ÖLÜM 5 5 TRANSİSTÖRLRİN D ANALİZİ Konular: Amaçlar: 5.1 Transistörde D çalışma noktası 5.2 Transistörde temel polarama 5.3 eyz polarma 5.4 Gerilim bölücülü polarma devresi 5.5 Geribeslemeli polarma devresi 5.6 Onarım Yükselteç tasarımında dc çalışma noktasının önemi Yükselteçlerde dc polarma ve analizi Yükselteçlerde kararlı çalışma için çeşitli polarma yöntemleri u bölümde transistörün yükselteç olarak nasıl çalıştırılacağını öğreneceksiniz. Yükselteç tasarımında dc polarma akım ve gerilimlerinin analizini yapacak ve kararlı bir çalışma için yöntemler geliştireceksiniz.
ANALOG LKTRONİK- 5.1 D ÇALŞMA NOKTAS ir transistör yükselteç (amplifikatör) olarak çalışabilmesi için dc polarma gereksinim duyar. Doğrusal ve verimli bir çalışma için transistörlü yükselteç devresinde polarma akım ve gerilimleri iyi seçilmeli veya hesaplanmalıdır. u durum bir önceki bölümde belirtilmişti. u bölümde; yükselteçlerde düzgün ve verimli bir çalışma için gerekli analizler yapılacaktır. u analizlerde dc yük hattı ve çalışma noktası (Q) gibi kavramların önemini ve özelliklerini kavrayacaksınız. D Polarma ve Çalışma Noktası Transistörlü yükselteç; girişinden uygulanan işaretleri yükselterek çıkışına aktarmak üzere tasarlanmış bir devredir. Transistör, yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyar. Transistöre uygulanan polarma gerilimleri çıkış karakteristiği üzerinde transistörün çalışma noktasını belirler. Transistörün sahip olduğu polarma akım ve gerilim değerini gösteren bu nokta çalışma noktası ya da Q noktası olarak adlandırılır. Şekil-5.1 de bir transistörün çıkış karakteristiği üzerinde çeşitli çalışma noktası örnekleri verilmiştir. Örneğin dc polarma gerilimleri uygulanmasa idi transistörün çalışma noktası Q1 olurdu. u durumda transistör tümüyle kapalı olur ve girişinden uygulanan işaretleri yükseltmez idi. (ma) 2 Q 3 3 Q 2 4 Q 4 Q 1 () 2 3 4 Şekil-5.1 Transistör için eşitli çalışma noktası örnekleri Transistöre polarma gerilimleri uygulandığında ise çalışma noktaları şekil üzerinde belirtilen Q2, Q3 ve Q4 noktalardan birinde olabilirdi. u çalışma noktalarında transistör doğal olarak yükselteç olarak çalışacaktır. Dolayısıyla girişinden uygulanan işareti yükselterek çıkışına aktaracaktır. Transistör çıkışından alınan işaret de nispeten bozulma olmayacaktır. u durum şekil-5.2 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Örneğin şekil- 5.2.a da transistörün çalışma noktası uygun seçilmiş ve lineer bir yükseltme sağlanmıştır. Ancak çalışma noktasının uygun seçilmemesi durumunda ise çıkış işaretinde kırpılmalar oluşmaktadır. u durum şekil-5.2.b ve c üzerinde gösterilmiştir. 127
ANALOG LKTRONİK- A A A a) Lineer Çalışma b) Çıkış gerilimi kesim sınırında kırpılmış c) Çıkış gerilimi doyum sınırında kırpılmış Şekil-5.2 ir yükselteç devresinin lineer ve nanlineer çalışmasına örnekler D Yük Hattı Transistörlü yükselteç devrelerinde çalışma noktasının ve dc yük hattının önemini göstermek amacı ile şekil-5.3.a da görülen devreden yararlanılacaktır. u devrede transistörün polarma akım ve gerilimleri, ve kaynakları ile ayarlanabilmektedir. Devredeki transistör için kollektör karakteristik eğrileri ise şekil-5.3.b de verilmiştir. (ma) 0-5 R 22KΩ β D 200 R 200Ω 0-10 60 50 40 30 20 10 300µ 250µ 200µ 150µ 100µ 50µ () 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Şekil-5.3 Ayarlanabilen kaynaklarla dc polarma ve transistörün karakteristik eğrisi D polarmanın etkisini ve önemini anlamak amacı ile şekil-5.3 deki devrede akımını farklı değerlere ayarlayalım. Ayarladığımız her bir akımı değerine karşılık transistörün ve değerlerinin nasıl değiştiğini inceleyelim. İlk olarak kaynağını ayarlayarak değerini 100µA yapalım. u durumda transistörün kollektör akım ; β 200 100µA 20mA olacaktır. u kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü ; ( ) 10 (20mA 200Ω) 6 olacaktır. ulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.a da transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q1 olacaktır. 128
