Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü EEM 210 ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY 04: BJT TRANSİSTÖR VE AKIM GERİLİM KARAKTERİSTİĞİ 2014-2015 BAHAR Grup Kodu: Deney Tarihi: Raporu Hazırlayan Deneyi Yapanlar No: Ad Soyad: İmza:
TRANSİSTÖRLERİN ÇALIŞMASI VE KARAKTERİSTİKLERİ Bu bölümde iki kutuplu (bipolar) transistörlerin çalışma esaslarını incelenecektir. Temel kavramlar PNP ve NPN olmak üzere iki çeşit BJT transistör vardır. Bunlar iki adet diyotun birleştirilmesine benzerler. Orta katman baz (base - taban) olmak üzere diğer iki ucunda emiter (emitter yayıcı, verici) ve kollektör (collector - toplayıcı) olarak adlandırılan katmanlar vardır. Bu katmanlar bir iletken uç ile dışarı çıkarılır ve paketlenir. Şekil 1 de bu transistörlerin sembolik gösterimleri ile terminal bacaklarının isimlendirilmesi, Şekil 2 de ise örnek bir transistörün (BC547) dış görünüşü ve bacak uçlarının dizilimi verilmiştir. Şekil 1: NPN ve PNP transistörlerde P, N katmanları ve uçları Şekil 2: Örnek bir transistörün (BC547), fiziksel görünümü ve uçlarının gösterimi (Not: İki terminal arasındaki gerilim ifade edilirken, genel kabul olarak; alt indiste, gerilimin hangi terminaller arası olduğu belirtilerek yazılır. Önce + polarite olarak kabul edilen terminal, daha sonra polarite olarak kabul edilen terminal ifade edilir. Tek bir harf var ise referans noktası ile olan gerilim ifade edilir. Örneğin V BE gerilimi, Baz ve Emiter arası gerilimi ifade eder. + polariteli olarak kabul edilen uç baz ucudur (baz dan emiter e). V B ise baz gerilimini ifade eder.) Kazanç αdc. Doğru polarizasyon altında, kollektördeki akım emiterdeki akıma hemen hemen eşittir. Emiter ve kollektör arasındaki ilişkiyi gösteren αdc kazanç değeri aşağıdaki gibi tanımlanır: IC αdc =. IE Sayfa 1 / 13
Bu değer bir çok durumda yaklaşık olarak 1 e eşittir. Ortak emiterli yapılanış VCE VBE Şekil 3: Kazanç βd.c. Bu kazanç şu şekilde ifade edilir: IC βdc =. IB Bunun değeri bazen 1.000 değerine kadar yükselse bile genellikle 50 ile 300 arasındadır. H-parametreleri modelinde hfe kullanılır. αd.c ile βd.c. arasındaki ilişki Kirchoff kanunları ve basit birkaç işlem yardımı ile aşağıda verilen bunlar arasındaki basit ilişki elde edilebilir. Şöyle ki: IE = IB + IC Sayfa 2 / 13
IE IB IC = + IC IC IC 1 1 = + 1 αdc βdc αdc βdc = 1 αdc Transistörlerin karakteristikleri Bir transistörün çalışmasını anlamanın bir yolu da, transistörün akım - gerilim grafiklerini incelemektir. Bu I-V grafikleri şimdi bazın da işe katılmasından dolayı, diyotlara ait eğrilere göre daha karmaşıktır. Kollektör eğrileri Şekil 4a daki gibi bir devre yaparak ortak emiterli transistörlerde kollektör eğrilerine ait bilgiler çıkartılabilir. Buradaki yöntem VBB ve VCC kaynaklarını değiştirerek, transistör içinde farklı akım ve gerilimler elde etmektir. Çoğu zaman kullanılan yöntem IB ye bir değer verip VDC yi değiştirirken IB yi sabit tutmaktır. IDC ve VCE yi ölçerek IC ye karşı VCE nin grafiği için gerekli