TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1
BÖLÜM 1
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ELEKTRİK AKIMI ELEKTRİK AKIMI NASIL OLUŞUR ? Bilindiği gibi metallerin atomlarındaki elektron sayıları metalin türüne göre değişir. İletken metallerin atomlarının son yörüngelerinde 4 'den az elektron bulunur. Atomlar bu elektronları 8 'e tamamlayamadıkları için serbest bırakırlar. Bu yüzden bir İletken maddede milyonlarca serbest elektron bulunur. Bu iletkenlere gerilim uygulandığında elektronlar negatif (-) 'den pozitif (+) yönüne doğru hareket etmeye başlar. Bu harekete "Elektrik Akımı" denir. Birimi ise "Amper" 'dir. İletkenin herhangi bir noktasından 1 saniyede 6.25*10^18 elektron geçmesi 1 Amperlik akıma eşittir. Akımlar "Doğru Akım" (DC) ve "Alternatif Akım" (AC) olarak ikiye ayrılır.
Doğru Akım (DC) : Doğru akımın kısa tanımı "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişmeyen akıma doğru akım denir." şeklindedir. Doğru akım genelde elektronik devrelerde kullanılır. En ideal doğru akım en sabit olanıdır. En sabit doğru akım kaynakları da pillerdir. Alternatif Akım (AC) : Alternatifin kelime anlamı "Değişken" dir. Alternatif akımın kısa tanımı ise "Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişen akıma alternatif akım denir." şeklindedir. Alternatif akım büyük elektrik devrelerinde ve yüksek güçlü elektrik motorlarında kullanılır. Evlerimizdeki elektrik alternatif akım sınıfına girer. Buzdolabı, çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, klima ve vantilatörler doğrudan alternatif akımla çalışırlar. Televizyon, müzik seti ve video gibi cihazlar ise bu alternatif akımı doğru akıma çevirerek kullanırlar.
2
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DOĞRU VE ALTERNATİF AKIMIN KARŞILAŞTIRILMASI Elektrik enerjisi, alternatif akım ve doğru akım olarak iki şekilde üretilir. Bugün kullanılan elektrik enerjisinin %90’ından fazlası alternatif akım olarak üretilmektedir. Bunun çeşitli nedenleri vardır. Bunları sıra ile inceleyelim. Elektrik enerjisinin uzak mesafelere ekonomik olarak iletilmesi için yüksek gerilimlere ihtiyaç vardır. Belirli bir güç, mesafe ve kayıp için iletim hattının kesiti, kullanılan gerilimin karesi ile ters orantılı olarak değişir. Doğru akımın elde edilmesinde kullanılan dinamolar (D.A. jeneratörü) yüksek gerilimli olarak yapılamazlar. Komütasyon zorluklarından dolayı, ancak 1500 volta kadar D.A üreten genaratörler yapılabilmiştir. Alternatif akım üreten alternatörlerden ise 230, 6300, 10500 ve 20000 volt gibi yüksek gerilimler elde edilebildiği gibi, transformatör denilen statik makinelerle bu gerilimleri 60 kV, 100 kV ve daha yüksek gerilimlere yükseltmek de mümkündür. Elektrik enerjisinin taşınması yüksek gerilimli alternatif akımlarla yapılır. Hattın sonundaki transformatörlerle bu yüksek gerilim, kullanma gerilimine dönüştürülür. Cıva buharlı redresörlerle yüksek gerilimli alternatif akımı, yüksek gerilimli doğru akıma çevirerek enerjiyi taşımak ve hattın sonuna inverterlerle düşük gerilimli alternatif akıma çevirmek mümkün olduğu halde, uygulamada fazla kullanılmamaktadır. Büyük güçlü ve yüksek devirli DA jeneratörleri komütasyon zorluklarından dolayı yapılamazlar. Alternatörler ise, büyük güçlü ve yüksek devirli olarak yapılabilirler. Böylece elde edilen enerjinin kilovat saat başına maliyeti ve işletme masrafları düşük olur. Alternatörler 200000 kVA, 400000 kVA gücünde yapılabilirler. Sanayide sabit hızlı yerlerde alternatif akım motoru (endüksiyon motoru), doğru akım motorundan daha verimli çalışır. Endüksiyon motoru, D.A. motorundan daha ucuz, daha sağlam olup, bakımı da kolaydır. D.A. motorunun tek üstünlüğü, devir sayısının düzgün olarak ayar edilebilmesidir. Doğru akımın tercih edildiği veya kullanılmasının gerekli olduğu yerler de vardır. Elektrikli taşıtlar, galvano teknik (maden kaplamacılığı) ve madenlerin elektrikle arıtılması tüm elektronik sistemler ve haberleşme sistemlerinde D.A kullanılır. Bu gibi yerlerde doğru akım genellikle, alternatif akımın D.A’a çevrilmesi ile elde edilir. 3
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ALTERNANS, PERİYOT, FREKANS Alternatif akımın üretilmesi mekanik jeneratörlerden elektronik olarak ise sinyal jeneratörlerinden elde edilebilir. Doğru akımda olduğu gibi alternatif akımında sembolü ve dalga şekli, şekil 1.5 de görüldüğü gibidir.
Şekil1.5 A.A sembolü ve dalga şekli Alternans: Alternatif akım şekil1.5 de görüldüğü gibi sıfırdan pozitif maksimum değere daha sonra sıfıra gelme durumuna pozitif alternans, sıfırdan eksi maksimum değere daha sonra tekrar sıfıra gelmesine negatif alternans denir. İki alternansının birleşmesi ile bir saykıl (cycle) oluşur. Alternatif gerilimi bir devreye bağlanırsa akımın akışı alternanslara göre değişir. Bu değişim şekil 1.6 da olduğu gibidir.
(a)
Pozitif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü
4
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
(b) Negatif alternans: devrede oluşturduğu akımın yönü Şekil1.6 Periyot: Bir saykılın oluşması için geçen süreye periyot denir. N S kutbu arasındaki bir iletken veya bobin 360° derece döndürüldüğünde indüklenen emk bir sinüs dalgalık değişime uğrar. Bobine iki devir yaptırıldığında indüklenen emk iki sinüs dalgası çizer. Bir periyot 360° dir. Periyot T harfi ile ifade edilir. Birimi ise saniyedir. Şekil1.7de sinüzoidal dalganın periyodu görülmektedir.
Şekil1.7 Sinüzoidal dalganın periyodu Frekans: Alternatif akım veya gerilimin bir saniyede oluşan periyot sayısına veya saykıl sayısına frekans denir. Frekans f harfi ila ifade edilir. Birimi saykıl/saniye, periyot/saniye veya Hertz’dir. Periyot ile frekans arasındaki ifade şu şekildedir.
Frekansın birimi olan hertz’in as katları mevcut değildir. Üst katları ise kiloherzt, megaherzt ve gigaherzt olarak sıralanabilir. Bu dönüşümler ise; 1Hz = 10-9 GHz 1Hz = 10-6 MHz
5
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1Hz = 10-3 kHz kendi aralarında biner biner büyür ve küçülür. Şekil1.10da düşük ve yüksek frekans görülmektedir. Dikkat edilirse (a) da bir saniyede iki saykıl oluşurken (b)de ise üç saykıl oluşmaktadır. Bu duruma göre de dalgaların frekansı değişmektedir. Türkiye de kullanılan alternatif gerilimin frekansı 50 Hz olduğu da bilinmelidir. Bu demektir ki sinüzoidal dalga bir saniyede elli kez oluşmaktadır.
(a)
(b) Şekil1.10
Örnek : Alternatif gerilimin bir periyodunun oluşması için geçen süre 10 ms ise bu gerilimin frekansı nedir? Çözüm : Alternatif gerilimin periyodu bilindiğine göre frekansla periyot arasındaki ilişki formülünden;
T=10 ms = 10.10-3 s
bulunur
PASİF DEVRE ELEMANLARI Elektronik düzenekleri anlayabilmek için temel elektronik devre elemanlarının yapı ve işlevlerinin bilinmesi gereklidir. Bu dersimizde temel elektronik devre elemanları ve elektronik düzenekler anlatılacaktır. Elektronik Devre Elemanları İki Gruba Ayrılır: 1) Pasif Devre Elemanları 2) Aktif Devre Elemanları Bunlarda kendi aralarında gruplara ayrılmaktadır..
6
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. PASİF DEVRE ELEMANLARI: • • •
Dirençler Kondansatörler Bobinler
2. AKTİF DEVRE ELEMANLARI: • • •
Diyotlar Transistörler Entegre devreler
Pasif devre elemanları, genel amaçlı elemanlardır. Hemen hemen her elektronik devrede bulunurlar. Bu nedenle, bu elemanların genel yönleriyle tanınmaları, amaca uygun olarak kullanılmaları bakımından yeterlidir. Aktif devre elemanları, ise özel amaçlı elemanlardır. Kullanılacak devrenin özelliğine göre, aktif devre elemanlarının özellikleri ve türleri de değişmektedir. DİRENÇLER Direnç kelimesi, genel anlamda, "bir güce karşı olan direnme" olarak tanımlana bilir" Elektrik ve elektronikte direnç, iki ucu arasına gerilim uygulanan bir maddenin akıma karşı gösterdiği direnme özelliğidir. Kısaca; elektrik akımına gösterilen zorluğa DİRENÇ denir. Direnç "R" veya "r" harfi ile gösterilir, birimi ohm (W) dur. Direnç Sembolleri: Sabit Dirençler
(Eski)
Ayarlı Dirençler
(Yeni)
(Eski)
7
(Yeni)
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.1- Dirençli bir devre Direncin devredeki rolü: Bir "E" gerilim kaynağına "R" direncinden, Şekil 1.1'de gösterilmiş olduğu gibi, bir " I " akımı akar. Bu üç değer arasında Ohm kanununa göre şu bağlantı vardır. E=I.R Birimleri: E: Volt I: Amper
R: Ohm (W)
Direnç Türleri: Dirençler iki gruba ayrılır: 1) Büyük güçlü dirençler 2) Küçük güçlü dirençler •
BÜYÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER:
2W üzerindeki dirençler büyük güçlü direnç grubuna girer. •
KÜÇÜK GÜÇLÜ DİRENÇLER:
Küçük güçlü dirençlerin sınıflandırılması: 1) 2) 3) 4)
Sabit Dirençler Ayarlı Dirençler Termistör (Terminstans) Foto Direnç (Fotorezistans)
Gerek büyük güçlü olsun, gerekse de küçük güçlü olsun, bütün dirençlerin belirli bir dayanma gücü vardır.
8
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bir Direncin Harcadığı Güç; 1) 2) 3) 4)
U: Dirençteki gerilim düşümü (Volt) R: Direncin değeri (Ohm) I: Geçen akım (Amper) P: Direncin gücü (Watt)
Direnç Üzerinde Harcanan Güç Üç Şekilde İfade Edilir: 1) Akım ve gerilim cinsinden: P=U.I 'dır 2) Akım ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): U=I.R 'dir. Bu "U" değeri P=U.I 'da yerine konulursa: P=I²R olur. 3) Gerilim ve direnç cinsinden; (ohm kanununa göre): I=U/R 'dir. Bu "I" değeri, P=U.I 'da yerine konursa, P=U²/R olur.
SABİT DİRENÇLER Yapısı ve çeşitleri: Sabit dirençler yapıldığı malzemenin cinsine göre üçe ayrılır: 1) Karbon dirençler 2) Telli dirençler 3) Film dirençler Film dirençler de ikiye ayrılır. 1) İnce film dirençler 2) Kalın film [Cermet "Sörmit" Okunur] dirençler KARBON DİREÇLER Karbon direncin yapısı: Karbon direnç; kömür tozu ile, reçine tozunun eritilmesi ile elde edilir. Karbon dirençler 1 Ohm 'dan başlayarak bir kaç mega Ohm 'a (MW) kadar üretilmektedir.
9
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Başlıca kullanım alanları: Bütün elektronik devrelerde en çok kullanılan direnç türüdür.
W --------
3
2
1
1/2 şekil (a)
1/4
1/4 Şekil (b)
Şekil 1.2- Değişik karbon dirençler a) Küçük güçlü direncin kesit görüntüsü b) Değişik güçteki dirençlerin 1/1 görüntüsü
10
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TELLİ DİREÇLER Telli dirençler gerek sabit direnç, gerekse de ayarlanabilen direnç olmak üzere, değişik güçlerde ve omajlar da üretilebilmektedir. Telli Direncin Yapısı: Telli dirençlerde, sıcaklıkla direnç değerinin değişmemesi ve dayanıklı olması için, Nikel-Krom, Nikel-Gümüş ve konstantan kullanılır. Telli dirençler genellikle seramik gövde üzerine iki katlı olarak sarılır. Üzeri neme ve darbeye karşı verniklidir. Yalnızca, Şekil 1.3(b)'de görüldüğü gibi ayarlı dirençte, bir hat boyunca tellerin üzeri kazınır. 10 Ohm ile 100 KOhm arasında 30 W 'a kadar üretilmektedir. Başlıca kullanım alanları: Telekominikasyon ve kontrol doğrultucularda kullanılır. Tellerin çift katlı sarılmasıyla endüksiyon etkisi kaldırılabildiğinden yüksek frekans devrelerinde tercih edilir. Küçük güçlülerde ısınmayla direnci değişmediğinden ölçü aletlerinin ayarında etalon (örnek) direnç kullanılır. Dezavantajları: Direnç telinin kopması, çok yer kaplaması ve büyük güçlü olanlarının ısınması gibi dezavantajları vardır.
11
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
FİLM DİRENÇLER Film kelimesi dilimize İngilizce 'den geçmiştir. Türkçe karşılığı zar ve şerit anlamına gelmektedir. Şekil 1.4 'ten anlaşıldığı gibi direnç şerit şeklinde yalıtkan bir gövde üzerine sarılmıştır. Bu durumu, bir fotoğraf filminin sarılışına benzetebiliriz.
Şekil 1.4 - Film direncin iç görünümü
İki tür film direnç vardır: 1) İnce film dirençler 2) Kalın film dirençler 1- İnce Film Dirençler: İnce film dirençler şu şekilde üretilmektedir. Cam veya seramik silindirik bir çubuk üzerine "Saf Karbon","Nikel - Karbon","Metal Cam tozu" karışımı "Metal oksit" gibi değişik direnç sprey şeklinde püskürtülür. Püskürtülen bu direnç maddesi, çok ince bir elmas uçla veya Lazer ışınıyla Şekil 1.4 'te görüldüğü gibi, belirli bir genişlikte, spiral şeklinde kesilerek şerit sargılar haline dönüştürülür. Şerit sargıdan biri çıkarılarak diğer sargının sarımları arası izole edilir. Şerit genişliği istenilen şekilde ayarlanarak istenilen direnç değeri elde edilir. 2- Kalın Film (Cermet) Dirençler: Kalın film dirençler, seramik ve metal tozları karıştırılarak yapılır. Seramik ve metal tozu karışımı bir yapıştırıcı ile hamur haline getirildikten sonra, seramik bir gövdeye şerit halinde yapıştırılır fırında yüksek sıcaklıkta pişirilir.
