T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 BJT TRANSİSTÖRÜN AC KUVVETLENDİRİCİ ve ON-OFF ANAHTARLAMA ELEMANI OLARAK KULLANILMASI DENEY SORUMLUSU Arş. Gör. Erdem ARSLAN EKİM 2011 KAYSERİ
BJT TRANSİSTÖRÜN AC KUVVETLENDİRİCİ ve ON-OFF ANAHTARLAMA ELEMANI OLARAK KULLANILMASI 1. GİRİŞ Transistörler elektronik devrelerde kullanılan aktif elemanlar arasında oldukça önemli bir yer tutmaktadır. Temelde iki modda çalışan transistör elemanı devrelerde ya bir devrede anahtarlama elemanı ya da bir kuvvetlendirici devresinde aktif eleman olarak yer bulabilir. İster bir anahtar, ister bir yükseltici, isterse de bir üreteç işlevi görsün, bütün transistörler elektrik direncinin değişmesine dayalı olarak çalışır. Transistörün collector (toplayıcı), base (taban) ve emiter (yayıcı) olarak üç bağlantısı (katmanı) vardır. Base akımı olmadığında collector ile emiter arasındaki direnç o kadar yüksektir ki bu iki bağlantı arasında hemen hemen hiçbir akım geçemez. Ama base bağlantısında küçük bir akım aktarıldığında collector ile emiter arasındaki dirençte çok büyük azalma olur. Dolayısıyla emiter ile collector arasından akım geçebilir. Böylece transistör küçük bir akımın yardımıyla büyük bir akımı denetleyebilir. Bilindiği gibi BJT transistör elemanı base girişine uygulanan küçük bir akım Ib ile transistörün diğer iki bacağı collector ve emiter arasındaki direnç değişimini kontrol eden elemandır. Bu direnç değeri Ib akımının olmadığı durumda çok yüksek bir değerde iken Ib akımının çok yüksek olduğu durumlarda ise çok küçük değerdedir. Geçiş direnci elemanı olarak bilinen transistör elemanın Vce arasında görülen potansiyeli minimum değerde ise bu olay transistör terminolojisinde saturasyon olarak addedilmektedir. Vce arasında görülen potansiyel fark maksimum değerde ise bu olay kesim olarak adlandırılmaktadır. Transistörün anahtarlama elemanı olarak kullanıldığı devrelerde bu iki bölgeden faydalanılmak istenir. Çünkü bir anahtarlama elemanında üzerinden geçen akımın olup olmaması önemlidir. Transistör elemanı bir kuvvetlendirici elemanı olarak kullanıldığı durumda ise bu iki bölgenin arasında bir çalışma noktası tespit edilmeye çalışılır. Şekil 6.1 de BJT transistör yük eğrisi üzerinde kesim, aktif ve doyum(saturasyon) bölgeleri verilmiştir. Şekil 6.1. BJT transistör yük eğrisi üzerinde kesim, aktif ve doyum bölgeleri. Bunun sebebi AC giriş işaretinin değişken değerlerine göre Vce arasında görülen direncin değişim göstermesi istenir. Fakat Q çalışma noktası saturasyon veya kesim bölgelerinde çalıştırılacak olursa küçük genlikli AC giriş işaretinin tüm değerlerine ya kesim ya da saturasyon tepkisi vereceklerdir. Bu durumda bu bölgelerde seçilecek Q çalışma noktalarında transistör elemanının kuvvetlendirici olarak kullanılması mümkün olmayacaktır. 1
