EEME210 ELEKTRONİK LABORATUARI

Transkript

1 Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü EEME210 ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY 06: BJT TRANSİSTÖR ile KÜÇÜK SİNYAL YÜKSELTECİ BAHAR Grup Kodu: Deney Tarihi: Raporu Hazırlayan Deneyi Yapanlar No: Ad Soyad: İmza:

2 BJT TRANSİSTÖR ile KÜÇÜK SİNYAL YÜKSELTECİ Transistörün polarizasyonu Yükselteç devreleri, girişlerine uygulanan sinyalleri kazanç katsayıları oranında yükselterek çıkış üretirler. Alternatif sinyalin transistöre verilmesinden önce transistörün Q ile simgelenen, çalışma noktasının, belirlenmesi gerekir. Bu nokta genellikle yük doğrusunun orta noktasıdır. Böylece devrenin doğrusallığı korunmuş olur. Bunun sonucunda gerilimdeki dalgalanmalar, transistörün doyma veya kesme noktasına gelmesine neden olmaz. Q noktasının fazla kaymamalıdır. Çünkü daha önce de belirtildiği gibi βdc akım ve sıcaklığa karşı 9:1 oranında değişkenliğe sahiptir. Transistörlü yükselteçler için çeşitli polarizasyon şekilleri vardır. Baz polarizasyonu: Bu polarizasyon dijital (sayısal) devrelerde kullanılır. Burada transistör doyma ve kesme noktalarında çalışır. Doğrusal devrelerde kullanılmamalıdır. Şekil 1, bu tip bir kutuplanmayı göstermektedir. Burada bazın kaynak gerilimi, kollektör ile aynıdır. Şekil 1 Sayfa 1 / 17

3 Emiter geribesleme polarizasyonu Bu devre Şekil 2 de gösterilmiştir. Burada amaç direnç uçları arasındaki gerilimlerin βdc deki değişimleri telafi etmesidir. Örneğin, βdc artarsa kollektör akımı artar. Bu durum emiter gerilimini artırır. Baz akımı ve gerilimi ise azalır. Baz akımındaki azalma sonucu, kolektörde küçük bir akım meydana gelir. Bu akım βdc de önceden oluşan artışı kısmen dengeler. Bu devre düzeninde sorun etkinliğin sağlanmasıdır. Devrede mümkün olduğunca büyük emiter direncine gereksinim vardır ve esas sorun da buradadır. Çünkü kolektörde doyma meydana gelmemesi için emiter direncinin oldukça küçük olması gerekir. Kollektör geribesleme polarizasyonu Şekil 2: Şekil 3 bu devre düzenini göstermektedir. Buna oto-polarizasyon de denir. Eğer sıcaklık artarsa (βdc nin artmasına neden olur) daha fazla kollektör akımı üretilir. Bu arttıkça emiter-kollektör gerilimi azalır. Bu ise baz direnci üzerindeki gerilimin azalmasına ve sonuçta buradaki akımın azalmasına neden olur. En küçük baz akımı başlangıçtaki kollektör akımı artışını telafi eder. Kollektör geribesleme polarizasyonunun, emiter polarizasyonuna başka bir üstünlüğü de transistörün doymamasıdır. Baz direnci azaldıkça transistörün Q çalışma noktası, yük doğrusu üzerinde yer değiştirir. Direnç ne kadar azalsada Q hiç bir zaman doyma noktasına ulaşmaz. Sayfa 2 / 17

4 Gerilim bölücü polarizasyonu: Bu en çok kullanılan polarizasyondur. Şekil 3: Şekil 4: Şekil 4 deki devrede baz terminali açılırsa bir gerilim bölücü ortaya çıkar (Şekil 5). Sayfa 3 / 17

5 Bunun Thévenin gerilimi : V TH = R 2 R 1 +R 2 V CC dir Orijinal devre Şekil 5 de görüldüğü gibi iki parçaya ayrılarak basitleştirilmiştir. Transistör kontrollu akım kaynağı olarak çalışır. Emiter akımı IE, I E = V TH V BE R TH +R E Kollektör akımı yaklaşık olarak bu değere eşittir. Şekil 5: Dikkat edilirse βdc, emiter akımı formülünde yer almamaktadır. Bu, Q noktasının sabit olduğu, yani devrenin βdc parametresindeki değişimlere karşı korunduğu anlamına gelir. Transistörlü yükseltece giriş Q noktası DC yük doğrusunun ortasında bulunan bir transistörün polarizasyonu sonrasında bazına küçük bir alternatif akım sinyali bağlanabilir. Bunun sonucunda kollektör akımında da aynı formda ve frekansta dalgalanma başlar. Sinyal formunu değiştirmeyen yükselteçlere, doğrusal yükselteç denir. Eğer giriş sinyalinin genliği küçükse, yük doğrusunun çok ufak bir bölümü kullanılacağından transistörün çalışması doğrusal olacaktır. Diğer yandan, eğer giriş sinyalinin Sayfa 4 / 17