bilgileri elde edebiliriz. Örneğin Şekil 4a da IB yi 10 μa e ayarlandığında VDC hemen değiştirilir ve IC ile VCE ölçülür. Elde edilen veriler ile Şekil 4b deki grafik çizilir. Bu grafikte transistörün nasıl çalıştığı görülmektedir. VCE sıfıra eşit olduğunda kollektör diyotu ters polarizasyonda olmayacağından kollektör akımı çok küçüktür. VCE sıfıra çok yakın bir değer ile 1 V arasında iken kollektör akımı büyük eğimli bir artış göstererek artar ve sonra hemen hemen sabit kalır. Bunu kollektör olan diyotun ters polarizasyon durumu olarak düşünebiliriz. Bu diyotun ters polarizasyonunda yaklaşık 0,7 V luk delinme gerilimi vardır. Bu değere ulaşıldığında, kollektör üzerine gelen bütün elektronları alır. Dirsek noktasının yukarısında VCE nin tam değeri önemli değildir. Çünkü burada eğrinin eğimi çok küçük olduğundan VCE deki artışa rağmen kollektördeki akım dikkate değer bir artış göstermez. Bakınız Şekil 4b. Transistörün βdc değerinin yaklaşık 100 olması halinde kollektör akımı baz akımının 100 katıdır. Eğer VCE nin değeri çok fazla artırılırsa kollektör diyotu delinecek, transistör beklenen fonksiyonunu yapamayacaktır. Yani, o zaman transistör akım kaynağı görevine Sayfa 3 / 13
son verecektir. Bir transistördeki maksimum gerilim değişimi transistörün akım kaynağı olarak görev yapabildiği kollektör-emiter kısmının gerilim değişim aralığıdır. Şekil 4b de VCE,1 V ile delinme gerilimi arasında değişebilir. Bu aktif çalışma aralığında tutulduğu sürece transistör kontrollü akım kaynağı olarak görev yapar. Bu aralık dışında tutulduğunda transistör görev yapamaz. Delinme noktası Şekil 4: IB nin 20 μa yapılması durumunda IC - VCE grafiği Şekil 4c deki gibi elde edilecektir. Bu eğri Şekil 4b ile benzerdir. Bir farkla ki, dirsek noktası üzerinde kollektör akımı IC, 2 ma dir. Şekil 5: Sayfa 4 / 13
IB nin birçok değişik değeri için bu eğriyi aynı grafik üzerine çizersek kollektör eğrilerini Şekil 5 gösterildiği şekilde elde ederiz. ΒDC değeri yaklaşık 100 olan bir transistör kullandığımızı söylediğimize göre normal gerilim bölgesi içindeki her nokta için kollektör akımı baz akımı değerinin 100 katı olacaktır. DC gerilim ve akım değerleri ile çizildiğinden bunlara çoğu zaman statik kolektör eğrileri denir. Baz akımının sıfır olduğu alt eğriye dikkat ederseniz kollektör diyotundan gelen sızıntı akımı nedeniyle kolektörde ufak bir akım vardır. Silikon transistor lerde bu sızıntı akımı çok küçük olduğundan pratikte dikkate alınmaz. Bu grafiklerden akımların büyük olması durumunda delinme geriliminin küçüldüğünü de dikkate almamız gerektiği anlaşılmaktadır. Yani yüksek kollektör akımları için transistörün izin verilen gerilim değişim aralığı daha dardır. Burada önemli olan transistörün her şart altında delinmeden çalışmasının garanti altında olmasıdır. Baz (base) eğrileri Şekil 6a da baz-emiter gerilimine karşı baz akımı grafiği görülmektedir. Transistörde baz-emiter bölümü bir diyot olduğundan elde edeceğimiz grafiğin bir diyot eğrisine benzeyeceğini tahmin etmek güç olmayacaktır. Burada elde edilen de budur. Transistör içinde diyottan başka değişkenlerin de bulunduğunu unutmamalıyız. Yüksek kollektör gerilimi bunun daha fazla elektron almasına neden olur ki, bu baz akımının azalmasına neden olur. Bu fikir Şekil 6b de görebilmektedir. Verilen bir VBE için en yüksek VCE nin hafifçe daha düşük baz akımına sahip olduğu görülür. Şekil 6: Sayfa 5 / 13
