4. BÖLÜM: BİPOLAR JONKSİYON TRANZİSTÖRLER 4.1. Bipolar Jonksiyon Tranzistörün Temel Yapısı Bipolar jonksiyon tranzistörler (BJT), iki n tipi yarıiletken bölge arasına ince bir p
tipi yarıiletken (npn tranzistör) ya da iki p tipi yarıiletken bölge arasına ince bir n tipi yarıiletken (pnp tranzistör) katkılanarak yapılan üç uçlu bir aktif devre elemanıdır. BJT’de iki adet pn jonksiyon vardır. Her bir pn jonksiyonun iletim ve tıkama olmak üzere iki modu olduğundan tranzistörün dört çalışma modu vardır. Temel çalışma prensibi bir uçtan akan akımın diğer iki uç arasına uygulanan gerilim ile kontrol edilmesidir. Tranzi störden akan akımı delikler ve elektronlar oluşturduğundan bipolar adını almıştır. Şekil 4.1a’da npn tranzistörün b’de pnp tranzistörün basitleştirilmiş yapısı gösterilmiştir.
Şekil 4.1. npn ve pnp tranzistörün basitleştirilmiş yapısı. npn tranzistörde n tipi bölgelerden biri emetör (yayıcı) diğeri ise kolektör (toplayıcı) ucunu ve p tipi bölge ise baz ucunu oluşturur . pnp tranzistörde p tipi bölgelerden biri emetör diğeri ise kolektör ucunu ve n tipi bölge ise baz ucunu oluşturur. Emetör ve kolektör bölgeleri elektriksel olarak özdeş değildir, yani katkı yoğunlukları farklıdır. Örneğin kabaca karşılaştırma açısından emetör bölgesinin katkı mertebelerinde ise baz bölgesi , kolektör bölgesi ise yoğunluğu
mertebelerindedir. mertebelerindedir.
İleri aktif mod Şekil 4.2’de gösterildiği gibi baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde baz – kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar ince baz bölgesini geçerek kolektör bölgesine ulaşırlar. Bu geçiş sırasında elektronların bir kısmı baz bölgesindeki delikler ile birleşir. Tranzistör bu şekilde kutulandığında tranzistör “ileri aktif modda” çalışır. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde kutuplandığından emetör akımı,
(⁄ ) ⁄ olur. Burada diyot akımı ifadesinde bulunan emisyon katsayısı bir (
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
(4.1)
) alınmıştır. 1
Şekil 4.2. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplanması. Emetör bölgesinden kolektör bölgesine gelen elektronlar kolektör akımını meydana getirir (baz – kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplanmış olmasına rağmen). Kolektör akımının değeri emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğuna bağlıdır. Emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğu da emetör akımına bağlıdır. Dolayısıyla kolektör akımı emetör akımı ile doğru orantılıdır.
Burada
(4.2)
katsayısı bire yakın, birden küçük bir değer olup “ortak baz akım kazancı”
adını alır. Emetör akımını emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronlar belirler. Bu elektronların büyük bir kısmı baz bölgesinden kolektör bölgesine geçerek kolektör akımını oluştururlar. Çok az bir kısmı ise baz bölgesinde delikler ile birleşir. Bundan dolayı kolektör emetör akımı ile kolektör akımı hemen hemen birbirine eşittir. Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar baz bölgesine geçerken baz bölgesindeki delikler de emetör bölgesine geçerler. Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin hareketi Şekil 4.3’de gösterilmiştir.
Şekil 4.3. İleri aktif modda kutuplanmış npn tranzistörde elektronların elektronların ve delik lerin hareketi.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
2
Eğer n tipi bölgenin katkı yoğunluğu p tipi bölgenin katkı yoğunluğundan oldukça yüksek ise emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronların sayısı, baz bölgesinden emetör bölgesine geçen deliklerin sayısından oldukça fazla olur. Baz ve kolektör akımlarının her ikisi de ⁄ ile orantılıdır.
Burada
(4.3)
’ya “ortak emetör akım kazancı” adı verilir ve tranzistörün en önemli
parametrelerinden birisidir. Değeri genel amaçlı tranzistörler için yaklaşık olarak 50 ile 800 arasındadır. Değeri üretim parametrelerine ve ortam sıcaklığına bağlı olduğundan kataloglarda kataloglarda değeri bir aralık olarak verilir (örneğin 100 ile 450 arasında). Şekil 4.4’de npn tranzistörlü ortak emetörlü devre gösterilmiştir. Burada emetör ucu hem baza uygulanan gerilimin negatif ucuna hem de kolektöre uygulanan gerilimin negatif ucuna ortaktır. Bundan dolayı ortak emetörlü devre olarak adlandırılır. Burada ve değerleri baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde, baz - kolektör jonksiyonu ise tıkama yönünde olacak şekilde seçilmiştir. Akım yönleri şekil üzerinde gösterilmiştir.