6 genliği çok büyükse yük doğrusundaki dalgalanmalar transistörü doyma ve kesme durumlarına taşıyacaktır. Bu durumda, giriş sinyali büyük oranda bozulmaya uğrayacaktır. Bağlaşım Kondansatörü Bir bağlaşım (kuplaj) kondansatörü bir alternatif sinyalin bir noktadan başka bir noktaya basamak yapmasına olanak sağlar. Örneğin Şekil 6 da A noktasındaki gerilim B noktasına taşınmıştır. Eğer kaynağa ait VTH doğru ise devrede hiç bir akım olmayacaktır. Çünkü kondansatör bir açık devre elemanı gibi davranacaktır. Şekil 6: Alternatif gerilimin devreden geçmesi için kondansatöre ait kapasitif reaktans (XC) onunla seri bağlanmış dirençten çok küçük olmalıdır. Temel devre teorisinden hatırlayacağınız gibi bir birleşme noktasındaki RC devreden geçen akımın şiddeti: V I = R 2 + X2 c Şekil 6 daki devrede R = RTH +RL 1 1 XC = = ω C 2πf C Frekans arttıkça XC küçüleceğinden frekans ayarlaması ile XC, R den küçük yapılabilir. Bu durumda akım V/R maksimum değerine ulaşır. Diğer bir deyişle, XC << R ise kondansatör sinyali A noktasından B noktasına yeterli bir şekilde taşır. Sayfa 5 / 17

7 Burada kullanılacak kondansatörün seçimi, yükseltilecek en düşük sinyal frekansına bağlıdır. Bypass Kondansatörü Bypass kondansatörü, kuplaj kondansatöre benzer. Ancak Şekil 7 de gösterildiği gibi daha önce toprağa bağlı olmayan bir noktayı toprağa bağlar. Kondansatör A noktasını alternatif sinyal için toprağa bağlar. Doğru akım için bu geçerli değildir. Süperpozisyon Teoremi Şekil 7: Transistörlü bir yükselteçte doğru akım kaynağı devreye sabit gerilim ve akım verir. Alternatif akım kaynağı ise bu akım ve gerilim üzerinde dalgalanma meydana getirir. Devreyi analiz etmenin en kolay yolu bunu doğru akım (DC) ve alternatif akım (AC) olmak üzere ikiye ayırmaktır. Daha doğrusu, transistörlü yükselteçleri analiz etmek için Süperpozisyon teoremini kullanmaktır. Aşağıda transistörlü yükselteçlerde süperpozisyon teoreminin uygulamasını, numaralandırılmış basamaklar halinde bulacaksınız: 1. AC kaynağını sıfıra indirin. Bu, bir gerilim kaynağını kısa devre yapmak veya akım kaynağının devresini açmak demektir. Bütün kondansatörlerin oldukları yerde devreyi açın. Geride kalan devreye eşdeğer DC devresi denir. Bu devrenin üzerinde bulmak istediğimiz akım ve voltajlar hesaplanır. 2. DC kaynağını sıfıra indirin. Bu gerilim kaynağını (VS) kısa devre yapmak veya akım kaynağının devresini açmakla aynı şeydir. Bütün bağlaşım ve bypass kondansatörleri kısa devre yapın. Geride kalan devreye eşdeğer AC devresi denir. A.C akım ve gerilimlerin hesaplanmasında kullanılan devre budur. 3. Devrenin herhangi bir hattı üzerindeki toplam akım, bu hat üzerindeki doğru ve alternatif akımların toplamına eşittir. Aynı şekilde bir hat üzerine uygulanan toplam gerilim buraya uygulanan doğru ve alternatif gerilimlerin toplamına eşittir. Sayfa 6 / 17