12
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yukarıda açıklanan yöntemle, hem sabit hem de ayarlı direnç yapılmaktadır. Başlıca kullanım alanları: Tablo 1.1 'de görüldüğü gibi, film dirençler toleransı en küçük olan dirençlerdir. Yani, istenilen değer tam tutturulabilmektedir. Bu nedenle hassas direnç gerektiren elektronik devreler için çok önemli bir dirençtir. Ayrıca maksimum akımda bile değeri pek değişmemektedir. Direnç tipi
İnce film dirençler
Karbon direnç
Karbon
Metal
Metal kalın film (cermet) direnç
Telli direnç
Büyüklüğü
10W-22MW
10W-2MW
10W-1MW
10W-68MW
0,25W-10KW
Toleransı
±%10
±%5
±%2
±%2
±%5
Maksimum gücü
250mW
250mW
500mW
500mW
2,5W
Yükteki değer değişimi
%10
%2
%1
%0,5
%1
Maksimum dayanma gerilimi
150V
200V
350V
250V
200V
Yalıtkanlık direnci
109W
10¹ºW
10¹ºW
10¹ºW
10¹ºW
Gerilim sabiti
2000ppm/V
100ppm/V
10ppm/V
10ppm/V
1ppm/V
-40°C
-55°C
-55°C
-55°C
+125°C
+150°C
+150°C
+185°C
-1200 ppm/°C
±250 ppm/°C
±100 ppm/°C
±200ppm/°C
1µV/V
0,1µV/V
0,1µV/V
0,01µV/V
%0,5
%0,15
%0,15
%0,05
Çalışabildiği -40°C sıcaklık aralığı +105°C Sıcaklık sabiti
±1200 ppm/°C 1 kW - 2µV/V,
Gürültüsü 10MW - 6µV/V Lehim etkisi %2
13
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NOT: 1) 1ppm = 10-6 Ohm başına değişim miktarı. 2) Sıcaklık sabiti "+" ppm: Isındıkça artan direnç 3) Sıcaklık sabiti "-" ppm: Isındıkça azalan direnç Örneğin; saf karbon direncin: Sıcaklık sabiti -1200ppm/°C olup sıcaklığın her 1 artışında, direnci Ohm başına, 1200ppm=1200*10-6 =0,0012 Ohm azalmaktadır. 4) Sıcaklık sabiti "±" ppm: ısındıkça artan, 0 ºC 'nin altında soğutulurken azalan direnç. Örneğin; Bakırın direnci -234 'ta sıfır olmaktadır. 5) Gerilim sabiti: Dirence uygulanan gerilimin büyüklüğü oranında, direnci yukarıda verilen değer kadar düşmektedir. Örneğin; 150 Ohm 'luk bir "karbon film dirence" 30V uygulandığında direnci 30*150*10-6=0,45 kadar düşecektir.
AYARLI SİRENÇLER Yapıları: Ayarlı dirençler, direnç değerinde duruma göre değişiklik yapılması veya istenilen bir değere ayarlanması gereken devrelerde kullanılırlar. Karbon, telli ve kalın film yapıda olanları vardır. Aşağıda çeşitlerini anlatırken yapıları da daha geniş olarak anlatacağım. çeşitleri: Ayarlı dirençler iki ana gruba ayrılır: 1) Reostalar 2) Potansiyometreler
REOSTALAR Reostalar, Şekil 1.6 'da verilmiş olan sembollerinden de anlaşıldığı gibi iki uçlu ayarlanabilen dirençlerdir. Bu iki uçtan birine bağlı olan kayıcı uç, direnç üzerinde gezdirilerek, direnç değeri değiştirilir.
14
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.6 - Reostanın değişik semboller ile gösteriliş Reostaların da karbon tipi ve telli tipleri vardır. Sürekli direnç değişimi yapan reostalar olduğu gibi, kademeli değişim yapan reostalarda vardır. Reostaların başlıca kullanım alanları: Laboratuarlarda etalon direnç olarak, yani direnç değerlerinin ayarlanmasında ve köprü metodunda direnç ölçümlerinde, değişken direnç gerektiren devre deneylerinde, örneğin diyot ve transistor karakteristik eğrileri çıkarılırken giriş, çıkış gerilim ve akımlarının değiştirilmesinde ve benzeri değişken direnç gerektiren pek çok işlemde kullanılır. POTANSİYOMETRELER Potansiyometreler şekil 1.8 'de görüldüğü gibi üç uçlu ayarlı orta uç, direnç üzerinde gezinebilir.
Tablo 1.8 - Potansiyometrenin gerilim bölücü olarak kullanılması Potansiyometreler, yine Şekil 1.8 'de belirtilmiş olduğu gibi direnç değerinin değiştirilmesi yoluyla gerilim bölme, diğer bir deyimle çıkış gerilimini ayarlama işlemini yapar. Potansiyometrelerin başlıca uygulama alanları Tablo 1.3 'de verilmiştir.
15
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Potansiyometre Çeşitleri: Potansiyometreler aşağıdaki üç grup altında toplanabilir. 1) Karbon Potansiyometreler 2) Telli Potansiyometreler 3) Vidalı Potansiyometreler 1. KARBON POTANSİYOMETRELER Karbon potansiyometreler, mil kumandalı veya bir kez ön ayar yapılıp, bırakılacak şekilde üretilmektedir. Ayar için tornavida kullanılır. Bu türdeki potansiyometreye "Trimmer potansiyometre" (Trimpot) denmektedir. Şekil 1.10 - Lineer ve logaritmik potansiyometrelerin karakteristik eğrileri A: Lineer potansiyometre çıkış gerilimindeki değişim B: Logaritmik potansiyometre çıkış gerilimindeki
Şekil 1.10 'da gösterilmiş olduğu gibi karbon potansiyometreler. Lineer (doğrusal) veya logaritmik (eğrisel) gerilim ayarı yapacak şekilde üretilir. Şeklin köşesinde karakteristik eğrileri çıkarılan potansiyometre görülmektedir. Yatay koordinat ekseni, potansiyometre fırçasının "a" ucuna göre dönüş açısını, gösteriyor. Düşey koordinat ekseni ise, a-s uçlarından alınan Vas geriliminin , a-e uçları arasındaki Vae gerilimine oranını (Vas/Vae) göstermektedir. Aynı şeyleri direnç değerleri üzerinde de söylemek mümkündür. Şekilde, noktalı olarak çizilmiş olan A doğrusu, lineer potansiyometreye, B eğrisi ise logaritmik potansiyometreye aittir.
16
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Potansiyometre fırçası "a" ucunda iken Vas çıkış gerilimi sıfır 'dır. Fırçanın 90° döndürülmüş olduğunu kabul edelim: • •
Potansiyometre lineer ise; Vas = 32/100*Vae = 0,32Vae olur. Potansiyometre logaritmik ise; Vas = 8/100*Vae = 0,08Vae olur.
Yükselteçlerde volüm kullanılması uygun olur.
ve
ton
kontrolünde
logaritmik
potansiyometrelerin
Dirençlerin hangi türden olduğunun anlaşılmasını sağlamak için, omaj değerinden sonra "lin" veya "log" kelimeleri yazılır. 2. TELLİ POTANSİYOMETRELER Telli potansiyometreler, bir yalıtkan çember üzerine sarılan teller ile bağlantı kuran fırça düzeninden oluşmaktadır.bu tür potansiyometrelerin üzeri genellikle açıktır. Tel olarak Nikel-Krom veya başka rezistans telleri kullanılır. 3. VİDALI POTANSİYOMETRELER Vidalı potansiyometrede, sonsuz vida ile oluşturulan direnci taramaktadır. Üzerinde hareket eden bir fırça, kalın film (Cermet) yöntemiyle oluşturulan direnci taramaktadır. Fırça potansiyometrenin orta ayağına bağlıdır. Böylece orta ayak üzerinden istenilen değerde ve çok hassas ayarlanabilen bir çıkış alınabilmektedir. Potansiyometrelerin başlıca kullanım alanları: Potansiyometreler elektronikte başlıca üç amaç için kullanılırlar; 1) Ön ayar için 2) Genel amaçlı kontrol için 3) İnce ayarlı kontrol için Bu üç kullanılma amacı için potansiyometreden beklenen özellikler. Tablo 1.4 'te özetlenmiştir. Ayrıca, Tablo 1.5 'te de yukarıda açıklanan üç potansiyometre türünün kıyaslanması yapılmıştır.
17
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 1.4. Potansiyometrelerin Kullanılma yerlerine göre özellikleri
Tipi
Uygulama örneği
Seçim Töleransı
Doğrusallık (Lineerite)
Kararlılık (Stabilite)
Ömrü boyunca ayar gereksinimi
Ön ayar
Darbe jenaratorun de darbe genişliği ayarı
±%20
Önemli değil
Yüksek ±%2
50 'den az
Genel amaçlı kontrol
Yükselteçte ses ve ton ayarı
±%20
±%10
Orta ±%10
10000
İnce ayarlı kontrol
Skoptaki genlik ayarı, haberleşmede frekans ayarı
±%20
±%0.5
Yüksek ±%0.5
50000
Tablo 1.5. Potansiyometrelerin kıyaslama tablosu Tipi
Türü
Değeri
Toleransı
Gücü (W)
Karbon pot. Lineer veya 100-10M (Trimmer) logaritmik
±%20
0.5-2
Telli pot.
Lineer
10-100K
±%5 ±%3
3
Vidalı pot.
Lineer
10-500K
±%10
1
Sıcaklık sabiti
700 ppm/°C 100 K ±%20 altında 1000 ppm/°C 100 K üstünde 100 ±%5 ppm/°C ±%2 50 ppm/°C 200 ppm/°C ±%5
DEĞİŞİK DİRENÇLER TERMİSTÖR (TERMİNSTANS) Termistörler ısınınca direnci değişen elemanlardır. Termistörler sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılırlar: 1) Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC) 2) Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC)
18
Kararlılık (Stablite)
Ömrü
20000 dönüş
20000 - 100000 arsı dönüş 500 kademe
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. PTC DİRENÇLER Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür. Metaller, özellikle de baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik kullanım alanları vardır. Örneğin: Röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin gecikmeli çekmesini sağlar. Florasan lambalarda da starter yerine PTC direnç kullanılabilmektedir. 2. NTC DİRENÇLER NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal oksitler gibi maddelerden üretilir. Şekil 1.13' de bir NTC termistöre ait karakteristik eğrileri verilmiştir.
Şekil 1.13- NTC Termistör karakteristik eğrileri
19
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
a) 40°C' ye kadar ısıtılan bir ortamdaki termistör b) eğişik sıcaklıklardaki Akım-gerilim (I,V) bağıntısı
direncindeki
değişim;
NTC Termistörünün kullanım alanları: NTC termistörlerin çok değişik kullanım alanları vardır. •
Motor ve transformatör gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilen NTC termistörün direnci fazla ısınmadan dolayı küçülen bir alarm ve koruma devresini harekete geçirir. Bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilen NTC direnci su seviyesi • düşünce, ısınarak pompa devresini çalıştırır. Bir motora seri bağlanan NTC direnç önce küçük akım çekerek güvenli yol • almasını sağlar. Röleye seri bağlanan NTC direnç rölenin gecikmeli çalışmasını sağlar. •
FOTOREZİSTANS Fotorezistansın çalışma prensibi NTC direncin çalışma prensibine yakındır. Fotorezistanslar, ışık etkisi altında kalınca direnci küçülen elemanlardır. En çok kullanılan fotorezistans maddesi kadmiyum sülfürdür. Kadmiyum sülfürden yapılmış olan bir fotorezistansın karanlıktaki direnci 10 MOhm olduğu halde, gün ışığında 1 KOhm' a düşmektedir.
20
BÖLÜM 2
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KONDANSATÖRLER Önbilgiler: Kondansatör, DC akımı geçirmeyip, AC akımı geçiren devre elemanıdır. Yapısı: Kondansatör şekil 1.6' da görüldüğü gibi, iki iletken plaka arasına yalıtkan bir maddenin yerleştirilmesi veya hiç bir yalıtkan kullanılmaksızın hava aralığı bırakılması ile oluşturulur. Kondansatörler yalıtkan maddenin cinsine göre adlandırılır. Kondansatörün sembolü: Değişik yapılı kondansatörlere göre, kondansatör sembollerinde bazı küçük değişiklikler vardır.
21
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Harf Olarak "C"
KONDANSATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ: Kondansatörün bir DC kaynağına bağlanması ve şarj edilmesi: Şekil 1.17(a)' da görüldüğü gibi kondansatör bir DC kaynağına bağlanırsa, devreden Şekil 1.17(b)' de görüldüğü gibi, geçici olarak ve gittikçe azalan Ic gibi bir akım akar. Ic akımının değişimini gösteren eğriye kondansatör zaman diyagramı denir. Akımın kesilmesinden sonra kondansatörün plakaları arasında, kaynağın Vk gerilimine eşit bir Vc gerilimi oluşur. Bu olaya, kondansatörün şarj edilmesi, kondansatöre de şarjlı kondansatör denir. "Şarj" kelimesinin Türkçe karşılığı "yükleme" yada "doldurma" dır.
Şekil 1.17- Kondansatörün DC kaynağına bağlanması a) Bağlantı devresi b) Zaman diyagramı c) Vc gerilim oluşumu
22
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kondansatör Devresinden Akım Nasıl Akmalıdır? Şekil 1.17(a)' daki devrede, S anahtarı kapatıldığında aynı anda kondansatör plakasındaki elektronlar, kaynağın pozitif kutbu tarafından çekilir, kaynağın negatif kutbundan çıkan elektronlar, kondansatöre doğru akmaya başlar. Bu akma işlemi, kondnsatörün plakası daha fazla elektron veremez hale gelinceye kadar devam eder. Bu elektron hareketinden dolayı devreden bir Ic akımı geçer. Ic akımının yönü elektron hareketinin tersi yönündedir. Devreden geçen Ic akımı, bir DC ampermetresi ile gözlenebilir. S anahtarı kapanınca ampermetre ibresi önce büyük bir sapma gösterir. Sonra da, ibre yavaş yavaş sıfıra gelir. Bu durum devreden herhangi bir akım geçmediğini gösterir. Ic akımına şarj akımı denir. Devre akımının kesilmesinden sonra yukarıda da belirtildiği gibi kondansatör plakaları arasında Vc=Vk oluşur. Vc gerilimine şarj gerilimi denir. Vc geriliminin kontrolü bir DC voltmetre ile de yapılabilir. Voltmetrenin "+" ucu, kondansatörün, kaynağın pozitif kutbuna bağlı olan plakasına, "-" ucu da diğer plakaya dokundurulursa Vc değerinin kaç volt olduğu okunabilir. Eğer voltmetrenin uçları yukarıda anlatılanın tersi yönde bağlanırsa voltmetrenin ibresi ters yönde sapar.
KONDANSATÖRDE YÜK, ENERJİ VE KAPASİTE Şarj işlemi sonunda kondansatör, Q elektrik yüküyle yüklenmiş olur ve bir Ec enerjisi kazanır. Kondansatörün yüklenebilme özelliğine kapasite (sığa) denir. C ile gösterilir. Q, Ec, C ve uygulanan V gerilimi arsında şu bağlantı vardır. Q=C.V 1) 2) 3) 4)
Ec=CV2/2
Q: Coulomb (kulomb) V: Volt C: Farad (F) Ec: Joule (Jul)
23
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, C kapasitesi ve uygulanan V gerilimi ne kadar büyük ise Q elektrik yükü ve buna bağlı olarak devreden akan Ic akımı da o kadar büyük olur. Kondansatörün kapasite formülü:
0: (Epsilon 0): Boşluğun dielektrik katsayısı ( 0=8.854.1012) r: (Epsilon r): Plakalar arsında kullanılan yalıtkan maddenin İZAFİ1 dielektrik (yalıtkanlık) sabiti.(Tablo 1.6) 1) A: Plaka alanı 2) d: Plakalar arası uzaklık A ve d değerleri METRİK sistemde (MKS) ifade edilirse, yani, "A" alanı (m) ve "d" uzaklığı, metre (m2) cinsinden yazılırsa, C' nin değeri FARAD olarak çıkar. Örneğin: Kare şeklindeki plakasının her bir kenarı 3 cm ve plakalar arası 2 mm olan, hava aralıklı kondansatörün kapasitesini hesaplayalım. A ve d değerleri MKS' de şöyle yazılacaktır: A=0,03*0,03=0,0009m2 = 9.10-4 m2 d=2mm=2.10-3m
0 = 8,854.10-12
Hava için r=1 olup, değerler yerlerine konulursa: C=8,854.10-12.4,5.10-1=39,843.10-13
F=3,9PF (Piko Farad)1 olur.
