Deneyin Amacı: Deney 1: Transistörlü Yükselteç Transistör eşdeğer modelleri ve bağlantı şekillerinin öğrenilmesi. Transistörün AC analizi yapılarak yükselteç olarak kullanılması. A.ÖNBİLGİ Transistörün uygulama alanlarından biri de yükselteç devresi tasarımıdır. Transistörlü bir yükselteç devresinin işlevi, girişine uygulanan sinyali yükselterek, bir diğer tabirle kuvvetlendirerek çıkışına aktarmaktır. Transistörlü yükselteç devrelerinde DC ve AC gerilimleri beraber olduğu için genel olarak iki aşamada incelenir; DC Analiz DC Analiz AC Analiz İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün özelliklerine uygun DC polarma(öngerilimleme) akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk adım transistörlü yükselteç devresinin DC analizidir. Analiz işleminde transistörün çalışma bölgesi belirlenir. Transistörü yükselteç olarak kullanabilmek için aktif çalışma(v BE >0, V CB >0) bölgesinde olmalıdır. Bu bölge için uygun akım ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü yükselteç devresi AC çalışmaya hazır hale getirilir. Şekil 1.1: Transistör Çıkış Karakteristiği Yükselteç devrelerinde DC işaretlerin tanımlanmasında genellikle alfabenin büyük harfler kullanılır. (I E, V BE ve V CE v.b gibi) AC işaretlerin tanımlanmasında ise etkin (rms) değer, tepe değer (peak), tepeden tepeye (peak-to-peak) değer gibi çeşitli tanımlar vardır. Genel kabul olarak AC işaretler tanımlanırken alfabedeki küçük harfler italik formda kullanılır. (i c, i b, v ce, v be v.b gibi) AC Analiz Transistörün AC analizinde devredeki DC kaynaklar ve kondansatörler kısa devre yapılır. Bu duruma göre devrenin AC eşdeğer devresi oluşturularak analiz işlemi yapılır. Yükselteç devrelerinde girişten verilen bir işaretin genliği, akımı veya gücü yükseltilmektedir. Bu anlamda yükselteç devrelerinde bir kazanç söz konusudur. Yükselteç devrelerinin temel amacı da bu kazançlardır. Transistörlü yükselteçlerin AC işaret analizinde karmaşık yapılar ortaya çıkarabilir. Analizi kolaylaştırıp pratik hale getirmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlardan en uygun ve pratik yöntem; transistörün eşdeğer devre modellerinden yararlanmaktır. Transistörün AC eşdeğer devre Sayfa - 1 - Toplam Sayfa - 7 -
modellemesinde kullanılan başlıca üç tip yöntem vardır. Bunlar; h veya hibrit parametre, π- parametre ve r e parametre yöntemleri olarak bilinir ve tanımlanırlar. Bu deneyde; transistörün AC eşdeğer devre modellemesinde kullanmak üzere, h parametresi modeli tanıtılacak ve çalışma yapılacaktır. Transistörün Karma Eşdeğer Devresi (h-hibrit parametre modeli) Aktif çalışma bölgesi için transistör gerilim ve akım değerlerinin küçük değişimlerinde doğrusal 4 uçlu gibi düşünülebilir. Buna bağlı Şekil 2 de olduğu gibi bir modelleme yapılabilir. 