8 Şekil 8: Şekil 8 de görülen bir transistörlü yükselteç devresidir. Üzerinde çalışmak için ikiye ayrılabilir. Şekil 9a bunun DC eşdeğer devresi, Şekil 9b AC eşdeğer devresidir. Şekil 9 AC ile DC nin birbirinden ayırt edilmesi için genelde DC değerleri ifade ederken büyük harfli, AC değerlerde küçük harfli simgeleme kullanılması yaygındır. Βca kazancı Şekil 10 da IB nin fonksiyonu olarak IC nin karekteristik grafiği yer almaktadır. βdc Kollektörün DC. akımının (IC) baz doğru akım (IB ) şiddetine oranıdır. Grafik doğrusal Sayfa 7 / 17

9 olmadığından, βdc kazancı, Q noktasının koordinatlarına bağlıdır. Bundan dolayı teknik veriler listesinde βdc belirli bir IC değeri için verilir. Βca çoğu zaman β olarak anılır. Δ IC β = Δ IB veya alternatif akımlar toplam akımlardaki değişime eşit olduğundan ic β = ib Ortak emiterli NPN yükselteç Şekil 10: Şekil 11 ortak emiterli (CE) yükselteci göstermektedir. Bu yükselteçte emiter bir kondansatör üzerinden toprağa bağlanmış olduğundan buna bazen topraklanmış emiterli yükselteç de denir. Burada baz üzerinden küçük bir sinüzoidal sinyal bağlanmıştır ve bu baz akımı üzerinde değişmelere meydana getirir. Kollektör akımı β kazancı oranında büyütülmüştür fakat aynı sinüzoidal form ve frekansa sahiptir. Bu kollektör akımı kollektör direnci üzerinden akar ve genliği yükseltilmiş bir çıkış gerilimi verir. Sayfa 8 / 17

10 Şekil 11: Kollektör akımındaki AC dalgalanmalar nedeniyle çıkış gerilimi Q noktasının alt ve üst sınırları arasında sinüzoidal değişim gösterir. Giriş gerilimi ile karşılaştırarak çıkış geriliminin dalga formunun ters çevrilmiş göründüğüne dikkat edin. Bu ikisi arasında 180 o fark olduğu anlamına gelir. O halde giriş geriliminin pozitif ilk yarım sinüsü sürecinde baz akım artar. Bu da kollektör akımında artışa neden olur. Bunun sonucu kollektör direnci üzerindeki voltajda daha büyük bir düşme meydana gelir. Bundan dolayı kollektör gerilimi düşer ki, bu süreç çıkış geriliminin negatif ilk yarım sinüsünü meydana getirir. Buna karşılık giriş geriliminin ilk yarım negatif sinüsü sürecinde kollektörden daha az akım geçer ve kollektör direnci üzerindeki gerilim düşmesi azalır. Bu nedenle kollektör ile toprak arasındaki gerilim farkı artar. Bu süreç çıkış geriliminin pozitif yarım sinüsünü meydana getirir. Şekil 11 AC yük doğrusu ile Q noktasını göstermektedir. Baz akımındaki sinüzoidal değişimler şekilde görüldüğü gibi Q noktası etrafında sinüzoidal değişimlere neden olur. Büyük sinyallerin girişinde transistörün Q çalışma noktası yük doğrusu üzerinde hareket eder. Eğer sinyal çok büyükse Q noktası doyma ve kesme noktasına kayacaktır. Bu olduğu anda sinyalin pozitif ve negatif uç noktaları kırpılır. Bazı uygulamalarda bu kırpılmalar istenebilir. Ancak transistörlü doğrusal yükselteçlerin her zaman yük doğrusunun aktif çalışma bölgesi içinde çalışması istenir. Şekil 11 deki gibi basit bir yükselteçte doğrusal olmayan bozulma meydana gelmemesi için kollektördeki uçtan uca akım değeri durağan akım şiddetinin % 10 undan küçük olmalıdır. Bir yükseltecin gerilim kazancı çıkış AC gerilimi ile giriş AC gerilimi arasındaki ilişkiyi gösterir. Simgesel gösterimi ile: Vçıkış AV = Vgiriş Sayfa 9 / 17

