I. Önbilgi Transistör Transistörler yarıiletken teknolojisiyle üretilmiş, azınlık-çoğunluk yük taşıyıcılara sahip solidstate elektronik devre elemanlarıdır. =>Solid-state ne demek? Araştırınız. Cevap: Transistörler, BJT,FET,MOSFET gibi değişik türlerde elemanlar olarak adlandırılabilir. Fakat transistör terimi genel olarak BJT leri kapsar. FET, MOSFET ve diğer çeşitler kendi isimleriyle adlandırılır. Bipolar Junction Transistor (BJT) (Çift Kutuplu Yüzey Bileşimli Transistör) Transistörler P ve N tipi yarıiletkenlerin birleşimiyle yapılırlar. İki tip BJT Vardır: NPN ve PNP. NPN transistörde iki N tipi madde arasına bir P tipi madde, PNP transistörde ise iki P tipi madde arasına bir N tipi madde sıkıştırılır. Bu maddeler birbiriyle yüzeysel olarak temas halindedir. Şekil 5.1: Transistörün temel yapısı Şekil 5.2: PNP ve NPN tipi transistör Transistörlerde 3 uç bulunur. Bunlar Emetör (E) (yayıcı), Baz (B) (taban) ve Kollektör (C) (toplayıcı) dür.
Transistörün sağlamlık kontrolü ŞEKİL5.3: TRANSİSTÖRÜN İÇ YAPISI 1. Transistörün sağlamlık kontrolü multimetrenin diyot kademesiyle yapılır. 2. Multimetrenin anot ucu transistörün bir bacağına sabitlenir. 3. Multimetrenin katot ucu, transistörün her iki bacağına sırasıyla değdirilir. 4. Her iki bacaktan da bir değer bulununcaya kadar işlem diğer bacaklarla tekrarlanır. 5. Transistörün bir bacağından diğer iki bacağına doğru bir değer okunduğunda, transistörün bu ucu baz dır. 6. Baz ile diğer uçlar arası pozitif değer varsa bu NPN tipi transistördür. 7. Eğer baz ile diğer uçlar arasında negatif değer varsa bu PNP tipi transistördür. PNP tipi transistörde multimetrenin uçları değiştirilir ve baz ucuna katot bağlanır. 8. Baz ucu ile herhangi bir uç arasındaki değer not edilir. Bu işlem diğer bacak için tekrarlanır. 9. Hangi bacak daha yüksek değer veriyorsa bu uç emetör ucudur. 10. Diğer uç kollektör olur. Transistör Parametreleri ŞEKİL 5.4:BJT'NİN KUTUPLAMA BAĞLANTILARI
Transistörün çalışması için gerekli kutuplama bağlantıları üstteki şekilde gösterilmiştir. NPN tipi transistörde C-E arası ve B-E arası doğru polarma, PNP tipi transitörde ise ters polarma uygulanır. Transistörde önemli bir parametre Beta DC ve Alfa DC Akım kazançlarıdır. Ortak emetörlü bağlantıda akım kazancı (β): I C=(1+β)I CO+βı b Emetör akım eşitliğini kullanarak Ortak baz bağlantıda akım kazancı (α): Β I C I B I C βxı b I E=I C+I B I E=( βxı b)+i B = I B(1+β) Emetör akım eşitliğini kullanarak Α= I C I E I E=I C+I B I E I C = I B I C + 1 Α= I C I E ve β I C I B eşitlikleri yerine konulursa; 1 α = 1 + 1 β yani α = β 1+β olarak bulunur. Transistörlerde β akım kazancı sabit olarak kabul edilse de, gerçekte kollektör akımına ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Transistörün karakteristiği belirleyen 4 bölge bulunmaktadır. 1. Bölge V CE çıkış gerilimindeki değişime göre, I C çıkış akımındaki değişimi gösterir ve R C çıkış direncini belirler. 2. Bölge karakteristik eğrisi I B giriş akımındaki değişime göre, I C çıkış akımındaki değişimi gösterir ve ß akım kazancını belirler. 3. Bölge karakteristik eğrisi V BE giriş gerilimindeki değişime göre, I B giriş akımındaki değişimi gösterir ve R G giriş direncini belirler. 4. Bölge karakteristik eğrisi V BE - V CE bağıntısı V BE giriş gerilimindeki değişime göre, V CE çıkış gerilimindeki değişim miktarını gösterir. Bu değişim, gerilim transfer oranı olarak tanımlanır.