Akım kazanç eğrileri Akım kazancı da denilen transistörün βdc değeri büyük değişim gösterebilir. Şekil 7, βdc deki tipik bir değişimi göstermektedir. Sabit bir sıcaklıkta βdc kollektör akımının artışı ile bir maksimum değere ulaşır. IC daha fazla artılırsa βdc azalmaya başlar. Transistörün tipine bağlı olarak βd.c deki değişim olağan transistör akım erimi içinde 3:1 oranına kadar olabilir. Şekil 7 de görüldüğü gibi çevre sıcaklığındaki değişimin βdc üzerinde etkisi vardır. Verilen bir kollektör akımı için sıcaklığın artması βdc yi artırır. Geniş bir sıcaklık aralığında transistörün tipine bağlı olarak βdc deki değişim yaklaşık 3:1 oranı kadar olabilir. Hem sıcaklık hem de kollektör akımının önemli ölçüde değişimi durumunda βdc deki değişim 9:1 oranında olabilir. Kesme ve delinme Şekil 7: Şekil 5.2.2 deki grafikte altta görülen eğri sıfır olan baz akımına aittir. IB = 0 şartı baz ayağında devrenin açık olması ile aynı anlamdadır. Baz devresinin açık olması halinde kollektörden geçen akımı ICEO ile göstereceğiz. Burada CEO harfleri, baz devresi açık kollektörden emitere anlamına kullanılmıştır. Sayfa 6 / 13
Şekil 8: Şekil 8, IB = 0 şartını sağlayan eğriyi göstermektedir. Yeteri kadar büyük bir kollektör gerilimi ile BVCEO ile gösterilen delinme gerilimine ulaşılabilir. Burada CEO yine baz devresi açık kollektörden emitere anlamına kullanılmıştır. Transistörün normal çalışmasını yapabilmesi için VCE nin BVCEO den küçük olması gereklidir. Transistörlerin maksimum spesifikasyonlarını içeren teknik veri listelerinin çoğunda BVCEO yer alır. Transistörlerin tipine bağlı olarak delinme gerilimi 20 volttan küçük veya 200 volttan büyük olabilir. Genel bir kural olarak yüksek emniyet payı bırakmak amacıyla transistör tasarımında VCE nin değeri BVCEO oldukça altında tutulur. Devre tasarımında maksimum nominal çalışma sınır değerlerinde çalışmaya zorlanan bir transistörün faydalı ömrü kısalır. Kollektör doyma gerilimi Şekil 9, kollektör eğrilerinden birini göstermekle beraber, aşağıdaki açıklamalar herhangi bir kollektör eğrisi için de geçerlidir. Eğrinin ilk bölümü doyma bölgesi olup orijin ile dirsek arasında bütün eğrileri kapsar. Yatay düz bölüm transistörün kontrollu akım kaynağı olarak görev yaptığı aktif çalışma bölgesidir. Son bölüm delinme veya bozulma bölgesidir. Bu bölgeden her zaman kaçınılması gerekir. Doyma bölgesinde kollektör diyotu doğru polarizasyondadır ve transistör normal fonksiyonunu kaybeder, akım kaynağı yerine küçük bir direnç gibi görev yapar. Baz akımında ek bir artış kollektör akımında ek bir atış sağlamaya yetmez. Doyma bölgesinde kollektör-emiter gerilimi mevcut kollektör akımının değerine bağlı olarak, genellikle bir voltun birkaç onda biridir. Sayfa 7 / 13