ANALOG LKTRONİK- Transistörün beyz akımının 150µA yapılması durumunda ise kollektör akımı; β 200 150µA 30mA olacaktır. u kollektör akımına karşılık transistörde oluşan kollektör-emiter gerilim düşümü ; ( ) 10 (30mA 200Ω) 4 olacaktır. ulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.b de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q2 olacaktır. Son olarak akımını 200µA yapalım bu durumda transistörün çalışma noktasını bulalım. β 200 200µA 40mA ( ) 10 (40mA 200Ω) 2 olacaktır. ulunan bu değerlere karşılık gelen transistörün çalışma noktası şekil-5.4.c de transistör karakteristiğinde gösterildiği gibi Q3 olacaktır. Her akımı değerine bağlı olarak transistörün çalışma bölgesindeki değişimler şekil-5.4 üzerinde toplu olarak verilmiştir. 129
ANALOG LKTRONİK- 100µA R 200Ω 20mA 60 50 40 (ma) 22KΩ 30 β D 200 a) 100µA değeri için transistörün Q 1 çalışma noktası 20 10 Q 1 100µ () 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 150µA R 200Ω 30mA 60 50 40 (ma) 30 Q 2 150µ 22KΩ β D 200 b) 150µA değeri için transistörün Q 2 çalışma noktası 20 10 () 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 200µA R 200Ω 40mA 60 50 40 30 (ma) Q 3 200µ 22KΩ 10 β D 200 c) 200µA değeri için transistörün Q 3 çalışma noktası 20 () 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Şekil-5.4 Çeşitli akımı değerlerinde transistörün çalışma noktasının değişimi Şekil-5.4 dikkatlice incelenirse transistörün beyz akımındaki değişim, kollektör akımını değiştirmekte dolayısıyla transistörün kollektör-emiter () gerilimi de değişmektedir. Örneğin akımındaki artma, akımını artırmaktadır. una bağlı olarak gerilimi azaltmaktadır. u durumda geriliminin ayarlanması ile değeri ayarlanmaktadır. nin ayarlanması ise transistörün D çalışma noktasını düzgün bir hat üzerinde hareket ettirmektedir. Şekil-5.4 de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen ve Q1, Q2 ve Q3 ile belirtilen çalışma noktalarının birleştirilmesi ile bir doğru elde edilir. u doğru dc yük hattı olarak adlandırılır. Şekil-5.5 de dc yük hattı karakteristik üzerinde gösterilmiştir. 130
ANALOG LKTRONİK- (ma) 60 50 40 30 20 10 DOYUM YÜK ÇİZGİSİ Q 3 200µ Q 2 150µ Q 1 100µ KSİM () 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Şekil-5.5 Transistör karakteristiği üzerinde dc yük hattının gösterilişi D yük hattı x eksenini 10 da kesmektedir. u değer noktasıdır. u noktada transistör kesimdedir çünkü kollektör ve beyz akımları idealde sıfırdır. Gerçekte beyz ve kollektör akımları bu noktada tam sıfır değildir. Çok küçük bir sızıntı akım vardır. u nedenle bu kesim noktası gerçekte 10 dan biraz daha küçüktür. Yine bu örnekte dc yük hattının eksenini kestiği değer idealde 50mA dir. u değer ise transistör için doyum noktasıdır. Transistörün doyum noktasında kollektör akımı maksimumdur. Çünkü bu noktada 0 dır. Kollektör akımı; R değerinde olacaktır ve maksimumdur. Lineer Çalışma Transistörün başlıca 3 çalışma bölgesi olduğu belirtilmişti. unlar; kesim, doyum ve aktif bölgelerdir. Transistör aktif bölgede çalışıyorken bütün çalışma noktaları kesim ve doyum bölgeleri arasındadır. Transistör eğer aktif bölgede çalışıyorsa girişine uygulanan işareti (sinyali) lineer olarak yükseltir. Lineer yükseltme işlemini incelemek amacıyla şekil-5.6.a da verilen devreden yararlanılacaktır. aşlangıçta devre girişine S işaretinin uygulanmadığını düşünelim. Devrede beyz akımının 150µA ve kollektör akımının ise 30mA olduğunu kabul edelim. u durumda transistörün çalışma noktası 4 olacaktır. u nokta şekil-5.6.b de transistör karakteristiği üzerinde gösterilen Q çalışma noktasıdır. Devre girişine S kaynağından tepe değeri 50µA olan bir sinüs işareti uygulandığını varsayalım. Önce S işaretinin pozitif saykılı geldiğini kabul edelim. u işaret; kaynağı ile aynı yönde etki edecek ve beyz akımının yükselmesine neden olacaktır. Giriş işareti S, pozitif tepe değerine ulaştığında beyz akımıda maksimum oranda yükselecektir. u anda 150+50200µA olacaktır. u değer şekil-5.6.b de karakteristikte A noktası olarak işaretlenmiştir. una karşılık kollektör akımı 40mA değerine yükselecek, kollektör-emiter gerilimi ise 2 değerine düşecektir. u aşamadaki çalışmaya dikkat edilirse transistörün çalışma noktası A noktasına kaymıştır. urada giriş işaretinde toplam 50µA lik bir değişim vardır. Çıkış kollektör akımında ise 10mA lik bir değişim söz konusudur. Dolayısıyla giriş işaretinin pozitif saykılı 200 kat yükseltilmiştir. 131