2. DENEYİN AMACI Bu deneyde, BJT transistörlerin temel iki kullanım modu olan anahtarlama ve kuvvetlendirme devreleri incelenecektir. Bu amaçla deneyde kullanılacak olan iki kutuplu jonksiyon (BJT) transistörün bulunduğu OB(ortak base), OE(ortak emiter), OC(ortak kolektör) kuvvetlendirici yapıları ve devamında A ve B sınıfı kuvvetlendiricilerden bahsedilecektir. Daha sonra BJT transistörün anahtarlama elemanı olarak kullanılabilmesi için gerekli olan devre düzeneği açıklanmaya çalışılacaktır. Deneyin uygulama kısmında ise A sınıfı ortak emiterli bir kuvvetlendirici devresi ve temel bir anahtarlama elemanı olarak kullanılması gerekli olan devre kurularak, Q çalışma noktasının bulunduğu bölgeye ait transistörün çalışması anlatılmaya çalışılacaktır. 3. ÖN BİLGİ 3.1. BJT transistörün kuvvetlendirici olarak kullanılması Yükselteç devreleri, transistörlerin en çok kullanıldığı uygulama alanıdır. Bu devrelerin görevi, girişlerine uygulanan AC sinyalin akım ve/veya gerilim değeri olarak genliğini yükseltmektir. Ses yükselteçleri ise insan kulağının algılama sınırları dâhilindeki (20Hz~20kHz aralığı) AC sinyalleri kuvvetlendirir. Yükselteç devreleri, transistörün devreye bağlanış sekline bağlı olarak üç ana guruba ayrılır. Giriş ve çıkış sinyalleri açısından ortak olan transistör ucu bağlantıya ismini verir. 1- Emiteri şase (ortak) bağlantı 2- Kollektörü şase (ortak) bağlantı 3- Beyzi şase (ortak) bağlantı Şekil 6.2. Montaj sekline göre yükselteç çeşitleri. Tablo 6.1. Montaj sekline göre yükselteç çeşitlerinin karşılaştırılması. 2
Emiteri şase bağlantı, ses yükselteç devrelerinde en çok kullanılan devre sekli olarak karsımıza çıkmaktadır. Yükselteç devrelerini, sinyal yükseltme sekli açısından da gruplandırmak mümkündür. Yükseltecin çalışma sınıfı transistöre uygulanan öngerilim ile alakalıdır. Buna bağlı olarak, giriş sinyalinin ne kadarının çıkışa yükseltilerek aktarılacağı belirlenir. 1- A sınıfı yükselteç: Girişe uygulanan sinyalin tamamı kuvvetlendirilir. (360 ) 2- B sınıfı yükselteç: Girişe uygulanan sinyalin yarı saykılı (pozitif veya negatif alternansı) kuvvetlendirilir. (180 ) 3- AB sınıfı yükselteç: A sınıfı ve B sınıfı çalışmanın arasında kuvvetlendirme yapar. (180 ~360 ) 4- C sınıfı yükselteç: Girişe uygulanan sinyalin yarı saykılının bir bölümü kuvvetlendirilir. (<180 ) Ses yükselteç devreleri, giriş sinyalinin özelliklerinin bozulmadan çıkıştan alınması amacıyla A sınıfı ya da B sınıfı Push-Pull (simetrik transistörlü) şeklinde düzenlenir. A sınıfı ses yükselteci: A sınıfı ses yükselteç devreleri, girişine uygulanan ses sinyalin tamamını yükseltme özelliğine sahiptir. Bu amaçla, devrede kullanılan transistörün çalışma noktası yük doğrusunun orta kısımlarında seçilerek, çıkış sinyalinin pozitif ve negatif yönlü salınımlarının eşit düzeyli olması sağlanır. Ancak, giriş sinyali olmadığı durumlar da bile transistörün iletimde olması, A sınıfı yükseltecin düşük verimle çalışmasına neden olmaktadır. Diğer yandan, giriş sinyalinin aşırı değerler alması durumunda, çıkış sinyalinde doyum veya kesim nedeniyle tek ya da iki yönlü bozulmalar meydana gelecektir. Sekil 6.3. A sınıfı emiteri şase yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyalleri Sekil 6.3 te görülen yükselteç devresindeki C1 ve C2 kondansatörleri, AC sinyalin geçişine izin verirken DC gerilimi bloke ederler. RE direnci, bir yandan transistörün çalışma noktasının kararlılığına yardımcı olurken, diğer taraftan yükseltecin AC gerilim kazancını düşürmektedir. CE kondansatörü, AC sinyaller açısından RE direncini bypass ederek, devrenin AC sinyal kazancının düşmesini engeller. Yükselteç devresinin DC çalışma şartları, 3
