1
BÖLÜM 1 ELEKTRİK AKIMI ELEKTRİK AKIMI NASIL OLUŞUR? Bilindiği gibi metallerin atomlarındaki elektron sayıları metalin türüne göre değişir. İletken metallerin atomlarının son yörüngelerinde 4 'den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronları 8 'e tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bu yüzden bir İletken maddede milyonlarca serbest elektron bulunur. Bu iletkenlere gerilim uygulandığında elektronlar negatif () 'den pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu harekete "Elektrik Akımı" denir. Birimi ise "Amper" 'dir. İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 6.25*10^18 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma eşittir. Akımlar "Doğru Akım" (DC) ve "Alternatif Akım" (AC) olarak ikiye ayrılır. Doğru Akım (DC) : Doğru akımın kısa tanımı "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir." şeklindedir. Doğru akım genelde elektronik devrelerde kullanılır. En ideal doğru akım en sabit olanıdır. En sabit doğru akım kaynakları da pillerdir. Alternatif Akım (AC) : Alternatifin kelime anlamı "Değişken" dir. Alternatif akımın kısa tanımı ise "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akıma alternatif akım denir." şeklindedir. Alternatif akım büyük elektrik devrelerinde ve yüksek güçlü elektrik motorlarında kullanılır. Evlerimizdeki elektrik alternatif akım sınıfına girer. Buzdolabı, çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, klima ve vantilatörler doğrudan alternatif akımla çalışırlar. Televizyon, müzik seti ve video gibi cihazlar ise bu alternatif akımı doğru akıma çevirerek kullanırlar. 2
DOĞRU VE ALTERNATİF AKIMIN KARŞILAŞTIRILMASI Elektrik enerjisi, alternatif akım ve doğru akım olarak iki şekilde üretilir. Bugün kullanılan elektrik enerjisinin %90 ından fazlası alternatif akım olarak üretilmektedir. Bunun çeşitli nedenleri vardır. Bunları sıra ile inceleyelim. Elektrik enerjisinin uzak mesafelere ekonomik olarak iletilmesi için yüksek gerilimlere ihtiyaç vardır. Belirli bir güç, mesafe ve kayıp için iletim hattının kesiti, kullanılan gerilimin karesi ile ters orantılı olarak değişir. Doğru akımın elde edilmesinde kullanılan dinamolar (D.A. jeneratörü) yüksek gerilimli olarak yapılamazlar. Komütasyon zorluklarından dolayı, ancak 1500 volta kadar D.A üreten genaratörler yapılabilmiştir. Alternatif akım üreten alternatörlerden ise 230, 6300, 10500 ve 20000 volt gibi yüksek gerilimler elde edilebildiği gibi, transformatör denilen statik makinelerle bu gerilimleri 60 kv, 100 kv ve daha yüksek gerilimlere yükseltmek de mümkündür. Elektrik enerjisinin taşınması yüksek gerilimli alternatif akımlarla yapılır. Hattın sonundaki transformatörlerle bu yüksek gerilim, kullanma gerilimine dönüştürülür. Cıva buharlı redresörlerle yüksek gerilimli alternatif akımı, yüksek gerilimli doğru akıma çevirerek enerjiyi taşımak ve hattın sonuna inverterlerle düşük gerilimli alternatif akıma çevirmek mümkün olduğu halde, uygulamada fazla kullanılmamaktadır. Büyük güçlü ve yüksek devirli DA jeneratörleri komütasyon zorluklarından dolayı yapılamazlar. Alternatörler ise, büyük güçlü ve yüksek devirli olarak yapılabilirler. Böylece elde edilen enerjinin kilovat saat başına maliyeti ve işletme masrafları düşük olur. Alternatörler 200000 kva, 400000 kva gücünde yapılabilirler. Sanayide sabit hızlı yerlerde alternatif akım motoru (endüksiyon motoru), doğru akım motorundan daha verimli çalışır. Endüksiyon motoru, D.A. motorundan daha ucuz, daha sağlam olup, bakımı da kolaydır. D.A. motorunun tek üstünlüğü, devir sayısının düzgün olarak ayar edilebilmesidir. Doğru akımın tercih edildiği veya kullanılmasının gerekli olduğu yerler de vardır. Elektrikli taşıtlar, galvano teknik (maden kaplamacılığı) ve madenlerin elektrikle arıtılması tüm elektronik sistemler ve haberleşme sistemlerinde D.A kullanılır. Bu gibi yerlerde doğru akım genellikle, alternatif akımın D.A a çevrilmesi ile elde edilir. 3
ALTERNANS, PERİYOT, FREKANS Alternatif akımın üretilmesi mekanik jeneratörlerden elektronik olarak ise sinyal jeneratörlerinden elde edilebilir. Doğru akımda olduğu gibi alternatif akımında sembolü ve dalga şekli, şekil 1.5 de görüldüğü gibidir. Şekil1.5 A.A sembolü ve dalga şekli Alternans: Alternatif akım şekil1.5 de görüldüğü gibi sıfırdan pozitif maksimum değere daha sonra sıfıra gelme durumuna pozitif alternans, sıfırdan eksi maksimum değere daha sonra tekrar sıfıra gelmesine negatif alternans denir. İki alternansının birleşmesi ile bir saykıl (cycle) oluşur. Alternatif gerilimi bir devreye bağlanırsa akımın akışı alternanslara göre değişir. Bu değişim şekil 1.6 da olduğu gibidir. (a) Pozitif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü 4
(b) Negatif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü Şekil1.6 Periyot: Bir saykılın oluşması için geçen süreye periyot denir. N S kutbu arasındaki bir iletken veya bobin 360 derece döndürüldüğünde indüklenen emk bir sinüs dalgalık değişime uğrar. Bobine iki devir yaptırıldığında indüklenen emk iki sinüs dalgası çizer. Bir periyot 360 dir. Periyot T harfi ile ifade edilir. Birimi ise saniyedir. Şekil1.7de sinüzoidal dalganın periyodu görülmektedir. Şekil1.7 Sinüzoidal dalganın periyodu Frekans: Alternatif akım veya gerilimin bir saniyede oluşan periyot sayısına veya saykıl sayısına frekans denir. Frekans f harfi ila ifade edilir. Birimi saykıl/saniye, periyot/saniye veya Hertz dir. Periyot ile frekans arasındaki ifade şu şekildedir. Frekansın birimi olan hertz in as katları mevcut değildir. Üst katları ise kiloherzt, megaherzt ve gigaherzt olarak sıralanabilir. Bu dönüşümler ise; 1Hz = 10 9 GHz 1Hz = 10 6 MHz 5