Şekil 4.4. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre . Devreden,
(4.4)
olduğu görülür. Eğer ise baz - emetör jonksiyonu iletimde olmayacağından dolayısıya olur. Bu durumda tranzistör kesimdedir denir. Eğer tranzistörü bir nokta (düğüm) gibi görürsek,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
(4.5)
3
yazılabilir. Eğer tranzistör ileri aktif modda ise denklem
olduğundan yukarıdaki
(4.6)
(4.7)
(4.8)
(4.9)
olur. Buradan,
olur. Böylece kolektör akımı,
olur. Burada,
değeri “ortak baz akım kazancı” olarak adlandırılır. Örneğin olur. artıkça değeri bire daha çok yaklaşır.
⁄
ise
pnp tranzistörün yapısı ve çalışması Şekil 4.5’de pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin harek eti gösterilmiştir. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde kutuplandığından emetör bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan delikler baz bölgesine geçerler. Buradan kolektör bölgesine geçerler ve kolektör akımını oluşturur. Deliklerin bir kısmı baz bölgesinde elektronlarla birleşir. Baz bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar da emetör bölgesine geçerler. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde kutuplandığından emetör akımı baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur. Emetör akımı,
⁄ olur. Burada
(4.10)
gerilimi emetör ile baz arasına uygulanan gerilimdir. Kolektör akımı da
baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
4
Şekil 4.5. pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin hareketi.
⁄ pnp tranzistörün ortak baz akım kazancıdır. Baz akımı ise, ⁄ ⁄ şeklindedir. pnp tranzistörün ortak emetör akım kazancıdır.
(4.11)
Burada
(4.12)
Tranzistör sembolleri Şekil 4.6’da npn tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir. Emetör ucundaki ok emetör akımının yönünü gösterir ve npn tranzistörde emetör ucundan dışarıya doğrudur.
Şekil 4.6. npn tranzistörün blok diyagramı ve sembolü . Şekil 4.7’de pnp tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir. Burada emetör akımının yönünü emetör ucundan içeriye doğrudur.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
5
Şekil 4.7. pnp tranzis törün blok diyagramı ve sembolü. Tablo 4.1’de npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi özetlenmiştir. Burada
ifadesi sadece lineer bölgede geçerlidir. npn tranzistör
⁄ ⁄ ⁄
pnp tranzistör
Her iki tranzistör için
⁄ ⁄ ⁄
Tablo 4.1. npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi.
Tranzistörün akım - gerilim karakteristikleri Tranzistörün giriş ve çıkış karakteristikleri olarak adlandırılan iki önemli karakteristiği vardır. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre için giriş karakteristiği baz emetör gerilimi ( ) ile baz akımının ( ) değişimini gösteren karakteristiktir. Baz emetör bölgesi bir diyot olduğundan bu karakteristik normal diyot karakteristiğidir. Çıkış karakteristiği ise kolektör - emetör gerilimi ( ) ile kolektör akımının ( ) değişimini gösteren karakteristiktir. Şekil 4.8’de tranzistörün çıkış karakteristiği gösterilmiştir.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
6
Şekil 4.8. Tranzistörün çıkış karakteristiği. npn tranzistörde tranzistörün ileri aktif modda olması için baz - emetör jonksiyonun iletimde baz - kolektör jonksiyonun ise tıkamada olması gerekir. Baz kolektör jonksiyonun tıkamada olması için olması gerekir.