Transistörün Giriş Karakteristiği Şekil 5.5:Transistörün giriş karakteristiği Transistörün giriş karakteristiği, baz akımı ve baz gerilimi arasındaki ilişkiye bağlıdır. Bu ölçümde C-E arası potansiyel fark sabit tutulur. Baz akımı değiştirilir ve bu değişikliğin baz gerilimi üstündeki etkileri gözlemlenir. Transistörün giriş karakteristiği, diyot karakteristiği ile benzerlik gösterir. V BE<0,5V iken I B ihmal edilecek kadar küçüktür. V BE 0,6V olduğunda I B çok küçük değerlerde artmaya başlar. Transistörlerde, genel olarak, V BE=0,7V olduğunda transistör iletime geçer. Transistörün Çıkış Karakteristiği Transistörlerde çıkış sinyali genelde C-E arası alınır. Transistörün çıkış karakteristiği kollektör akımı ve gerilimi arasındaki ilişkiden elde edilir. Bu karakteristik üzerinde baz akımının doğrudan etkisi Vardır. Bu sebeple farklı baz akımları için farklı değerler elde edilir. V CE gerilimi belli limitler dahilindedir, bu limit aşılırsa transistörde kırılma meydana gelir. Şekil 6: Transistör çıkış karakteristiği Şekil 5.6: Transistörün çıkış eğrisi
II. Gerekli Malzemeler BC238 transistör 10kΩ direnç 1kΩ direnç 1 adet DMM (ampermetre) 1 adet DMM (Voltmetre) 2 adet ayarlı DC güç kaynağı Breadboard III. Deneyin Yapılışı Şekildeki devreyi benzetim programına kurunuz. I C, I B ve I E değerlerini okumak için DC Ampermetre, V CE ve V BE değerlerini okumak için DC Voltmetre kullanınız. I. V BB=2V II. V CC=sırasıyla 10V, 12V ve 15V III. V CE ve V BE gerilimleri voltmetre bağlamadan diğer tüm ölçümleri ampermetre bağlayarak yapınız. Şekil 5.7: Benzetim programı devre şeması IV. Aşağıdaki tabloda BENZETİM yazan kısımları doldurunuz. V. V CE, V BE ve beta kazancını hesaplayınız. Bulduğunuz değerleri tabloda ANALİZ yazan kısma not alınız. -VCC+IBRB+VBE+IERE=0 -VCC+ICRC+VCE+IERE=0 Β I C I B
VI. Değerleri bulduktan sonra V BE ve V CE voltmetrelerini bağlayınız ve çıkan sonucu tabloda BENZETİM yazan yere not alınız. V CC 10 V 12 V 15 V I B I C I E V CE BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM BENZETİM ANALİZ ANALİZ ANALİZ V CE BENZETİM BENZETİM BENZETİM V BE ANALİZ ANALİZ ANALİZ V BE BENZETİM BENZETİM BENZETİM Β ANALİZ ANALİZ ANALİZ ŞEKİL 5.8: TRANSİSTÖR PARAMETRELERİ BENZETİM SONUÇLARI Devreyi şemada görülen şekilde sadeleştiriniz. Öncelikle I B akımını 0 µa olarak ayarlayınız. Sonra V CE gerilimini 1V, 2V, 3V yaparak I C değerini tabloya yazınız. Sonra I B akımını V BB gerilimi ile oynayarak 10 ua olarak ayarlayıp V CE gerilimini artırarak aynı işlemi tekrarlayınız. I B akımını 20uA ve 40uA yaparak deneyi tekrarlayınız. Şekil 5.9: Transistör parametreleri deney şeması V CE(V) I B=0µa I B=10µa I B=20µa I B=40µa I C V BE I C V BE I C V BE I C V BE 1 2 3 5 7 10 ŞEKİL5.10: TRANSİSTÖR PARAMETRELERİ IC VE VBE DENEY SONUÇLARI
Deneyi laboratuvarda yapmak için: öncelikle BC238 için kullanım kılavuzundan bacak bağlantılarını bulunuz. Bacak bağlantıları DMM ile kontrol ediniz. Bazen farklı firmalar aynı kodda farklı bacak bağlantılarına sahip elemanlar üretebilir. Her zaman multimetre ile elemanların kontrolü yapılmalı. Şekildeki devreyi breadboard üzerine kurunuz. I B ve I C için aynı ampermetreyi sırasıyla, V CE için voltmetre kullanınız. 1. I B yi ayarlayınız (V BB yi ayarlayarak). 2. V CE yi ayarlayınız (V CC yi ayarlayarak). 3. I C yi ölçünüz. 4. Tabloyu doldurunuz. Şekil 5.11: transistör parametreleri uygulama şeması V CE(V) I C (I B=0µa) I C (I B=10µa ) I C (I B=20µa ) I C (I B=40µa) 1 2 3 5 7 10 ŞEKİL5.12: TRANSİSTÖR IC-VCE DEĞERLERİ Benzetim programında ve laboratuar deneyinde bulduğunuz sonuçlar ile oluşturduğunuz tabloları, transistörün 4 bölge karakteristiğini çıkarmak için kullanınız. I. 1. BÖLGE I C-V CE (her I B değeri için ayrı bir hat kullanarak) (deney sonucu) II. 2. BÖLGE I C-I B (benzetim programı sonucu V CE=4,5V olarak ayarlayınız) III. 3. BÖLGE I B-V BE (benzetim programı sonucu V CE=4,5V olarak ayarlayınız) IV. 4. BÖLGE V CE-V BE (her I B değeri için ayrı bir hat kullanarak benzetim programı sonucu)
Ic (ma) 2. BÖLGE 1.BÖLGE 6 5 4 3 2 Ib (µa) 1 V CE (V) 60 50 40 30 20 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3. BÖLGE 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 4. BÖLGE V BE (mv) Transistörlerin Kullanım Alanları Transistörler yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre elemanıdır. Daha yaygın kullanım amacı ise devrede anahtarlama yapmaktır. Motor, bobin veya lamba gibi yüksek güçlü elemanlarda ve lojik kapı devrelerinde anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır.
