olarak çalýºmasýdýr. AC sinyal altýnda transistörler özellikle çalýºacaklarý frekansa göre de farklýlýklar göstermektedir.

Transkript

1 Transistorlu Yükselteçler Elektronik Transistorlu AC yükselteçler iki gurupta incelenir. Birincisi; transistorlu devreye uygulanan sinyal çok küçükse örneðin 1mV, 0.01mV gibi ise (örneðin, ses frekans ön yükselteçleri, yüksek frekans ön yükselteçleri gibi) o zaman transistorlu devre "Küçük Sinyal Yükselteci" olarak incelenir. Küçük Sinyal Yükselteçlerini incelemek için transistörün küçük sinyal modelini göz önüne almak gerekir. Bir diðer durum ise; Transistörün büyük sinyal altýnda çalýºmasý örneðin güç yükselteci olarak çalýºmasýdýr. AC sinyal altýnda transistörler özellikle çalýºacaklarý frekansa göre de farklýlýklar göstermektedir. Yukarýda emitörü topraklý bir transistorlu devre görülmektedir. R 1, R 2, R C ve R E dirençleri transitörün bayaslanmasýný (kutuplanmasý) yani DC olarak istenilen yerde çalýºmasýný saðlamak içindir. ªimdi devreye AC bir sinyal uygulanmýº olsun, Burada iki güç kaynaðý (biri AC diðeri DC) birbirine baðlandýðýnda neler olduðuna bakalým. Baºlangýçta S anahtarý açýk olsun. R 1, R 2 ve V CC den oluºan devre kýsmýný sadeleºtirelim. Bu durumda ; V B =V CC x R 2 / (R 1 + R 2 ) R B = R 1 x R 2 / R 1 + R 2 Olmaktadýr. Yani B noktasýndaki gerilim transistörün beyzine uygulanan bayas gerilimidýr. Bir örnek verecek olursak; V CC =12V, R 1 =100K, R 2 =10K olursa B noktasýndaki gerilim; V B =12 x 10 / ( ) V B =1,09V bulunur. R B = R 1 x R 2 / R 1 + R 2 R B =100 x 10 / R B =9,09K bulunur. 1 / 7

2 ªimdi S anahtarýný kapatalým. Kondansatör DC gerilimi bildiðiniz gibi geçirmez. AC gerilimi ise geçirir. AC sinyal B noktasýnda aynen görülecektir. B noktasýnda ayný zamanda DC gerilimde olduðu için buradaki bileºke gerilim AC ve DC sinyallerin toplamý olacaktýr. V B Toplam =V B + V i Bu durumu grafik olarak ºekillerde görülmektedir. Grafikten de anlaºýlacaðý gibi v i AC gerilimi V B DC gerilimini deðiºtirmektedir. Bildiðimiz gibi beyz akýmýný V B gerilimi oluºturmaktaydý. Eðer V B gerilimi deðiºiyorsa I B akýmý da buna baðlý olarak I C akýmlarý da deðiºecektir. Bu deðiºiklik giriºe uygulanan AC sinyalin ºekli biçiminde olacaktýr. Bir kondansatör DC gerilimi hiç geçirmez. AC gerilime ise bir direnç gösterir. Bu dirence AC sinyallerde empedans denir. Devredeki kondansatörlerin empedansý devredeki baðlý olduklarý eºdeðer direncin (giriº devreleri için R B eºdeðer direnci, yada R E emitör direnci yada R L yük direnci) en çok 1/10 u kadar olursa kondansatörlerin direnci ihmal edilir. Kondansatörlerin empedansý AC sinyalin frekansýna ters orantýlý olarak baðlýdýr. Kondansatörlerde frekans yükseldikçe empedans azalýr. Bir kondansatörün empedansý X C ile gösterilir. Birimi ohm dur. X C =1/(2 x pi x f (Hz) x C (Farad) ) Bilindiði gibi bobinler DC sinyallere 0 ohm direnç gösterirler. AC sinyallere ise doðru orantýlý olarak baðlýdýrlar. Bobinlerde frekans yükseldikçe empedans çoðalýr. Bir bobinin empedansý X L olarak gösterilir. Birimi ohm dur. X L =2 x pi x f (Hz) x L (Henri) ªimdi birinci ºeklimizin nasýl AC yükselteç olarak çalýºtýðýný görelim. Aºaðýdaki ºekle dikkat ederseniz C E kondansatörü konulmamýº. Aºaðýdaki ºekil Emitörü Topraklý bir devredir. 2 / 7