Early gerilimi: npn transistör ileri aktif modda kutuplandığında ( baz - emetör jonksiyonu iletimde ve baz - kolektör jonksiyonu tıkamada)
gerilimi sabit iken
gerilimi artırılırsa tıkamada olan baz - kolektör jonksiyonunun fakirleşmiş bölgesi genişler ( gerilimi artığından). Bu da baz bölgesinin daralmasına ve dolayısıyla baz bölgesindeki azınlık taşıyıcılarının yoğunluğunun artmasına neden olur. Böyle ce baz bölgesindeki difüzyon akımı artar. Bu da kolektör akımının artmasına neden olur. İleri aktif modda kolektör akımının gerilimi ile değişimi,
(⁄ )
(4.13)
şeklinde ifade edilebilir. Burada Early gerilimi olup tipik değeri 50V ile 300V arasındadır. Aşağıda ortak emetörlü devrenin akım gerilim karakteristikleri üzerinde Early gerilimi gösterilmiştir. Eğrinin eğimi kolektörden bakıldığındaki çıkış direncini verir. Bu direnç,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
7
| şeklinde bulunabilir. Buradan çıkış direnci ,
olur. Tranzistörün bozulma gerilimi ve akımı
Tranzistörün terminaller arasındaki gerilim veya bir terminalden akan akım belirli sınırları geçtiğinde tranzistör bozulur. Tablo 4.2’de bu gerilim ve akımlar özetlenmiştir. Bu tablodaki değerler BC547B için verilmiştir. Tranzistörün önemli parametreleri ise Tablo 4.3’de verilmiştir. Verilen değerler BC 547B içindir.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
8
Sembol Parametre
Değer
Kolektör - baz
gerilimi
Kolektör emetör gerilimi Emetör - baz gerilimi
Kolektör akımı (dc)
Açıklama Kolektör - baz geriliminin maksimum değeridir. Kolektör emetör geriliminin maksimum değeridir. Emetör - baz geriliminin maksimum değeridir. Kolektör akımının maksimum değeridir.
Kolektör bölgesinde harcanan gücün maksimum değeridir. Tranzistörde Kolektörde harcanan gücün büyük kısmı kolektör harcanan güç bölgesinde harcandığından tranzistörde harcanan güç yerine kolektörde harcanan güç değeri verilmiştir. Jonksiyon Herhangi bir jonksiyonun sıcaklığı bu sıcaklığı değeri geçmemelidir. Depolama Tranzistörün depolama sıcaklık sıcaklığı aralığıdır. Tablo 4.2. BC547B npn tranzistörünün sınır değerleri.
Sembol
Parametre
Değer
Kolektör sızıntı akımı
Baz - emetör iletime
dc akım kazancı Kolektör - emetör doyum gerilimi Baz - emetör doyum gerilimi
geçme gerilimi Akım kazancı – band genişliği çarpımı
Çıkış kapasitesi Giriş kapasitesi Tablo 4.3. Tranzistörün önemli parametreleri.
Açıklama Tranzistör tıkamada olduğunda kolektörden akan akım. Tranzistörün kolektör akımı ile baz akımın oranı ( ) Tranzistör doyumda olduğunda kolektör - emetör gerilimi. Tranzistör doyumda olduğunda baz - emetör gerilimi. Baz – emetör jonksiyonun iletime geçmesi için gerekli minimum
⁄
gerilim.
Akım kazancı – band genişliği çarpımı. Çoğunlukla “kazancın bir olduğu band genişliği” olarak adlandırılır. Tranzistörün çıkış kapasitesi Tranzistörün giriş kapasitesi
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
9
4.2. Tranzistörlü devrelerin dc analizi
En temel tranzistörlü devre Şekil 4 .9a’da gösterilen ortak emetörlü devredir. Tranzistörün emetör ucu toprağa bağlıdır. Burada tranzistör olarak npn tranzistör kullanılmıştır. Şekil 4.1b’de bu devrenin dc eşdeğer devresi gösterilmiştir. Tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda kolektör akımı baz akımının bir fonksiyonu olur ( ). Şimdilik tıkamada olan baz kolektör jonksiyonunun sızıntı akımını ve Early etkisini ihmal edelim. Baz akımı,
Şekil 4.9. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri.
(2.14)
şeklinde bulunabilir. Kolektör akımı için ise,
(2.15)
(2.16)
(2.17)
(2.18)
yazılabilir. Emetör akımı da,
olur.
gerilimi ise,
şeklinde yazılabilir. tranzistörde harcanan güç ise,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
10
(2.19) şeklindedir. olduğundan değeri ’nin yanında ihmal edilebilecek kadar düşüktür. Dolayısıyla tranzistörde harcanan güç kabaca,
(2.20)
yazılabilir. Örnek 4.1: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ve olarak veriliyor. Baz, kolektör ve emetör akımlarını, gerilimini ve tranzistörde harcanan gücü hesaplayınız.
Çözüm: Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,
olarak bulunur.
gerilimi,
olur. Tranzistörde harcanan güç ise,
olarak bulunur.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
11
Şimdi de Şekil 4.10a’da gösterilen pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrenin dc analizini yapalım. Bunun için Şekil 4.10b’de gösterilen eşdeğer devreyi kullanalım. Eşdeğer devrede akım yönlerinin ve gerilim polaritelerinin npn tranzistörün tersi olduğunu dikkat edel im. eşdeğer devreden hareketle baz akımı,
Şekil 4.10. pnp tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri .
(2.21)
olur. Kolek tör ve emetör akımı ise,
olur.
