans Eşdeğer Devresi. Rin 1/ gm Gerilim kazancını bulmak için, (ro ihmal edildiğinden) drain akımı gmvgs = gmvi ye eşitlenir. Buradan şu bağıntılar bulunur. rd direncini işleme katarsak Rin giriş direncinin fazla değişmediğini görürüz. Buna karşın gerilim kazancı şu şekilde elde edilebilir: A v = g m [R L //R D //r d ] Bu bağıntılara göre ortak gate li devrenin gerilim kazancı ortak source lu devreninkine eşittir. Tek farkı pozitif olmasıdır. İki konfigürasyon arasındaki diğer önemli bir fark da ortak gate li devrenin giriş direncinin ortak source lu devreninkinden daha küçük olmasıdır. Tek avantajı, ortak source lu devreden daha geniş bant-genişliğine sahip olmasıdır. Ortak Drainli Devre: Ortak drain li devre bir buffer kuvvetlendiricidir. Yüksek giriş, düşük çıkış direnci ve bire yakın gerilim kazancı vardır. Ortak drainli devre Şekil 8.2 de Z terminalinin toprağa, Y terminalinin RL yük direncine ve X terminalinin AC kaynağa bağlanmasıyla elde edilir. Devreden Rin=RB=RG olduğu görülür. 52

53 Şekil 8.4 Ortak Drain li Mosfet Kuvvetlendirici Orta Frekans Eşdeğer Devresi. R out = [(1/g m )//r d ] R out (1/g m ) R L = için; V o = g m V GS r d ve V i = V GS + V o = V GS + g m V GS r d dir. Buradan; 8.2 Deney Öncesi Yapılacaklar Deney öncesinde MOSFET lerin kazanç ve frekans özelliklerinin ve eleman değerlerine bağımlılığının araştırılmış olması gerekir. Deney sırasında ise bu bilgilerin pratik olarak gözlenmesi hedeflenmektedir. Bu nedenle, deneyde kullanılacak elemanın katalog bilgilerinden de yararlanarak aşağıdaki devrenin kazançlarını, bu kazançların RD ve giriş frekansına bağlı olarak nasıl değiştiğini ve devrelere ilişkin önemli gördüğünüz diğer parametreleri (deneyde kullanılacak tüm kapasite değerleri için ayrı ayrı) hesaplayınız. 8.3 Deneyin Yapılışı 1. Şekil 8.5 teki devreyi kurup giriş ve çıkış işaretlerini osiloskop ekranında gözleyerek kazancını belirleyiniz. Daha sonra giriş işaretinin frekansını sırasıyla 100Hz, 1kHz, 10kHz, 100kHz ve 1Mhz değerlerine ayarlayarak her durum için kazancı belirleyiniz. Giriş işaretini veren sinyal jeneratörünü uygun kademelere getirerek devrenin alt ve üst kesim frekanslarının aralığını yaklaşık olarak bulunuz. Devredeki C1, C2 ve C3 kapasitelerinin sırayla 100μF ile değiştirip a ve b şıklarında yaptığınız işlemleri tekrarlayınız ve sonuçları tablo halinde veriniz. Bulduğunuz tüm sonuçları hesapladığınız değerler ile karşılaştırınız. C1,C2 ve C3 kapasitelerindeki değişimlerin gerilim kazancı, alt ve üst kesim frekansları üzerinde nasıl etki etmektedir karşılaştırınız. 53