1Hz = 10 3 khz kendi aralarında biner biner büyür ve küçülür. Şekil1.10da düşük ve yüksek frekans görülmektedir. Dikkat edilirse (a) da bir saniyede iki saykıl oluşurken (b)de ise üç saykıl oluşmaktadır. Bu duruma göre de dalgaların frekansı değişmektedir. Türkiye de kullanılan alternatif gerilimin frekansı 50 Hz olduğu da bilinmelidir. Bu demektir ki sinüzoidal dalga bir saniyede elli kez oluşmaktadır. (a) (b) Şekil1.10 Örnek : Alternatif gerilimin bir periyodunun oluşması için geçen süre 10 ms ise bu gerilimin frekansı nedir? Çözüm : Alternatif gerilimin periyodu bilindiğine göre frekansla periyot arasındaki ilişki formülünden; T=10 ms = 10.10 3 s bulunur PASİF DEVRE ELEMANLARI Elektronik düzenekleri anlayabilmek için temel elektronik devre elemanlarının yapı ve işlevlerinin bilinmesi gereklidir. Bu dersimizde temel elektronik devre elemanları ve elektronik düzenekler anlatılacaktır. Elektronik Devre Elemanları İki Gruba Ayrılır: 1) Pasif Devre Elemanları 2) Aktif Devre Elemanları Bunlarda kendi aralarında gruplara ayrılmaktadır.. 6
1. PASİF DEVRE ELEMANLARI: Dirençler Kondansatörler Bobinler 2. AKTİF DEVRE ELEMANLARI: Diyotlar Transistörler Entegre devreler Pasif devre elemanları, genel amaçlı elemanlardır. Hemen hemen her elektronik devrede bulunurlar. Bu nedenle, bu elemanların genel yönleriyle tanınmaları, amaca uygun olarak kullanılmaları bakımından yeterlidir. Aktif devre elemanları, ise özel amaçlı elemanlardır. Kullanılacak devrenin özelliğine göre, aktif devre elemanlarının özellikleri ve türleri de değişmektedir. DİRENÇLER Direnç kelimesi, genel anlamda, "bir güce karşı olan direnme" olarak tanımlana bilir" Elektrik ve elektronikte direnç, iki ucu arasına gerilim uygulanan bir maddenin akıma karşı gösterdiği direnme özelliğidir. Kısaca; elektrik akımına gösterilen zorluğa DİRENÇ denir. Direnç "R" veya "r" harfi ile gösterilir, birimi ohm (W) dur. Direnç Sembolleri: Sabit Dirençler Ayarlı Dirençler (Eski) (Yeni) (Eski) (Yeni) 7
Şekil 1.1 Dirençli bir devre Direncin devredeki rolü: Bir "E" gerilim kaynağına "R" direncinden, Şekil 1.1'de gösterilmiş olduğu gibi, bir " I " akımı akar. Bu üç değer arasında Ohm kanununa göre şu bağlantı vardır. E=I.R Birimleri: E: Volt I: Amper R: Ohm (W) Direnç Türleri: Dirençler iki gruba ayrılır: 1) Büyük güçlü dirençler 2) Küçük güçlü dirençler BÜYÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER: 2W üzerindeki dirençler büyük güçlü direnç grubuna girer. KÜÇÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER: Küçük güçlü dirençlerin sınıflandırılması: 1) Sabit Dirençler 2) Ayarlı Dirençler 3) Termistör (Terminstans) 4) Foto Direnç (Fotorezistans) Gerek büyük güçlü olsun, gerekse de küçük güçlü olsun, bütün dirençlerin belirli bir dayanma gücü vardır. 8
Bir Direncin Harcadığı Güç; 1) U: Dirençteki gerilim düşümü (Volt) 2) R: Direncin değeri (Ohm) 3) I: Geçen akım (Amper) 4) P: Direncin gücü (Watt) Direnç Üzerinde Harcanan Güç Üç Şekilde İfade Edilir: 1) Akım ve gerilim cinsinden: P=U.I 'dır 2) Akım ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): U=I.R 'dir. Bu "U" değeri P=U.I 'da yerine konulursa: P=I²R olur. 3) Gerilim ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): I=U/R 'dir. Bu "I" değeri, P=U.I 'da yerine konursa, P=U²/R olur. SABİT DİRENÇLER Yapısı ve çeşitleri: Sabit dirençler yapıldığı malzemenin cinsine göre üçe ayrılır: 1) Karbon dirençler 2) Telli dirençler 3) Film dirençler Film dirençler de ikiye ayrılır. 1) İnce film dirençler 2) Kalın film [Cermet "Sörmit" Okunur] dirençler KARBON DİREÇLER Karbon direncin yapısı: Karbon direnç; kömür tozu ile, reçine tozunun eritilmesi ile elde edilir. Karbon dirençler 1 Ohm 'dan başlayarak bir kaç mega Ohm 'a (MW) kadar üretilmektedir. 9
Başlıca kullanım alanları: Bütün elektronik devrelerde en çok kullanılan direnç türüdür. W 3 2 1 şekil (a) 1/2 1/4 1/4 Şekil (b) Şekil 1.2 Değişik karbon dirençler a) Küçük güçlü direncin kesit görüntüsü b) Değişik güçteki dirençlerin 1/1 görüntüsü 10
TELLİ DİREÇLER Telli dirençler gerek sabit direnç, gerekse de ayarlanabilen direnç olmak üzere, değişik güçlerde ve omajlar da üretilebilmektedir. Telli Direncin Yapısı: Telli dirençlerde, sıcaklıkla direnç değerinin değişmemesi ve dayanıklı olması için, NikelKrom, NikelGümüş ve konstantan kullanılır. Telli dirençler genellikle seramik gövde üzerine iki katlı olarak sarılır. Üzeri neme ve darbeye karşı verniklidir. Yalnızca, Şekil 1.3(b)'de görüldüğü gibi ayarlı dirençte, bir hat boyunca tellerin üzeri kazınır. 10 Ohm ile 100 KOhm arasında 30 W 'a kadar üretilmektedir. Başlıca kullanım alanları: Telekominikasyon ve kontrol doğrultucularda kullanılır. Tellerin çift katlı sarılmasıyla endüksiyon etkisi kaldırılabildiğinden yüksek frekans devrelerinde tercih edilir. Küçük güçlülerde ısınmayla direnci değişmediğinden ölçü aletlerinin ayarında etalon (örnek) direnç kullanılır. Dezavantajları: Direnç telinin kopması, çok yer kaplaması ve büyük güçlü olanlarının ısınması gibi dezavantajları vardır. 11