ANALOG LKTRONİK- Giriş işaretinin negatif saykılında ise; bu işaret beyz akımını dolayısıyla kollektör akımını azaltacaktır. Transistör şekil-5.6.b de karakteristik üzerinde gösterilen ve olarak adlandırılan çalışma noktasına kayacaktır. u çalışma noktasında; 100µA, 20mA ve 6 değerine ulaşacaktır. Aynı şekilde dikkat edilirse giriş işaretinin 200 kat yükseltildiği görülecektir. +10 (ma) R 20KΩ R 200Ω Q 40 30 20 A Q 200µ 150µ 100µ S 2 4 6 () 6.7 β D 200 Q a) Ayarlı kaynaklarla transistörlü polarma devresi b) Yük hattı üzerinde sinyal davranışı Şekil-5.6 Transistörlü yükselteç devresi ve yük hattı üzerinde sinyal davranışları uraya kadar anlatılanlardan da anlaşılacağı gibi, devre girişinde ac giriş işareti yokken, transistör Q çalışma noktasında (sükunet noktası) kalmaktadır. Girişe bir sinyal gelmesi durumunda ise çalışma noktası bu sinyalin yönüne bağlı olarak aşağıya veya yukarıya kaymaktadır. Giriş işareti yükseltme işleminde Q noktasının etrafında salınmaktadır. Transistörün kesim veya doyum noktalarına ulaşmamaktadır. Çıkışta elde edilen işaret, giriş işaretinin yükseltilmiş bir formudur. Çıkış işaretinin dalga biçiminde herhangi bir bozulma yoktur. undan dolayı bu işleyişe Lineer Çalışma denir. Çıkışın ozulması (Distorsiyon) Transistörle gerçekleştirilen yükselteçlerde; çıkıştan elde edilen yükseltilmiş işaretin giriş işareti ile aynı dalga formunda olması istenir. Çıkış işaretinde her hangi bir bozulma olması istenmez. Çıkış işaretinde oluşan veya oluşabilecek bozulmaya ise distorsiyon adı verilir. Yükselteç devrelerinde bir çok nedenden dolayı distorsiyon oluşabilir. Şekil- 5.7 de transistör devresinde oluşabilecek distorsiyonlar çıkış karakteristikleri üzerinde gösterilmiştir. 132
ANALOG LKTRONİK- (ma) (ma) Doyum Q Q Q Q 0 () Q 0 Q () Kesim Doyum Kesim Q Q a) Çalışma bölgesi doyuma sürülmüş b) Çalışma bölgesi kesime sürülmüş (ma) Doyum Q Q Q Kesim 0 () Doyum Q Kesim c) Çalışma bölgesi kesime-doyuma sürülmüş Şekil-5.7 Transistörlü yükselteç devresinde oluşan bozulmalar (distorsiyon) Şekil-5.7 de verilen her 3 karakteristikte de distorsiyon vardır. Şekil-5.7.a da transistörün çalışma bölgesi doyum bölgesine yakın ayarlanmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin bir kısmında transistör doyum bölgesinde çalıştığı için çıkış işareti kırpılmıştır. Şekil-5.7.b de ise transistör kesim bölgesine yakın çalıştırılmış ve çıkış işaretinin bir kısmı kırpılmıştır. Şekil-5.7.c de ise transistör aktif bölgenin tam ortasında çalıştırılmıştır. Fakat giriş işaretinin aşırı yüksek olması transistör çalışma bölgesinin kesim ve doyuma kaymasına neden olmuştur. u durumda çıkış işaretinin her iki saykılında da kırpmalar oluşmuştur. Örnek: 5.1 Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını ve lineer çalışma için girişe uygulanabilecek işaretin maksimum genliğini belirleyiniz? 133
ANALOG LKTRONİK- R 220Ω R 33KΩ 20 S 12 β D 100 Çözüm Önce transistörün Q çalışma noktasını bulalım. Q noktası ve değerleriyle belirlendiğine göre yi bulmak için önce yi buluruz. 12 0.7 342. 42µA R 33KΩ β ( 100)(342.42µA) 34. 242mA uradan transistörün çalışma noktasındaki değerini buluruz. Kirşof un gerilim yasasından; ( ) 20 (7.533 ) 12. 467 çalışma noktası değerleri olarak bulunur. -R denklemi kullanılarak transistörün kesim anındaki ve (KS) değerleri belirlenir. Transistör kesim de iken kollektör akımı 0 dır. Dolayısıyla; 20 değerine eşit olur. Transistörün doyum noktasındaki değerlerini bulalım. Doyum anında 0 olacağına göre akımı; 20 ( DOY ) 90. 90mA R 220Ω ulunan bu değerlere göre transistörün dc yük hattı aşağıda gösterildiği gibi olacaktır.. 134