(2.22)
(2.23)
(2.24)
(2.25)
gerilimi ise,
şeklinde yazılabilir.
Örnek 4.2: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için olarak veriliyor. Baz , kolektör ve emetör akımlarını ve direncinin değerini hesaplayınız. Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
ve olması için 12
Çözüm: Önce devrenin dc eşdeğer devresini çizelim. V +
5V
E
V EB
I B
I C
-
B
C R B
RC
V
BB
Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,
olarak bulunur. Devrenin sağ kolu için,
yazılarak
olması için direncinin değeri,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
13
olarak bulunur.
4.3. Yük doğrusu ve transistörün çalışma modları
Şekil 4.11’de gösterilen ortak emetörlü devrenin analizini Şekil 4 .6’da gösterilen giriş ve çıkış yük doğruları ile de yapabiliriz. Şekil 4.11a’da B-E jonkisyonunun akım gerilim karakteristiği ( , giriş karakteristiği) ve giriş yük doğrusu gösterilmiştir.
Şekil 4.11. Giriş ve çıkış yük doğruları. Giriş yük doğrusu devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanarak bulunabilir.
(2.26)
Şekil 4.11b’de de tranzistörün çıkış karakteristiği ( ) üzerinde çıkış yük doğrusu gösterilmiştir. Çıkış yük doğrusu ise devrenin kolektör - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanarak bulunabilir.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
(2.27)
14
(2.14) eşitliği kolektör akımı ile kolektör emetör geriliminin değişimini veren yük doğrusu denklemidir. Tabiî ki şu an tranzistörün dc analizini yaptığımızdan bu yük doğruları dc yük doğrularıdır. Tranzistörün girişine ac işaret uyguladığımızda durumda elde edilen doğrular ac yük doğrularıdır. ac yük doğrularını ilerde inceleyeceğiz. Şekil 4.6’deki yük doğrusu üzerindeki değerler Örnek 4.1’de verilen değerlerden elde edilmiştir. Örnek 4.1’de , ve olarak bulunmuştu. Eğer geriliminin değeri değerinden küçük ise tranzistörden herhangi bir akım akmaz ( ) ve tranzistör kesimdedir (sızıntı akımları ihmal edilmiştir). Bu durumda direnci üzerinde bir gerilim düşüm olmayacağından ’dur. değerine aşarsa tranzistör iletime geriliminin değeri artırılır ve geçer (ileri aktif ) baz akımı akmaya başlar. Dolayısıyla kolektör akımı akar. Bu durumda , ve ’dir. geriliminin değeri artmaya devam ederse baz akımı da artar dolayısıyla kolektör akımı da artar. Belli bir noktadan sonra geriliminin artsa da koleöktör akımı artmaz. Bu noktada tranzistör doyumdadır. Tranzistör doyumda olduğunda baz kolektör jonksiyonu iletimde olur ve baz akımı ile kolektör akımı arasındaki lineer ilişki bozulur. Akım kazancı lineer bölgedeki duruma göre daha az olur. tranzistör doyumda olduğunda kolektör emetör geriliminin değeri ile gösterilir ve değeri 0,1V ile 0,3V arasındadır (katalogda veriliyor).
Örnek 4.3): Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için , ve olarak veriliyor. Tranzistörün ileri aktif modda mı yoksa doyumda olduğunu belirleyiniz.
Çözüm: direncinin giriş ucuna 8V uygulandığından ( iletimdedir. Dolayısıyla baz akımı,
)
tranzistör
olarak bulunur. İlk olarak tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda formülü geçerlidir. Buradan kolektör akımı,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
15
olur. Kolektör emetör gerilimi ise,
olarak bulunur. Ancak Soruda verilen npn tranzistörlü ortak emetörlü devrede gerilimi negatif olamaz. Dolayısıyla başta kabul ettiğimiz tranzistörün ileri aktif bölgede olduğu kabulü doğru değildir. Tranzistörün iletimde olduğunu bildiğimizden geri tek seçenek tranzistörün doyumda olduğu gerçeği kalır. Tranzistörde doyumda ise ’dur. Buradan akımını bulalım.