NOT: 1
İZAFİ kelimesi, yalıtkan maddenin yalıtkanlık özelliğinin boşluğunkinden olan farkını göstermesi nedeniyle kullanılmaktadır. İzafinin, öz türkçesi, "göreceli" dir.
24
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 1.6. Bazı yalıtkan maddelerin r sabitleri
CİNSİ
İzafi Yalıtkanlı k Katsayısı ( r)
CİNSİ
İzafi Yalıtkanlı k Katsayısı ( r)
Hava
1
Mika
5-7
Lastik
2-3
Porselen
6-7
Kağıt
2-3
Bakalit
4-6
Seramik
3-7
Cam
4-7
AC DEVREDE KONDANSATÖR: Yukarıda DC devrede açıklanan akım olayı, AC devrede iki yönlü olarak tekrarlanır. Dolayısıyla da, AC devredeki kondansatör, akım akışına karşı bir engel teşkil etmemektedir. Ancak bir direnç gösterir. Kondansatörün gösterdiği dirence kapasitif reaktans denir. Kapasitif reaktans, Xc ile gösterilir. Birimi Ohm(W) dur. 'Ohm olarak hesaplanır. 1) Xc = Kapasitif reaktans (W) 2) = Açısal hız (Omega) 3) f = Frekans (Hz) 4) C = Kapasite (Farad) Yukarıdaki bağlantıdan da anlaşıldığı gibi, kondansatörün Xc kapasitif reaktansı; C kapasitesi ve f frekansı ile ters orantılıdır. Yani kondansatörün kapasitesi ve çalışma frekansı arttıkça kapasitif reaktansı, diğer bir deyimle direnci azalır.
25
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
SABİT KONDANSATÖR: Sabit kondansatörler kapasitif değeri değişmeyen kondansatörlerdir. Yapısı ve Çeşitleri: Kondansatörler, yalıtkan maddesine göre adlandırılmaktadırlar. Sabit kondansatörler aşağıdaki gibi gruplandırılır: 1) 2) 3) 4) 5)
Kağıtlı Kondansatör Plastik Film Kondansatör Mikalı Kondansatör Seramik Kondansatör Elektrolitik Kondansatör
KAĞITLI KONDANSATÖR Kondansatörlerin kapasitesini arttırmak için levha yüzeylerinin büyük ve levhalar arasında bulunan yalıtkan madde kalınlığının az olması gerekir. Bu şartları gerçekleştirirken de kondansatörün boyutunun mümkün olduğunca küçük olması istenir.
Bu bakımdan en uygun kondansatörler kağıtlı kondansatörlerdir. Çok yaygın bir kullanım alanı vardır. Şekil 1.18 'de görüldüğü gibi bir kağıt, bir folyo ve yine bir kağıt bir folyo gelecek şekilde üst üste konur. Sonra da bu şerit grubu silindir şeklinde sarılır. Bağlantı uçları (elektrotlar) yine şekil 1.18 'de görüldüğü gibi, aliminyum folyolara lehimlenir. Oluşturulan silindir, izole edilmiş olan metal bir gövdeye konarak ağzı mumla kapatılır. Yada üzeri reçine veya lak ile kaplanır. Şekil 1.22 'de kağıtlı kondansatörlerin dış görüntüleri verilmiştir.
26
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.18 - Kağıtlı kondansatör
PLASTİK FİLM KONDANSATÖR Plastik film kondansatörlerde kağıt yerine plastik bir madde kullanılmaktadır. Bu plastik maddeler: Polistren, poliyester, polipropilen olabilmektedir. Hassas kapasiteli olarak üretimi yapılabilmektedir. Yaygın olarak filtre devrelerin de kullanılır. Üretim şekli kağıt kondansatörlerin aynısıdır.
27
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
MİKALIK KONDANSATÖR Mika, " r" yalıtkanlık sabiti çok yüksek olan ve çok az kayıplı bir elemandır. Bu özelliklerinden dolayı da, yüksek frekans devrelerinde kullanılmaya uygundur. Mika tabiatta 0.025 mm 'ye kadar ince tabakalar halinde bulunur. Kondansatör üretiminde de bu mikalardan yararlanılır. İki tür mikalı kondansatör vardır: 1) Gümüş kapalnmış mikalı kondansatör. 2) Aliminyum folyolu kaplanmış mikalı kondansatör.
GÜMÜŞ KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR Bu tür kondansatörlerde mikanın iki yüzüne gümüş üskürtülmektedir. Oluşturulan kondansatöre dış bağlantı elektrotları lehimlenerek mum veya reçine gövde içerisine yerleştirilir.
ALÜMİNYUM FOLYO KAPLANMIŞ MİKALIK KONDANSATÖR Gümüş kaplama çok ince olduğundan, bu şekilde üretilen kondansatör büyük akımlara dayanamamaktadır. Büyük akımlı devreler için, mika üzerine alüminyum folyo kaplanan kondansatörler üretilmektedir. Mikalı kondansatör ayarlı (trimmer) olarak ta üretilmektedir.
SERAMİK KONDANSATÖR Seramiğin yalıtkanlık sabiti çok büyüktür. Bu nedenle, küçük hacimli büyük kapasiteli seramik kodansatörler üretilebilmektedir. Ancak, seramik kondansatörlerin kapasitesi, sıcaklık, frekans ve gerilim ile %20 'ye kadar değiştiğinden, sabit kapasite gerektiren çalışmalarda kullanılamaz. Fakat, frekens hassasiyetinin önemli olmadığı kuplaj, dekuplaj (by-pass) kondansatörü olarak ve sıcak ortamlarda kullanılmaya uygundur.
28
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ELEKTROLİTİK KONDANSATÖR Elektrolitik kondansatörler büyük kapasiteli kondansatörlerdir. Yaygın bir kullanım alananı vardır. Özellikle, doğrultucu filtre devrelerinde, gerili
29
BÖLÜM 3
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BOBİNLER SABİT BOBİNLER VE YAPILARI Bobin bir yalıtkan makara (mandren veya karkas) üzerine belirli sayıdaki sarılmış tel grubudur. Kullanım yerine göre, makara içerisi boş kalırsa havalı bobin, demir bir göbek (nüve) geçirilirse nüveli bobin dı verilir. Bobinin her bir sarımına spir denir. Şekil 1.28' de bobin sembolleri verilmiştir. Aşağıdaki üst sırada bulunan semboller eski alt sırada bulunan semboller yeni gösterilim şeklidir.
Şekil 1.27 - Değişik Bobin Sembolleri
BOBİNDEKİ ELEKTRİKSEL OLAYLAR Bilindiği gibi bir iletkenden akım geçirildiğinde, iletken etrafında bir magnetik alan oluşur. Bu alan kağıt üzerinde daireler şeklindeki kuvvet çizgileri ile sembolize edilir. Bir bobinden AC akım geçirildiğinde, Şekil 1.29' da görüldüğü gibi bobin sargılarını çevreleyen bir magnetik alan oluşur. Akım büyüyüp küçülüşüne ve yön değiştirmesine bağlı olarak bobinden geçen kuvvet çizgileri çoğalıp azalır ve yön değiştirir. Bobine bir DC gerilim uygulanırsa, magnetik alan meydana gelmeyip bobin devrede bir direnç özelliği gösterir.
30
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.29 - içinden akım geçen bobindeki Magnetik alan kuvvet çizgileri
ZIT ELEKTRO MOTOR KUVVETİ (EMK) Bobin içerisindeki kuvvet çizgilerinin değişimi, bobinde zıt elektromotor kuvvet (zıt EMK Ez) adı verilen bir gerilim endükler. Bu gerilimin yönü Şekil 1.30 'da gösterilmiş olduğu gibi kaynak gerilimine ters yöndedir. Dolayısıyla da zıt EMK, bobinden, kaynak geriliminin oluşturduğu akıma ters yönde bir akım akıtmaya çalışır. Bu nedenledir ki, kaynak geriliminin oluşturduğu "I" devre akımı, ancak T/4 periyot zamanı kadar geç akmaya başlar. Zıt EMK 'nın işlevi, LENZ kanunu ile şöyle tanımlanmıştır. LENZ kanununa göre zıt EMK, büyümekte olan devre akımını küçültücü, küçülmekte olan devre akımını ise büyültücü yönde etki yapar.
ENDİKTİF REAKTANS (X) Bobinin, içinden geçen AC akıma karşı gösterdiği dirence endüktif reaktans denir. Endüktif reaktans XL ile gösterilir. Birimi "Ohm" dur. Şöyle ifade edilir:
: Açısal hız f: Uygulana AC gerilimin frekansı birimi, Herzt (Hz) 'dir. L: Bobinin endüktansı olup birimi, Henry (H) 'dir.
31
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 1.30. Zıt EMK 'nın etkisi a) AC kaynak geriliminin pozitif alternansındaki devre akımı.
b) Kaynak gerilimi (v), devre akımı (i) ve zıt EMK (Ez) arasındaki bağıntı "L" nin değeri bobinin yapısına bağlıdır. Bobinin sarım sayısı ve kesit alanı ne kadar büyük olursa, "L" o kadar büyük olur. Dolayısıyla AC akıma gösterdiği dirençte o oranda büyür. "L" nin birimi yukarıda da belirtildiği gibi Henry (H) 'dir. Ancak genellikle değerler çok küçük olduğundan "Henry" olarak yazımda çok küsürlü sayı çıkar. Bunun için miliHenry (mH) ve mikrohenry (µH) değerleri kullanılır. Henry, miliHenry ve mikroHenry arasında şu bağıntı vardır.
32
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KARŞILIKLI ENDÜKTANS (M) Aynı nüve üzerine sarılı iki bobinin birinden akım geçirildiğinde, bunun nüvede oluşturduğu kuvvet çizgileri diğer sargıyı da etkileyerek, bu sargının iki ucu arasında bir gerilim oluşturur. Bu gerilime endüksiyon gerilimi denir. Bu şekilde iletişim, karşılıklı (ortak) endüktans denen belirli bir değere göre olmaktadır. Karşılıklı endüktans (M) ile gösterilir ve şu şekilde ifade edilir: M=
L1 ve L2, iki bobinin self endüktansıdır.
M 'in birimi de Henry(H) 'dir. Şöyle tanımlanır: Aynı nüve üzerindeki iki bobinin birincisinden geçen 1 amperlik AC akım 1 saniyede, ikinci bobinde 1V 'luk bir gerilim endükliyorsa iki bobin arasındaki karşılıklı endüktans M=1 Henry 'dir. Bobinler seri bağlanırsa toplam endüktans: L=L1+L2+L3+.......... Aynı nüve üzerindeki iki bobin seri bağlanırsa: L=L1+L2±2M olur. Şekil 1.31 'de değişik bobin görüntüleri verilmiştir.
BOBİNİN KULLANIM ALANLARI Bobinin elektrik ve elektronikte yaygın bir kullanım alanı vardır. Bunlar kullanım alanlarına göre şöyle sıralanabilir. Elektrikte: • • • •
Doğrultucular da şok bobini Transformatör Isıtıcı v.b. Elektromıknatıs (zil, elektromagnetik vinç)
33
olur.
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Elektronikte: • • • • •
Osilatör Radyolarda ferrit anten elemanı (Uzun, orta, kısa dalga bobini) Telekomünikasyonda frekans ayarı (ayarlı göbekli bobin) Telekomünikasyonda röle Yüksek frekans devrelerinde (havalı bobin)
Özellikle de radyo alıcı ve vericilerinde de anten ile bağlantıda değişik frekansların (U.D,O.D,KD) alımı ve gönderiminde aynı ferrit nüveyi kullanan değişik bobinler ve bunlara paralel bağlı kondansatörlerden yararlanır. a) Ayarlı hava nüveli bobin b) Ayarlı demir nüveli bobin c) Ayarlı ferrit nüveli bobin d) Sabit hava nüveli bobinler e) Demir çekirdekli bobin f) Şiltli ses frekansı şok bobini g) Güç kaynağı şok bobini h) Toroid i) Şiltli, yüksek endüktanslı şok bobini
Konular: 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6
Atomik Yapı Yarıiletken, İletken ve Yalıtkan Kovelant Band Yarıiletkenlerde iletim N ve P tipi Madde PN Bitişimi ve Diyot
Elektronik devre tasarımı ve elektronik cihazların üretiminde kullanılan diyotlar, transistörler, gelişmiş entegre devreler (Ic’s) yarı iletken materyallerden yapılmıştır. Diyot, transistör, tümdevre (entegre) v.b adlarla tanımlanan elektronik devre elemanlarının bir çoğu şekil-1.1’de resimlenmiştir. Elektronik sistemlerde bu gibi cihazlar özel şekillerde birbirlerine bağlandıklarında sahip oldukları karakteristikleri tam anlamıyla yerine getirirler. Sonraki bölümlerde, çeşitli cihazların olası sistem uygulamalarında kullanılışını öğreneceksiniz. Elektronik cihazların nasıl çalıştığını anlamak için atomik teorinin temel bilgisine ve yarı iletken materyallerinin yapısı hakkında bilgiye ihtiyaç duyarsınız ki; iki çeşit yarı iletken materyalin birleşiminden oluşan PN birleşimi bu birleşimle ortaya çıkan bir çok yarı iletken cihazın çalışmasına temel oluşturur.
34
TEMEL ELEKTRONİK
1.1
Kaya
ATOMİK YAPI Tüm maddeler atomlardan oluşur. Atomlar ise; elektronlar, protonlar ve nötronlardan meydana gelir. Yarıiletken maddelerin nasıl çalıştığını anlamak için atomlar hakkında bilgiye ihtiyaç duyarsınız. Bu bölümde; atomlar, elektron yörüngeleri ve kabuklar, saçak elektronları, iyonlar ve iki büyük yarı iletken materyal olan silisyum ve germanyum elementinin temel yapısı hakkında bilgi edineceksiniz. Germanyum ve silisyum elementleri oldukça önemlidir. Çünkü elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılan temel yarıiletken materyallerdir. Yarıiletken materyaller elektrik akımı ve geriliminin iletilmesi ve kontrol edilmesinde oldukça etkin rol oynarlar.
Yeryüzünde bilinen 109 element vardır. Bir elementin özelliklerini belirleyen en küçük yapıtaşı ise atomlardır. Bilinen bütün elementlerin atomik yapıları birbirinden farklıdır. Atomların birleşmesi elementleri meydana getirir. Klasik bohr modeline göre atom, şekil-1.2’de gösterildiği gibi 3 temel parçacıktan oluşur. Bunlar; elektron, proton ve nötron’dur. Atomik yapıda; nötron ve protonlar merkezdeki çekirdeği oluşturur. Elektronlar ise çekirdek etrafında sabit bir yörüngede dolaşırlar.
Şekil 1-1 : Bohr modeline göre atom. Elektronlar, negatif yükün temel nesneleridirler. Bilinen bütün elementleri bir birinden ayıran temel özellik, atomlarında bulunan proton ve nötron sayılarıdır. Her bir atomun, proton ve nötron sayıları faklıdır. Örneğin, en basit yapıya sahip atom, hidrojen atomudur. Hidrojen atomu; şekil-1.2.a’da gösterildiği gibi bir proton ve bir elektrona sahiptir. Şekil-1.2.b’de gösterilen helyum atomunun yörüngesinde iki elektron, çekirdeğinde ise iki proton ve iki nötron bulunmaktadır.