11 Şekil 11 deki devre için gerilim kazancı formülünü elde etmenin basit bir yolu devreyi AC eşdeğeri ile değiştirmektir. (a) Şekil 12: (b) Şekil 12 de AC eşdeğer devre görülmektedir. Kollektör direnci RC toprağa bağlanmıştır çünkü gerilim besleme noktası AC devre için kısa devre yapılmıştır. Aynı şekilde R1 direnci de topraklanmıştır ve bu nedenle R2 ve emiter diyotu ile paralel görülmektedir. Giriş tarafındaki paralel devreden dolayı Vgiriş emitere doğrudan paralel bağlı olarak görülmektedir. O halde AC eşdeğer devre Şekil 12b deki görünümü alır. Bu devreden: Vgiriş ic re Herhangi bir devrede re üzerine uygulanan gerilim Vgiriş e eşittir. Kollektör akımı yaklaşık olarak emiter akımına eşit olduğundan vçıkış ie RC Burada eksi işareti lik faz farkını işaret etmek için kullanılmıştır. Vgiriş ie re olduğundan, aşağıdaki formülü elde ederiz: ie RC vçıkış re Sayfa 10 / 17

12 Bu eşitlikleri kazanç tarifine aktarırsak aşağıdaki denklemi elde ederiz: Vçıkış RC A = = Vgiriş re Bu sonuca bakarsak, gerilim kazancının kollektör AC direncinin emiter ACdirenci oranına eşit olduğunu görürüz. Örnek: Gerilim bölücülü ortak emiter yükselteç analizi Şekil 13: Şekil 13 de analiz edilecek gerçek bir devre verilmiştir. Giriş sinyalinin tepe değeri 1 mv tur. Alternatif giriş sinyali kondansatörden geçerek transistörün bazına gelir. Bu noktadaki doğru gerilim değeri: 2,2 kω VB = VCC = 1,8 V (10+2,2) kω Kondansatörün uygun olduğu farz edilirse bütün alternatif kaynak geriliminin baz üzerinde olduğu görülür. VBE = 0,7 alınırsa VE = VB VBE = 1,8 0,7 = 1,1V Burada AC sinyali yoktur çünkü, kondansatör aracılığı ile toprağa bağlıdır. Emiter akımı ise: VE 1,1 V IE = = = 0,0011 A = 1,1 ma 1 kω RE Kollektörde ters fazda ve büyütülmüş bir alternatif sinyal mevcuttur. VC nin DC seviyesi şu şekilde hesaplanır: Sayfa 11 / 17

13 VC = VCC IE RE = 10 V (1,1 ma) (3,6 kω) = 6,04 V Emiterin AC direnci: 25 mv re = = 22,7 Ω 1,1 ma Buna göre gerilim kazancı: 3,6 kω A = = ,7 kω Buradan, AC çıkış gerilimini yazabiliriz: Vçıkış = A Vgiriş = 159 1mV = 159 mv Buradaki eksi işareti yine faz değişimine işaret etmektedir. Sayfa 12 / 17

14 Ortak emiterli NPN yükselteç: UYGULAMA Bu deneyde, küçük sinyal yükselteci olarak, ortak emiterli NPN yükselteç çalışması yapılacaktır. Devre için DC öngerilimleme yapılarak DC çalışma bölgesi ayarlanır ve sonra girişe küçük genlikli sinüsoidal sinyal uygulanarak giriş ve çıkış osiloskopta izlenecektir. Şekil 14: DC öngerilimlenmiş ortak emiter yükselteç devresi ve ölçüm düzeneği Deneyin Yapılışı: DC öngerilimleme ve ölçümleri: 1) Şekil 14 de verilen deney düzeneğini hazırlayınız. Ayarlı DC gerilim kaynağını 8V a ayarlayıp devreye uygulayınız. Kaynağın polariteli ucunu kartın sol altındaki GND (ca2) etiketli terminale bağlayınız. 2) ve terminallerini birer kablo ile Şekil 14 deki gibi köprüleyiniz. 3) IB akımını ölçmek için arası köprüyü geçici olarak sökünüz. Multimetreyi µa kademesine getirerek bu araya bağlayarak IB akımını ölçün. IB = µa arası köprüyü tekrar yerine bağlayınız. 4) IE akımını ölçmek için arası köprüyü geçici olarak sökünüz. Multimetreyi ma kademesine getirerek bu araya bağlayarak IB akımını ölçün. IE = ma arası köprüyü tekrar yerine bağlayınız. Sayfa 13 / 17