Yükselteç devrelerinde, çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranı gerilim kazancı olarak ifade edilir. Sekil 6.3 teki yükselteç devresinin AC gerilim kazancı, XCE: CE kondansatörünün empedansı (AC direnci) re: Transistörün beyz-emiter C direnci olup, Bypass kondansatörü (CE) kullanılmıyorsa, yükseltecin AC gerilim kazancı, eşitliği ile hesaplanır. Görüldüğü gibi, CE kondansatörünün empedansı ortadan kalktığından dolayı devrenin gerilim kazancı düşmektedir. Eğer emiter direnci (RE) kullanılmıyorsa, yükseltecin ac gerilim kazancı, eşitliği ile hesaplanır. Bu durumda devrenin gerilim kazancının artacağı açıkça görülmektedir. Ancak, RE direncinin kaldırılmasıyla transistörün çalışma noktasının olumsuz yönde etkilenip kayabileceği unutulmamalıdır. Eşitliklerdeki (-) işareti, giriş ve çıkış sinyalleri arasında 180 faz farkı olduğunu ifade etmektedir. Sekil 6.4. Şekil 6.3 deki devre için örnek çalışma şartları. 4
Şekil 6.5 te verilen A sınıfı emiteri şase yükselteç devresinin kazancını hesaplayarak çıkış ucundaki sinyalin osilaskop ekranındaki görüntüsünü çiziniz. Sekil 6.5. Ortak emiterli kuvvetlendirici örnek devresi. 5
Yükselteç devresinin çıkış ucunda yani transistörün kollektör ucunda, 9,4V DC gerilim (VC) üzerinde 8,4VPP (tepeden tepeye) 1kHz AC sinyal görülecektir. CE kondansatörü çıkarıldığında devrenin kazancı, B sınıfı ses yükselteci: B sınıfı ses yükselteçleri, girişine uygulanan ses sinyalin yarı saykılını (pozitif veya negatif alternansını) yükseltme özelliğine sahip devrelerdir. Devrede kullanılan transistörün çalışma noktası yük doğrusunun kesim (cutoff) noktasında seçilir. Transistör, A sınıfı çalışmada giriş sinyali olmadığında bile iletimde olduğu halde, B sınıfı çalışmada sadece AC giriş sinyali varken iletime geçmektedir. Bunun anlamı, B sınıfı yükselteçlerin A sınıfı yükselteçlere kıyasla daha verimli çalıştığıdır. Çünkü giriş sinyali olmadığında transistör kesimde olacağından güç kaynağı üzerinden akım çekmeyecek ve herhangi bir güç harcaması olmayacaktır. Bu olumlu yanına rağmen, giriş sinyalinin sadece yarı saykılını yükseltmesi olumsuzluk olarak karsımıza çıkmaktadır. Diğer yarı saykılın çıkışta görülmemesi ses sinyalinin bozulmasına neden olur. Bu sebeple, B sınıfı ses yükselteç devreleri biri NPN diğeri PNP olmak üzere simetrik iki transistörün Push-Pull adı verilen özel bir bağlantısıyla gerçekleştirilir. Bu bağlantı sayesinde, giriş sinyalinin pozitif alternansları NPN transistör ve negatif alternansları PNP transistör tarafından yükseltilerek, çıkış sinyalinin aslına benzer olması sağlanır. Giriş işareti olmadığında transistörlerin kesimde olması nedeniyle veriminin yüksek olması ve çıkış gücünün iki transistöre bölünerek her bir transistör için daha az güç harcanması B sınıfı Push-Pull yükselteçlerin avantajları olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu avantajları nedeniyle özellikle güç yükselteç devrelerinde B sınıfı Push-Pull bağlantı tercih edilmektedir. Sekil 6.6. B sınıfı kollektörü şase yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyalleri. Sekil 6.6 da görülen kollektörü şase B sınıfı yükselteç devresi