35
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Çekirdek yörüngesinde 1 elekton
Çekirdek yörüngesinde 2 elekton
-
+
+
+
2 Protonlu ve 2 Nötronlu çekirdek
1 Protonlu çekirdek
b) Helyum Atomu
a) Hidrojen Atomu
Şekil- 1.2 Hidrojen ve Helyum atomları
Atom Numarası ve Ağırlığı Bütün elementler atom numaralarına uygun olarak periyodik tabloda belirli bir düzen içinde dizilmişlerdir. Proton sayıları ile elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötral) atomlardır. Elementler, atom ağırlığına göre de belirli bir düzen içindedirler. Atom ağırlığı yaklaşık olarak çekirdekteki proton sayıları ile nötron sayılarının toplamı kadardır. Örneğin hidrojenin atom numarası 1’dir ve atom ağırlığı da 1’dir. Helyumun atom numarası 2’dir ve atom ağırlığı ise 4’ tür. Normal veya tarafsız durumda verilen her hangi bir elementin bütün atomlarındaki; elektron ve proton sayıları eşittir. Elektron Kabukları ve Yörüngeler Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıktadır. Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki elektronlardan daha az enerjiye sahiptir. Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerdeki elektronlar belirli enerji seviyelerine uyar. Atomda, enerji bantları şeklinde gruplaşmış yörüngeler “kabuk (shell)” olarak bilinirler. Verilen her bir atom, sabit kabuk sayısına sahiptir. Kabuklarda barınan elektronlar ise belirli bir sistem dahilinde dizilirler. Her bir kabuk, izin verilen sayıda maksimum elektron barındırır. Bu elektronların enerji seviyeleri değişmez. Kabuk içindeki elektronların enerji seviyeleri bir birinden azda olsa küçük farklılıklar gösterir. Fakat; kabuklar arasındaki enerji seviyelerinin farkı çok daha büyüktür. Çekirdek etrafında belirli bir yörüngeyi oluşturan kabuklar, k-l-m-n olarak gösterilirler. Çekirdeğe en yakın olan kabuk k ‘dır. k ve l kabukları şekil-1.4 ‘de gösterilmiştir.
36
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
enerji seviyesi
Bu elektron en yüksek enerjiye sahiptir.
W6 2. Kabuk k
1. Kabuk l
W5 W4 W3
W2 W1
Çekirdek W= Enerji r = Çekirdekten uzaklık
Bu elektron en düşük enerjiye sahiptir.
Şekil- 1.3 Çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri. Valans Elektronları Elektronlar çekirdekten uzaktadır ve çekirdekten ayrılma eğilimindedir. Çekirdek elektronun bu ayrılma eğilimini dengeleyecek güçtedir. Çünkü elektron negatif yüklü, çekirdek pozitif yüklüdür. Çekirdekten uzakta olan elektronun negatif yükü daha fazladır. Bu durum merkezden kaçma kuvvetini dengelemektedir. Bir atomun en dıştaki kabuğu, en yüksek enerji seviyeli elektronlara sahiptir. Bu durum onu atomdan ayrılmaya daha eğilimli hale getirir. Valans (değer) (atomun değerini ayarlayan elektronlar) elektronları kimyasal reaksiyona ve malzemenin yapısına katkı sağlar. Bir atomun en dış kabuğundaki elektronlar, çekirdek etrafında simetrik olarak hareket ederler ve kendi aralarında bir bağ oluştururlar. Bu bağa “kovelant bağ” denir. Atomun en dış kabuğundaki elektronlara ise “valans elektron” adı verilir. Komşu atomların en dış kabuklarındaki elektronlar (valans elektronlar) kendi aralarında valans çiftleri oluştururlar.
37
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
İyonizasyon Bir atom ısı kaynağından veya ışıktan enerjilendiği zaman elektronlarının enerji seviyeleri yükselir. Elektronlar enerji kazandığında çekirdekten daha uzak bir yörüngeye yerleşir. Böylece Valans elektronları daha fazla enerji kazanır ve atomdan uzaklaşma eğilimi artar. Atomun bu enerji eğilimi sonucu elektronlar daha yüksek yörüngelere atlarlar. (Dışarıdan enerji uygulandığı zaman) Bir valans elektronu yeterli miktarda bir enerji kazandığında ancak bir üst kabuğa çıkabilir ve atomun etkisinden kurtulabilir. Pozitif şarjın aşırı artması ile (protonları elektronlardan daha fazla olması) atomu bir önceki nötr değere getirmek için valans elektronları harekete geçer. Valans elektronunu kaybetme işlemi “İYONİZASYON” olarak bilinir ve atom pozitif şarj ile yüklenmiş olur ve pozitif iyon olarak adlandırılır. Örneğin; hidrojenin kimyasal sembolü H’dır. Hidrojenin Valans elektronları kaybedildiğinde ve pozitif iyon adını aldığında H+ olarak gösterilir. Atomdan kaçan Valans elektronları “serbest elektron” olarak adlandırılır. Serbest elektronlar, nötr hidrojen atomunun en dış kabuğuna doğru akar. Atom negatif yük ile yüklendiğinde (şarj edildiğinde) (elektronların, prontonlardan fazla olması) negatif iyon diye adlandırılırlar ve H- olarak gösterilirler.
1.2
YARIİLETKEN, İLETKEN VE YALITKAN Büyün materyaller; elektrik enerjisine gösterdikleri tepkiye bağlı olarak başlıca 3 gruba ayrılırlar. Bu guruplar; iletken, yalıtkan ve yarıiletken olarak tanımlanır.Bu bölümde; özellikle yarıiletken maddelerin temel yapısını inceleyerek, iletken ve yalıtkan maddelerle aralarındaki farkları ortaya koymaya çalışacağız.
Tüm materyaller atomlardan oluşur. Materyallerin atomik yapısı, materyalin elektrik enerjisine karşı gösterecekleri tepkiyi belirlerler. Genel bir atomik yapı; merkezde bir çekirdek ve çekirdeği çevreleyen yörüngelerden oluşmaktadır. Materyalin iletken veya yalıtkan olmasında atomik yörüngede bulunan elektron sayısı çok önemlidir. İletken Elektrik akımının iletilmesine kolaylık gösteren materyallere iletken denir. İyi bir iletken özelliği gösteren materyallere örnek olarak, bakır, gümüş, altın ve aliminyumu sayabiliriz. Bu materyallerin ortak özelliği tek bir valans elektronuna sahip olmalarıdır. Dolayısı ile bu elektronlarını kolaylıkla kaybedebilirler. Bu tür elementler; 1 veya birkaç valans elektrona sahiptirler.
38
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yalıtkan Normal koşullar altında elektrik akımına zorluk gösterip, iletmeyen materyallere yalıtkan denir. Yalıtkan maddeler son yörüngelerinde 6 ile 8 arasında valans elektron barındırırlar. Serbest elektron bulundurmazlar. Yarıiletken Yarıiletken maddeler; elektrik akımına karşı, ne iyi bir iletken nede iyi bir yalıtkan özelliği gösterirler. Elektronik endüstrisinin temelini oluşturan yarıiletken maddelere örnek olarak; silisyum (si), germanyum (ge) ve karbon (ca) elementlerini verebiliriz. Bu elementler son yörüngelerinde 4 adet valans elektron bulundururlar. Enerji Bandı Maddelerin iletken, yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılmasında enerji bandları oldukça etkindir. Yalıtkan, yarıiletken ve iletken maddelerin enerji bandları şekil-1.4’de verilmiştir. Enerji bandı bir yalıtkanda çok geniştir ve çok az sayıda serbest elektron içerir. Dolayısıyla serbest elektronlar, iletkenlik bandına atlayamazlar. Bir iletkende ise; valans bandı ile iletkenlik bandı birbirine girmiştir. Dolayısıyla harici bir enerji uygulanmaksızın valans elektronların çoğu iletkenlik bandına atlayabilir. Şekil-1.4 dikkatlice incelendiğinde yarıiletken bir maddenin enerji aralığı; yalıtkana göre daha dar, iletkene göre daha geniştir. Enerji
Enerji
Enerji
İletim Bandı İletim Bandı Enerji Aralığı
Valans Band
Enerji Aralığı
İletim Bandı
Valans Band
Valans Band
0
0
a) Yalıtkan
0
a) Yarıiletken
a) İletken
Şekil-1.4 Üç farklı Materyal için enerji diyagramı Silisyum ve Germanyum Diyot, transistör, tümdevre v.b elektronik devre elemanlarının üretiminde iki tip yarı iletken malzeme kullanır. Bunlar; SİLİSYUM ve GERMANYUM elementleridir. Bu elementlerin atomlarının her ikisi de 4 Valans elektronuna sahiptir. Bunların birbirinden farkı; Silisyumun çekirdeğinde 14 proton, germanyumun çekirdeğinde 32 proton vardır. Şekil-1.5‘de her iki malzemenin atomik yapısı görülmektedir. Silisyum bu iki malzemenin en çok kullanılanıdır.
39
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
En dış yörüngede 4 valans elektronu bulunur.
+32 +14
a) Silikon Atomu
b) Germanyum Atomu
Şekil-1.4 Silisyum ve germanyum atomları. Kovelant Bağ Katı materyaller, kristal bir yapı oluştururlar. Slikon, kristallerden oluşmuş bir materyaldir. Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağ denilen bağlarla bağlanırlar. Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşim oluşturması sonucu meydana gelir. Her silisyum atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronlarını kullanarak bir yapı oluşturur. Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılığı sağlar. Her bir silisyum atomunun valans elektronu, komşu silisyum atomunun valans elektronu ile paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur. Bu durum; bir atomun diğer atom tarafından tutulmasını sağlar. Böylece paylaşılan her elektron birbirine çok yakın elektronların bir arada bulunmasını ve birbirlerini eşit miktarda çekmesini sağlar. Şekil-1.5 saaf silisyum kristallerinin kovalent bağlarını göstermektedir. Germanyumun kovalent bağıda benzerdir. Onunda sadece dört valans elektronu vardır. -
-
Si
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
Valans Elektronlar
Kovelant Bağlar
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
Şekil-1.5 Saf silisyum kristalin kovalent bağları.
40
TEMEL ELEKTRONİK
1.3
Kaya
YARIİLETKENLERDE İLETKENLİK Bu bölümde enerji bantları içerisinde elektronların nasıl yönlendiğini göreceksiniz. Çekirdeğin etrafındaki kabuklar enerji bantları ile uyumludur. Enerji bantları birbirlerine çok yakın kabuklarla ayrılmıştır. Aralarında ise elektron bulunmaz. Bu durum şekil-1.6‘da silisyum kristalinde (dışarıdan ısı enerjisi uygulanmaksızın) gösterilmiştir. Enerji
İletim Bandı
Enerji Aralıkları
Valans Band
Enerji Aralıkları
2. Band (l kabuğu)
Enerji Aralıkları
1. Band (k kabuğu)
Çekirdek 0
Şekil-1.6 Durgun silisyum kristalinin enerji band diyagramı. Elektronlar ve Boşluklarda iletkenlik Saf bir silisyum kristali oda sıcaklığında bazı tepkimelere maruz kalır. Örneğin; bazı valans elektronlar enerji aralıklarından geçerek, valans bandından iletkenlik bandına atlarlar. Bunlara serbest elektron veya iletkenlik elektronları denir. Bu durum şekil1.7.(a)‘da enerji diyagramında, şekil-1.7.(b)‘de ise bağ diyagramında gösterilmiştir. Bir elektron; valans bandından iletkenlik bandına atladığında, valans bandında boşluklar kalacaktır. Bu boşluklara “delik=boşluk” veya “hole” denir. Isı veya ışık enerjisi yardımıyla iletkenlik bandına çıkan her elektron, valans bandında bir delik oluşturur. Bu durum, elektron boşluk çifti diye adlandırılır. İletkenlik bandındaki elektronlar enerjilerini kaybedip, valans bandındaki boşluğa geri düştüklerinde her şey yine eski haline döner. Özetle; saf silisyumunun iletkenlik bandındaki elektronların bir kısmı oda sıcaklığında hareketli hale geçer. Bu hareket, malzemenin herhangi bir yerine doğru rasgeledir. Böylece valans bandındaki boşluk sayısına eşit miktarda elektron, iletkenlik bandına atlar.
41
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Serbest Elektron
Enerji
Si
Serbest Elektron
İletim Bandı
Isı Enerjisi
Enerji Aralıkları
Delik
Si Valans Band
Delik
Isı Enerjisi
b) Bağ Diyagramı
a) Enerji Diyagramı
Şekil-1.7.a ve b. Hareketli bir silisyum atomunda bir elektron boşluğunun oluşturulması.
Silisyuma karşı Germanyum Germanyum kristallerinin durumu silisyuma benzer. Çünkü atomik yapıları da aynıdır. Saf germanyum, silisyumdan daha fazla serbest elektrona sahiptir ve daha yüksek bir iletkenliğe sahiptir. Bununla birlikte silisyum daha çok kullanılan bir malzeme olup germanyumdan daha geniş bir alanda kullanılır. Bunun bir sebebi de silisyum germanyumdan daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmesidir. Elektron ve Delik (hole) akımı Saf silisyumun bir kısmına gerilim uygulandığında neler olduğu şekil-1.8‘de gösterilmektedir. Şekilde iletkenlik bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca doğru gittikleri görülmektedir. Bu; serbest elektronların hareketinin oluştuğu akımın bir türüdür. Buna elektron akımı denir. Akımı oluşturan bir diğer tip ise valans devresindeki değişimlerdir. Bu ise; serbest elektronlar neticesinde boşlukların oluşması ile meydana gelir. Valans bandında kalan diğer elektronlar ise hala diğer atomlara bağlı olup serbest değillerdir. Kristal yapı içerisinde rasgele hareket etmezler. Bununla birlikte bir valans elektronu komşu boşluğa taşınabilir. (enerji seviyesindeki çok küçük bir değişimle). Böylece bir boşluktan diğerine hareket edebilir. Sonuç olarak kristal yapı içerisindeki boşluklarda bir yerden diğer yere hareket edecektir. Bu durum şekil-1-9‘da gösterilmiştir. Boşlukların bu hareketi de ”akım” diye adlandırılır.
1.4
N-TİPİ VE P-TİPİ YARI İLETKENLER Yarıiletken malzemeler, akımı iyi iletmezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve ilettim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. Saf silisyum veya germanyum’un mutlaka serbest elektron veya boşluk sayısı artırılarak iletkenliği ayarlanmalıdır. İletkenliği ayarlanabilen silisyum veya germanyum, elektronik devre elemanlarının yapımında kullanılır. Germanyum veya silisyumun iletkenliği ise ancak saf malzemeye katkı maddesi eklenmesi ile sağlanır. Katkı maddesi eklenerek oluşturulan iki temel yarıiletken materyal vardır. Bunlara; N-tipi madde ve P-tipi madde denir. Elektronik devre elemanlarının üretiminde bu iki madde kullanılır.
42
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Katkı İşlemi (Doping) Silisyum ve germanyumun iletkenliği kontrollü olarak artırılabilir. İletkenliği kontrollü olarak artırmak için saf yarıiletken malzemeye katkı maddesi eklenir. Bu işleme “doping” denir. Akım taşıyıcılarının (elektron veya boşluk) sayısının artırılması malzemenin iletkenliğini, azaltılması ise malzemenin direnci artırır. Her iki doping olayının sonucunda N-tipi veya P-tipi madde oluşur. N-Tipi Yarıiletken Saf silisyumun iletkenlik bandındaki deliklerinin artırılması atomlara katkı maddesi ekleyerek yapılır. Bu atomlar, 5-değerli valans elektronları olan arsenik (As), fosfor (P), bizmut (Bi) veya antimon’dur. Silisyuma katkı maddesi olarak 5 valans elektrona sahip fosfor belli bir oranda eklendiğinde, diğer silisyum atomları ile nasıl bir kovelent bağ oluşturulduğu gösterilmiştir. Fosfor atomunun dört valans elektronu, silisyumun 4 valans elektronu ile kovalent bağ oluşturur. Fosfor’un bir valans elektronu açıkta kalır ve ayrılır (şekil-1.10). Bu açıkta kalan elektron iletkenliği artırır. Çünkü herhangi bir atoma bağlı değildir. İletkenlik elektron sayıları ile kontrol edilebilir. Bu ise silisyuma eklenen atomların sayısı ile olur. Katkı sonucu oluşturulan bu iletkenlik elektronu, valans bandında bir boşluk oluşturmaz.