ŞEKİL 5.13: TRANSİSTÖRÜN IC-VCE KARAKTERİSTİĞİ Yukarıdaki grafikte transistörün (I C - V CE) karakteristiğindeki çalışma bölgeleri gösterilmiştir. Aktif bölge, yükseltme (amplifikasyon) işlemlerinde kullanılırken, doyum (saturasyon) ve kesim (cut-off) bölgeleri anahtarlama işleminde kullanılmaktadır. ŞEKİL 5.14:TRANSİSTÖRÜN DOYUM DURUMUNDA İLETİMDE OLMASI Transistör doyumdayken tamamıyla iletkendir. V CC gerilimi transistörün beyzine uygulanır. I C akımı en üst seviyede, V CE gerilimi sıfırdır.
ŞEKİL 5.15:TRANSİSTÖRÜN KESİM DURUMUNDA YALITIMDA OLMASI Transistör kesimdeyken tamamıyla yalıtkandır. I C akımı sıfır, V CE gerilimi en üst seviyededir. Transistörlerin Anahtarlama Elemanı Olarak Kullanılması Transistörlerin anahtarlama elemanı olarak kullanılması oldukça yaygındır. Böylelikle yüksek akım-gerilim gerektiren yükler düşük bir tetikleme gerilimi ile kontrol edilebilmektedir. Anahtarlama elemanı olarak kullanılmasında iki önemli unsur Vardır: Kesim noktası ve doyum noktası. İyi bir anahtarlayıcı bu iki nokta arasında çok hızlı gidip gelebilmelidir. Transistör ya açık ya da kapalı olmalıdır. Diğer bir ifadeyle giriş düşükvajda olduğu zaman çıkış yüksekvaja çıkabilmeli, giriş yüksekvajda olduğu zaman çıkış düşükvaja inebilmelidir. ŞEKİL 5.16:NPN VE PNP TRANSİSTÖR POLARMASI Transistörün iletken olabilmesi için; NPN tipi bir silisyum transistörün beyzine yaklaşık olarak +0.6 V, PNP tipi bir silisyum transistörün beyzine ise yaklaşık olarak -0.6Vbir sinyal uygulanması gerekir. NPN bir transistörün emiterdeki ucu katot olur. Emitere yani katoda negatif, kollaktör ve beyze yani anot tarafına pozitif polarma uygulanır. PNP bir transistörün anot tarafı emiterdedir ve pozitif polarma alması gerekir. Şekil 5.17: transistörün ON konumu
Transistörü anahtarlama elemanı olarak kullanmak için hazırda kullanılan yük devresine, transistörün C-E uçları seri olarak bağlanır. Anahtar elemanı olarak transistör iki parametre ile kullanabilir. Transistörün beyzine yeterli akım geçişini sağlamak Transistörün beyz-emiter arası yeterli gerilim geçişini sağlamak I. Gerekli Malzemeler II. Breadboard 330Ω direnç 2.2kΩ direnç 10kΩ direnç 2 adet 22kΩ direnç BC237 transistör 2 adet LED 5V DC güç kaynağı Multimetre Deneyin Yapılışı Devre 1. Şekil 5.18 deki devreyi benzetim programı üzerine kurunuz. V CC gerilimini 12V, V BB gerilimi 5V olarak ayarlayınız ve aşağıdaki tabloyu doldurunuz. Şekil 5.18: transistörün anahtar olarak kullanılması deney şeması V BB V BE V CE I B I C 5V 0V a) I B*R B+V BE=V BB eşitliği sağlandı mı? Kanıtlayınız. b) I C*R C+V CE=V CC eşitliği sağlandı mı? Kanıtlayınız.
Devre 2. Şekil 5.19 daki devreyi board üzerine kurunuz. Transistörlerin beyzlerine +5V ve 0V veriniz. LED in aktif olduğu durumu bulunuz. LED aktif olduğunda gerekli ölçümleri yapınız ve aşağıdaki tabloya kaydediniz. LED sönükken de aynı ölçümleri tekrarlayınız ve tabloya kaydediniz. Şekil 5.19: Transistörün anahtarlama devre elemanı olarak kullanılması deney şeması LED aktif LED pasif I OUT I C I B1 I B2 c) LED hangi durumda aktif oldu? Beyz akımlarını kullanarak gerekli açıklamayı yapınız. d) Bu devre hangi işi yapar? e) Bu devrede transistör kullanılması zorunlu mudur?