3 Devremizdeki v i giriº sinyalinin baºlangýçta 0V olduðunu ya da uygulanmadýðýný varsayalým. Bu durumda transistör üzerinden sabit olarak geçen I C akýmý kollektörle toprak arasýnda sabit bir gerilim oluºturacaktýr. Bu durumu grafiklerde de görmekteyiz. V C gerilimi sabit yani DC olduðu için C 2 kondansatörü tarafýndan R L üzerine geçmesi engellenmekte ve v o çýkýº gerilimi da 0V olmaktadýr. ªimdi v i giriº sinyalinin devreye uygulandýðýný düºünelim. Bu durumda v i sinyali yönü ve ºiddetine baðlý olarak transistörün beyzindeki DC gerilimi deðiºtirecektir. Yani v i sinyali yükselirken V B gerilimi de yükselecek, v i sinyali azalýrken de V B gerilimi azalacaktýr. V B gerilimindeki deðiºim v i sinyalinin dalga ºeklinin aynýsýdýr. Bildiðimiz gibi V B gerilimi I B akýmýný oluºturmaktadýr. I B akýmý da I C akýmýný.. Bu durumda I C akýmý da v i giriº sinyalinin ºeklinde olacaktýr. Yani v i giriº gerilimi artarken I B ve I C akýmlarý da artacak, v i giriº gerilimi azalýrken I B ve I C akýmlarý da azalacaktýr. Tabi ki I C akýmý I B akýmýndan daha fazla olacaðý için devremizde bir akým kazancý söz konusudur. Acaba v i giriº gerilimi artarken v o çýkýº gerilimi de artýyor mu? Hayýr, v i giriº gerilimi pozitif yönde yükselirken v o çýkýº gerilimi negatif yönde artmaktadýr. Bu tip emitörü topraklý (CE common emitter) devrelerde giriº gerilimi ile çýkýº gerilimi arasýnda 180 o faz farký vardýr. Çýkýº gerilimindeki deðiºim giriº geriliminden büyük olduðu için bir gerilim kazancý da söz konusudur. C E kondansatörünün etkisi Bu kondansatörün DC ºartlarda hiç bir etkisi yoktur. Fakat AC sinyallerde üzerine baðlý bulunduðu R E direncini kýsa devre edecektir. Bu direncin AC sinyallerde kýsa devre olmasý, I B akýmýnýn baðlý olarak da I C ve I E akýmlarýnýn artmasýna neden olacaktýr. Yani C E kondansatörü olan devrelerde kazanç C E kondansatörü olmayanlardan daha fazladýr. 3 / 7

4 Özetleyecek olursak, bir transistörün AC yükselteç olarak çalýºmasýnda giriºine uygulanan sinyalin V B gerilimini buna baðlý olarak I B akýmýný ve I C akýmýný deðiºtirmesinden ibaret olduðu görülmüºtür. Ayrýca devredeki kondansatörlerin alternatif akýmda kýsa devre olarak düºünülmesi gerektiðini kabul etmeliyiz. Bu kondansatörler AC sinyallerde her zaman kýsa devre olmaz. Özellikle filitre devrelerinde farklý düºünmek gerekir. Çok Katlý (Multi Stage) Yükselteçler Burada yükselteçlerin arka arkaya baðlanmasý konusunu inceleyeceðiz. Tahmin edeceðiniz gibi tek transistorlu yükselteçler yeterli yükseltme saðlamazlar. Örneðin bir mikrofona konuºtuðumuz zaman, mikrofon çýkýºýndaki 1-2mV civarýndaki sinyalin bir hoparlörden duyulabilmesi yada bir radyonun anteninde oluºan 0,01mV civarýndaki sinyalin hoparlörden duyulabilmesi için epeyce yükselteci arka arkaya baðlamak gereklidir. Çok katlý yükselteçlerde ilk yükselteç yada ilk birkaç yükselteç çok önemlidir. Bu yükselteçleri oluºturan transistörlerin iç gürültüleri çok az olmalý. Buda nedir derseniz, çok katlý yükselteçlerde toplam kazanç her yükseltecin kazancýnýn, bir sonraki yükseltecin kazancý ile çarpýmýna eºittir. Bu nedenle ilk transistörde üretilen gürültü çýkýºta çok büyük gürültü haline dönüºebilir. Bir yükseltecin çýkýºýný diðer yükseltecin giriºine baðlamak için bazý kurallara uymak zorundayýz. Nedir bunlar? 1- Her yükseltecin DC çalýºma ºartý vardýr. Yükselteçler arka arkaya baðlandýklarýnda birbirlerinin DC çalýºma ºartlarýný bozmamalýlar. 2- Bir yükselteç çýkýºýnda oluºan sinyal diðer yükseltecin giriºine baðlanýrken en az kayýp ve bozulmaya uðramalýdýr. 3- Yükselteçler arka arkaya baðlanýrken giriº ve çýkýº empedanslarýnýn (AC dirençlerinin) birbirlerine uygun olmasý gereklidir. Direk Baðlama (Direct Coupling): Özellikle ön yükselteçlerde kullanýlan ve en ucuz olan baðlama yöntemi DÝREK BAÐLAMA yöntemidir. Bu baðlama (baðlamaya kuplaj da denir) ºekli adýndan da anlaºýldýðý gibi bir yükseltecin çýkýºýný diðerinin giriºine doðrudan baðlamakla saðlanýr. 4 / 7