ANALOG LKTRONİK- 90.90 (ma) Doyum 34.24 Q Kesim 0 12.46 () Çözüm ulunan bu değerler kullanılarak lineer çalışma için girişten uygulanacak S işaretinin maksimum genliği belirlenebilir. u amaçla önce Q noktasının yeri yorumlanmalıdır. Çünkü Q noktası hangi sınıra (kesim/doyum) yakınsa kırpılma önce o bölgede gerçekleşecektir. Dolayısıyla aranan değerde yakın olduğu bölgenin değeri ile Q noktası arasındaki mesafeden hareketle belirlenecektir. Q noktasının kesim sınırı ile arasındaki mesafe 34.24mA, doyum sınırı ile arasındaki mesafe ise (90.90-34.24)55.76mA dir. uradan görülmektedir ki Q çalışma noktası kesim bölgesine daha yakındır. Dolayısıyla lineer çalışma için giriş sinyali; çıkışta maksimum 34.24mA lik kollektör akımı sağlayacak şekilde olmalıdır. O halde lineer bir çalışma için kollektör akımının genliği; P 34. 24mA olmalıdır. Transistör için D akım kazancı değeri (βd) bilindiğine göre giriş beyz akımının maksimum değeri; olmalıdır. Max 34.24 342. 42µA β 100 5.2 YZ POLARMAS ipolar transistörün yükselteç olarak çalışabilmesi için dc polarma gerilimlerine gereksinim duyduğu belirtilmişti. Önceki birkaç bölümde transistörün gereksinim duyduğu polarma kaynakları ve çalışma karakteristikleri verilmişti. Tüm çalışmalarda transistörün çalışma bölgesinin ayarlanması için iki ayrı dc gerilim kaynağı kullanmıştı. u; pratik bir çözüm değildir. Tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak yapılan birkaç polarma yöntemi vardır. u bölümde tek bir dc gerilim kaynağı kullanarak yapılan beyz polarması adı verilen yöntemi tüm boyutları ile inceleyeceğiz. 135
ANALOG LKTRONİK- Önceki bölümlerde ele alınan polarma devrelerinde iki ayrı dc besleme gerilimi kullanılmıştı. u devrelerde transistörün beyz polarması ile tanımlanan ayrı bir güç kaynağından sağlanmıştı. Transistörlü yükselteçlerin dc polarma gerilimlerini sağlamada pratik bir çözüm tek besleme kaynağı kullanmaktır. Şekil-5.8.a da tek bir dc gerilim kaynağı kullanılarak gerçekleştirilmiş devre modeli verilmiştir. u tür polarma işlemine beyz polarması adı verilmektedir. + R R R R + _ a) eyz polarmas ı b) asit gösterimi Şekil-5.8.a ve b eyz polarması ve eşdeğer gösterimi Devre dikkatlice incelenirse; transistörün beyz polarması için ayrı bir dc kaynak kullanılmamıştır. Transistörün beyz polarması R direnci kullanılarak gerilim kaynağından alınmıştır. u yöntem pratiktir ve avantaj sağlar. Transistörlü polarma devrelerinde pratiklik kazanmak ve devre analizi bilgilerimizi gözden geçirelim. u amaçla devre üzerinde oluşan polarma akım ve gerilimlerinin olası eşitlikleri ve yönleri şekil-5.9 üzerinde yeniden verilmiştir. + R R R R + _ Şekil-5.9 eyz polarmasında polarma akım ve gerilimleri 136
ANALOG LKTRONİK- Devrenin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9 da gösterildiği gibi -beyz-emiter çevresinden; + yazılabilir. Denklemden beyz akımı çekilirse, R elde edilir. eyz akımının bulunması ile devredeki diğer tüm polarma akım ve gerilimleri bulunabilir. β (β ) u devrede dc yük hattı sınırlarını bulmak için, doyum sınırında 0 olduğu kabul edilerek (ideal durum), ( DOYUM ) R yük hattının diğer noktasını ise transistör kesimde iken 0 kabul ederek, olarak belirleriz. Örnek: 5.2 + +12 R 2.2KΩ Şekilde verilen devrede transistör için dc yük hattını çizerek çalışma noktasını belirleyiniz? R 620KΩ + _ 137