görülmektedir. Dikkat edilirse, transistörün beyz ucu DC öngerilim almamaktadır. Bu nedenle, giriş sinyali olmadığında transistör kesimde kalmaktadır. Yine beyz ön gerilimlemesi olmadığından, transistör giriş sinyalinin sadece pozitif alternanslarında ve bu alternansların esik gerilimi (VT=0,7V) üzerindeki değerlerinde iletken olur. Transistör, kollektörü şase ya da diğer adıyla gerilim izleyici olarak baglanmıstır. Beyz ucundan verilen giris sinyalinin pozitif alternansları, çıkıs ucu olan emiterden hemen hemen aynı genlikte (0,7V eksik) alınır. 6
Şekil 6.7. Şekil 6.6 daki devre için örnek çalışma şartları. Giriş sinyalinin tamamını yükseltmek üzere B sınıfı Push-Pull yükselteçler kullanılır. Böyle bir devre şekil 6.8 de görülmektedir. Sekil 6.8. B sınıfı Push-Pull yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyalleri. Devrede, giriş sinyalinin pozitif alternansları NPN transistör ve negatif alternansları da PNP transistör tarafından kuvvetlendirilmektedir. Ancak her iki transistörün eşik gerilimi nedeniyle geçiş bozulması (crossover distortion) meydana gelir. Push-Pull yükselteç devresinde görülen geçiş bozulmasını gidermek ve çıkıştan alınan yükseltilmiş sinyalin giriş sinyali ile aynı özellikleri taşımasını sağlamak üzere sekil 6.9 da ki devre kullanılır. 7
Sekil 6.9. Geçiş bozulması giderilmiş B sınıfı Push-Pull yükselteç devresi ve giriş-çıkış sinyalleri Şekil 6.9 da ki devrede, diyotlar yardımıyla her iki transistörün beyzinde eşik seviyesinde gerilim düşümleri meydana getirilmiştir. Böylece giriş sinyalinin pozitif alternansının tamamında NPN transistör ve negatif alternansının tamamında da PNP transistör yükseltme işlemini gerçekleştirir. 3.2. BJT transistörün on-off anahtarlama elemanı olarak kullanılması Sekil 6.10. Transistörlü anahtar ve Ortak emiterli transistörün çıkış öz eğrileri. Şekil 6.10 da verilen emiter montajlı transistör, V CC kaynağını R C yüküne bağlayan bir anahtar olarak kullanılmıştır. Ortak emiterli bir transistörün çıkış karakteristik eğrileri şekil 6.10 da verilmiştir. Bu karakteristik üç ayrı çalışma bölgesine ayrılabilir; kesim, aktif ve doyum bölgeleri. Kesim bölgesinde, emiter-baz ve kollektör-baz eklemleri tıkama yönünde kutuplanmıştır. Kolektör akımı I C, çok küçük olan tıkama yönü akımı I CBO ya eşittir. Bu durumda anahtarımız açık devredir. 8
Aktif bölgede, emiter-baz eklemi iletim yönünde, kolektör-baz eklemi tıkama yönüne kutuplanır ve transistörün I C çıkış akımı, I B giriş akımına göre oldukça doğrusal davranır. Bu çalışma bölgesi doğrusal yükselteçlerde kullanılmakta olup, anahtar uygulamalarında bu bölge mümkün olduğunca çabuk geçilmelidir. Doyum bölgesinde, hem kolektör-baz hem de emiter-baz eklemleri iletim yönünde kutuplanmıştır. Bu durumda V CE geriliminin değeri, transistörün eşik geriliminden küçüktür. Eğer bir anahtar devresindeki transistörün I C ve I B akımları birbirlerinden bağımsız olarak devre tarafından tanımlanıyorsa (I B I C / h FE ) transistör doyumdadır. Eğer bir anahtar devresindeki transistörün V CB gerilimi (NPN transistör için) negatif ise transistör doyumdadır. Doyumda olan bir transistörün I B baz akımı artırılarak V CEsat gerilimi bir miktar daha küçültülebilir. Bununla birlikte bu gerilim Silisyum transistörlerde birkaç yüz mv, Germanyum transistörlerde birkaç on mv kadardır. Şekil 6.10 da ki devrenin girişine şekil 6.11 de ki V İ (t) darbeleri uygulanırsa, V 1 gerilim seviyesi transistörü Q1 kesim noktasına, V 2 gerilim seviyesi Q2 doyma noktasına götürür. Q1 noktasından Q2 noktasına geçiş çok hızlıdır. Sekil 6.11. Sürücü darbesi ile Ic ve Ib akımları. 9