5 ªekilden de anlaºýlacaðý gibi her transistörün çýkýº gerilimi ayný zamanda diðer transistörün bayas gerilimini saðlamaktadýr. Bu tür devrelere DC yükselteç de denmektedir. DC yükselteçler özellikle çok düºük frekanslara hatta 0Hz (DC) den baºlayarak devrenin izin verdiði en yüksek frekanslara kadar çalýºýrlar. Bu nedenle çok geniº uygulama alanlarýna sahiptir. Örneðin DC regülatörler, ses yükselteçleri mantýk devreleri gibi. Ayrýca entegre devrelerin iç yapýlarýnda kondansatör bobin gibi devre elemanlarýný kullanmak çok zor olduðu için direk baðlamalý yöntem kullanýlýr. Bu devrelerde hem AC hem de DC sinyaller giriºten çýkýºa kadar yükseltilirler. Devrenin giriºinde olabilecek bir DC bayas kaymasý (ýsý, DC gerilimde olabilecek kaymalar) devrenin çýkýºýnda çok büyük deðiºiklere sebep olur. Devrenin kararlýlýðýný saðlamak için bu tür devrelerde besleme geriliminin çok düzgün olmasý gerekmektedir. Ayrýca ek önlemler olarak bazý geri besleme devreleri ilave edilir. (Geri besleme; bir devrenin gerek AC gerekse DC kararlýlýðýný saðlamak üzere çýkýºtan alýnan sinyalin uygun ºekilde giriºe verilmesi ile saðlanýr.) Direk baðlamalý devrelerde transistörleri TAMAMLAYICI (Copmlementary) ºekilde baðlayarak da DC kararlýlýk kýsmen saðlanabilir. Aºaðýdaki ºekilde iki transistörün Tamamlayýcý ºekilde nasýl baðlandýðý görülmektedir. Direk baðlantýlý yükselteçlerde toplam kazanç her yükseltecin kazancýnýn çarpýmýna eºittir. Kazanç A ile gösterilir. Örneði iki katlý bir yükseltecin toplam gerilim kazancý; Av = Av 1 x Av 2 olarak ifade edilir. Direk baðlantýlý iki transistorlu yükselteçler Darlinton baðlantýsý adý verilen bir tür özellikle baðlanarak güç yükselteçlerinin çýkýº katý olarak kullanýlýr. Bu iki transistör hazýr olarak tek bir kýlýf içinde olabileceði gibi bizde iki ayrý transistörü uygun ºekilde baðlayarak Darlinton bir transistör elde edebiliriz. Aºaðýdaki ºekle dikkat edecek olursanýz E B C markalamasý tek transistör için yapýlmýºtýr. 5 / 7