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
Si
-
-
Fb
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
Kovelant Bağ
-
-
-
Fb atomunun serbest elektronu
-
-
Si
-
-
Şekil-1.10 N tipi yarıiletken maddenin oluşturulması. Akım taşıyıcılarının çoğunluğu elektron olan, silisyum veya germanyum maddesine N-tipi yarıiletken malzeme denir. N-tipi malzemede elektronlar, çoğunluk akım taşıyıcıları diye adlandırılır. Böylece N-tipi malzemede akım taşıyıcıları elektronlardır. Buna rağmen ısı ile oluşturulan birkaç tane elektron boşluk çiftleri de vardır. Bu boşluklar 5-değerli akım katkı maddesi ile oluşturulmamışlardır. N-tipi malzemede boşluklar azınlık taşıyıcıları olarak adlandırılır.
43
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
P-Tipi Yarıiletken Saf silisyum atomu içerisine, 3 valans elektrona sahip (3-değerli) atomların belli bir oranda eklenmesi ile yeni bir kristal yapı oluşur. Bu yeni kristal yapıda delik (boşluk) sayısı artırılmış olur. 3 valans elektrona sahip atomlara örnek olarak; alüminyum (Al), Bor (B) ve Galyum (Ga) elementlerini verebiliriz. Örneğin; saf silisyum içerisine belli bir oranda bor katılırsa; bor elementinin 3 valans elektronu, silisyumun 3 valans elektronu ile ortak kovalent bağ oluşturur. Fakat silisyumun 1 valans elektronu ortak valans bağı oluşturamaz. Bu durumda 1 elektron noksanlığı meydana gelir. Buna “boşluk” veya “delik=hole” denir. Silisyuma eklenen katkı miktarı ile boşlukların sayısı kontrol edilebilir. Bu yöntemle elde edilen yeni malzemeye P tipi yarıiletken malzeme denir. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Çünkü boşluklar pozitif yüklüdür. Dolayısı ile P-tipi malzemede çoğunluk akım taşıcıları boşluklardır. Elektronlar ise P tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. P-tipi malzemede bir kaç adet serbest elektronda oluşmuştur. Bunlar ısı ile oluşan boşluk çifti esnasında oluşturulmuştur. Bu serbest elektronlar, silisyuma yapılan katkı esnasında oluşturulamazlar. Elektronlar P-tipi malzemede azınlık akım taşıyıcılarıdır. -
-
-
-
-
Si
Si
Si
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
Si
-
-
-
-
-
B
Si
-
-
-
-
-
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
Si
-
-
-
-
-
Si
Kovelant Bağ
-
B atomundan oluşan delik (hole)
-
-
Şekil- 1.11 Silisyum kristaline 3 bağlı katkı atomu. Bohr katkı atomu merkezde gösterilmiştir.
44
TEMEL ELEKTRONİK
1.5
Kaya
PN BİRLEŞİMİ
Silisyum veya Germanyum kristaline yeterli oranda katkı maddeleri eklenerek, P-tipi ve N-tipi maddeler oluşturulmuştu. Bu maddeler yalın halde elektriksel işlevleri yerine getiremezler. P ve N tipi malzeme bir arada kullanılırsa, bu birleşime PN birleşimi denir. PN birleşimi; elektronik endüstrisinde kullanılan diyot, transistör v.b devre elemanlarının yapımında kullanılır. PN Birleşmesi
N-Tipi Silisyum
P TİPİ MADDE
N TİPİ MADDE
P-Tipi Silisyum
Delik (hole)
Elektron
Şekil-1.12 Basit bir PN yapısının oluşumu. Çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının ikisi de gösterilmiştir. Şekil-1.12.(a)‘da yarısı P-tipi, diğer yarısı N tipi malzemeden oluşan iki bölümlü bir silisyum parçasını göstermektedir. Bu temel yapı biçimine “yarı iletken diyot” denir. N bölgesinde daha çok serbest elektron bulunur. Bunlar akım taşıyıcıcısı olarak görev yaparlar ve “çoğunluk akım taşıyıcısı” olarak adlandırılırlar. Bu bölgede ayrıca ısı etkisi ile oluşturulan birkaç boşluk (delik=hole) bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” adı verilir. P bölgesi ise çok sayıda boşluklar (delik=hole) içerir. Bunlara “çoğunluk akım taşıyıcıları” denir. Bu bölgede ısı etkisi ile oluşan birkaç serbest elektronda bulunur. Bunlara ise “azınlık akım taşıyıcıları” denir. Bu durum şekil-1.12.(b)‘de gösterilmiştir. PN birleşimi elektronik endüstrisinde kullanılan diyotların, transistörlerin ve diğer katkı hal devrelerinin temelini oluşturur. Deplasyon Katmanı ve İşlevi P maddesinde elektron noksanlığı (boşluk), N maddesinde ise elektron fazlalığı meydana gelmişti. Elektron ve oyukların hareket yönleri birbirine zıttır. Aslında bu iki madde başlangıçta elektriksel olarak nötr haldedir. P ve N maddesi şekil-1.13.a’da görüldüğü gibi birleştirildiğini kabul edelim. Birleşim olduğu anda N maddesindeki serbest elektronlar, P maddesinde fazla olan oyuklarla (boşluk=delik) birleşirler. P maddesindeki fazla oyukların bir kısmı ise N maddesine gelip elektronlarla birleşirler. Bu durumda P maddesi net bir (-) yük, N maddesi ise (+) yük kazanmış olur. Bu olay olurken P maddesi (-) yüke sahip olduğundan N maddesindeki elektronları iter. Aynı şekilde, N maddesi de (+) yüke sahip olduğundan P maddesindeki oyukları iter. Böylece P ve N maddesi arasında daha fazla elektron ve oyuk akmasını engellerler.
45
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yük dağılımın belirtildiği şekilde oluşması sonucunda PN birleşiminin arasında “gerilim seddi” denilen bir bölge (katman) oluşur. Bu durum şekil-1.13.b’de resmedilmiştir. İletim dengesi sağlandığında deplesyon katı P-N birleşiminde iletim elektronu bulunmadığı noktaya kadar genişler. P TİPİ MADDE
Delik (hole)
Gerilim Seddi P TİPİ MADDE N TİPİ MADDE
pn bitişimi N TİPİ MADDE
-
+
-
+
+
+ + +
Deplasyon Bölgesi
Elektron
Şekil-1.13.a ve b PN birleşiminin denge iletimi. Elektron boşluk çiftinin oluşturduğu sıcaklıkla N bölgesindeki birkaç boşluğun azınlık taşıyıcılarının meydana getirilmesi. Şekil-1.13.b’de PN birleşim bölgesinde pozitif ve negatif iyonlarla oluşturulan gerilim seddi görülmektedir. Oluşan bu gerilim seddi; 250 C’de silisyum için engel 0.7 volt, germanyum için 0.3 volt civarındadır. Bu gerilime “diyot öngerilimi” denir. Diyot öngerilimi ısıdan etkilenir. Örneğin sıcaklık miktarındaki her 10C’lik artış, diyot öngeriliminin yaklaşık 2.3mV azalmasına neden olur. Diyot öngerilimi çok önemlidir. Çünkü PN birleşimine dışarıdan uygulanan gerilimin oluşturacağı akım miktarının kararlı olmasını sağlar. İlerideki bölümlerde PN birleşimini ayrıntılı olarak inceleyeceğiz.
46
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1.6 PN BİRLEŞİMİNİN POLARMALANMASI PN bitişiminin nasıl oluşturulduğunu gördük. PN bitişimi elektronik devre elemanlarının üretiminde en temel yapıdır. Elektronik endüstrisinin en temel işlevi ise akım ve gerilimin kontrolüdür. PN birleşimine elektronik biliminde “diyot” adı verilmektedir. Diyot veya diğer bir elektronik devre elamanının DC gerilimler altında çalıştırılmasına veya çalışmaya hazır hale getirilmesine elektronikte “Polarma” veya “bias” adı verilmektedir. PN birleşimi veya diyot; DC gerilim altında iki türde polarmalandırılır. Bunlardan birisi “ileri yönde polarma” diğeri ise “ters yönde polarma” dır. İleri veya ters yönde polarma tamamen diyot uçlarına uygulanan gerilimin yönü ile ilgilidir. Bu bölümü bitirdiğinizde; • •
İleri yönde polarma (forward bias) Ters yönde polarma (reverse bias)
•
Kavramlarını öğreneceksiniz
İleri Yönde Polarma (Forward Bias) İleri yönde polarma; yarıiletken bir devre elemanının uçlarına uygulanan DC gerilimin yönü ile ilgilidir. PN birleşiminden akım akmasını sağlayacak şekilde yapılan polarmadır. Şekil-1.14‘de bir diyoda ileri yönde polarma sağlayacak bağlantı görülmektedir. p R
n
Vpolarma +
Şekil-1.14 İleri yönde polarma bağlantısı. R, akımı sınırlamak ve diyot’u korumak için kullanılmıştır. İleri yönde polarma şöyle çalışır. Bataryanın negatif ucu N bölgesine (Katot olarak adlandırılır), pozitif ucu ise P bölgesine (Anot olarak adlandırılır) bağlanmıştır. Bataryanın negatif terminali, N bölgesindeki iletkenlik elektronlarını birleşim bölgesine doğru iter. Aynı anda pozitif terminal, P bölgesindeki oyukları birleşim bölgesine iter. Uygulanan polarma gerilimi yeterli seviyeye ulaşınca; N bölgesindeki elektronların ve P bölgesindeki oyukların engel bölgesini aşmasını sağlar. N bölgesinden ayrılan elektronlara karşılık, bataryanın negatif ucundan çok sayıda elektron girmesini sağlar. Böylece N bölgesinde iletkenlik elektronlarının hareketi (çoğunluk akım taşıyıcıları) eklem bölgesine doğrudur.
47
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Karşıya geçen iletkenlik elektronları, P bölgesinde boşluklar ile birleşirler. Valans elektronları boşluklara taşınır ve boşluklar ise pozitif anot bölgesine taşınır. Valans elektronlarının boşluklarla birleşme işlemi PN uçlarına voltaj uygulandığı sürece devam eder ve devamlı bir “akım” meydana gelir. Bu durum şekil-1.15’de resmedilmiştir. Şekilde ileri yönde bayaslanan diyodtaki elektron akışı görülmektedir. P TİPİ
N TİPİ
boşluk akımı
Elektron akımı
R
VD
+
-
Vpolarma
Şekil-1.15: PN birleşimli diyot ‘ta elektron akışı. İleri polarmada Gerilim seddinin etkisi PN birleşiminde meydana gelen gerilim seddi, Silisyumda 0.7V, germanyumda ise 0.3V civarındadır. Polarma geriliminin potansiyeli bu değere ulaştığında, PN birleşiminde iletim başlar. PN uçlarına uygulanan gerilim, diyodu bir kez iletime geçirdikten sonra gerilim seddi küçülür. Akım akışı devam eder. Bu akıma ileri yön akımı If denir. If akımı P ve N bölgesinin direncine bağlı olarak çok az değişir. Bu bölgenin direnci (ileri yöndeki direnç) genellikle küçüktür ve küçük bir voltaj kaybına sebep olur. Ters Polarma (Revrese Bias) Ters kutuplamada bataryanın negatif ucu P bölgesine, pozitif ucu ise N bölgesine bağlanmıştır. Bu durum şekil-1.16‘da gösterilmiştir. Ters polarmada PN birleşiminden akım akmaz. Bataryanın negatif ucu, PN bölgesindeki boşlukları kendine doğru çeker. Pozitif ucu ise PN bölgesindeki elektronları kendine doğru çeker ve bu arada (deplesyon bölgesi) yalıtkan katman genişler. N bölgesinde daha çok pozitif iyonlar, P bölgesinde ise daha çok negatif iyonlar oluşturulur. p
n
Vpolarma +
-
Şekil-1.16 Ters Polarma bağlantısı.
48
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Yalıtkan (deplesyon) katmandaki potansiyel farkı harici bayas voltajına eşit oluncaya kadar genişler. Bu noktada boşlukların ve elektronların hareketi durur. Birleşimden çoğunluk akım taşıyıcılarının harekete başlaması (transient ) akımı diye adlandırılır. Bu ise ters kutuplama yapıldığında çok kısa bir anda akan bir akımdır. P TİPİ -
N TİPİ -
+ + + + + +
+ + + + + +
Engel Katmanı
-
+
V polarma
Şekil-1.17 Ters polarmada oluşan engel katmanı Diyot ters kutuplandığında engel katmanının yalıtkanlığı artacak ve her iki taraftaki iyonlar şarj olacaktır. Bu durum kapasitif bir etki yaratır. Ters kutuplama gerilimi arttıkça engel katmanı genişler. Bu arada kapasitans’da artacaktır. Bu durum, deplesyon katmanının kapasitansı diye bilinir ve bu durum pratik kolaylıklar sağlar. Azınlık Akımı Şimdiye kadar öğrendiğimize göre; diyoda ters gerilim uygulandığında çoğunluk akımı çabucak sıfır olur. Ancak ters kutuplama da bile çok az bir azınlık akımı mevcut olacaktır. Bu ters akım germanyumda, silisyum‘a göre daha fazladır. Bu akım silisyum için mikro amper veya nano amperler mertebesindedir. Dolayısı ile ısı ile oluşan elektron boşluk çifti ise minimum seviyesindedir. Harici ters gerilim; uygulanırken bazı elektronlar PN birleşimini geçecektir. Ters akım aynı zamanda birleşimin ısısına ve ters kutlama geriliminin miktarına bağlıdır dolayısı ile ısının artması ters akımı da artıracaktır. Ters Yönde Kırılma Eğer dışarıdan uygulanan ters polarma gerilimi aşırı derecede artırılırsa çığ kırılması meydana gelir. Şimdi bu ne demektir? Azınlık akım taşıyıcıları olan iletkenlik bandı elektronlar dışarıdan uygulanan ters gerilim kaynağının etkisi ile P bölgesine itilirler. Bu esnada valans elektronları iletkenlik bandına doğru hareket ederler. Bu anda iki tane iletkenlik bandı elektronu mevcuttur. Her biri bir atomda bulunan bu elektronlar; valans bandından, iletkenlik bandına hareket eder. İletkenlik bandı elektronlarının hızla çoğalması olayı, çığ etkisi olarak bilinir. Sonuç olarak büyük bir ters akım akar. Çoğu diyotlar genelde ters kırılma bölgesinde çalışmazlar. Çünkü hasar görebilirler. Bununla birlikte bazı diyotlar sırf ters yönde çalışacak yönde yapılmışlardır. Bunlara “Zener Diyot” adı verilir.
49
BÖLÜM 4
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
YARI İLETKENLER Elektrik akımını bir değere kadar akmasına izin vermeyen bu değerden sonra sonsuz küçük direnç gösteren maddelerdir. Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3. ve 5. gruba girerler. Bu demektir ki son yörüngelerinde elektron alıcılığı veya vericiliği iletkenden fazla yalıtkandan daha azdır. İletkenler: Pt, Ni, Au, Cu, Al, Fe........... Yalıtkan: Ebonit, Cam, Tahta, Su.......... Yarı iletkenler: S, Ge, Br, Al, In(indiyum)........
Kısmen Dolu bant ile iletkenlik şeridi çakışmışsa iletken olurlar.
DB ile BŞ birbirine yaklaştığı zaman iletken hale gelir. Eğer yarı iletkenlere belirli bir gerilim uygulanırsa YAE yok edilir ve bağlama şeridi ile iletkenlik bandı bitişir ve iletkenleşir.