4 değişken arasındaki ilişki aşağıdaki gibi ifade edilebilir; Şekil 1.2: Karma Eşdeğer Devre Modeli V i = I i. h 11 + V o. h 12 I o = I i. h 21 + V o. h 22 V o = 0 için h 11 = V İ /I i : kısa devre giriş empedansı I İ = 0 için h 12 = V İ /V o : açık devre ters yönde transfer gerilimi oranı V o = 0 için h 21 = I o /I i : kısa devre ileri yönde akım oranı I İ = 0 için h 22 = I o /V o : açık devre çıkış empedansı Şekil 1.3: AC Analiz Karma Eşdeğer Devre Modeli AC analizde transistör eş değer devresi yandaki şekilde görülmektedir. Yandaki eş değer devre ile yukarıdaki anlatılan modeldeki parametreleri denkleştirirsek; h 11 = h i, h 12 = h r, h 21 = h f ve h 22 = h o dır. h parametre modelinde ortak uçlu devrelerde alt indekse; ortak emetörlü devreler için e, ortak beyzli devreler için b ve ortak kollektörlü devreler için c harfi eklenir. Ortak emetörlü devre için tam karma eşdeğer devre: Şekil 1.4: Tam Karma Eşdeğer Devre Modeli Sayfa - 2 - Toplam Sayfa - 7 -
Ortak emetörlü devre içi yaklaşık eşdeğer devre: Ortak emetörlü devrelerde h re ve h oe değerleri çok küçüktür ve giriş-çıkış empedansları, akım-gerilim kazançları bu değerlerden çok az etkilenir. Bu durumda h re = h oe = 0 olarak kabul edilir ve yandaki gibi yaklaşık eşdeğer devre oluşturulur. Şekil 1.5: Yaklaşık Eşdeğer Devre Modeli Transistörlerin Bağlantı Şekilleri Transistörlü yükselteçler; devrede kullanılan bipolar jonksiyon transistörün bağlantı şekline göre 3 gruba ayrılırlar; Ortak Bazlı Ortak Emetörlü Ortak Kollektörlü Ortak Bazlı Devre Bu devrede baz ucu hem giriş hem de çıkış için ortaktır Düşük giriş, yüksek çıkış empedansına sahiptir (Giriş 50-500 Ohm, Çıkış 300k-1M Ohm) Akım kazancı 1 den küçük, gerilim ve güç kazancı büyüktür Faz kayması meydana gelmez Şekil 1.6: Ortak Bazlı Devre Ortak Emetörlü Devre Bu devrede emetör ucu hem giriş hem çıkış için ortaktır Giriş ve çıkış empedansı orta değerlidir (Giriş 1k-10k Ohm, Çıkış 10k-50k Ohm) Akım, gerilim ve güç kazancı meydana gelir Girişteki sinyali 180 derece faz kayması ile çıkışa aktarır Şekil 1.7: Ortak Emetörlü Devre Sayfa - 3 - Toplam Sayfa - 7 -
Ortak Kollektörlü Devre Bu devrede kollektör ucu hem giriş hem de çıkış için ortaktır Düşük çıkış, yüksek giriş empedansına sahiptir (Giriş 20k-300k Ohm, Çıkış 300-500 Ohm) Gerilim kazancı 1 den küçük, akım ve güç kazancı büyüktür Faz kayması meydana gelmez Şekil 1.8: Ortak Kollektörlü Devre Transistörlü yükselteçlerde kullanılan bağlantı tiplerinden en popüleri ortak emetörlü yükselteç devresidir. Kimi kaynaklarda ismi kısaltılarak CE (Common Emiter) olarak tanımlanır. Ortak emetörlü yükselteçlerin (OE) gerilim ve akım kazançları oldukça yüksektir. Bu durum onu birçok uygulamada popüler kılar. Bu deneyde ortak emetörlü yükselteç devresi DC Analiz ve AC analiz aşamaları ile irdelenip, uygulama gerçekleştirilecektir. Ortak Emetörlü Devre Yükseltilecek veya kuvvetlendirilecek giriş işareti yükseltecin beyz-emetör terminalleri arasından uygulanır. Çıkış işareti ise; yükseltecin kollektör-emetör terminalleri arasından alınır. Dolayısı ile emetör terminali giriş ve çıkış işareti için ortak uçtur. Bundan dolayı bu şekilde oluşturulan devreye ortak emetörlü