olarak bulunur. Baz emetör gerilimi ise hala dolayısıyla baz akımı ’dir. Bu durumda kolettör akımının baz akımına oranı, olur. Görüldüğü gibi doyumda akım kazancı ’dan küçüktür. Bu durum hem npn hem de pnp tranzistörler için geçerlidir. Doyumda akım kazancı,
olarak tanımlanır. yani “zorlanmış ” olarak tanımlanır ve ’dir. Tranzistörün diğer bir çalışma modu geri aktif moddur. Bu modda baz emetör jonksiyonu tıkamada, baz kolektör jonksiyonu ise iletimdedir. Bu tranzistörün kolektör ucu emetör, emetör ucu da kolektör gibi davranır. Bu mod kuvvetlendiricilerde kullanılmaz. Sadece sayısal elektronik devrelerde kullanılır. Tranzistörün çalışma modları Tablo 4.4’de gösterilmiştir. Şekil 4.12’de de her bir durum için devre modelleri gösterilmiştir. Şekil 4.12a’da kesim, b’de ileri aktif c’de doyumda d’de de geri aktif modları gösterilmiştir.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
16
Baz – emet ör
Baz – kolektör
Mode
Tıkama İletim İletim Tıkama
Tıkama Tıkama İletim İletim Tablo 4.4. Tranzistörün çalışma modları.
Kesim
İleri aktif Doyum Geri aktif
C
C
I C<0
I C
C I C =0 B
C
F I B
I E =0
I B
V BE (FA)=0,7V I E
E
V BC (RA)=0,7V
I C V BC (SAT)=0,6V
B I B=0
B
B
I B R I B
V BE (SAT)=0,8V
I B
I E
E
I E <0 E
E
(a)
(b)
© Şekil 4.12. Tranzistörün çalışma modları.
(d)
Tranzistörün çalışmasını anlamak için gerilim geçiş eğrisinden yararlanılabilir. Gerilim geçiş eğrisi, giriş gerilimi ile çıkış geriliminin değişiminin çizildiği eğridir. Bir örnek üzerinde inceleyelim.
Örnek 4.4: Aşağıda gösterilen npn ve pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrelerin gerilim geçiş eğrisini elde ediniz. npn tranzistör için , ve , pnp tranzistör için , ve , olarak
veriliyor.
Çözüm: npn tranzistörlü devrenin analizi Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
17
ise Q tranzistörü kesimdedir. Bu durumda , ’dur. olduğunda ise iletime geçmeye başlar ve ilk olarak ileri aktif moddadır. Bu n
durumda baz ve kolektör akımları,
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki bu bağıntı tranzistör doyuma gidene kadar geçerlidir. tranzistör doyuma gittiğinde olur. Tranzistörü doyuma götüren giriş geriliminin değerini ise yukarıdaki formülden bulabiliriz.
olarak bulunur. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 3.13’de gösterilmiştir. pnp tranzistörlü devrenin analizi
olmalıdır. Yani , , olmalıdır. olduğunda tranzistör iletimdedir. olduğunda tranzistör kesimdedir. Bu durumda , ’dur. olduğunda tranzistör ileri aktif modadır. daha da azaltılırsa tranzistör doyuma gider. İleri aktif modda olur. Bu durumda baz ve kolektör akımları, pnp tranzistörün iletime geçmesi için
olur. çıkış gerilimi ise,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
18
olur. Bu eşitlik tranzistör doyuma gidene kadar geçerlidir. Doyumda olduğundan olur. Dolayısıyla yukarıdaki eşitlik aralığında geçerlidir. yukarıdaki eşitlikten hareketle olduğunda olur. yani giriş gerilim 2,8V’un altına düştüğünde tranzistör doyuma gider. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 4.13’de gösterilmiştir.
Şekil 4.13. 4.4. Temel Tranzistörlü Devreler
Ortak emetörlü, ortak kolektörlü ve ortak bazlı olmak üzere üç tip tranzistörlü devre vardır. Ortak emetörlü devrede emetör ucu ile toprak ucu arasına direnç bağlanabilir. Emetör direncinin etkisi ileri incelenecek. Bu devreleri bir örnek ile inceleyelim.
Örnek 4.5: Aşağıda gösterilen emetör dirençli ortak emetörlü devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz. Tranzistör için , ve olarak veriliyor.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
19
Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
yazılabilir. Tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda emetör akımı için yazılabilir. Bu durumda baz akımı,
olur. Kolektör emetör akımları ise,
olarak bulunur. Kolektör emetör gerilimi ise,
olarak bulunur. gerilimi pozitif çıktığına göre tranzistörün ileri aktif modda olduğu kabulü doğru. Devrenin yük doğrusunu elde edelim.
[ ] [ ] Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
20
elde edilir. Devrenin yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.
olması ve
ve Örnek 4.6: Aşağıda gösterilen ortak bazlı devrede için ve dirençlerinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için alınız.
Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
olarak bulunur. Devrenin emetör kolektör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası
uygulanırsa,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
21
olarak bulunur.
olması için ve alınız.
Örnek 4.7: Aşağıda gösterilen ortak kolektörlü devrede direncinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için
Çözüm: Devrenin kolektör - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
olarak bulunur. Buradan kolektör ve baz akımları bulunabilir.