ANALOG LKTRONİK- 12 0.7 11.03 0.017mA 17µ A R 620KΩ 620KΩ β ( 100) (17µ A) 1700µ A 1. 7mA 12 (1.7mA 2.2KΩ) 8. 26 Çözüm: polarma akım ve gerilim değerleri olarak bulunur. Transistörün çalışma noktası gerilimi ise 8.26 dur. Yük hattını çizmek için transistörün kesim ve doyum noktalarındaki değerleri bulalım. Kesim anında 0 dır. Dolayısıyla kolektör-emiter gerilim düşümü ; 12 olarak belirlenir. Doyum gerilimi ise, doyum anında 0 alınarak; 12 ( DOYUM ) 5. 45mA R 2.2KΩ olarak bulunur. Dc yük üzerinde çalışma noktası, aşağıda görüldüğü gibi kesim bölgesine yakın bir yerdedir. 5.45 (ma) Doyum 1.70 0 8.26 Q 12 Kesim () Q Çalışma noktasına β D etkisi ve kararlılık Transistörün akım kazancını βd değeri belirler. u değer her bir transistör için üretici tarafından verilir. Günümüz teknolojisinde üretimi yapılan aynı tip transistörlerin βd değerlerinde farklılık olabilir. Üreticiler genellikle ortalama bir değer verirler. βd değerini etkileyen diğer önemli bir faktör ise ısıdır. Çalışma ortamı ısısına bağlı olarak bu değer değişir. Örneğin 25 0 de 100 olan βd, 75 0 de 150 olabilir. u durum transistörün kollektör akımını dolayısıyla kolektör-emiter gerilimini etkiler. u etkileşim sonucunda transistörün Q çalışma noktası ortam ısısına bağlı olarak değişecektir. Transistör çalışma noktasının βd değerine bağlı olarak kayması istenmeyen bir durumdur. Çünkü distorsiyona neden olur. u durumu basit bir örnekle açılayalım. 138
ANALOG LKTRONİK- Örnek: 5.3 R 100KΩ +12 R 620Ω Şekil-5.10 da verilen beyz polarmalı devrenin çalışma ortamı ısısı 25 0 ile 50 0 arasında değişmektedir. Transistörün βd değeri 25 0 100, 50 0 150 olmaktadır. u koşullar altında transistörün Q çalışma bölgesinde davranışını (, ) analiz ediniz. Sıcaklıktaki değişimin devreye etkilerini belirleyiniz. Şekil-5.10 Çözüm Önce 25 0 ısı altında transistör devresinde ve değerlerini bulalım. Devreden; + + ( ) [( β ) ] veya yine devreden; R + + eşitliklerini yazabiliriz. ize akımı gerekmektedir. Yukarıdaki eşitlikte değerini cinsinden ifade edelim. + β ulunan bu eşitilkten yi çekelim ve değerini hesaplayalım. R D 12 0.7 11.03 100 100 11. 100KΩ 100KΩ β D 3 uradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi değerini bulalım. ( ) 12 (11.3mA 620Ω) 5 Şimdi 50 0 ısı altında transistör devresinde ve değerlerini bulalım. Devreden; 12 0.7 11.03 β D 150 150 17mA R 100KΩ 100KΩ uradan transistörün Q çalışma noktası gerilimi değerini bulalım. ( ) 12 (17mA 620Ω) 1. 46 Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi değerini değiştirmektedir. akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. ma 139
ANALOG LKTRONİK- ( ) 12 (17mA 620Ω) 1. 46 Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi değerini değiştirmektedir. akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. % 0 (75 ) 0 (25 ) 0 (25 ) 17mA 11.3mA %100 %100 %50 ( Artma) 11.3mA Neticede sıcaklık artışıyla oluşan βd değerindeki değişim akımında %50 oranında bir artışa neden olmaktadır. Aynı şekilde transistörün çalışma noktasında oluşan değişim oranını hesaplayalım. % 0 (75 ) 0 (25 ) 0 (25 ) 1.46 5 %100 %100 %70 ( Azalma) 5 görüldüğü gibi ısı değişimi transistörün çalışma bölgesini de kaydırmaktadır. Yorum: sıl veya çeşitli etkenlerden dolayı βd değerinin değişmesi transistörün çalışma noktasını aşırı ölçüde etkilemektedir. u durum lineer çalışmayı etkiler ve kararlı bir çalışma oluşturulmasını engeller. Transistörün çalışma bölgesinin kayması istenmeyen bir durumdur. Transistörün çalışma bölgesinin kararlı olması ve kaymaması için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Örneğin emiter dirençli beyz polarması βd değişimlerinden aşırı etkilenmez. miter dirençli beyz polarması Transistörlü polarma devrelerinde kararlı çalışmayı sağlamak amacıyla beyz polarmasının geliştirilmiş halidir. eyz polarmasından daha avantajlıdır. u polarma tipinde de tek bir dc besleme kaynağı kullanılır. Tipik bir emiter dirençli beyz polarma devresi şekil-5.11 de verilmiştir. Devre beyz polarma devresinden daha kararlı bir çalışma sağlamak için geliştirilmiştir. Devrenin emiterinde kullanılan R direnci transistörün daha kararlı çalışmasını sağlar. + + R R R R R R R R + _ R + R R R R Şekil-5.11 miter dirençli eyz polarması ve polarma akım ve gerilimleri 140