50
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
İLETKEN, YALITKAN VE YARI İLETKENLER Yeryüzündeki bütün maddeler, atom 'lar dan oluşmuştur. Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden elektronlardan oluşmaktadır. Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptirler. Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi, elektrik akımını oluşturur. Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir. Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır: • • •
İletkenler Yalıtkanlar Yarı iletkenler
İLETKENLER İletkenlerin başlıca özellikleri: • •
Elektrik akımını iyi iletirler. Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar. Dış yörüngedeki elektronlara Valans Elektron denir. • Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır. • Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir. • Metaller de, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır. • Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak, • altın, gümüş, bakır gösterilebilir. Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden, altın ve gümüşe göre biraz daha • kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılan metaldir. Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve • alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu için geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.
51
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
YALITKANLAR Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir. Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir. Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır. Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 'e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır.
YARI İLETKENLER Yarı iletkenlerin başlıca şu özellikleri vardır: İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar, Normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve magnetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu serbest hale geçer, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar • tekrar atomlarına dönerler. Tabiatta basit eleman halinde bulunduğu gibi laboratuarda bileşik eleman • halinde de elde edilir. Yarı iletkenler kristal yapıya sahiptirler. Yani atomları kübik kafes sistemi • denilen belirli bir düzende sıralanmıştır. Bu tür yarı iletkenler, yukarıda belirtildiği gibi ısı, ışık, etkisi ve gerilim • uygulanması ile belirli oranda iletken hale geçirildiği gibi, içlerine bazı özel maddeler katılarak ta iletkenlikleri arttırılmaktadır. Katkı maddeleriyle iletkenlikleri arttırılan yarı iletkenlerin elektronikte ayrı bir yeri • vardır. Bunun nedeni Tablo 2.1 'de görüldüğü gibi, elektronik devre elemanlarının üretiminde kullanılmalarıdır. • • •
Elektroniğin iki temel elemanı olan diyot ve transistörlerin üretiminde kullanılan germanyum (Ge) ve silikon (Si) yarı iletkenleri gelecek bölümde daha geniş olarak incelenecektir.
52
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 2.1 - Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri. ADI
KULLANILMA YERİ
Germanyum (Ge) (Basit eleman)
Diyot, transistör, entegre, devre
Silikon (Si) (Basit eleman)
Diyot, transistör, entegre, devre
Selenyum (Se) (Basit eleman)
Diyot
Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik eleman)
Diyot
Galliyum Arsenid (Ga As) (Bileşik eleman)
Tünel diyot, laser, fotodiyot, led
Indiyum Fosfur (In P) (Bileşik eleman)
Diyot, transistör
Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik eleman)
Güneş pili (Fotosel)
Not: Germanyum ve silikon periyodik tabloda yer alan iki elementtir. Çoğu ülke periyodik tabloyu kendi dillerinde hazırlamaktadır. Ülkemizde ise, bazı terimler gelişmiş ülke dillerinden alınarak Türkçe 'ye uyarlama yoluna gidilmiştir. Germanyum adı, en çok kullanılan, İngilizce, Almanca ve Fransızca dillerinde "Germanium" olarak yazılmakta ve "germanyum" olarak okunmaktadır. Türkçe 'ye de "germanyum" olarak alınmış ve herkesçe de benimsenmiştir. Silikon 'da durum farklıdır. Silikon yabancı dillerde şöyle yazılmakta ve okunmaktadır: İngilizce 'de; Silicon (Silikon), Almanca 'da; Silikon (silikon) Fransızca 'da; Silicium (silisyum)
Türkçe de ise yararlanılan yabancı kaynaktan esinlenerek kimilerince silikon, kimilerince de silisyum denmiştir.
53
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
ENERJİ SEVİYELERİ VE BANT YAPILARI Bilindiği gibi elektronlar, atom çekirdeği etrafında belirli yörüngeler boyunca sürekli dönmektedir. Bu hareket, dünyanın güneş etrafında dönüşüne benzetilir. Hareket halindeki elektron, şu iki kuvvetin etkisi ile yörüngesinde kalmaktadır: 1) Çekirdeğin çekme kuvveti 2) Dönme hareketi ile oluşan merkezkaç kuvveti
ENERJİ SEVİYELERİ Hareket halinde olması nedeniyle her yörünge üzerindeki elektronlar belirli bir enerjiye sahiptir. Eğer herhangi bir yolla elektronlara, sahip olduğu enerjinin üzerinde bir enerji uygulanırsa, ara yörüngedeki elektron bir üst yörüngeye geçer. Valans elektrona uygulanan enerji ile de elektron atomu terk eder. Yukarıda belirtildiği gibi valans elektronun serbest hale geçmesi, o maddenin iletkenlik kazanması demektir. Valans elektronlara enerji veren etkenler: 1) 2) 3) 4) 5)
Elektriksel etki Isı etkisi Işık etkisi Elektronlar kanalıyla yapılan bombardıman etkisi Manyetik etki
Ancak, valans elektronları serbest hale geçirecek enerji seviyeleri madde yapısına göre şöyle değişmektedir: • • •
İletkenler için düşük seviyeli bir enerji yeterlidir. Yarı iletkenlerde oldukça fazla enerji gereklidir. Yalıtkanlar için çok büyük enerji verilmelidir.
54
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BANT YAPILARI Maddelerin iletkenlik dereceleri, en iyi şekilde, aşağıda açıklandığı gibi, bant enerjileri ile tanımlanır. Valans bandı enerji seviyesi: Şekil 2.1 'de görüldüğü gibi her maddenin, valans elektronlarının belirli bir enerji seviyesi vardır. Buna valans bandı enerjisi denmektedir. İletkenlik bandı enerji seviyesi: Valans elektronu atomdan ayırabilmek için verilmesi gereken bir enerji vardır. Bu enerji, iletkenlik bandı enerjisi olarak tanımlanır. İletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji: İletkenlerin, Şekil 2.1.(a) 'da görüldüğü gibi, valans bandı enerji seviyesi ile iletkenlik bandı enerji seviyesi bitişiktir. Bu nedenle verilen küçük bir enerjiyle, pek çok valans elektron serbest hale geçer.
Yarı iletkenlerde iletim için verilmesi gereken enerji: Yarı iletkenlerin valans bandı ile iletkenlik bandı arasında Şekil 2.1.(b) 'de görüldüğü gibi belirli bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yarı iletkeni, iletken hale geçirebilmek için valans elektronlarına, boşluk bandınınki kadar ek enerji vermek gerekir.
Yalıtkanlarda iletim için verilmesi gereken enerji: Yalıtkanlarda ise, Şekil2.1.(c) 'de görüldüğü gibi oldukça geniş bir boşluk bandı bulunmaktadır. Yani elektronları, valans bandından iletkenlik bandına geçirebilmek için oldukça büyük bir enerji verilmesi gerekmektedir.
55
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil - 2.1 İletkenlik derecesine göre değişen bant enerjileri (a) İletken, (b) Yarı iletken, (c) Yalıtkan
SAF GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL YAPISI, KOVALAN BAĞLARI Germanyum ve Silikon yarı iletkenleri, kristal yapılarının kazandırdığı bir takım iletken özelliğine sahiptir. Germanyum ve Silikon, elektroniğin ana elemanları olan, DİYOTLARIN, TRANSİSTÖRLERİN ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılmaktadır. Bu nedenle, elektronik devre elemanları hakkındaki temel bilgilerin edinilebilmesi bakımından bu iki yarı iletkenin yapılarının iyi bilinmesi gerekir. Her iki yarı iletken de tabiattan elde edilmekte ve saflaştırılarak monokristal haline getirildikten sonra devre elemanların üretiminde kullanılmaktadır.
56
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
GERMANYUMUN ELDE EDİLİŞİ: Germanyum başlıca iki kaynaktan sağlanır: 1) Bazı cins maden kömürünün baca tozlarından, 2) Çinko rafine endüstrisi yan ürünlerinden Yukarıda belirtilen kaynaklardan germanyumun oluşturulabilmesi için uzun işlemler gerekmektedir. Bu iki evrede oluşturulan germanyum henüz saf değildir. içerisinde bazı yabancı maddeler bulunur. Germanyumun kullanılabilinmesi için önce içindeki yabancı madde oranının 1/108 'in altına düşürülmesi gerekmektedir. Bunu sağlamak içinde ikinci evre olarak saflaştırma işlemi yapılır.
GERMANYUMUN SAFLAŞTIRILMASI: Germanyumun saflaştırılmasında en çok uygulanan yöntem "Bölgesel saflaştırma" dır. Çubuk şekline getirilmiş, yaklaşık 100 gram ağırlığındaki germanyum şekil 2.2 'de görüldüğü gibi özel bir pota içerisine konularak, saatte 5-6 cm 'lik hızla, endüksiyon yolu ile ısıtılan bir fırının içerisinden geçirilir.
Isıtıcı sistem, germanyumun erime derecesi olan 936°C 'ye ayarlanıştır. Germanyum çubuğun ısıtıcı içerisine giren ucu erimeye başlar ve çubuğun hareketi ile erime bir uçtan öbür uca doğru devam eder. Aynı anda germanyum içerisinde ki yabancı maddeler de eriyerek çubuğun arka tarafına toplanır. Saflaştırma sonunda bu uç kesilerek alınır.
57
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kesilecek uç direnç kontrolü ile belirlenir. Germanyum saflaştıkça direnci artmaktadır. Gerekirse bu işlemler birkaç kez daha tekrarlanarak germanyumun saflık derecesi arttırılabilir. Bu halde germanyum henüz polikristal 'dir.
SİLİKONUN ELDE EDİLMESİ VE SAFLAŞTIRILMASI: Silikon tabiatta silika (Kuartz yahut kum) halinde bol miktarda bulunur. Silikon, germanyum için anlatılan yöntemle saflaştırılmaz. İçerisinde bulunan BOR "bölgesel saflaştırma" yolu ile tamamen alınamamaktadır.Saflaştırma işlemi çok uzun sürmektedir.......
GERMANYUMUN MONOKRİSTAL HALİNE GETİRİŞMESİ: Germanyum ve silikon ancak MONOKRİSTAL haline getirildikten sonra DİYOT, TRANSİSTÖR ve ENTEGRE DEVRELERİN üretiminde kullanılabilir. "Monokristal" kelimesi uluslararası bir terimdir ve TEK TİP KRİSTAL anlamına gelmektedir.
Şekil 2.3 - Germanyumun monokristal haline getirilmesi
58
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Germanyumda monokristal yapı şöyle oluşmaktadır: Poli kristalli saf germanyum grafit bir pota içerisinde ergime derecesine kadar ısıtılır. Ergimiş germanyum içerisine, Şekil 2.3 'te görüldüğü gibi monokristal halindeki germanyum çubuk daldırılıp yavaş yavaş döndürülerek çekilir. Çekme işlemi ilerledikçe, eriyik halindeki germanyum da yüzeysel gerilim etkisiyle çubuk etrafında toplanır ve aynı zamanda çubuğun kristal yapısına uygun olarak katılaşır. Bütün eriyik katılaşıncaya kadar aynı işlemle çekmeye devam edilir. Sounda, monokristal yapıya sahip bir germanyum kitlesi ortaya çıkar.
SİLİKONUN MONOKRİSTAL HALİNE GETİRİLMESİ: Her ne kadar, monokristal silikon da Germanyum gibi tek kristal çekirdekten üretilse de, ergime derecesinin yüksek (1420°C) olması ve başka maddelerle birleşmemesi nedeniyle işlem ayrıntılarında farklılıklar vardır.
SAF GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL YAPISI Gerek Germanyum gerekse de Silikon kristal yapı bakımından aynı olduğundan, anlatımda örnek olarak birinin veya diğerinin alınması fark etmemektedir. Daha önce de açıklandığı gibi, germanyum ve silikonun yararlı hale gelebilmesi için monokristal yapıya dönüştürülmeleri gerekmektedir.
MONO KRİSTAL YAPI NEDİR? Monokristal yapıda atomlar Şekil 2.4 'te üç boyutlu olarak gösterildiği gibi, bir kübik kafes sistemi oluşturmaktadır. Sistemdeki kürecikler, atomları gösteriyor. Atomlar arasındaki yollar da kovalan bağları sembolize ediyor.
59
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KOVALAN BAĞ Monokristal yapılarda, valans elektronlar komşu iki atomun dış yörüngelerinde birlikte bulunmaktadır. Bu durum iki elektron arasıda sanki bir bağ varmış gibi yorumlanmaktadır. İşte bu sembolik bağa kovalan bağ adı verilir. Şekil 2.5 'te Germanyum monokristalin atomları arasındaki kovalan bağlar gösterilmiştir. Kovalan bağların ucundaki elektronlar her iki atoma da bağlı bulunduğundan atomların dış yörüngeleri 8 elektronlu olmaktadır. Dış yörüngesinde 8 elektron bulunan atomlar elektron almaya ve vermeye istekli olmazlar. NOT: Kimilerince "kovalan" yerine İngilizce yazılımına uyarak "kovelent" terimi kullanılmaktadır. "KOVALAN" kelimesi Türkçe ses uyumu bakımından daha uygundur. Bir monokristal ısıtıldığında veya ışık ve elektriksel gerilim etkisi altında bırakıldığında, kovalan bağ kuvvetini yenen çok az sayıdaki elektron atomdan uzaklaşır. Bu durum bir yarı iletkenlik belirtisi olmaktadır.
60
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
SAF OLMAYAN (KATKILI MADDELİ) GERMANYUM VE SİLİKONUN KRİSTAL YAPISI Diyotlar, transistörler, entegre devreler v.b. gibi aktif devre elemanlarının yapımında kullanılan germanyum ve silikon yarı iletken kristallerinin önce N ve P tipi kristaller haline dönüştürülmeleri gerekmektedir. N veya P tipi kristal yapısını elde edebilmek için. Şekil 2.6 'da görüldüğü gibi bir pota içerisine konulan germanyum veya silikon monokristali eritilir, belirli oranlarda katkı maddesi karıştırılır. Sonrada özel olarak hazırlanmış monokristal çekirdek, eriyiğe daldırılıp döndürülerek çekilir.
Konulan katkı maddesinin cinsine göre çekilen kristal N veya P tipi olur.
61
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. N TİPİ İLETKEN KRİSTAL N TİPİ İLETKEN KRİSTALİN OLUŞUMU
•
Eritilen Germanyum veya Silikon kristaline Tablo 2.2 'de verilen 5 valans elektronlu fosfor, arsenik, antimuvan gibi katkı maddelerinden biri katılır. Yukarıda anlatılan yöntem uygulanarak bu katkı maddesi atomlarının kristal içine • yayılıp etrafındaki Germanyum veya Silikon atomları ile kovalan bağ oluşturması sağlanır.
62
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 2.2. N ve P tipi kristallerin yapımında kullanılan elementler. Atom Eleman Sembolü numarası adı 13 Alüminyum Al 14 Silikon Si 15 Fosfor P 31 Galliyum Ga 32 Germanyum Ge 33 Arsenik As 49 İndiyum In 51 Antimuvan Sb
K 2 2 2 2 2 2 2 2
Yörüngedeki elektron sayısı M N O 3 4 5 18 3 18 4 18 5 18 18 3 18 18 5
L 8 8 8 8 8 8 8 8
Katkı maddesinin kristal yapı içerisinde yer alışı: Şekil 2.7 'de katkı maddesi olarak en çok kullanılan Arseniğin Germanyum kristalinde yer alışı gösterilmiştir. Arsenik 5 valans elektronlu olduğundan ancak 4 elektronu komşu germanyum atomlarıyla kovalan bağ oluşturur. 5. elektron ise çekirdeğin pozitif çekme kuvvetinin etkisi altında zayıf olarak atoma bağlı kalmakta ve ufak bir enerji altında serbest hale geçmektedir. Hatta, bir kısmı başlangıçta, ısı ve ışık etkisiyle atomdan ayrılır. Böylece Arsenik, Germanyum kristali için bir elektron kaynağı olmaktadır ve kristal içerisinde pek çok serbest elektron bulunmaktadır. Bu yapı, N tipi yarı iletken kristali olarak tanımlanır.