Devrenin emetör - baz çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
olarak bulunur.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
22
4.5. Tranzistörün temel kullanıl alanları Tranzistörün anahtarlama ve kuvvetlendirme olmak üzere iki önemli görevi vardır. Şekil 4.14’de “evirici” olarak adlandırılan bipolar tranzistörlü devre gösterilmiştir. Burada tranzistör anahtar olarak çalışır. Bu durumda tranzistör ya doyumdadır ya da kesimdedir. Burada yük, bir L ED ya da bir motor olabilir. Giriş gerilimi, ise tranzistör kesimdedir. Dolayısıyla ’dır. Kolektör akımı sıfır olduğundan yük üzerinde bir gerilim düşümü olmayacağından ’dir. Örneğin yük bir LED ise kolektör akımı sıfır olduğundan (LED’den akım akmayacağından) LED ışık vermez.
Şekil 4.14. Bipolar evirici devre.
Giriş işareti olduğunda tranzistör doyumdadır. Burumda,
⁄ ise (
yükün iç direncidir)
(2.28)
(2.29)
(2.30)
olur. Tranzistörün anahtar elemanı olarak kullanıldığı en temel uygulama tranzistörlü lojik devrelerdir. Şekil. 4.14’de evirici devre gösterilmiştir. Şekil. 4.15’de gösterilen
devrede her iki giriş de sıfır ise her iki tranzistör de kesimdedir. Dolayısıyla olduğunda ise Q1 tranzistörü doyumda, Q 2 tranzistörü ise ’dir. ve hala kesimdedir. Q1 tranzistörü doyumda olduğundan olur. ve
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
23
olduğunda ise Q
tranzistörü kesimde, Q 2 tranzistörü ise doyumdadır. Q 2 tranzistörü doyumda olduğundan olur. Her iki giriş de olduğunda ise her iki tranzistör de doyumdadır ve çıkış yine ’dır. Aşağıdaki tabloda girişlerin değişik durumları için çıkışın durumu gösterilmiştir. bu tablodan da görüldüğü gibi bu işlem NOR işlemidir. 1
Şekil 4.15. Tranzistörlü NOR kapısı.
0 0
0 0
Şekil 4.16a’da gösterilen evirici devresi kuvvetlendirici olarak da kullanılabilir. Önce eviricinin gerilim geçiş eğrisini çıkaralım ve bunun üzerine ac işaret ilave edelim. , ve Tranzistör için alalım. Direnç değerleri , alalım. Giriş gerilimi, olduğunda tranzistör kesimdedir. Dolayısıyla , ’dır. Giriş gerilimi, olduğunda tranzistör iletime geçer ve lineer bölgededir. Bu durumda baz akımı,
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. Bu eşitlik tranzistör lineer bölgede olduğu sürece geçerlidir. Doyum sınırında da geçerlidir. Doyumda ’dır. Buradan hareketle yukarıdaki eşitlikte
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
24
alınırsa olarak bulunur. Girişin bu değerinden sonra tranzistör doyumdadır ve çıkış gerilimi ’dur. Şekil 4.16b’de devrenin gerilim geçiş eğrisi gösterilmiştir.
Şekil 4.16. Evirici ve eviricinin gerilim geçiş eğrisi.
Eğriden görüldüğü gibi için tranzistör ileri aktif bölgenin tam ortasında kutuplanmıştır. ’luk dc giriş işareti için çıkış gerilimi eğriden de görüldüğü gibi ’dur. Şekil 4.17a’da gösterildiği devrenin girişine dc işarete ilave olarak bir de ac işaret uygulayalım. Bu durumda baz akımı gerilimi sabit alınarak,
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. Bu işaretin ’luk kısmı ’luk dc işaretten, ’luk kısmı ise ’lik giriş işaretinden gelir. Görüldüğü gibi devre girişine uygulanan ac işareti 4 kat kuvvetlendirerek ve fazını çevirerek çıkışa aktarmıştır. Bu durum Şekil 4.1 7b’de gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi sinüzoidal giriş işareti bozulmadan yine sinüzoidal olarak kuvvetlendirilmiştir. Eğer dc giriş işareti olursa tranzistör doyumda olur ve çıkış işareti olur. B durumda ac işaret uygulanırsa Şekil 4.17c’de görüldüğü gibi girişin pozitif alternansında tranzistör doyumda olacağından çıkışta gözükmez. Negatif alternansında ise tranzistör lineer bölgededir ve çıkışta
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
25
kuvvetlendirilmiş olarak gözükür. Dolayısıyla tranzistör doyumda kutuplanırsa giriş işaretinin sadece yarı periyodu kuvvetlendirilmiş olur. Diğer yarı periyot ise çıkışta gözükmez. Buradan da görüldüğü gibi tranzistör kuvvetlendirici olarak kullanılacaksa tranzistörün çalışma noktası çok önemli olur.
