DENEY NO : 4 DENEYİN ADI :Transistörlü Akım ve Gerilim Kuvvetlendiriciler DENEYİN AMACI :Transistörün ortak emetör kutuplamalı devresini akım ve gerilim kuvvetlendiricisi, ortak kolektörlü devresini ise akım kuvvetlendiricisi olarak kullanmak. Deneyle İlgili Ön Bilgi: BJT, çıkışındaki v-i karakteristiklerinin girişine akan akım ile kontrol edildiği bir üç uçlu elektronik devre elemanıdır. p kanallı bir BJT transistorun v-i karakteristikleri Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1. Transistorün akım-gerilim karakteristiği Transistörlü kuvvetlendiriciler tasarlanırken öncelikle doğru akım çalışma şartları belirlenir. Bu amaçla kurulan devrelere kutuplama devreleri denir. Ayrıca devre giriş ve çıkış bağlantıları çeşitli şekillerde yapılarak, transistörlü devrenin değişik özelliklerinden yararlanılır. Transistörlü kuvvetlendiricilerde üç çeşit bağlantı vardır. Bunlar : Ortak emetörlü (Common emitter - CE ), Ortak bazlı (Common Base - CB ) ve Ortak kolektörlü (Common Collector - CC). En çok tercih edilen Ortak emetörlü devre akım, gerilim ve güç kuvvetlendirmesini 180 faz farkıyla sağlayan devre şeklidir. Ortak emetörlü devrenin küçük işaret giriş ve çıkış dirençleri orta seviyelerde ( k mertebesinde) dir. Ortak bazlı devre yüksek gerilim kazancını ve Ortak kolektörlü devre ise yüksek akım kazancını faz farkı olmaksızın sağlarlar. Ortak kolektörlü devrenin giriş direnci yüksek (100 k mertebesinde), çıkış direnci ise küçük (50 mertebesinde) dür. Ortak kolektörlü devreye emetör çıkışlı devre veya emetör takipçisi de denir. Ortak kolektörlü devre, küçük empedanslı yükleri sürmek için kullanılr. Örnek olarak yüksek empedanslı bir çıkış katı ve düşük empedanslı bir yük bulunsun. Bu haliyle yük devreye bağlanacak olsa çıkışı kısa devre edeceğinden kuvvetlendirme işlemi gerçekleşmez ve çıkıştan istenen işaret elde edilemez. İşte böyle bir 10
durumda ortak kolektörlü bir devre kullanılır. Yüksek dirençli çıkış katı, ortak kolektörlü devrenin yüksek giriş direncine ve ortak kolektörlü devrenin düşük çıkış direnci, düşük yük direncine kuple olarak çıkışta istenen kuvvetlendirme sağlanır. Bu empedans uyumu sayesinde yüke istenen güç aktarımı gerçekleşir. Bu nedenle ortak kolektörlü devreler bir kuvvetlendirici grubunun son katında yer alırlar. Transistorlu kuvvetlendiriciler, devre ve yarı iletken eleman nedeniyle sınırlı bir frekans aralığında çalışırlar. Alçak frekanslarda genellikle bağlama kondansatörleri sebebiyle alt kesim frekansı belirlenir. Yüksek frekanslarda ise transistorun jonksiyon kapasiteleri ve uçlar arasında etkin olan kaçak kapasiteleri sebebiyle oluşan üst kesim frekansının üzerine çıkılamaz. Aradaki frekans spektrumu boyunca (orta frekanslar bölgesinde ) kazanç hemen hemen sabittir. Elektronik devre analizinde verilen eşdeğer devreler ve yapılan bir takım kabuller bu orta frekans bölgesinde geçerlidir. Alçak ve yüksek frekanslarda devre elemanlarındaki empedans değişikliklerinden dolayı devrenin kazancı hızla düşer. Şekil 2. de böyle bir kuvvetlendiricinin gerilim kazancı ile frekans değişimi arasındaki ilişki verilmiştir. Kv K V1 0.7 *K V1 f (Hz.) f alt f üst Şekil 2. Transistörlu kuvvetlendiricinin frekans tepkisi Devrenin band genişliği = BW = f üst - f alt f üst Deneyle İlgili Ön Çalışma: 1. Deneyde kullanılan transistörün karakteristiklerini araştırınız. 2. Deneyde yapılacak olan (Şekil 3 te verilmiş bulunan) Ortak Emetörlü devrenin gerilim kazancını yaklaşık olarak bulunuz ve bulduğunuz çözümü (yazılı olarak) deneye gelirken ilgili öğretim elemanlarına teslim ediniz. 11