63
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
"N tipi kristal" deyimindeki harfi, "Negatif" kelimesinin ilk harfidir. Kristal içerisindeki SERBEST ELEKTRONLARIN yarattığı "negatif elektrik yükünü" sembolize etmektedir. N tipi kristaldeki AKIM TAŞIMA İŞLEMİNİ bu elektronlar gerçekleştirmektedir. N TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALLİNDE BULUNANLAR •
Ge veya Si ATOMLARI: Kristal yapıyı oluşturmaktadır. Aralarında Kovalan bağ vardır. VERİCİ KATKI MADDESİ: Atomları kolaylıkla elektron veren katkı • elementleridir. Bu nedenle Verici Katkı Maddesi denmiştir. POZİTİF İYONLAR: Verici katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Ge • veya Si atomları ile kovalan bağ oluşturarak 1 elektronunu kaybetmiş olduğundan POZİTİF İYON halindedirler. Ancak, kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi bulunmamaktadır. ÇOĞUNLUK TAŞIYICILARI: Verici katkı maddesinden ayrılmış olan • elektronlardır. Bu elektronlara, çok sayıda olduğundan ve akım taşıma görevini de yürüttüğünden, çoğunluk taşıyıcıları adı verilmiştir. AZINLIK TAŞIYICILARI: N tipi germanyum veya silikon kristalinde, ısı ve • ışık emişi nedeniyle, veya gerilim etkisiyle kovalan bağlarını koparan bir kısım elektronun atomdan ayrılması sonucu, geride pozitif elektrik yüklü Ge veya Si atomları kalmaktadır.
64
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
•
Bu tür atomlar da elektrik akımı taşıma özelliğine sahiptir. Ancak azınlıkta kaldığından, bunlara da azınlık taşıyıcıları denmiştir. Normal çalışma düzeninde önemli sayılabilecek rolleri bulunmamaktadır. Şekillerde Gösterilenler: Kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca, kristale asıl özelliğini kazandıran atom ve elektrolar gösterilmektedir. N tipi bir kristale, Şekil 2.8 'de gösterilmiş olduğu gibi şunlar özellik kazandırmaktadır: 1) Serbest elektronlar: Akım taşıyıcılardır. 2) Verici katkı maddesi atomları: Etkisiz "pozitif iyon" halinde olduğundan, daire içerisinde gösterilmiştir.
Şekil 2.8 - N tipi yarı iletken kristali (-): Serbest elektronlar. (Akım iletimini sağlar.) (+):Verici katkı maddesi atomları. (Etkisiz "+" iyon halindedir.)
2. P TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALİ Germanyum veya Slikon kristaline Alüminyum gibi 3 valans elektrona sahip bir katkı maddesi ilave edildiğin de, Şekil 2.9 'da da görüldüğü gibi, şu gelişmeler olur. •
Bu katkı maddelerinin 3 valans elektron bulunduğundan, atom teorisi gereğince bunu 4 'e tamamlamak ister, Bu nedenle, komşu Ge veya Si atomundan 1 elektron alır ve 4 kovalan bağ oluşturur.
1 elektron alan katkı maddesi atomu, NEGATİF İYON haline gelir. Ancak, kovalan bağlı olduğundan herhangi bir elektriksel etkinliği olmaz. 1 elektronu kaybeden Ge veya Si atomunda 1 ELEKTRON BOŞLUĞU oluşur. Bu boşluk, genellikle delik veya oyuk olarak adlandırılır. Ancak bu terimler elektriksel yönden atomun durumunu yansıtmamaktadır. •
65
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bir elektronu veren atom, pozitif elektrik yükü hale geldiğinden, delik veya oyuk yerine "POZİTİF ELEKTRİK YÜKÜ" demek daha doğrudur. Nitekim oluşan kristale, " pozitif elektrik yükleri" amaçlanarak P TİPİ KRİSTAL denmiştir. P tipi kristalde akım taşıma işlemi "pozitif elektrik yükleri" tarafından gerçekleştirilir.
P TİPİ YARI İLETKEN KRİSTALİNDE BULUNANLAR • • •
Ge veya Si ATOMLARI: Kristal yapıyı oluşturmaktadır. VERİCİ KATKI MADDESİ: Elektron almak üzere, katılan madde. NEGATİF İYONLAR: Katkı maddesi atomlarının tamamına yakın kısmı, Si veya Ge atomlarından 1 elektron olarak negatif elektrik yüklü hale gelmektedir. Ancak, bunlar kovalan bağlı olduğundan elektriksel bir etkisi bulunmadan negatif iyon halinde kalmaktadır. ÇOĞUNLUK TAŞIYICILARI: 1 elektronu kaybetmiş olan ve dolayısıyla da, • pozitif elektrik yüklü (oyuklu) hale gelen çok sayıdaki Si ve Ge atomlarıdır. Bunlar P tipi kristalde akım taşıma görevi yaparlar. AZINLIK TAŞIYICILARI: P tipi kristalde bulunabilen çok az sayıdaki serbest elektronlardır. Bunlara da, akım taşıyıcı olarak az sayıda bulunduğundan, azınlık taşıyıcıları denmiştir.
66
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekillerde Gösterilenler: Şekil 2.10 'da görüldüğü gibi, kristal yapıyı göstermek için kullanılan şekillerde, sadelik bakımından yalnızca, kristale özellik kazandıran atomlar ve elektronlar gösterilir. P tipi kristalde şunlar gösterilmektedir: 1) Pozitif elektrik yükleri (oyuklar): Akım iletimini sağlamaktadırlar. 2) Alıcı katkı maddesi atomları: Etkisiz (-) iyon halindedirler.
Şekil 2.10 - P tipi yarı iletken kristali (+): Pozitif elektrik yükleri. (oyuklar) (Akım iletimi sağlamaktadır.) (-): Alıcı katkı maddesi atomları. (Etkisiz "-" iyon halindedirler.)
N VE P YARI İLETKEN KRİSTALLERİNDE ELEKTRİN VE POZİTİF ELEKTİK YÜKÜ (OYUK) HAREKETLERİ N TİPİ KRİSTALDE ELEKTRONLARIN HAREKETİ N tipi yarı iletken kristaline gerilim uygulandığında, kristal içerisindeki serbest elektronlar, şekil 2.11 'de görüldüğü gibi, gerilim kaynağının pozitif kutbunun çekme kuvveti ve negatif kutbunun da itme kuvveti etkisiyle, kaynağın pozitif (+) kutbuna doğru akar.; Bu arada, kaynağın negatif (-) kutbundan çıkan elektronlar da kristale doğru hareket eder. Burada önemli bir hususu belirtmek gerekiyor: Eskiden beri uygulanan uluslar arası kurallara göre, dış devredeki akım yönü, şekil 2.11 'de görüldüğü gibi gerilim kaynağının, pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru, yani elektron akışının tersi yönde gösterilmektedir.
67
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Akımın bir devredeki işlevi bakımından, yönün önemi yoktur. Ancak bazı devre hesaplarında yön işareti koymak gerekebilir. Böyle bir durumda "+" --> "-" yönü pozitif yön ve "-" --> "+" yönü negatif yön alınır.
P TİPİ KRİSTALLERDE POZİTİF ELEKTRİK YÜKÜNÜN (OYUK) HAREKETİ "Pozitif elektrik yükü" (oyuk) bir elektron gibi hareket etmemektedir. Ancak anlatım kolaylığı bakımından, hareket ettiği kabul edilmiştir. Katkı maddesi yokken, Ge ve Si atomlarının kovalan bağlarını kırarak bir elektronunu almak çok zor olduğu halde, katkı maddesi bu işlemi kolaylaştırmaktadır. Ve bir gerilim uygulandığında akım iletimi sağlanmaktadır. P tipi bir kristale şekil 2.12 'deki gibi bir gerilim kaynağı bağlanırsa şu gelişmeler olmaktadır. 1) Durum: Kaynağın pozitif kutbuna yakın bulunan ve bir elektronunu katkı maddesine vererek "+" elektrik yüklü hale gelmiş olan Ge ve Si atomu, kaynağında çekme kuvveti yardımıyla, bir sonraki atomun kovalan bağını kırarak, 1 elektronunu alır.
Ancak, dengesi bozulmuş olan atom bu elektronu sıkı tutamayacağından, kaynağın pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisine kapılan elektron atomdan ayrılarak kaynağa doğru hareket eder. 2) Durum: Bir elektronunu kaybeden ikinci atom da ondan sonraki atomun elektronunu alır.
68
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3) -5. Durum: Böylece, elektron bir atomdan diğerine geçecek ve son atom da kaybettiği elektronu kaynağın negatif kutbundan alacaktır. 6. Durum:Tekrar birinci duruma dönülmekte ve olay devam etmektedir. Sıra ile bir elektronu kaybeden her bir atom, pozitif elektrik yüklü hale geldiğinden pozitif elektron yükü (oyuk) hareket ediyormuş gibi olmaktadır. Her ne kadar pozitif elektrik yükü, yani bu yükü taşıyan atom, elektron gibi bir noktadan kalkıp diğerine doğru hareket edemese de, ard arda oluşan "+" elektrik yüklü atomlar, "+" elektrik yükünün (oyuğun) hareket ettiği görüntüsünü vermektedir. Böyle bir açıklama şekli, diyotların ve transistörlerin çalışma prensibini daha kısa yoldan anlatımını sağlamaktadır. Elektronların atomdan atoma geçişi, hareket hızını düşürdüğünden P tipi kristaldeki akım hızı N tipine göre daha yavaştır.
69
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu açıklamalar yardımıyla, P tipi kristaldeki akım iletimi şu şekilde yorumlanır: Şekil 2.13 'de görüldüğü gibi, P tipi kristale bir gerilim kaynağı bağlansın. P tipi kristaldeki akım iletimi de N tipi kristale benzer şekilde açıklanır. Gerilim kaynağı, N tipi kristaldeki elektronları nasıl etkiliyorsa, P tipi kristalde de pozitif elektrik yüklerini benzer şekilde etkilediği düşünülür. Şöyle ki: Şekil 2.13 'ten takip edilirse, Gerilim kaynağının "+" kutbu, kristaldeki "+" elektrik yüklerini iter ve "-" kutbu da çeker. Böylece, "+" elektrik yükleri, şekilde oklar ile gösterilmiş olduğu gibi, kaynağın negatif kutbuna doğru hareket eder. Bu hareket devreden bir akımın akışını sağlar. Devredeki akımın oluşumu, bu şekilde kısa yoldan açıklanmış olmaktadır. Ancak pozitif elektrik yüklerinin hareketi yalnızca kristal içerisinde kalmaktadır. Dış devrede hareket eden yine elektronlardır. Dış devrede elektronların hareket yönü, yine kurallara uygun olarak kristalden kaynağın "+" kutbuna ve kaynağın "-" kutbundan kristale doğrudur. Dış devre akım yönü de yine kurallar gereğince, kaynağın "+" kutbundan çıkıp, "-" kutbuna doğru olan yöndür.
Şekil 2.13 - P tipi gerilim kaynağı bağlanması halinde pozitif elektrik yükü (oyuk) ve elektron hareketleri
70
BÖLÜM 5
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DİYOT ÇEŞİTLERİ 1) 2) 3) 4) 5) 6)
KRİSTAL DİYOT ZENER DİYOT TÜNEL DİYOT IŞIK YAYAN DİYOT (LED) FOTO DİYOT AYARLANABİLİR KAPASİTELİ DİYOT (VARAKTÖR - VARİKAP)
DİĞER DİYOTLAR 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
MİKRODALGA DİYOTLARI GUNN DİYOTLARI IMPATT (AVALANŞ) DİYOT BARITT (SCHOTTKY) DİYOT ANİ TOPARLANMALI DİYOT PİN DİYOT BÜYÜK GÜÇLÜ DİYOTLAR
71
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
DİYOTUN TEMEL YAPISI DİYOT NEDİR? Diyotlar, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Diğer bir deyimle, bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır. Direncin küçük olduğu yöne "doğru yön" ,büyük olduğu yöne "ters yön" denir. Diyot sembolü, aşağıda görüldüğü gibi, akım geçiş yönünü gösteren bir ok şeklindedir. Diyot Sembolü:
Ayrıca, diyodun uçları pozitif (+) ve negatif (-) işaretleri ile de belirlenir. "+" ucu anot, "-" uca katot denir. Diyodun anaduna, gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, katoduna kaynağın negatif (-) kutbu gelecek şekilde gerilim uygulandığında diyot iletime geçer. Diyodun kullanım alanları: Diyotlardan, elektrik alanında redresör (doğrultucu), elektronikte doğrultucu,detektör, modülatör, limitör, anahtar olarak çeşitli amaçlar yararlanılmaktadır. Diyotların Gruplandırılması: Diyotlar başlıca üç ana gruba ayrılır: 1) Lamba diyotlar 2) Metal diyotlar 3) Yarı iletken diyotlar
72
ise; için
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. LAMBA DİYOTLAR Lamba diyotlar en yaygın biçimde redresör ve detektör olarak kullanılmıştır. Sıcak katotlu lamba, civa buharlı ve tungar lambalar bu gruptandır. Şekil 3.1 'de sıcak katotlu lamba diyodun iç görünüşü ve çalışma şekli verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi ısınan katotdan fırlayan elektronlar atom tarafından çekilmekte ve devreden tek yönlü bir akım akışı sağlanmaktadır. Eskiden kalanların dışında bu tür diyotlar artık kullanılmamaktadır.
2.METAL DİYOTLAR Bakır oksit (CuO) ve selenyumlu diyotlar bu gruba girmektedirler. Bakır oksitli diyotlar ölçü aletleri ve telekominikasyon devreleri gibi küçük gerilim ve küçük güçle çalışan devrelerde, selenyum diyotlar ise birkaç kilowatt 'a kadar çıkan güçlü devrelerde kullanılır. Şekil 3.2 'de metal diyotların kesiti gösterilmiştir.
73
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3. YARI İLETKEN DİYOTLAR Yarı iletken diyotları, P ve N tipi germanyum veya Silikon yarı iletken kristallerinin bazı işlemler uygulanarak bir araya getirilmesiyle elde edilen diyotlardır. Hem elektrikte hemde elektronikte kullanılmaktadır. Şekil 3.3 'te tipik bir örnek olarak kuvvetli akımda kullanılan bir silikon diyot verilmiştir.
74
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tablo 3.1 'de metal ve yarı iletken diyotlarına ait bazı değerler verilmektedir. DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ Birimi Ters yöndeki dayanma gerilimi Aktif yüzeydeki akım yoğunluğu Maksimum doğru yön akımı Gerilim düşümü Maksimum dayanma sıcaklığı Ters yön akımının doğru yön akımına oranı
V
Selenyum 40 - 60
DİYOT CİNSİ Germanyum Silikon 500 - 800 1500 - 4000
A / cm2
0.89 - 0.9
100 - 300
100 - 300
A V °C
400 0.6 - 1 80°C
200 0.6 65°C
1000 1.2 140°C
IR / ID
0.1 - 0.03
0.0002
0.00001
Diyotlar arasında bir kıyaslama yapabilmek için Şekil 3.4 'te bazılarının karakteristik eğrileri verilmiştir 3. YARI İLETKEN DİYOTLARIN TEMEL YAPISI Yarı iletken diyotları, PN yüzey birleşmeli (jonksiyon) diyotlar ve nokta temaslı diyotlar olmak üzere iki ana grupta toplanır. Yarı iletken diyotları, ilk olarak nokta temaslı kristal diyot halinde kullanıma girmiştir. Zamanla bunların yerini yüzey birleşmeli diyotlar almıştır. Nokta temaslı diyotlar bugün bazı özel alanlarda kullanıldığından özel amaçlı diyotlar bölümünde incelenmiştir. PN yüzey birleşmeli diyot diğer adıyla jonksiyon diyot, P ve N tipi kristallerin, özel yöntemler ile, Şekil 3.5 'te görüldüğü gibi, ard arda birleştirilmesi yoluyla elde edilir. Birleşme yüzeyine jonksiyon da denir. Jonksiyon diyot deyimi buradan gelmektedir. Jonksiyon kalınlığı 0.01 mm 'dir. Diyodun anot ve katot uçları: Diyodun P bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna (elektroduna) ANOT ucu, N bölgesinden çıkarılan bağlantı ucuna da KATOT ucu denir. Anot "+" katot "-" ile gösterilir.