Şekil 4.17. Tranzistörün kuvvetlendirici olarak kullanılması. 4.6. Tranzistörün öngerilimlemesi
Lineer bir kuvvetlendirici yapmak için tranzistör ileri aktif modda ve Q çalışma noktasını yük doğrusunun tam ortasında olacak şekilde kutuplamalıyız. Bunun için öngerilimleme yapmalıyız. Çeşitli öngerilimleme devrelerini inceleyelim.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
26
4.6.1. Tek dirençli öngerilimleme
Şekil 4.18a’da en basit öngerilimleme devresi gösterilmiştir. öngerilimleme direnci ile yapılmaktadır. kapasitesi ise dc işaretler için açık devre, girişe uygulanan işaretin frekansına göre de kısa devre olacak şekilde yeterince büyük seçilmiştir. Böylece giriş işareti çok az bir zayıflama ile tranzistörün bazına iletilir. kapasitesinin değeri 1-10µF arasındadır. Tam değeri girişe uygulanan işa retin frekansına göre seçilir ve ileride bu konuyu inceleyeceğiz.
Şekil 4.18. Tek dirençli öngerilimleme devresi ve Thevenin eşdeğeri.
, tranzistör için Örnek 4.8: Şekil 4.18a’da gösterilen devrede ve olarak veriliyor. Q çalışma noktasında için ve dirençlerinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız.
, ve
Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.19b’de gösterilmiştir. Kolektör direnci ,
olur. Buradan
direncinin değeri,
olarak bulunur. Yük doğrunu çizelim. Yük doğrusunun denklemi, Bunun için gerilimlerinin maksimum değerleri, Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
ve 27
akımının maksimum değeri (doyumda iken maksimum olur. Bu durumda alınır.), ve gerilimlerinin maksimum değerleri (kesimde iken olur ve kesimde ’dır.), şeklinde bulunur. Bunun için
olur. Yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.
Şimdiye kadar tranzistörün akım kazancı ’yı sabit aldık. Ancak belli bir tranzistör tipi için değeri belirli sayı değildir. Örneğin BC547B tipi npn tranzistörün değeri katalogda 200 ile 450 arasında verilmiştir. Dolayısıyla devre tasarlarken değerini belirli bir değer almak doğru değildir. Ölçü aleti ile tranzistörün değeri ölçülebilir. Bu ölçüm sonucuna göre hesaplamalar yapılabilir. Ancak devredeki tranzistör bir nedenle (örneğin bozulduğu için) değiştirilirse aynı tip tranzistör dahi takılsa çalışma noktası değişir. Bundan dolayı tranzistörlü devrelerde ’ya olan bağımlılığı azaltmak gerekir. Yukarıdaki örnek için ’nın etkisini inceleyelim. ve için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım.
(Değişmedi)
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
28
Aşağıda üç farklı
değeri için çalışma noktaları gösterilmiştir.
50
100
150
Görüldüğü gibi için yük doğrusunun tam ortasında kutupladığımız devrenin çalışma noktası değişmesi ile çok farklı noktalara kaymıştır. Ayrıca bulduğumuz öngerilimleme direncinin değeri oldukça büyüktür. Özellikle Q çalışma noktası
entegre teknolojisinde büyük değerli direnç kullanmak çok zordur. Çünkü 50k ’un üzerindeki dirençler chip içerisinde çok fazla yer kaplar (bir tranzistörün kapladığı alanın yaklaşık 100 katı). Ayrıca büyük değerli dirençlerin toleransları daha geniştir. Dolayısıyla öngerilimlemede kullanacağımız dirençlerin değeri mümkün mertebe küçük olmalıdır. 4.6.2. Gerilim bölücü ile öngerilimleme
Öngerilimleme Şekil 4.19a’da gösterildiği gibi gerilim bölücü dirençler ile de yapılabilir. Şekil 4.19b’de de devrenin Thevenin eşdeğeri gösterilmiştir. Bu eşdeğer devredeki Thevenin gerilimi,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
29
(2.31)
(2.32)
Thevenin direnci de,
şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
(2.33)
+V CC
+V CC
I CQ
RC
R1
RTH
C C
vS
+
V TH
R2
+
I BQ
RC + V CEQ -
(b)
(a)
Şekil 4.19. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş ortak emetörlü devre ve Thevenin eşdeğeri. yazılabilir. Buradan baz akımı,
(2.34)
olur.