15 5) Multimetreyi DC gerilim konumuna getirerek, Baz (7.11 terminali) ve GND (7.9 terminali) arası gerilimi ölçünüz. VB = VBE = V 6) Kollektör, C (7.12 terminali) ve GND (7.9 terminali) arasındaki gerilimi ölçünüz. VC = V 7) Ölçtüğünüz değerleri Tablo 1 e kaydediniz. IB = µa IE = ma =... (hesaplayın) VB = V VE = 0 V (GND) VBE = V VC = V Tablo 1: DC öngerilimleme akım gerilim değerleri (ölçülen) Sonuçları hocanıza gösteriniz. Deney düzeneğini bozmadan AC analiz aşamasına geçiniz. Sayfa 14 / 17

16 Şekil 15: AC ölçüm düzeneği AC sinyal yükseltme ve ölçümleri: 8) Osiloskop ayarlarını yapınız ve Şekil 15 deki gibi devreye bağlayınız. C2 giriş kapasitesinin devreye eklenmiş olduğuna dikkat ediniz. 9) Küçük genlikli AC giriş için fonksiyon jeneratörünüzü sinüsoidal, 1KHz frekansta ve milivolt düzeyinde genlik verecek şekilde frekans ve genlik kademesini ayarlayınız. (Bunun için fonksiyon jeneratörünüzün -20dB (1/10) veya -40dB (1/100) genlik bölücü düğmelerinden uygun olanlara basmanız gerekecektir) 10) Fonksiyon jeneratörünün çıkışını minimuma getirerek Şekil 15 deki gibi devreye uygulayınız. 11) Osiloskop aşağıdaki gibi ayarlayarak giriş ve çıkışı osiloskopta görüntüleyin. CH1 (Vi): AC mod, 10 mv/div CH2 (Vo): DC mod, 2 V/div DUAL MOD CHOP/ALT (varsa) CHOP Time/div: 0.2ms/div 12) Aynı zamanda 7.14 terminalindeki Vo a DC voltmetre bağlayın. Giriş yok iken Vo DC çıkışını ölçün Vo =. V 13) Giriş ve çıkışı osiloskopta izleyiniz. Fonksiyon jeneratörü yardımıyla Vi giriş gerilimini çıkış bozulmaya başlayınca yavaş yavaş arttırınız. Bu bozulmanın başlamasını voltmetrenin gösterdiği Vo geriliminin değişmesinden de anlayabilirsiniz. (İşaretteki bozulmayı osiloskopta gözle izleyebileceğiniz gibi, DC voltmetre ile sayısal olarak da izleyebilirsiniz. Sinusoidal işaretin ortalama değeri sıfır olduğundan, çıkıştaki Ac bileşenin genliği artsa da voltmetrede okunan ortalama Sayfa 15 / 17

17 değer değişmez. Sinyalde bozulma başlayınca (sinusoidal eğri bozulunca) DC gerilim kademesinde okunan ortalama gerilim değeri değişmeye başlar) 14) Osiloskopda izlediğiniz giriş ve çıkış gerilimlerini kaydediniz (1.Grafik). Burada çıkış sinyali DC öngerilimlemede Vc gerilimi civarında salınım yapan DC + sinusoidal bir formdadır ve aşağıdakine benzer bir grafik olmalıdır. Grafik 1: Ortak emiter yükselteç giriş ve çıkışı 15) Giriş ve çıkışın tepeden tepeye genliklerini yazarak AC gerilim kazancını hesaplayınız. Vi= Vp-p, Vo= Vp-p Av = ) Giriş gerilimi genlik ayarını en sona getirin. Transistör doğrusal çalışma alanından çıkarak çıkıştaki sinüs işareti bozulacaktır. Aşağıdaki gibi bir grafik elde edeceksiniz. Kesim bölgesindeki yükselteç: Grafik 2: Ortak emiter yükselteç çıkışı (aşırı yüksek girişteki çıkış) 17) 7.8 ve 7.9 terminallerini birbirine bağlayın. Böylece B girişi gerilimi çok düşer ve transistör kesime girer. Aşağıdaki gibi bir grafik elde edeceksiniz. Sayfa 16 / 17

18 Grafik 3: Ortak emiter yükselteç giriş ve çıkışı (kesim bölgesinde DC öngerilimlenmiş) 18) Tablo 1 de yaptığınız adımlarla Tablo 2 yi doldurunuz. IB = µa IE = ma = VB = V VE = V VBE = V VC = V Tablo 2: DC öngerilimleme akım gerilim değerleri (ölçülen) Bu değerlerde baz gerilimi çok düştüğünden transistör kesime yakın bölgededir. Sayfa 17 / 17