FİLM DİRENÇLER Film kelimesi dilimize İngilizce 'den geçmiştir. Türkçe karşılığı zar ve şerit anlamına gelmektedir. Şekil 1.4 'ten anlaşıldığı gibi direnç şerit şeklinde yalıtkan bir gövde üzerine sarılmıştır. Bu durumu, bir fotoğraf filminin sarılışına benzetebiliriz. Şekil 1.4 Film direncin iç görünümü İki tür film direnç vardır: 1) İnce film dirençler 2) Kalın film dirençler 1 İnce Film Dirençler: İnce film dirençler şu şekilde üretilmektedir. Cam veya seramik silindirik bir çubuk üzerine "Saf Karbon","Nikel Karbon","Metal Cam tozu" karışımı "Metal oksit" gibi değişik direnç sprey şeklinde püskürtülür. Püskürtülen bu direnç maddesi, çok ince bir elmas uçla veya Lazer ışınıyla Şekil 1.4 'te görüldüğü gibi, belirli bir genişlikte, spiral şeklinde kesilerek şerit sargılar haline dönüştürülür. Şerit sargıdan biri çıkarılarak diğer sargının sarımları arası izole edilir. Şerit genişliği istenilen şekilde ayarlanarak istenilen direnç değeri elde edilir. 2 Kalın Film (Cermet) Dirençler: Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir. 12
Yukarıda açıklanan yöntemle, hem sabit hem de ayarlı direnç yapılmaktadır. Başlıca kullanım alanları: Tablo 1.1 'de görüldüğü gibi, film dirençler toleransı en küçük olan dirençlerdir. Yani, istenilen değer tam tutturulabilmektedir. Bu nedenle hassas direnç gerektiren elektronik devreler için çok önemli bir dirençtir. Ayrıca maksimum akımda bile değeri pek değişmemektedir. Direnç tipi Karbon direnç İnce film dirençler Karbon Metal Metal kalın film (cermet) direnç Telli direnç Büyüklüğü 10W22MW 10W2MW 10W1MW 10W68MW 0,25W10KW Toleransı ±%10 ±%5 ±%2 ±%2 ±%5 Maksimum gücü Yükteki değer değişimi Maksimum dayanma gerilimi Yalıtkanlık direnci Gerilim sabiti 250mW 250mW 500mW 500mW 2,5W %10 %2 %1 %0,5 %1 150V 200V 350V 250V 200V 10 9 W 10¹ºW 10¹ºW 10¹ºW 10¹ºW 2000ppm/V 100ppm/V 10ppm/V 10ppm/V 1ppm/V Çalışabildiği sıcaklık aralığı Sıcaklık sabiti Gürültüsü 40 C +105 C 40 C +125 C 55 C +150 C 55 C +150 C 55 C +185 C ±1200 ppm/ C 1200 ppm/ C ±250 ppm/ C ±100 ppm/ C ±200ppm/ C 1 kw 2µV/V, 10MW 6µV/V 1µV/V 0,1µV/V 0,1µV/V 0,01µV/V Lehim etkisi %2 %0,5 %0,15 %0,15 %0,05 13
NOT: 1) 1ppm = 10 6 Ohm başına değişim miktarı. 2) Sıcaklık sabiti "+" ppm: Isındıkça artan direnç 3) Sıcaklık sabiti "" ppm: Isındıkça azalan direnç Örneğin; saf karbon direncin: Sıcaklık sabiti 1200ppm/ C olup sıcaklığın her 1 artışında, direnci Ohm başına, 1200ppm=1200*10 6 =0,0012 Ohm azalmaktadır. 4) Sıcaklık sabiti "±" ppm: ısındıkça artan, 0 ºC 'nin altında soğutulurken azalan direnç. Örneğin; Bakırın direnci 234 'ta sıfır olmaktadır. 5) Gerilim sabiti: Dirence uygulanan gerilimin büyüklüğü oranında, direnci yukarıda verilen değer kadar düşmektedir. Örneğin; 150 Ohm 'luk bir "karbon film dirence" 30V uygulandığında direnci 30*150*10 6 =0,45 kadar düşecektir. AYARLI SİRENÇLER Yapıları: Ayarlı dirençler, direnç değerinde duruma göre değişiklik yapılması veya istenilen bir değere ayarlanması gereken devrelerde kullanılırlar. Karbon, telli ve kalın film yapıda olanları vardır. Aşağıda çeşitlerini anlatırken yapıları da daha geniş olarak anlatacağım. çeşitleri: Ayarlı dirençler iki ana gruba ayrılır: 1) Reostalar 2) Potansiyometreler REOSTALAR Reostalar, Şekil 1.6 'da verilmiş olan sembollerinden de anlaşıldığı gibi iki uçlu ayarlanabilen dirençlerdir. Bu iki uçtan birine bağlı olan kayıcı uç, direnç üzerinde gezdirilerek, direnç değeri değiştirilir. 14
Şekil 1.6 Reostanın değişik semboller ile gösteriliş Reostaların da karbon tipi ve telli tipleri vardır. Sürekli direnç değişimi yapan reostalar olduğu gibi, kademeli değişim yapan reostalarda vardır. Reostaların başlıca kullanım alanları: Laboratuarlarda etalon direnç olarak, yani direnç değerlerinin ayarlanmasında ve köprü metodunda direnç ölçümlerinde, değişken direnç gerektiren devre deneylerinde, örneğin diyot ve transistor karakteristik eğrileri çıkarılırken giriş, çıkış gerilim ve akımlarının değiştirilmesinde ve benzeri değişken direnç gerektiren pek çok işlemde kullanılır. POTANSİYOMETRELER Potansiyometreler şekil 1.8 'de görüldüğü gibi üç uçlu ayarlı orta uç, direnç üzerinde gezinebilir. Tablo 1.8 Potansiyometrenin gerilim bölücü olarak kullanılması Potansiyometreler, yine Şekil 1.8 'de belirtilmiş olduğu gibi direnç değerinin değiştirilmesi yoluyla gerilim bölme, diğer bir deyimle çıkış gerilimini ayarlama işlemini yapar. Potansiyometrelerin başlıca uygulama alanları Tablo 1.3 'de verilmiştir. 15