, , ve ve olarak veriliyor.
Örnek 4.9: Şekil 4.19a’da gösterilen devrede tranzistör için , Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz
Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.192b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin gerilimi ve Thevenin direnci,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
30
olarak bulunur. Baz akımı,
ve için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım. Aşağıda üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası gösterilmiştir. I C 6mA 4,95mA
150
3,3mA
100
1,65mA
2,1
5,6
8,7
50
12
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
V CE (V)
31
4.6.3. Emetör direncinin öngerilimleme ye etkisi
Öngerilimleme gerilim bölücü ile yapıldığında öngerilimlemede kullanıla dirençlerin değeri azalmakla birlikte ’ya olan duyarlılık azalmamıştır. ’ya olan duyarlılık azaltmak için Şekil 4.20a’da gösterildiği gibi emetör toprak arasına bir direnç bağlanır. Bu direnç geribesleme görevi görür. Herhangi bir nedenden (sıcaklık artışından veya ’nın artmasından) dolayı kolektör akımı arttığında doğal olarak emetör akımı da artar. Dolayısıyla emetör gerilimi de artar ( ). Bu durumda gerilimi azalır. azalınca baz akımı azalır. Baz akımı azalınca da kolektör akımı azalır. Dolayısıyla kolektör akımındaki artış emetör direncinin yaptığı geri besleme ile kompanze edilmiş olur.
+V CC
+V CC
R1
I CQ
RC
RTH
C C
vS
+
R2
+
I BQ
V TH
R E
RC + V CEQ R E
(b)
(a)
Şekil 4.20. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş emetör dirençli ortak emetörlü devre ve Thevenin eşdeğeri. Thevenin gerilimi,
(2.35)
(2.36)
Thevenin direnci de,
şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
(2.37)
yazılabilir. Buradan baz akımı, Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
32
olur. Kolektör emetör gerilimi ise
(2.38)
alınarak,
(2.39)
, , , Örnek 4.10: Şekil 4.20a’da gösterilen devrede ve , ve tranzistör için olarak veriliyor. Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz. Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4 .20b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin
gerilimi ve Thevenin direnci,
olur. Baz ve kolektör akımları ise,
değeri ise, olur. ’nin ve ’nin maksimum değerleri, olarak bulunur.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
33
olarak bulunur. Yük doğrusu Şekil 4.21’de gösterilmiştir. ve yukarıdaki analizleri tekrarlayalım. baz ve kolektör akımları ise,
için
değeri ise,
olarak bulunur.
baz ve kolektör akımları ise, olarak bulunur. değeri ise, olur. Şekil 4.21’de üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi direncinin eklenmesi ile Q çalışma noktasının değişimine olan bağımlılığı azalmıştır. olur.
I C 5mA
2,4mA 2,25mA 1,9mA
150
100 50
6,6 7,4
Şekil 4.21. Üç farklı
için yük doğrusu.
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
12 V CE (V)
34
4.7. Tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresi
Tranzistörlü devrelerin dc analizini yaparken büyük işaret eşdeğer modeli ve kullanılabilir. Bu modelde tranzistör ileri aktif modda ise ’dir. Bu model özellikle Q çalışma noktasının belirlenmesinde kullanılabilir. Ancak tranzistörlü devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında bu model kullanılamaz. Q çalışma noktası belirlendikten sonra devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında civarında küçük değişimler yapar. Bu durumda artık gerilimini sabit alamayız. Ayrıca baz ve emetör akımları da artık sabit değildir. Şekil 4.22’de tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için karakteristiği gösterilmiştir. Dolayısıyla büyük işaret eşdeğer devresi tranzistörün ac davranışını analiz etmek için yeterli değildir.
i B
I B
ib
V BE (on)
I BQ
V BEQ
V BE
(a)
vbe (b)
Şekil 4.22. Tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için karakteristiği
v BE
Tranzistörlü bir devrenin girişine ac işaret uygulandığında tranzistörün davranışını analiz etmek için tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresini incelemek gerekir. Tranzistörün küçük işaret eşdeğeri birkaç şekilde yapılabilir. Genellikle hibrid modeli ya da h parametreleri modeli kullanılır. Biz burada h parametreleri modelini kullanacağız. Tranzistör Şekil 4.23a’da gösterildiği gibi giriş ve çıkış portlarından oluşan iki portlu bir devre gibi düşünülebilir. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplandığını kabul ederek giriş ve çıkış portlarındaki akım ve gerilimler arasındaki ilişki,
Elektronik Devre Elemanları , Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler Dr. İsmail TEKİN
35