ANALOG LKTRONİK- Devreyi analiz etmek için beyz-emiter ve kollektör-emiter çevrelerini ayrı ayrı ele alalım. nin analizinde temel çevre denklemlerini kullanmak yeterlidir. Şekil-5.9 da gösterildiği gibi -beyz-emiter çevresinden; + + denklemi elde edilir. akımını cinsinden ifade edelim. + ( β ) + ( β + 1) + + (β + 1) u denklem beyz akımı () çekilirse; R + (β + 1) değeri elde edilir. Artık beyz akımı kullanılarak kolektör ve emiter akımları belirlenebilir. Transiströrün kolektör-emiter gerilimini () bulmak için kolektör-emiter çevresinden yararlanalım. + + uradan gerilimini çekelim. olarak bulunur. Örnek: 5.4 R 470KΩ R 1KΩ a) Şekilde verilen devrede oda sıcaklığında çalıştırılmaktadır (25 0 ) transistörün polarma akım ve gerilim değerlerini bulunuz? β D 100 0.7 R 470Ω b) Aynı devrede transistörün βd değeri 75 0 ısı altında 150 olsaydı polarma akım ve gerilimlerindeki değişimi hesaplayarak yorumlayınız. Çözüm a. 25 0 oda sıcaklığında, βd100 için gerekli analizleri yapalım. eyzemiter çevresinden beyz akımı (); 12 0.7 11.3 0.021mA 21µ A R + ( β + 1) 470KΩ + (101) 470Ω 517470 elde edilir. uradan kolektör ve emiter akımları buluruz. 141
ANALOG LKTRONİK- β 100 0.021mA 2. 1mA ( β + 1) veya + 2.1mA + 0.021mA 2. 12mA değerleri elde edilir. uradan transistörün kolektör-emiter gerilimi ; 12 (2.1mA 1KΩ) (2.12mA 470Ω) 8. 9 b. 75 0 oda sıcaklığında, βd150 için gerekli analizleri yapalım. eyz-emiter çevresinden beyz akımı (); 12 0.7 11.3 0.020mA 20µ A R + ( β + 1) 470KΩ + (151) 470Ω 517470 β 150 0.020mA 3mA ( β + 1) veya + 3mA + 0.020mA 3. 02mA 12 (3mA 1KΩ) (3.02mA 470Ω) 7. 5 Dolayısıyla ısıl değişim transistörün kolektör akımını ve çalışma noktası gerilimi değerini değiştirmektedir. akımındaki değişimin yüzde miktarını bulalım. % 0 (75 ) (25 ) (25 ) 0 0 3.02mA 2.12mA %100 %100 %42 ( Artma) 2.12mA % 0 (75 ) 0 (25 ) 0 (25 ) 7.5 8.9 %100 8.9 %100 %15 ( Azalma) Yorum: Örnek 5.3 de verilen polarma devresi βd değişiminden çok fazla etkilenmekte ve çalışma noktası %70 oranında kaymakta idi. Yukarıda verilen emiter dirençli polarma devresinde ise βd değişiminden etkilenme oranı (%15) çok azdır. Dolayısıyla emiter dirençli beyz polarma devresinin kararlılığı daha iyidir. 142
ANALOG LKTRONİK- 5.3 MİTR POLARMAS miter polarması transistörün kararlı çalıştırılması için geliştirilmiş bir diğer polarma metodudur. u polarma tipinde pozitif ve negatif olmak üzere iki ayrı besleme gerilimi kullanılır. u nedenle bu polarma tipi kimi kaynaklarda simetrik polarma olarak adlandırılmaktadır. Tipik bir emiter polarma devresi şekil-5.12.a da verilmiştir. Görüldüğü gibi devrede iki ayrı gerilim kaynağı kullanılmıştır. ve olarak adlandırılan bu kaynaklar transistörün polarma akım ve gerilimlerini sağlarlar. u devrede beyz gerilimi yaklaşık 0 dur. Aynı devrenin basitleştirilmiş çizimi ise şekil-5.12.b de verilmiştir. + + R R + R + - + R R R a) miter polarmalandırma devresi b) miter polarmalandırılmasının basitleştirilmiş çizim Şekil-5.12.a ve b miter polarmalı transistor devresi ve basitleştirilmiş çizimi Devrede beyz gerilimi şase potansiyelindedir ve yaklaşık 0 civarındadır. Transistörün emiterini kaynağı beyze göre daha düşük potansiyelde tutarak, beyz-emiter jonksiyonunu iletim yönünde etkiler. Devrede analizini çevre denklemlerini kullanarak yapalım. Devrenin analizinde iki farklı yöntem (yaklaşım) kullanabiliriz. irinci yaklaşım beyz gerilimini, dolayısıyla da beyz akımını sıfır kabul ederek ihmal etmektir. İkinci yaklaşım ise beyz akımını da hesaba katmaktır. - 143
ANALOG LKTRONİK-. Yaklaşım: eyz akımını yaklaşık sıfır kabul edelim. 0 - R. Yaklaşım: eyz akımının varlığını kabul edip devrenin analizini yapalım. + Yukarıdaki denklemde beyz akımı yerine; eşitliğini yazarsak; β + 1 β + 1 bu denklemde gerekli akımını çekersek; + + R R + β + 1 + Devrede eğer, R R ise yukarıdaki eşitlik yeniden düzenlenebilir. u durumda; β + 1 R devrede >> olması durumunda bir basitleştirme daha yapabiliriz. u durumda eşitlik; R olarak yazılabilir. u eşitlik bize emiterli polarma devresinin βd ve değerlerinden ve değişimlerinden bağımsız olduğunu gösterir. u durum, transistörün Q çalışma noktasının kararlı olduğu anlamına gelir. Görüldüğü gibi emiterli polarma devresi oldukça kararlıdır. miterli polarma devresinde transistörün kollektör-emiter gerilimini doyum anında yaklaşık sıfır 0 kabul edersek kollektör akımını; ( DOYUM ) R + R 144