Potansiyometre Çeşitleri: Potansiyometreler aşağıdaki üç grup altında toplanabilir. 1) Karbon Potansiyometreler 2) Telli Potansiyometreler 3) Vidalı Potansiyometreler 1. KARBON POTANSİYOMETRELER Karbon potansiyometreler, mil kumandalı veya bir kez ön ayar yapılıp, bırakılacak şekilde üretilmektedir. Ayar için tornavida kullanılır. Bu türdeki potansiyometreye "Trimmer potansiyometre" (Trimpot) denmektedir. Şekil 1.10 Lineer ve logaritmik potansiyometrelerin karakteristik eğrileri A: Lineer potansiyometre çıkış gerilimindeki değişim B: Logaritmik potansiyometre çıkış gerilimindeki Şekil 1.10 'da gösterilmiş olduğu gibi karbon potansiyometreler. Lineer (doğrusal) veya logaritmik (eğrisel) gerilim ayarı yapacak şekilde üretilir. Şeklin köşesinde karakteristik eğrileri çıkarılan potansiyometre görülmektedir. Yatay koordinat ekseni, potansiyometre fırçasının "a" ucuna göre dönüş açısını, gösteriyor. Düşey koordinat ekseni ise, as uçlarından alınan Vas geriliminin, ae uçları arasındaki Vae gerilimine oranını (Vas/Vae) göstermektedir. Aynı şeyleri direnç değerleri üzerinde de söylemek mümkündür. Şekilde, noktalı olarak çizilmiş olan A doğrusu, lineer potansiyometreye, B eğrisi ise logaritmik potansiyometreye aittir. 16
Potansiyometre fırçası "a" ucunda iken Vas çıkış gerilimi sıfır 'dır. Fırçanın 90 döndürülmüş olduğunu kabul edelim: Potansiyometre lineer ise; Vas = 32/100*Vae = 0,32Vae olur. Potansiyometre logaritmik ise; Vas = 8/100*Vae = 0,08Vae olur. Yükselteçlerde volüm ve ton kontrolünde logaritmik potansiyometrelerin kullanılması uygun olur. Dirençlerin hangi türden olduğunun anlaşılmasını sağlamak için, omaj değerinden sonra "lin" veya "log" kelimeleri yazılır. 2. TELLİ POTANSİYOMETRELER Telli potansiyometreler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran fırça düzeninden oluşmaktadır.bu tür potansiyometrelerin üzeri genellikle açıktır. Tel olarak NikelKrom veya başka rezistans telleri kullanılır. 3. VİDALI POTANSİYOMETRELER Vidalı potansiyometrede, sonsuz vida ile oluşturulan direnci taramaktadır. Üzerinde hareket eden bir fırça, kalın film (Cermet) yöntemiyle oluşturulan direnci taramaktadır. Fırça potansiyometrenin orta ayağına bağlıdır. Böylece orta ayak üzerinden istenilen değerde ve çok hassas ayarlanabilen bir çıkış alınabilmektedir. Potansiyometrelerin başlıca kullanım alanları: Potansiyometreler elektronikte başlıca üç amaç için kullanılırlar; 1) Ön ayar için 2) Genel amaçlı kontrol için 3) İnce ayarlı kontrol için Bu üç kullanılma amacı için potansiyometreden beklenen özellikler. Tablo 1.4 'te özetlenmiştir. Ayrıca, Tablo 1.5 'te de yukarıda açıklanan üç potansiyometre türünün kıyaslanması yapılmıştır. 17
Tablo 1.4. Potansiyometrelerin Kullanılma yerlerine göre özellikleri Tipi Uygulama örneği Seçim Töleransı Doğrusallık (Lineerite) Kararlılık (Stabilite) Ömrü boyunca ayar gereksinimi Ön ayar Darbe jenaratorun de darbe genişliği ayarı ±%20 Önemli değil Yüksek ±%2 50 'den az Genel amaçlı kontrol Yükselteçte ses ve ton ayarı ±%20 ±%10 Orta ±%10 10000 İnce ayarlı kontrol Skoptaki genlik ayarı, haberleşmede frekans ayarı ±%20 ±%0.5 Yüksek ±%0.5 50000 Tablo 1.5. Potansiyometrelerin kıyaslama tablosu Tipi Türü Değeri Toleransı Gücü (W) Karbon pot. (Trimmer) Lineer veya logaritmik Telli pot. Lineer 10100K 10010M ±%20 0.52 ±%5 ±%3 3 Sıcaklık sabiti Kararlılık (Stablite) 700 ppm/ C 100 K ±%20 altında 1000 ppm/ C 100 K üstünde 100 ±%5 ppm/ C ±%2 50 ppm/ C Ömrü 20000 dönüş 20000 100000 arsı dönüş Vidalı pot. Lineer 10500K ±%10 1 200 ppm/ C ±%5 500 kademe DEĞİŞİK DİRENÇLER TERMİSTÖR (TERMİNSTANS) Termistörler ısınınca direnci değişen elemanlardır. Termistörler sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılırlar: 1) Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC) 2) Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC) 18
1. PTC DİRENÇLER Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür. Metaller, özellikle de baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik kullanım alanları vardır. Örneğin: Röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin gecikmeli çekmesini sağlar. Florasan lambalarda da starter yerine PTC direnç kullanılabilmektedir. 2. NTC DİRENÇLER NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal oksitler gibi maddelerden üretilir. Şekil 1.13' de bir NTC termistöre ait karakteristik eğrileri verilmiştir. Şekil 1.13 NTC Termistör karakteristik eğrileri 19
a) 40 C' ye kadar ısıtılan bir ortamdaki termistör direncindeki değişim; b) eğişik sıcaklıklardaki Akımgerilim (I,V) bağıntısı NTC Termistörünün kullanım alanları: NTC termistörlerin çok değişik kullanım alanları vardır. Motor ve transformatör gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilen NTC termistörün direnci fazla ısınmadan dolayı küçülen bir alarm ve koruma devresini harekete geçirir. Bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilen NTC direnci su seviyesi düşünce, ısınarak pompa devresini çalıştırır. Bir motora seri bağlanan NTC direnç önce küçük akım çekerek güvenli yol almasını sağlar. Röleye seri bağlanan NTC direnç rölenin gecikmeli çalışmasını sağlar. FOTOREZİSTANS Fotorezistansın çalışma prensibi NTC direncin çalışma prensibine yakındır. Fotorezistanslar, ışık etkisi altında kalınca direnci küçülen elemanlardır. En çok kullanılan fotorezistans maddesi kadmiyum sülfürdür. Kadmiyum sülfürden yapılmış olan bir fotorezistansın karanlıktaki direnci 10 MOhm olduğu halde, gün ışığında 1 KOhm' a düşmektedir. 20
BÖLÜM 2 KONDANSATÖRLER Önbilgiler: Kondansatör, DC akımı geçirmeyip, AC akımı geçiren devre elemanıdır. Yapısı: Kondansatör şekil 1.6' da görüldüğü gibi, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir maddenin yerleştirilmesi veya hiç bir yalıtkan kullanılmaksızın hava aralığı bırakılması ile oluşturulur. Kondansatörler yalıtkan maddenin cinsine göre adlandırılır. Kondansatörün sembolü: Değişik yapılı kondansatörlere göre, kondansatör sembollerinde bazı küçük değişiklikler vardır. 21