6 Darlinton transistörlerde toplam ß deðeri her iki transistörün ß deðerlerinin çarpýmýna eºittir. ß = ß 1 x ß 2 Darlinton transistörlerin giriº empedanslarý da çok yüksektir. Yaklaºýk olarak; R i = ß x R o (R o, çýkýº empedansýdýr.) Direk baðlý yükselteçler için bir özet yapacak olursak; DC kararlýklarý iyi deðil Güç kaynaklarý çok iyi olmak zorunda Frekans bant geniºlikleri çok iyi RC Baðlama (RC Coupling): Bir devrenin çýkýºýndaki sadece AC sinyali sonraki devrenin giriºine aktarmak istiyorsak ve bu iki devreyi birbirine baðlarken empedans uyumu sorunu yoksa baðlama elemaný olarak kondansatör kullanýlýr. Bu kondansatöre kuplaj kondansatörü denir. Devrenin RC kýsmýnýn C si aradaki kuplaj kondansatörü, R si ise birinci transistörün R C si ve ikinci transistörün beyzine baðlý dirençlerdir. Kullanýlan kondansatör, sinyal frekansýna çok az empedans göstermelidir. Bilindiði gibi bir kondansatör DC derilimi geçirmez, düºük frekanslara ise yüksek empedans gösterir. Bu nedenle RC kuplajlý (baðlama yerine birazda kuplaj diyelim, çünkü elektronikte çok kullanýlýr.) devrelerde düºük frekanslarda kazanç azalýr. Yüksek frekanslara çýkýldýkça kuplaj kondansatörünün empedansý iyice azalacaðý için devrenin kazancý da (teorik olarak) artacaktýr!!! Aslýnda böyle olamaz. Frekans arttýkça kullanýlan transistörün yüksek frekans karakteristiði, transistörün küçücük iç kapasiteleri hatta devrenin baský devresinin ºekli ve kullanýlan malzemenin özeliðinden dolayý devrenin kazancý düºecektir. Direk kuplajlý devrelerde aslýnda yüksek frekanslarda bu özellikleri gösterirler. Aºaðýdaki ºekilde bir RC kuplajlý devrenin frekans yanýtý görülmektedir. 6 / 7

7 Yukarýdaki ºekilde devre kazancýnýn Orta Band kazancýna göre 3dB azalan iki köºe frekansýný tanýmlayabiliriz. Alçak köºe frekansýnda oluºan 3dB lik azalma Seri Kuplaj kondansatörleri ve C E Emitör kondansatörlerinden, yüksek köºe frekansýnda oluºan 3dB lik azalma yukarýda da belirtildiði gibi transistörün iç kapasiteleri ile devrenin yapýlýº ºekli ve kullanýlan baský devre malzemelerinden olur. Ýki köºe frekansý arasýndaki bölgeye BAND GENݪÝLÝÐÝ adý verilir. Kazancýn 3dB azaldýðý yerlerde çýkýº gerilimi en yüksek deðerinin % 70,7 sine, yada çýkýº gücü en yüksek deðerin %50 sine düºer. RC kuplajlý yükselteçler için bir özet yapacak olursak; Devrenin DC kararlýlýðý iyi Güç kaynaklarý çok iyi olmak zorunda deðil Frekans bant geniºlikleri orta düzeyde Transformatör Kuplajý: Transformatörler bir devrede hem DC yalýtým hem de empedans uygunluðu saðlamak için kullanýlýr. Ýdeal transformatörde hiç kayýp olmaz. Yani giriºine uygulanan gücü çýkýºýndan aynen alabiliriz. Fakat bant geniºlikleri çok dardýr. Özellikle ses frekans devrelerinde istenilen bant geniºliðini tutturmak için özel sarýmlý transformatörler kullanmak gereklidir. Transformatörlerin bu dar bant özellikleri yüksek frekans devrelerinde çoðunlukla istenilen bir özellik haline dönüºür. Hatta bandý daha da daraltmak için transformatörler kondansatörlerle de desteklenerek sadece istenilen frekansý geçiren özelliklerde yapýlýr. Bu tür devrelere Rezonanslý Transformatör Kuplaj adý verilir. Transformatörün empedans uydurma iºini de yaptýðý söylenebilir. ªimdi bu durumu bir örnekle görelim Bir yükseltecin çýkýº empedansý 10K olsun. Buraya empedansý 8ohm olan bir hoparlör nasýl baðlanýr? Tabi ki primer sargýsý empedansý 10K, sekonder sargýsý empedansý 8 ohm olan bir transformatör ile baðlanýr. Peki bu transformatör sargýlarýnýn sarým oraný (n) nedir? N = \/ (R primer / R sekonder ) N = 35 bulunur. Bunun anlamý primer sargýlarýnýn toplamý sekonder sargýlarýnýn toplamýnda 35 kere fazladýr. Yada giriºte 35 volt varsa transformatörün çýkýºýnda 1 volt oluºur. Merak edilen ise ºu olabilir; Biz sinyali yükseltelim derken transformatör sinyali iyice azalttý mý? Burada, primer ve sekonder güçlerinden hareketle (kayýplar hariç) güç korunacaðý için gerilim düºünce akým artacaktýr. Transformatör Kuplajlý devreler için bir özet yapacak olursak; Devrenin DC kararlýlýðý iyi Güç kaynaklarý çok iyi olmak zorunda deðil Frekans bant geniºlikleri çok dar 7 / 7