ANALOG LKTRONİK- belirleriz. Transistörün kesim anında ise kollektör akımını yaklaşık sıfır kabul ederek kollektör-emiter arasındaki toplam gerilim bulunur. u değer; Örnek: 5.5 R + 12 R 1KΩ Yandaki emiterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerlerini bulunuz. Hesaplamalarda beyz akımını ihmal ediniz. 47KΩ R 5.6KΩ - -12 Çözüm Devrede gerilimini yaklaşık olarak sıfır kabul edersek; 0. 7 R 0.7 ( 12 ) 5.6KΩ 11.3 2. 01mA 5.6KΩ 2. 01mA 12 (2.01mA 1KΩ) 10 ( ) 10 ( 0.7 ) 11. 7 miterli polarma devresinde transistörün çalışma noktası değerleri elde edilmiştir. D yük hattı değerlerini bulalım. Doyum anında 0 kabul edersek; 12 ( 12 ) 24 ( DOYUM) 3. 36mA R + R 1KΩ + 5.6KΩ 6.6KΩ bulunur. Transistör kesimdeyken ise 0 kabul edersek; 12 ( 12 ) 24 145
ANALOG LKTRONİK- değerlerini elde ederiz. ulunan bu değerler kullanılarak karakteristikte yük doğrusu aşağıdaki gibi çizilir. 3.36 (ma) 2.01 Q 0 8.26 24 () Örnek: 5.6 R 15KΩ + 15 R 2.2KΩ Yanda verilen devrede geriliminin 0.7 dan 0.6 a düşmesi ve βd değerinin 100 den 150 ye çıkması durumunda çalışma noktasında meydana gelecek değişimleri analiz ediniz. R 8.2KΩ - -15 Çözüm βd100 ve 0.7 olması durumunda gerekli analizleri yapalım. ( 15 ) 0.7 14.3 1. 71mA R 15KΩ K 8.34KΩ R + 8.2 Ω + β + 1 100 + 1 1. 71mA 15 (1.71mA 2.2KΩ) 11. 23 + 15 + (1.71mA 8.2KΩ) 0. 98 11.23 ( 0.98 ) 10. 25 146
ANALOG LKTRONİK- βd150 ve 0.6 olması durumunda gerekli analizleri yapalım. ( 15 ) 0.6 14.4 1. 72mA R 15KΩ K 8.34KΩ R + 8.2 Ω + β + 1 100 + 1 1. 72mA 15 (1.72mA 2.2KΩ) 11. 21 + 15 + (1.72mA 8.2KΩ) 0. 896 11.21 ( 0.896 ) 10. 31 ulunan bu değerleri kullanarak; kolektör akımı () ve kollektör-emiter gerilimi () değişim yüzdelerini bulalım. % 0 ( β 150 ) ( β 100) ( β 100) 1.72mA 1.71mA %100 %100 %0.5 ( Artma) 1.71mA % ( β 150) ( β 100) β 100) 10.31 10.25 %100 %100 %0.50 10.25 ( Artma) Yorum: Sonuçlardan da görüldüğü gibi ısıl ve çeşitli nedenlerden dolayı βd ve değerlerindeki değişim transistörün çalışma noktası değerlerini çok az miktarda etkilemektedir. u nedenle emiterli polarma devresinin kararlı yüksektir ve βd den bağımsızdır diyebiliriz. 5.4 GRİLİM ÖLÜÜLÜ POLARMA Gerilim bölücülü polarma devresi, Lineer çalışmada sıkça tercih edilen en popüler polarma metodudur. Gerilim bölme işlemi dirençlerle gerçekleştirilir. u polarma tipi transistörün son derece kararlı çalışmasını sağlar ve βd den bağımsızdır. u tip polarma devresinde tek bir besleme geriliminin kullanılması ise diğer bir avantajdır. Özellikle lineer yükselteç devrelerinin tasarımlarında gerilim bölücülü polarma devreleri kullanılır. 147
ANALOG LKTRONİK- Önceki bölümlerde incelediğimiz polarma devrelerinde çalışma noktası βd yükseltme faktörüne aşırı derecede bağımlı idi. Β ya bağımlılık yükselteç devrelerinde bir takım sorunlar yaratır. Örneğin aynı firma tarafından üretilen aynı tip transistörlerin β değerleri farklılıklar içerir. Ayrıca β ısı değişiminden de etkilenmektedir. u durum transistörün kararlı çalışmasını engelleyerek çalışma noktasının istenmeyen bölgelere kaymasına neden olur. Çalışma noktasının önemi önceki konularda açıklanmıştı. Transistörlerde kararlı bir çalışma için gerilim bölücülü polarma devreleri geliştirilmiştir. Tipik bir gerilim bölücülü polarma devresi şekil-5.13.a da verilmiştir. Görüldüğü gibi devre tek bir gerilim kaynağından () beslenmiştir. Devrede transistörün beyz akımı R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanmaktadır. Devrenin kararlılığı çok yüksektir. Transistörün çalışma bölgesi değerleri βd nin değişiminden etkilenmez. u nedenle bu tür polarma tipine β dan bağımsız polarma adı da verilmektedir. Şekil-5.13.b de ise polarma devresinin analizini kolaylaştırmak amacı ile polarma akım ve gerilimleri devre üzerinde gösterilmiştir. + R 1 R R1 1.R 1 R 1 R R.R 1 - R - R R 2 R R2 2.R 2 2 R 2 R R.R Şekil-5.13.