Harf Olarak " C " KONDANSATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ: Kondansatörün bir DC kaynağına bağlanması ve şarj edilmesi: Şekil 1.17(a)' da görüldüğü gibi kondansatör bir DC kaynağına bağlanırsa, devreden Şekil 1.17(b)' de görüldüğü gibi, geçici olarak ve gittikçe azalan Ic gibi bir akım akar. Ic akımının değişimini gösteren eğriye kondansatör zaman diyagramı denir. Akımın kesilmesinden sonra kondansatörün plakaları arasında, kaynağın Vk gerilimine eşit bir Vc gerilimi oluşur. Bu olaya, kondansatörün şarj edilmesi, kondansatöre de şarjlı kondansatör denir. "Şarj" kelimesinin Türkçe karşılığı "yükleme" yada "doldurma" dır. Şekil 1.17 Kondansatörün DC kaynağına bağlanması a) Bağlantı devresi b) Zaman diyagramı c) Vc gerilim oluşumu 22
Kondansatör Devresinden Akım Nasıl Akmalıdır? Şekil 1.17(a)' daki devrede, S anahtarı kapatıldığında aynı anda kondansatör plakasındaki elektronlar, kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir, kaynağın negatif kutbundan çıkan elektronlar, kondansatöre doğru akmaya başlar. Bu akma işlemi, kondnsatörün plakası daha fazla elektron veremez hale gelinceye kadar devam eder. Bu elektron hareketinden dolayı devreden bir Ic akımı geçer. Ic akımının yönü elektron hareketinin tersi yönündedir. Devreden geçen Ic akımı, bir DC ampermetresi ile gözlenebilir. S anahtarı kapanınca ampermetre ibresi önce büyük bir sapma gösterir. Sonra da, ibre yavaş yavaş sıfıra gelir. Bu durum devreden herhangi bir akım geçmediğini gösterir. Ic akımına şarj akımı denir. Devre akımının kesilmesinden sonra yukarıda da belirtildiği gibi kondansatör plakaları arasında Vc=Vk oluşur. Vc gerilimine şarj gerilimi denir. Vc geriliminin kontrolü bir DC voltmetre ile de yapılabilir. Voltmetrenin "+" ucu, kondansatörün, kaynağın pozitif kutbuna bağlı olan plakasına, "" ucu da diğer plakaya dokundurulursa Vc değerinin kaç volt olduğu okunabilir. Eğer voltmetrenin uçları yukarıda anlatılanın tersi yönde bağlanırsa voltmetrenin ibresi ters yönde sapar. KONDANSATÖRDE YÜK, ENERJİ VE KAPASİTE Şarj işlemi sonunda kondansatör, Q elektrik yüküyle yüklenmiş olur ve bir Ec enerjisi kazanır. Kondansatörün yüklenebilme özelliğine kapasite (sığa) denir. C ile gösterilir. Q, Ec, C ve uygulanan V gerilimi arsında şu bağlantı vardır. Q=C.V Ec=CV 2 /2 1) Q: Coulomb (kulomb) 2) V: Volt 3) C: Farad (F) 4) Ec: Joule (Jul) 23
Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, C kapasitesi ve uygulanan V gerilimi ne kadar büyük ise Q elektrik yükü ve buna bağlı olarak devreden akan Ic akımı da o kadar büyük olur. Kondansatörün kapasite formülü: 0: (Epsilon 0): Boşluğun dielektrik katsayısı ( 0=8.854.10 12 ) r: (Epsilon r): Plakalar arsında kullanılan yalıtkan maddenin İZAFİ 1 dielektrik (yalıtkanlık) sabiti.(tablo 1.6) 1) A: Plaka alanı 2) d: Plakalar arası uzaklık A ve d değerleri METRİK sistemde (MKS) ifade edilirse, yani, "A" alanı (m) ve "d" uzaklığı, metre (m 2 ) cinsinden yazılırsa, C' nin değeri FARAD olarak çıkar. Örneğin: Kare şeklindeki plakasının her bir kenarı 3 cm ve plakalar arası 2 mm olan, hava aralıklı kondansatörün kapasitesini hesaplayalım. A ve d değerleri MKS' de şöyle yazılacaktır: A=0,03*0,03=0,0009m 2 = 9.10 4 m 2 d=2mm=2.10 3 m 0 = 8,854.10 12 Hava için r=1 olup, değerler yerlerine konulursa: C=8,854.10 12.4,5.10 1 =39,843.10 13 F=3,9PF (Piko Farad) 1 olur. NOT: 1 İZAFİ kelimesi, yalıtkan maddenin yalıtkanlık özelliğinin boşluğunkinden olan farkını göstermesi nedeniyle kullanılmaktadır. İzafinin, öz türkçesi, "göreceli" dir. 24
Tablo 1.6. Bazı yalıtkan maddelerin r sabitleri CİNSİ İzafi Yalıtkanlı k Katsayısı ( r) CİNSİ İzafi Yalıtkanlı k Katsayısı ( r) Hava 1 Mika 57 Lastik 23 Porselen 67 Kağıt 23 Bakalit 46 Seramik 37 Cam 47 AC DEVREDE KONDANSATÖR: Yukarıda DC devrede açıklanan akım olayı, AC devrede iki yönlü olarak tekrarlanır. Dolayısıyla da, AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel teşkil etmemektedir. Ancak bir direnç gösterir. Kondansatörün gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir. Kapasitif reaktans, Xc ile gösterilir. Birimi Ohm(W) dur. 1) Xc = Kapasitif reaktans (W) 2) = Açısal hız (Omega) 3) f = Frekans (Hz) 4) C = Kapasite (Farad) 'Ohm olarak hesaplanır. Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, kondansatörün Xc kapasitif reaktansı; C kapasitesi ve f frekansı ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün kapasitesi ve çalışma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır. 25
SABİT KONDANSATÖR: Sabit kondansatörler kapasitif değeri değişmeyen kondansatörlerdir. Yapısı ve Çeşitleri: Kondansatörler, yalıtkan maddesine göre adlandırılmaktadırlar. Sabit kondansatörler aşağıdaki gibi gruplandırılır: 1) Kağıtlı Kondansatör 2) Plastik Film Kondansatör 3) Mikalı Kondansatör 4) Seramik Kondansatör 5) Elektrolitik Kondansatör KAĞITLI KONDANSATÖR Kondansatörlerin kapasitesini arttırmak için levha yüzeylerinin büyük ve levhalar arasında bulunan yalıtkan madde kalınlığının az olması gerekir. Bu şartları gerçekleştirirken de kondansatörün boyutunun mümkün olduğunca küçük olması istenir. Bu bakımdan en uygun kondansatörler kağıtlı kondansatörlerdir. Çok yaygın bir kullanım alanı vardır. Şekil 1.18 'de görüldüğü gibi bir kağıt, bir folyo ve yine bir kağıt bir folyo gelecek şekilde üst üste konur. Sonra da bu şerit grubu silindir şeklinde sarılır. Bağlantı uçları (elektrotlar) yine şekil 1.18 'de görüldüğü gibi, aliminyum folyolara lehimlenir. Oluşturulan silindir, izole edilmiş olan metal bir gövdeye konarak ağzı mumla kapatılır. Yada üzeri reçine veya lak ile kaplanır. Şekil 1.22 'de kağıtlı kondansatörlerin dış görüntüleri verilmiştir. 26