Şekil 9: Transistörün aktif bölgede çalışması için kollektör diyotunun ters polarizasyonda olması gerekir. Bunun için yaklaşık 1 volttan biraz fazla bir gerilim yeterlidir. BJT Transistörlerin karakteristik değerleri Küçük sinyal transistörleri ½ W dan daha az enerji harcarlar. VCEO : baz devresi açık kollektör-emiter gerilimi VCBO : emiter devresi açık baz-kollektör gerilimi VEBO : kollektör devresi açık baz-emiter gerilimi : kollektörün maksimum DC nominal (anma) akımıdır. IC PD : Transistörün maksimum nominal gücüdür. Transistörün harcadığı güç aşağıdaki şekilde hesaplanabilir: PD = VCE IC Bir transistörün uzun ömürlü olması, tasarımının iyi olması yanı sıra, delinme gerilimi ile nominal çalışma gerilim arasında gerekli emniyet katsayısının sağlanmasına bağlıdır. Bu katsayı çoğu zaman 2 veya üzerindedir. Örneğin maksimum nominal gücü 300 mw olan bir transistörde bu katsayı 2 ise enerji harcaması 150 mw altında olmalıdır. DC yük doğruları Bir transistörün çalışma alanı ile çalışma özelliklerini hakkında daha fazla bilgi almak için kollektör eğrileri üzerine bir yük doğrusu çizebiliriz. Bunun yöntemi daha önce diyotlarda yaptığımıza gibidir. Şekil 10a da VCC devre besleme gerilimi RC direnci üzerinden kollektörü ters yönde polarize eder. Bu direnç üzerindeki gerilim VCC VEC ye eşittir. Buna göre RC den geçen akım: Sayfa 8 / 13
VCC VCE IC = dir. RC Bu denklem, yük doğrusunun denklemidir. Örnek: Besleme geriliminin 10 V, RC direncinin 5 kω olduğunu farz edelim. Yük doğrusunun denklemini aşağıdaki şekilde yazabiliriz: 10 VCE IC = 5.000 VCE = 0 alınarak yük doğrusunun üst sınırı için IC = 0,002 V = 2 mv, IC = 0 alınarak yük doğrusunun alt sınırı için VCE = 10 V bulunur. Yük doğrusunun üst uç kısmını bulmanın diğer bir yolu ise Şekil 10 a daki transistörün kollektör-emiter bacaklarının kısa devre yapıldığını farz edip kollektör akımını hesaplamak şeklinde olur ki bu durumda akım VCC/ RC olacaktır. Yük doğrusunun alt uç kısmını bulmak için kollektör-emiter bacaklarının açık olduğu farz edilerek kollektör-emiter gerilimi hesap edilir ki, bu da VBC ye eşittir Sayfa 9 / 13
Şekil 10: Transistörün yük doğrusu ve çalışma noktası Kesme ve Doyma noktası Yük doğrusunun IB = 0 eğrisini kestiği yere kesme noktası denir. Bu noktada baz akımı sıfır olup kollektör akımı aşırı derecede küçük kalır (ICEO ile gösterdiğimiz sızıntı akımı). Kesme noktasında emiter diyotu doğru polarizasyondan çıkar ve transistör normal çalışma fonksiyonunu kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile kollektör-emiter gerilimi yük doğrusunun alt uç değerine eşitlenir. Yani, VCE VCC Yük doğrusunun IB = IB(doy) eğrisi ile kesiştiği noktaya doyma noktası denir. Bu noktada baz akımı IB(doy) ye eşittir. Kollektör akımı ise maksimum değerdedir. Doyma sırasında kollektör diyotu ters polarizasyondan çıkar, transistör normal çalışma fonksiyonunu yine kaybeder. İyi bir yaklaşıklama ile doyma anındaki kollektör akımını yük doğrusunun üst uç değerine eşitlenir. Yani, VCC IC(doy) dir. RC Sayfa 10 / 13