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve polarma akımı-gerilimi ilişkileri Devrenin çözümü için çeşitli yöntemler uygulanabilir. İki temel yöntem vardır. irinci yöntem devrede beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük ise uygulanır. u yöntemde 1 akımının tamamının 2 olarak yoluna devam ettiği varsayılarak çözüm üretilir. İkinci yöntemde ise devre analizi beyz akımı dikkate alınarak yapılır. Çözüm tekniğinde theve nin teoreminden yararlanılır. Yöntem 1: u yöntemde beyz akımı ihmal edilebilecek kadar küçük kabul edilir. R1 direncinden akan akımın R2 direncinden de aktığı kabul edilir. Çünkü transistörün giriş direnci Rin R2 direncinden çok büyük olduğu kabul edilir (Rin>>R2). Yapılan kabuller neticesinde polarma devresinin eşdeğeri şekil-5.14.b de verilen hale gelir. şdeğer devrede; R1 ve R2 dirençlerinin birleştiği noktada elde edilen gerilim, transistörün beyz polarma gerilimi olacaktır. 148
ANALOG LKTRONİK- + + 1 R R 1 R 1 R 2 R in >>R 2 1 2 >> İS 2 R 2 R in R Şekil-5.14.a ve b Gerilim bölücülü polarma devresi ve eşdeğer gösterimi Transistörün beyz inde elde edilen geriliminin değeri; R 2 R1 + R2 olarak bulunur. eyz gerilimi; beyz noktası ile şase arasındaki gerilim olduğundan yazılacak çevre denkleminden; + uradan akımını çekersek; R devrede çok küçük olduğundan kabul edebiliriz. Dolayısıyla; transistörün çalışma noktası ise; + olarak elde edilir. Dikkat ederseniz yaptığımız analizlerde transistörün βd değerini hiç kullanmadık. eyz akımı R1, R2 dirençlerine bağımlı kılınmıştır. miter gerilimi ise yaklaşık olarak beyz gerilimine bağımlıdır. miter direnci R, emiter ve kolektör akımını kontrol etmektedir. Son olarak R direnci kolektör gerilimini dolayısıyla kolektör-emiter gerilimi yi kontrol etmektedir. 149
ANALOG LKTRONİK- Örnek: 5.7 R 1 100KΩ + 20 R 5K6 Yandaki devrede polarma akım ve gerilimi değerlerini bulunuz. βd100 0.7 R 2 10KΩ R 1KΩ Çözüm R2 10KΩ 20 1. 82 R1 + R2 100KΩ + 10KΩ 1.82 0.7 1. 12mA R 1KΩ 20 (1.12mA 5.6KΩ) (1.12mA 1KΩ) 20 6.27 1.11 20 7.38 12. 6 Yöntem 2: Gerilim bölücülü polarma devresinde bir diğer yöntem ise Theve nin teoremini kullanmaktır. u yöntem tam çözüm sunar. Hiçbir kabul içermez. Devrenin girişinde (beyz) theve nin teoremi uygularsak polarma devresi şekil-5.15.b de verilen basit forma dönüşür. + + R 1 R R R TH A R 2 TH R R a) Gerilim bölücülü polarma devresi b) Theve nin eşdeğer devresi Şekil-5.15 Gerilim bölücülü polarma devresi ve Theve nin eşdeğeri 150
ANALOG LKTRONİK- Theve nin eşdeğer gerilimi olan TH değerini bulmak için devre girişini A noktasından ayıralım (Transistörü bağımlı akım kaynağı gibi düşünebiliriz). u durumda devremiz şekil-5.16.a da verilen forma dönüşür. TH gerilimi ise A noktasında elde edilecek gerilim değeridir. TH 2 R + R 1 Theve nin eşdeğer direnç değeri RTH ı ise; gerilim kaynağı kısa devre edilerek bulunur. u değer A noktasından görülen direnç değeridir ve R1 ve R2 dirençleri paralel duruma geçmiştir. u durum şekil-5.16.b de gösterilmiştir. 2 R 1 R TH R1 // R2 R1 + R 2 2 + R 1 R 1 TH R TH R 2 R 2 a) Thevenin e şdeğer gerilimi b) Thevenin e şdeğer direnci Şekil-5.16 Thevenin eşdeğer gerilimi (TH) ve şdeğer direncinin (RTH) bulunması Theve nin eşdeğer gerilimi ve eşdeğer direnç değerlerini bulduktan sonra şekil-5.15.b de verilen eşdeğer devreden çözüme devam edelim. akımını bulmak için devre girişi için çevre denklemini yazalım. TH TH + + Devrede ve olmak üzere iki bilinmeyen var. O halde akımını cinsinden ifade edelim. (β+1) dir. Denklemde yerine koyalım. TH + + ( β + 1) TH uradan gerekli olan akımını çekelim. R TH TH + ( β + 1) olarak bulunur. ulanan bu değerden, ve değerleri sırayla elde edilir. 151