Şekil 1.18 Kağıtlı kondansatör PLASTİK FİLM KONDANSATÖR Plastik film kondansatörlerde kağıt yerine plastik bir madde kullanılmaktadır. Bu plastik maddeler: Polistren, poliyester, polipropilen olabilmektedir. Hassas kapasiteli olarak üretimi yapılabilmektedir. Yaygın olarak filtre devrelerin de kullanılır. Üretim şekli kağıt kondansatörlerin aynısıdır. 27
MİKALIK KONDANSATÖR Mika, " r" yalıtkanlık sabiti çok yüksek olan ve çok az kayıplı bir elemandır. Bu özelliklerinden dolayı da, yüksek frekans devrelerinde kullanılmaya uygundur. Mika tabiatta 0.025 mm 'ye kadar ince tabakalar halinde bulunur. Kondansatör üretiminde de bu mikalardan yararlanılır. İki tür mikalı kondansatör vardır: 1) Gümüş kapalnmış mikalı kondansatör. 2) Aliminyum folyolu kaplanmış mikalı kondansatör. GÜMÜŞ KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR Bu tür kondansatörlerde mikanın iki yüzüne gümüş üskürtülmektedir. Oluşturulan kondansatöre dış bağlantı elektrotları lehimlenerek mum veya reçine gövde içerisine yerleştirilir. ALÜMİNYUM FOLYO KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR Gümüş kaplama çok ince olduğundan, bu şekilde üretilen kondansatör büyük akımlara dayanamamaktadır. Büyük akımlı devreler için, mika üzerine alüminyum folyo kaplanan kondansatörler üretilmektedir. Mikalı kondansatör ayarlı (trimmer) olarak ta üretilmektedir. SERAMİK KONDANSATÖR Seramiğin yalıtkanlık sabiti çok büyüktür. Bu nedenle, küçük hacimli büyük kapasiteli seramik kodansatörler üretilebilmektedir. Ancak, seramik kondansatörlerin kapasitesi, sıcaklık, frekans ve gerilim ile %20 'ye kadar değiştiğinden, sabit kapasite gerektiren çalışmalarda kullanılamaz. Fakat, frekens hassasiyetinin önemli olmadığı kuplaj, dekuplaj (bypass) kondansatörü olarak ve sıcak ortamlarda kullanılmaya uygundur. 28
ELEKTROLİTİK KONDANSATÖR Elektrolitik kondansatörler büyük kapasiteli kondansatörlerdir. Yaygın bir kullanım alananı vardır. Özellikle, doğrultucu filtre devrelerinde, gerili 29
BÖLÜM 3 BOBİNLER SABİT BOBİNLER VE YAPILARI Bobin bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmış tel grubudur. Kullanım yerine göre, makara içerisi boş kalırsa havalı bobin, demir bir göbek (nüve) geçirilirse nüveli bobin dı verilir. Bobinin her bir sarımına spir denir. Şekil 1.28' de bobin sembolleri verilmiştir. Aşağıdaki üst sırada bulunan semboller eski alt sırada bulunan semboller yeni gösterilim şeklidir. Şekil 1.27 Değişik Bobin Sembolleri BOBİNDEKİ ELEKTRİKSEL OLAYLAR Bilindiği gibi bir iletkenden akım geçirildiğinde, iletken etrafında bir magnetik alan oluşur. Bu alan kağıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir. Bir bobinden AC akım geçirildiğinde, Şekil 1.29' da görüldüğü gibi bobin sargılarını çevreleyen bir magnetik alan oluşur. Akım büyüyüp küçülüşüne ve yön değiştirmesine bağlı olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri çoğalıp azalır ve yön değiştirir. Bobine bir DC gerilim uygulanırsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede bir direnç özelliği gösterir. 30
Şekil 1.29 içinden akım geçen bobindeki Magnetik alan kuvvet çizgileri ZIT ELEKTRO MOTOR KUVVETİ (EMK) Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK Ez) adı verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü Şekil 1.30 'da gösterilmiş olduğu gibi kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin oluşturduğu akıma ters yönde bir akım akıtmaya çalışır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin oluşturduğu "I" devre akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya başlar. Zıt EMK 'nın işlevi, LENZ kanunu ile şöyle tanımlanmıştır. LENZ kanununa göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü, küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar. ENDİKTİF REAKTANS (X) Bobinin, içinden geçen AC akıma karşı gösterdiği dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans XL ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. Şöyle ifade edilir: : Açısal hız f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir. L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir. 31
Şekil 1.30. Zıt EMK 'nın etkisi a) AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı. b) Kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (Ez) arasındaki bağıntı "L" nin değeri bobinin yapısına bağlıdır. Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolayısıyla AC akıma gösterdiği dirençte o oranda büyür. "L" nin birimi yukarıda da belirtildiği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle değerler çok küçük olduğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar. Bunun için milihenry (mh) ve mikrohenry (µh) değerleri kullanılır. Henry, milihenry ve mikrohenry arasında şu bağıntı vardır. 32