4. DENEYİN YAPILIŞI 4.1. A sınıfı ortak emiterli BJT kuvvetlendirici deneyi Şekil 6.12. A sınıfı ortak emiterli kuvvetlendirici uygulama devresi. 1- Şekil 6.12 de görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2- Devrenin DC çalışma noktasına ait büyüklükleri hesaplayıp, sonuçları gözlem tablosuna kaydediniz. 3- Bypass kondansatörünün (CE) devrede olduğunu düşünerek devrenin AC gerilim kazancını hesaplayıp, sonucu gözlem tablosuna kaydediniz. 4- S1 anahtarını kapatarak devreye enerji veriniz. 5- Devrenin DC çalışma noktasına ait büyüklükleri ölçüp, sonuçları gözlem tablosuna kaydediniz. 6- S2 anahtarını kapatarak bypass kondansatörünü (CE) devreye alınız. 7- P1 potansiyometresini kullanarak devrenin girişine 50mVPP/1kHz sinüs dalga sinyal uygulayınız. 8- Devrenin çıkısını osilaskop (DC konumda) ile ölçerek, çıkış sinyalini çiziniz. 9- Ölçtüğünüz çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranını hesaplayıp, sonucu kazanç (AV) olarak gözlem tablosuna kaydediniz. 10- Bypass kondansatörünün (CE) devreden çıkarıldığını düşünerek devrenin AC gerilim kazancını hesaplayıp, sonucu gözlem tablosuna kaydediniz. 11- S1 anahtarını kapatarak devreye enerji veriniz. 12- Devrenin DC çalışma noktasına ait büyüklükleri ölçüp, sonuçları gözlem tablosuna kaydediniz. 13- S2 anahtarını açarak bypass kondansatörünü (CE) devreden çıkarın. 14- P1 potansiyometresini kullanarak devrenin girişine 50mVPP/1kHz sinüs dalga sinyal uygulayınız. 15- Devrenin çıkısını osilaskop (DC konumda) ile ölçerek, çıkış sinyalini çiziniz. 16- Ölçtüğünüz çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranını hesaplayıp, sonucu kazanç (AV) olarak gözlem tablosuna kaydediniz. 10
Gözlem Tablosu: 11
4.2. BJT Transistörün anahtarlama elemanı olarak kullanılması Şekil 6.13. BJT anahtarlama devresi. 1- Şekil 6.13 te görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2 Girişte 5 V bağlı iken, transistörün hangi bölgede çalıştığını belirleyin. IB, IC ve VCC değerlerini kaydediniz. 3- Girişte 3 V bağlı iken, transistörün hangi bölgede çalıştığını belirleyin. IB, IC ve VCC değerlerini kaydediniz. 4- Aynı deneyi, girişi toprağa bağlayarak tekrarlayınız. Şekil 6.14. BJT anahtarlama zamanları ölçüm devresi. 5- Şekil 6.14 te görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. Devre girişine kare dalga üretecini bağlayınız. 1KHz, 10KHz ve 100KHz lik giriş frekansları için Gecikme, yükselme, uzama ve düşme sürelerini ölçünüz. 5. DENEY RAPORUNDA İSTENENLER 1. B tipi kuvvetlendiricilerde oluşan distorisyon etkisi yorumlayarak bu problemin ortadan nasıl kaldırılabileceği hakkında bilgi veriniz. 2. OE, OB ve OC kuvvetlendirici devrelerinin farklarını yorumlayınız. 3. Transistörün çalışma modları hakkında (Saturasyon, kesim ve aktif bölgeler) bilgi veriniz. 12