Şekil 10b deki IB(doy) doyma meydana gelmesi için gerekli baz akımını temsil eder. Eğer baz akımı IB(doy) dan küçük ise transistör aktif çalışma bölgesinde kesme ve doyma noktaları arasındaki bir noktada normal çalışma fonksiyonunu gösterir. Eğer baz akımı IB(doy) dan büyük ise kollektör akımı mümkün olan maksimum değere (yaklaşık olarak VCC//RC ye) eşittir. Grafiksel olarak bu, Şekil 10b de görüleceği gibi IB(doy) dan büyük her baz akımı eğrisinin yük doğrusu ile kesişmesinde aynı doyma noktası bulunacaktır. Maksimum değişim DC yük doğrusu bir transistörün maksimum çıkış sınırını (aktif gerilim sınırı VCE ) da gösterir. Şekil 10b de görüldüğü gibi transistörün maksimum çıkış gerilimi 0 ile yaklaşık VCC arasında değişir. Diğer bir deyişle, transistör akım verme özelliğini kaybettiği kesme ve doyma noktaları hariç DC yük doğrusunun izdüşümü boyunca bir akım kaynağı görevi yapar. Sayfa 11 / 13
Transistörle çalışma: EEME210 Elektronik Laboratuarı, 2014-2015 Bahar Dönemi, Deney 4 UYGULAMA Deneyin Yapılışı: Şekil 11: Deney düzeneği 1) Multimetrelerden birini DC ampermetre yapıp A kademesine getirin ve A1 olarak kullanın. Diğer multimetreyi de DC ampermetre yapıp ma kademesine getirin ve A2 olarak kullanın. 2) İki çıkışlı ayarlı DC kaynağı INDEP(iki çıkış bağımsız çalışmaz) olarak ayarlayın. Bunun için seçim düğmelerinin ikisi de basılı olmamalı.1 nolu çıkışı (soldaki) Vs1 olarak, 2 nolu çıkışı (sağdaki) Vs2 olarak kullanın. 3) Şekil 11 deki devreyi kurunuz. 4) Ayarlı DC kaynağı voltaj ayarlarını minimum değere getirerek devreye enerji veriniz. Transistörün IC VCE karakteristiğinin çıkarılması: 5) Ayarlı DC kaynaktan Vs2 gerilimini(vce) gerilimini yavaş yavaş arttırarak VCE gerilimini Tablo 1 de verilen 1V değerine getirin. 6) Vs2 gerilimini çok yavaş arttırarak A1 den IB=20 A değerine gelene kadar arttırınız. 7) Buna karşılık gelen IC akımını ölçünüz ve Tablo 1 e kaydediniz. 8) Vs2 yi arttırarak IB = 40 A ve IB = 60 A için IC ölçümlerini tekrarlayıp Tablo 1 e kaydedin. 9) Adım 5,6,7,8 i Tablo 1 deki diğer VCE değerleri için de tekrarlayıp ölçüm işlemini tamamlayın. Sayfa 12 / 13
10) Tablo 1 de bulduğunuz değerler için βdc = IC / IB değerlerini hesaplayarak Tablo 2 ye yazınız. 11) Tablo 1 deki değerleri kullanarak milimetrik kağıt üzerinde kollektör akımı eğrilerini çiziniz. (Şekil 5 dekine benzer görünümde grafik elde edeceksiniz. Çizimi VCE=1V dan başlatınız. VCE =0-1V arası ölçülmemiştir.) Ölçüm Sonuçları: IC, Kollektör akımı (ma) VCE = 1 V VCE = 3 V VCE = 6 V VCE = 9 V IB = 0 μa IB = 20 μa IB = 40 μa IB = 60 μa Tablo 1: Çeşitli IB baz akımı ve VCE gerilimlerine karşı, IC kollektör akımı ölçümler βdc = IC / IB kazancı VCE = 1 V VCE = 3 V VCE = 6 V VCE = 9 V IB = 20 μa IB = 40 μa IB = 60 μa Tablo 2: Çeşitli IB baz akımı ve VCE gerilimlerine karşı karşı, βdc kazancı Sayfa 13 / 13