KARŞILIKLI ENDÜKTANS (M) Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildiğinde, bunun nüvede oluşturduğu kuvvet çizgileri diğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının iki ucu arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. Bu şekilde iletişim, karşılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir değere göre olmaktadır. Karşılıklı endüktans (M) ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir: M= L1 ve L2, iki bobinin self endüktansıdır. M 'in birimi de Henry(H) 'dir. Şöyle tanımlanır: Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin arasındaki karşılıklı endüktans M=1 Henry 'dir. Bobinler seri bağlanırsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+... olur. Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri bağlanırsa: L=L1+L2±2M olur. Şekil 1.31 'de değişik bobin görüntüleri verilmiştir. BOBİNİN KULLANIM ALANLARI Bobinin elektrik ve elektronikte yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunlar kullanım alanlarına göre şöyle sıralanabilir. Elektrikte: Doğrultucular da şok bobini Transformatör Isıtıcı v.b. Elektromıknatıs (zil, elektromagnetik vinç) 33
Elektronikte: Osilatör Radyolarda ferrit anten elemanı (Uzun, orta, kısa dalga bobini) Telekomünikasyonda frekans ayarı (ayarlı göbekli bobin) Telekomünikasyonda röle Yüksek frekans devrelerinde (havalı bobin) Özellikle de radyo alıcı ve vericilerinde de anten ile bağlantıda değişik frekansların (U.D,O.D,KD) alımı ve gönderiminde aynı ferrit nüveyi kullanan değişik bobinler ve bunlara paralel bağlı kondansatörlerden yararlanır. a) Ayarlı hava nüveli bobin b) Ayarlı demir nüveli bobin c) Ayarlı ferrit nüveli bobin d) Sabit hava nüveli bobinler e) Demir çekirdekli bobin f) Şiltli ses frekansı şok bobini g) Güç kaynağı şok bobini h) Toroid i) Şiltli, yüksek endüktanslı şok bobini Konular: 1.1 Atomik Yapı 1.2 Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan 1.3 Kovelant Band 1.4 Yarıiletkenlerde iletim 1.5 N ve P tipi Madde 1.6 PN Bitişimi ve Diyot Elektronik devre tasarımı ve elektronik cihazların üretiminde kullanılan diyotlar, transistörler, gelişmiş entegre devreler (Ic s) yarı iletken materyallerden yapılmıştır. Diyot, transistör, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu şekil1.1 de resimlenmiştir. Elektronik sistemlerde bu gibi cihazlar özel şekillerde birbirlerine bağlandıklarında sahip oldukları karakteristikleri tam anlamıyla yerine getirirler. Sonraki bölümlerde, çeşitli cihazların olası sistem uygulamalarında kullanılışını öğreneceksiniz. Elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için atomik teorinin temel bilgisine ve yarı iletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye ihtiyaç duyarsınız ki; iki çeşit yarı iletken materyalin birleşiminden oluşan PN birleşimi bu birleşimle ortaya çıkan bir çok yarı iletken cihazın çalışmasına temel oluşturur. 34
1.1 ATOMİK YAPI Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Yarıiletken maddelerin nasıl çalıştığını anlamak için atomlar hakkında bilgiye ihtiyaç duyarsınız. Bu bölümde; atomlar, elektron yörüngeleri ve kabuklar, saçak elektronları, iyonlar ve iki büyük yarı iletken materyal olan silisyum ve germanyum elementinin temel yapısı hakkında bilgi edineceksiniz. Germanyum ve silisyum elementleri oldukça önemlidir. Çünkü elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan temel yarıiletken materyallerdir. Yarıiletken materyaller elektrik akımı ve geriliminin iletilmesi ve kontrol edilmesinde oldukça etkin rol oynarlar. Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir. Klasik bohr modeline göre atom, şekil1.2 de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar. Şekil 11 : Bohr modeline göre atom. Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil1.2.a da gösterildiği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil1.2.b de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise iki proton ve iki nötron bulunmaktadır. 35
+ Çekirdek yörüngesinde 1 elekton Çekirdek yörüngesinde 2 elekton + + 1 Protonlu çekirdek 2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek a) Hidrojen Atomu b) Helyum Atomu Şekil 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları Atom Numarası ve Ağırlığı Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1 dir ve atom ağırlığı da 1 dir. Helyumun atom numarası 2 dir ve atom ağırlığı ise 4 tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir. Elektron Kabukları ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler kabuk (shell) olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür. Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, klmn olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk k dır. k ve l kabukları şekil1.4 de gösterilmiştir. 36
2. Kabuk k enerji seviyesi W6 W5 W4 W3 Bu elektron en yüksek enerjiye sahiptir. 1. Kabuk l W2 W1 Çekirdek W= Enerji r = Çekirdekten uzaklık Bu elektron en düşük enerjiye sahiptir. Valans Elektronları Şekil 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri. Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (değer) (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar. Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa kovelant bağ denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise valans elektron adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar. 37