Deneyin Yapılışı: 1. Deneyde kullanacağınız transistörün akım kazancını dijital AVOmetre kullanarak ölçüp kaydedin. hfe =... 2. Sinyal üretecini devreye bağlamadan Şekil 3 te verilmiş olan deney bağlantısını kurun. Devreye enerji verin. DC Voltmetre ile Transistör uçlarındaki gerilimleri ölçünüz. V BQ =... volt, V CQ =... volt, V EQ =... volt Vcc = +12v Giriş R 1 22 k C C1 + R C 8k2 + C C2 Çıkış Rg 47k Vg R 2 R E + C E Vç R y 3k3 1k 220 Şekil 3. Ortak Emetörlü Kuvvetlendirici 3. Sinyal üretecini devreye bağlayın. Osilaskobun 1. kanalını girişe, 2. kanalını çıkışa bağlayın. Sinyal üretecinin frekansını 1kHz. ve genliğini de osilaskop ekranındaki çıkış dalgasında distorsiyon oluşuncaya kadar artırın. Giriş ve çıkış gerilimlerini ekrandan okuyunuz. Vgpp =... volt, Vçpp =... volt. Küçük işaret gerilim kazancını ve faz farkını hesaplayın. Kv =... =... 4. Sinyal üretecinin genliğini kesinlikle değiştirmeden, sinyal üretecinin frekansını yavaş yavaş azaltın. Time-base ayarını düşürerek Osilaskoptan çıkış sinyalini takip edin. Bu durumda çıkış gerilim genliğinin azaldığını göreceksiniz. Çıkış gerilim genliği 0.707*Vçpp değerine düştüğünde, sinyal üretecinin frekansını kaydedin. fa =...Hz. Bu frekans, kuvvetlendiricinin alt kesim frekansıdır. Bu frekans değerinin biraz altında ve biraz üstündeki birer frekans için çıkış geilimlerini kaydedin. fa1 =...Hz., Vçpp1 =...... volt. fa2 =...Hz., Vçpp2 =...... volt. 5. Sinyal üretecinin frekansını 1 khz. e getirip çıkış gerilim genlik değerinin önceki değerle aynı olduğunu görmelisiniz. Aynı değilse ayarlayınız. Şimdi sinyal üretecinin genliğini kesinlikle değiştirmeden, sinyal üretecinin frekansını yavaş yavaş artırın. 12
Time-base ayarını artırarak Osilaskoptan çıkış sinyalini takip edin. Bu durumda çıkış gerilim genliğinin azaldığını göreceksiniz. Çıkış gerilim genliği 0.707*Vçpp değerine düştüğünde, sinyal üretecinin frekansını kaydedin. fü =...Hz. Bu frekans, kuvvetlendiricinin üst kesim frekansıdır. Bu frekans değerinin biraz altında ve biraz üstündeki birer frekans için çıkış gerilimlerini kaydedin. fü1 =...Hz, Vçpp1 =...... volt fü2 =...Hz, Vçpp2 =... volt. 6. Elde ettiğiniz frekans değerlerini ve bunlara karşılık gelen kazançları aşağıda boş olarak verilen grafiğe çizerek kuvvetlendiricinin kazanç-frekans eğrisini çıkarınız. Band genişliğini işaretleyiniz. Adım 6: Kazanç-Frekans Eğrisi 7. Şekil 4 te verilen ortak kolektörlü transistör devresini kurunuz. +12 v Giriş R B 220 k C C1 Çıkış C C2 Vg 1k R E 220 R y 2k2 Şekil 4. Ortak Kolektörlü Kuvvetlendirici 13