yükselteç (CE Common Emiter) olarak ad verilir. Yandaki şekilde bir ortak emetörlü yükselteç devresi gösterilmiştir. Şekil 1.9: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi Ortak Emetörlü Yükselteç h parametre AC Analizi AC analizde kapasitörler ve DC kaynakların hepsi kısa devre yapılarak AC eşdeğer devre modeli oluşturulur. Şekil 8 de AC analiz işleminde kapasite ve DC kaynağın kısa devre edilişi gösterilmektedir. AC analiz yaparken birkaç parametre modeli ile çözümleme yapılabiliyordu. Bu deney için h veya hibrit parametre modeli kullanılarak AC analizimizi yapacağız. Şekil 1.10: Ortak Emetörlü Yükselteç AC Analiz Devresi Sayfa - 4 - Toplam Sayfa - 7 -
Ortak emetörlü yükselteç devresi için yaklaşık h parametre eşdeğer devresi Şekil 1.11 de gösterilmiştir. Şekildeki; V İ giriş AC sinyalimizi, V O çıkış AC sinyalimizi, h ie giriş direnci parametresi, h fe ileri transfer akım oranı parametresidir. Şekil 1.11: h parametre yaklaşık eşdeğer devre Parametreler seçilen transistöre göre değişiklik göstermekte ve kataloglarında değerleri bulunmaktadır. Şekil 1.11 deki eşdeğer devre aracılığı ile AC analiz yapacak olursak; Giriş empedansı: Gerilim Kazancı: Akım Kazancı: Z I = R BB h ie Çıkış Empedansı: V O = I O. (R C R L ) = h fe I b. (R C R L ) V I = I b. h ie A V = (h fe /h ie ). (R C R L ) A I = R BB. h fe R BB + h ie R BB h ie Z O = R C R L A I = I C I b = h fe R BB h ie Sayfa - 5 - Toplam Sayfa - 7 -
B.DENEY ÖNCESİ ÇALIŞMASI Şekil 1.12: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi 1. C1 ve C2 kondansatörleri niçin kullanılmaktadır. Devreye getirdiği olumsuzluklar neler olabilir? 2. Re direnci devreye ne gibi bir katkısı vardır ve ona paralel olan Ce kondansatörü niçin kullanılmaktadır? 3. Devrenin küçük işaret yani AC eşdeğer devresini h parametre modeli ile çizerek giriş ve çıkış empedanslarını, akım ve gerilim kazancını hesaplayınız. (BC547 için: β = h FE = 300 h fe = 370 h ie = 8k Ohm h re = 3,6x10-4 h oe = 2x10-5 ) Sayfa - 6 - Toplam Sayfa - 7 -
C.DENEY ÇALIŞMASI 1. Şekil 1.12 deki devreyi kurunuz. Giriş kaynağını 1kHz e ayarlayarak çıkış geriliminde bozulma olmayacak şekilde giriş gerilimini ayarlayınız. 2. Girişte ve çıkışta gördüğünüz gerilimi ölçekli olarak çiziniz ve kazancı hesaplayarak not alınız. Kazanç: A V = Şekil 1.13: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi 3. Şekil 1.13 de görüldüğü gibi giriş kaynağı ile yükselteç arasına seri olarak 10k Ohm luk bir potansiyometre bağlayarak giriş gerilimini çıkışta bozulma olmayacak şekilde ayarlayınız. V 1 ve V 2 gerilimlerini ölçerek giriş direncini bulunuz. V 1 = V 2 = R in = 4. R=10k Ohm luk potansiyometre değeri sıfırda iken giriş gerilimini çıkışta bozulma olmayacak şekilde ayarlayınız. Bu durumda Vy gerilimini ölçünüz. Giriş gerilimini sabit tutarak R direncini arttırınız. Çıkış geriliminin yarıya düştüğü anda R direncini ölçünüz. Bu değer giriş direncinize eşit olan değer olacaktır. Vy = R = Sayfa - 7 - Toplam Sayfa - 7 -