İyonizasyon Bir atom ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimi artar. Atomun bu enerji eğilimi sonucu elektronlar daha yüksek yörüngelere atlarlar. (Dışarıdan enerji uygulandığı zaman) Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. Pozitif şarjın aşırı artması ile (protonları elektronlardan daha fazla olması) atomu bir önceki nötr değere getirmek için valans elektronları harekete geçer. Valans elektronunu kaybetme işlemi İYONİZASYON olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H dır. Hidrojenin Valans elektronları kaybedildiğinde ve pozitif iyon adını aldığında H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan Valans elektronları serbest elektron olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde (şarj edildiğinde) (elektronların, prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H olarak gösterilirler. 1.2 YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır.bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalışacağız. Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirlerler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. İletken Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler. 38
Yalıtkan Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yarıiletken Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. Enerji Bandı Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları şekil1.4 de verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir. İletim Bandı Enerji Enerji Enerji Enerji Aralığı Valans Band İletim Bandı Enerji Aralığı Valans Band İletim Bandı Valans Band 0 0 0 a) Yalıtkan a) Yarıiletken a) İletken Şekil1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Şekil1.5 de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır. 39
En dış yörüngede 4 valans elektronu bulunur. +14 +32 a) Silikon Atomu b) Germanyum Atomu Şekil1.4 Silisyum ve germanyum atomları. Kovelant Bağ Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir. Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil1.5 saaf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır. Si Si Si Si Valans Elektronlar Si Si Si Si Kovelant Bağlar Si Si Si Si Şekil1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları. 40
1.3 YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK Bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum şekil1.6 da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir. İletim Bandı Valans Band 2. Band (l kabuğu) 1. Band (k kabuğu) Enerji Enerji Aralıkları Enerji Aralıkları Enerji Aralıkları Çekirdek 0 Şekil1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı. Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil 1.7.(a) da enerji diyagramında, şekil1.7.(b) de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara delik=boşluk veya hole denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey yine eski haline döner. Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar. 41
İletim Bandı Valans Band Enerji Serbest Enerji Aralıkları Delik Elektron Isı Enerjisi Si Si Delik Serbest Elektron Isı Enerjisi a) Enerji Diyagramı b) Bağ Diyagramı Şekil1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması. Silisyuma karşı Germanyum Germanyum kristallerinin durumu silisyuma benzer. Çünkü atomik yapıları da aynıdır. Saf germanyum, silisyumdan daha fazla serbest elektrona sahiptir ve daha yüksek bir iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte silisyum daha çok kullanılan bir malzeme olup germanyumdan daha geniş bir alanda kullanılır. Bunun bir sebebi de silisyum germanyumdan daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesidir. Elektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil1.8 de gösterilmektedir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir. Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil19 da gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de akım diye adlandırılır. 1.4 NTİPİ VE PTİPİ YARI İLETKENLER Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; Ntipi madde ve Ptipi madde denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır. 42
Katkı İşlemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme doping denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda Ntipi veya Ptipi madde oluşur. NTipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu gösterilmiştir. Fosfor atomunun dört valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor un bir valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır (şekil1.10). Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz. Si Si Si Si Si Si Fb Si Si Si Si Si Kovelant Bağ Fb atomunun serbest elektronu Şekil1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması. Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine Ntipi yarıiletken malzeme denir. Ntipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcıları diye adlandırılır. Böylece Ntipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır. Buna rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. Bu boşluklar 5değerli akım katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. Ntipi malzemede boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır. 43