8. Devreye enerji verin. DC Voltmetre ile Transistör uçlarındaki gerilimleri ölçünüz. ( Bu ölçümü yaparken sinyal üretecini devre dışı yapın. ) VBQ =... volt, VCQ =... volt, VEQ =... volt. 9. Osilaskobun 1. kanalını girişe, 2. kanalını çıkışa bağlayın. Sinyal üretecinin frekansını 1kHz. yapın. Sinyal üretecinin genliğini de osilaskop ekranındaki çıkış dalgasında distorsiyon oluşuncaya kadar artırın. Giriş ve çıkış gerilimlerini ekrandan okuyunuz. Vgpp =... volt, Vçpp =... volt. Küçük işaret gerilim kazancını ve faz farkını hesaplayın. Kv =... =... 10. Deney setinin enerjisini kesin. Bu kısımda devrenin AC giriş direnci deneysel olarak bulunacaktır. Bunun için Sinyal üreteci ile devre girişi (Cc1 kondansatörü ) arasına seri bir ayarlı direnç (yani 47 k luk bir potansiyometre) bağlayın. Potansiyometrenin orta ucu ile sabit uçlardan biri ayarlı değişken direnç olarak kullanılacaktır, diğer sabit uç boştadır. Potansiyometre direncini sıfırlayıp Deney setine enerji verin. Çıkıştaki dalga şeklini gözleyerek, potansiyometrenin direncini artırın. Çıkıştaki distorsiyonsuz dalga şeklinin genliği, başlangıçtaki dalga şeklinin yarısına ( Vçpp/2 ) düştüğü yerde bu işleme son verin. Deney setinin enerjisini kesin. Potansiyometreyi çıkarıp direncini ölçün. Bu değer kuvvetlendiricinin AC giriş direncidir. Ri =.... Çalışma Soruları 1. Şekil 3 te verilen devrenin DC ve AC analizini yaparak deney sonuçlarıyla karşılaştırın. 2. Şekil 3 te verilen devrenin alçak ve yüksek frekans eşdeğer devrelerinden yaralanarak alt ve üst kesim frekanslarını hesaplayın. Yarı logaritmik- milimetrik kağıda ölçekli olarak bu sonuçları aktarın. Devrenin frekans tepkisini göz önüne alarak, teorik sonuçları deney sonuçlarıyla karşılaştırın. 3. Ortak kolektörlü devrelerin avantaj ve dezavantajları nelerdir? 4. Ortak emetörlü kuvvetlendiricilerle Ortak kolektörlü devreleri akım ve gerilim kazançları yönüyle karşılaştırın. 5. Deneyi yapılan Ortak kolektörlü devrenin giriş ve çıkış dirençlerini teorik olarak hesaplayıp, deney sonuçlarıyla karşılaştırın. 6. Deneyi yapılan Ortak kolektörlü devrenin giriş ve çıkış dirençlerini kullanarak devrenin AC güç kazancını hesaplayın. 14
7. Bu noktada transistör karakteristik eğrilerinin çıkarılmasıyla ilgili bir simulasyon çalışması yapılacaktır. Tablo 1. V CE (Volt) 0 0.1 0.3 0.5 2 6 10 i B =0 µa i B =20 µa i B =40 µa i B =60 µa i B =80 µa i B =100 µa Bunun için yukarıdaki devreyi bir simulasyon programında (Electronic workbench, Proteus, vs.) kurarak Tablo 1 de verilen kontrol akımına ve gerilimine karşılık gelen devre akım değerlerini sırasıyla elde ediniz. Bu işlemler için önce Tablo 1 de verilen i B akım değeri ayarlanır. Sonra VCE değerler sırayla verilerek i C akımı ölçülerek tabloya not edilir. Tabloda bulunan değerler kullanılarak transistorün akım-gerilim öz eğrisini milimetrik kağıda çizerek raporunuza ekleyiniz. 15
Malzeme Listesi: 220kΩ Direnç (1 adet) 47kΩ Direnç (1 adet) 22k Ω Direnç (1 adet) 10kΩ Direnç (2 adet) 8.2kΩ Direnç (1 adet) 3.3kΩ Direnç (1 adet) 2.2kΩ Direnç (1 adet) 1kΩ Direnç (1 adet) 220Ω Direnç (1 adet) 100kΩ POT (1 adet) 10µF Elektrolitik kondansatör (16 veya 25V) (2 adet) 220µF Elektrolitik kondansatör (16 veya 25V) (1 adet) BC237 BJT (1 adet) 16