75
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
POLARMASIZ PN BİLEŞİMİ Gerilim uygulanmamış olan, diyoda POLARMASIZ diyot denir. Polarmasız diyotta şu yapısal değişiklikler olmaktadır: Şekil 3.6 'dan takip edilirse, N tipi kristalin birleşme yüzeyine yakın kısmındaki serbest elektronlar, P tipi kristaldeki pozitif (+) elektrik yüklerinin, yani pozitif elektrik yüklü atomların, çekme kuvveti etkisiyle birleşme yüzeyini geçerek, bu yüzeye yakın atomlardaki elektron boşluklarını doldururlar. Ve kovalan bağ kurarak P kristali içerisinde nötr (etkimesiz) bir bölge oluştururlar. N tipi kristalin belirli bir bölümündeki elektronların tamamı P tipi kristale geçtiğinden, N tarafında da nötr bir bölge oluşur. P kristali nötr bölgesinin gerisinde kalan pozitif elektrik yüklü atomların çekme kuvveti, N tipi kristalin nötr bölgesinin öbür tarafında kalmış olan elektronları çekmeye yetmeyeceğinden belirli bir geçişten sonra elektron akışı duracaktır. Sonuçta, birleşme yüzeyinin (jonksiyonun) iki tarafında hareketli elektriksel yükü bulunmayan bir boşluk bölgesi oluşur.
76
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Boşluk bölgesinin pil ile tanımlanması: Boşluk bölgesinin özelliğini daha iyi tanımlaya bilmek için, Şekil 3.6 'da görüldüğü gibi, pozitif kutbu N tipi kristale bağlı, yaklaşık 1/2V 'luk bir pil bağlıymış gibi düşünülür. Pilin "+" kutbu, serbest elektronları çeker ve "-" kutbu da, "+" atomlara elektron vererek onları nötr hale getirir. Böylece boşluk bölgesi oluşur.
Şekil 3.6 - Yüzey birleşmeli diyotta boşluk bölgesinin pil ile gösterilişi.
POLARMALI PN BİLEŞMESİ Gerilim uygulanmış olan diyoda, POLARMALI diyot denir. Yapılan işleme de, diyodun POLARILMASI denir. "Polarma" nın Türkçe karşılığı "kutuplandırma" dır. Yani, gerilim kaynağının "+" ve "-" kutuplarının bağlanmasıdır. Gerilim kaynağının bağlanış şekline göre, polarma şu iki şekilde olur: a) Doğru polarma b) Ters polarma
77
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
A. DOĞRU POLARMA Gerilim kaynağının, akım akıtacak yönde bağlanmasına, DOĞRU POLARMA denir. Doğru polarma bağlantısı: Doğru polarmada, Şekil 3.7 'de görüldüğü gibi; gerilim kaynağının pozitif (+) kutbu, diyodun anoduna (P bölgesi), negatif (-) kutbu, diyodun katoduna (N bölgesi) bağlanır. Diyodun uçları arasındaki gerilim için de "polarma" veya "polarizasyon" gerilimi deyimleri kullanılır.
Şekil-3.7 İleri yönde polarma bağlantısı. R, akımı sınırlamak ve diyot’u korumak için kullanılmıştır
DOĞRU POLARMADA DİYOT İÇERİSİNDEKİ GELİŞMELER Şekil 3.7 'den de anlaşılacağı gibi, doğru yönde polarılmış diyotta, N bölgesindeki serbest elektronlar, gerilim kaynağının negatif kutbu tarafından itilir, pozitif kutbu tarafından çekilir. Benzer şekilde, P bölgesi pozitif elektrik yükleri de kaynağın pozitif kutbu tarafından itilir, negatif kutbu tarafından çekilir. Bu sırada, pozitif elektrik yüklerinin tersi yönde hareket eden elektronlar da, P bölgesinden çıkarak kaynağın pozitif (+) kutbuna doğru akar. P bölgesinden kaynağa giden her elektrona karşılık, kayağın negatif kutbundan çıkan bir elektron da N bölgesine gelir. Böylece devrede bir akım doğar.
78
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Dış devredeki akım yönü: Herkes tarafından kabul edilen, elektron akışının tersi yönde, yani kaynağın pozitif kutbundan diyoda doğru ve oradan da kaynağın negatif kutbuna doğrudur. Kısacası; akım "+" dan, "-" ye doğru akar. Diyottan geçirilebilecek akımın büyüklüğü: Bir diyottan geçirilebilecek olan akımın büyüklüğü diyot türüne ve yapısına göre değişir. Geçirilebilecek maksimum akım değeri diyot kataloglarında verilmiştir. Eğer akımın büyük değerlere ulaşmasına izin verilirse, meydana gelen sıcaklık diyodun yapısını etkiler ve diyot bozulur. Böyle bir durumu önlemek için, şekil 3.7 'de görüldüğü gibi, diyoda seri bir R direncinin bağlanmasında yarar vardır. R direncinin seçimi diyodun akım kapasitesine ve gerilim kaynağının büyüklüğüne göre yapılır. Diyodun Anot ve Katodu: Doğru polarmalı bağlantıda, gerilim kaynağının pozitif kutbu, diğer adıyla ANODU diyodun P bölgesine bağlandığından, diyodun bu ucuna da ANOT ucu denmiştir. Benzer şekilde diğer uca da KATOT denmiştir. Diyodun dış görüntüsünde ANOT - KATOT ayrımını sağlayabilmek için, genellikle katot tarafına aşağıda gösterildiği gibi bir çizgi konulur.Bazı diyotlarda bu durum ok işareti konularak belirtilir.
79
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
B. TERS POLARMA Şekil 3.8 'de görüldüğü gibi, gerilim kaynağının negatif (-) ucu, diyodun anoduna (P tarafına), gerilim kaynağının pozitif (+) ucu ise, diyodun katot (N) ucuna gelecek şekilde bağlantı yapılırsa, diyot çok büyük bir direnç gösterecek ve akım akışına engel olacaktır. Ancak çok küçük bir kaçak akım akar. Bu halde diyot ters polarmalıdır veya ters bağlantılıdır denir. Büyük direnç yönüne de diyodun ters yönü adı verilmektedir.
TERS POLARMA HALİNDE DİYOT İÇERİSİNDEKİ GELİŞMELER P bölgesindeki pozitif elektrik yükleri (oyuklar) kaynağın negatif kutbu tarafından, N bölgesindeki serbest elektronlar ise pozitif kutbu tarafından çekilecek ve jonksiyondan herhangi bir akım geçmeyecektir. Bu durumda, ortadaki boşluk bölgesi de büyümektedir. (Şekil 3.8)
Şekil-3.8 Ters Polarma bağlantısı.
80
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kaçak akım (leakage current): P ve N tipi yarı iletken kristalinin incelenmesi sırasında, P tipi kristalde, azınlık taşıyıcısı olarak bir miktar serbest elektronun bulunduğu, keza N tipi kristalde de bir miktar, aktif halde pozitif elektrik yükü (oyuk) bulunduğunu belirtmiştik. İşte ters polarma sırasında, bu azınlık taşıyıcıları etkinlik göstererek, diyot içerisinden ve dolayısıyla da devreden ters yönde çok küçük bir akım geçmesine neden olur. Bu akıma "KAÇAK AKIM" denir. Kaçak akım şekil 3.9 'da görüldüğü gibi, mikro amper mertebesinde (µA) ihmal edilebilecek kadar küçük olup normal çalışma şartlarında diyodun çalışmasını etkilememektedir. Ancak ısınmayla artma gösterir.
DİYOT KARAKTERİSTİĞİ Şekil 3.9 'da Ge ve Si diyotlara ait gerilim akım bağıntısı gösterilmiştir. Buradaki gibi, bir eleman veya devrenin çeşitli değerleri arasındaki bağıntıyı yansıtan eğrilere karakteristik eğrisi, bazen de kısaca karakteristiği denmektedir.
DOĞRU POLARMA DURUMUNDA Doğru polarmada, şekil 3.9 'da görüldüğü gibi germanyum diyodun karakteristik eğrisi 0,2V civarında, silikon diyodun karakteristik eğrisi ise 0,6V civarında yukarıya doğru kıvrılmaktadır. Yani, ancak bu gerilim değerlerinden sonra diyot iletime geçmektedir. İletime geçiş gerilimine başlangıç veya eşik gerilimi denir. Diyodun hemen iletime geçmemesinin nedeni birleşme yüzeyinin iki yanındaki boş (nötr) bölgesidir. Elektronlar, ancak yukarıda belirtilen gerilimlerden sonra bu bölgeyi geçebilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi, küçük değerli gerilim artışında, doğru yön akımı hızla büyümektedir. Bu akım fabrikasında verilen akım limitini aşarsa diyot yanar.
81
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TERS POLARMA DURUMUNDA Ters polarmada, daha öncede belirtildiği gibi, belirli bir gerilime kadar ancak mikro amper mertebesinde ve önemsenmeyecek kadar küçük bir kaçak akımı akmakta, bu gerilimi aşınca ise ters akım birden büyümektedir.
DİYODUN DELİNMESİ Ters akımın birden büyümesi halinde, diyodun delinmesi, bu andaki gerilime de delinme gerilimi denir. Delinme olayında, ters akımın birden büyümesinin nedenleri: 1) Şekil 3.8 'de görüldüğü gibi, uygulanan büyük değerli ters gerilimin pozitif kutbu, N bölgesindeki serbest elektronları kuvvetle çekmekte, negatif kutbu da P bölgesindeki azınlık taşıyıcı durumundaki elektronları kuvvetle itmektedir. 2) Büyük bir hareketlilik kazanan elektronlar, atomlara hızla çarparak, valans elektronlarında serbest hale geçmesine neden olur. 3) Bu şekilde hem P, hem de N bölgesinde hızla çoğalan elektronlar kaynağın pozitif kutbunun çekme kuvvetine kapılarak, büyük oranda kaynağa doğru akar. 4) Bu arada P - N bölgeleri arasındaki boşluk bölgesi kalkmış ve P bölgesinde de çok sayıda elektron oluşmuş bulunduğundan P - N ayrımı kalmaz. Diyot iletken bir madde haline dönüşür. 5) Aşırı elektron hareketinden dolayı diyot ısınarak yanar. 6) Ayrıca dış ortamın sıcak olması da olayı hızlandırmaktadır. Bu nedenle, diyotlar çok sıcak ortamlarda kullanılmamalı veya soğutucu ile kullanılmalıdır. Germayum diyodun maksimum çalışma sıcaklığı 90°C, Silikon diyodu ise175°C dir. Ayrıca ters polarma halinde, uygulanan gerilimin büyük değerlerinde diyodun yüzeyi boyunca bir miktar da yüzeysel kaçak akımı akar. Diyot yüzeyinin kirlenmesi ve rutubetlenmesi durumunda yüzeysel kaçak akımı büyür. Her iki polarma halinde de vardır. Fakat ters polarma halinde, istenmeyen akım olarak, etkisini daha da çok göstermektedir. Şekil 3.9 'da görüldüğü gibi, siliko diyodun delinme gerilimi, germanyum diyoda göre daha büyüktür. Diyer taraftan kaçak akım ise daha küçüktür.
82
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Sonuç olarak: Diyot, doğru polarmada küçük dirençli bir devre elemanı, ters polarmada ise büyük dirençli bir devre elemanı niteliği gösterir ve akımın tek yönde akmasını sağlamaktadır. Fabrikasınca verilen, doğru yön akımı ve ters yön gerilimi geçilirse diyot yanar.
DİYODUN KONTROLÜ Bir diyot şu iki amaçla kontrol edilir: 1) Anot ve Katodun belirlenmesi 2) Sağlamlık kontrolü Diyot kontrolü, pratik olarak ölçü aleti (avometre) ile yapılır. İbreli (analog) ölçü aleti kullanılması, hızlı ölçüm ve takip kolaylığı bakımından daha uygundur. Amaç hassas bir ölçüm olmayıp, büyük veya küçük direnç şeklinde bir ölçüm yapmak suretiyle diyodun durumunu saptamaktır. Ayrıca, bir hususa dikkat etmek gerekir: Diyot direncinin kontrolüyle, normal bir direncin kontrolü arasında önemli farklar vardır. Direnç ölçümünde, gerilim kaynağı olarak ölçü aleti içerisindeki pilden yararlanılmaktadır. Ölçü aleti içerisindeki pil genelde 1.5V 'luk tur. Bazı ölçü aletlerinde 9V 'luk pil bulunur. 1.5V 'luk ohm ile yapılan en küçük normal bir direncin bile, kısa zamanlı ölçümü için tehlikeli değildir. Ancak diyot için tehlikeli olabilir. Her diyodun, doğru yönde geçirebileceği akım sınırlıdır. Bu nedenle, küçük akımlı diyotların ve özelliklede yüksek frekans (YF) diyotlarının ölçümü sırasında dikkatli olmak gerekir. Bu gibi hallerde diyotlarda 100-500 Ohm arasında seri bir direnç bağlamak gerekir. Ayrıca; Galvano teknikte ve DC motorlar için kullanılan büyük güçlü doğrultucu diyotlarına benzer diyotları iletime geçirmek için büyük gerilim gerektiğinden 1.5V 'luk Ohm metre böyle diyotları ölçmez. İki yönde de büyük direnç gösterir. Böyle diyotlar için 9V 'luk pili bulunan avometreler kullanılır ve R*100, R*1000 kademelerinde ölçüm yapılır.
83
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şunuda bilmek gerekir: Ölçü kademesi büyüdükçe, ölçü aletinin iç direnci küçülür ve dış devreye uyguladığı gerilim ve verdiği akım büyür.
DİYODUN, ANOT VE KATODUNUN BELİRLENMESİ Diyotlar devreye mutlak surette doğru şekilde bağlanmalıdır. Bunun içinde anot ve katodun bilinmesi gerekir. Diyot anot ve katodunun hangisi olduğundan şüphe ediliyorsa, kontrol şekil 3.10 'da görüldüğü gibi iki yönlü yapılır. Normal bir diyot, bir yönde küçük direnç, öbür yönde çok büyük direnç gösterecektir. Doğru yön direnci diyottan diyoda birkaç 10 ohm 'dan birkaç 100 ohm 'a kadar, değiştiği gibi, aynı diyodun direnci uygulanan gerilime göre de değişir. Uygulana gerilim büyüdükçe diyodun direnci küçülür. Ters yön direnci, bütün diyotlarda Mega ohm 'a yakın veya üzerindedir. Diyot direncinin küçük çıktığı yönde, ölçü aletinin pozitif (+) probunun bağlı olduğu uç ANOT diğer uç KATOT 'dur. Bu noktada diğer bir hususa daha dikkat edilmesi gerekir: Bazı ölçü aletlerinde pilin negatif ucu, aletin "+" yazılı çıkışına bağlanmaktadır. Bu nedenle, kullanılan ölçü aletinde pilin çıkışa nasıl bağlandığının bilinmesi gerekir. Prensip olarak, ölçü aletinin "+" çıkışındaki kablonun rengi KIRMIZI "-" çıkışındaki kablonun rengi SİYAH 'tır.
DİYODUN SAĞLAMLIK KONTROLÜ Bir diyot şu iki nedenle bozulur: 1) Doğru yönde katalog değerinin üzerinde akım geçirilirse, 2) Ters yönde yine katalog değerinin üzerinde gerilim uygulanırsa. Her iki halde de diyottan geçen aşırı akım diyodun bozulmasına neden olacaktır.
84
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Üzerinden aşırı akım geçen bir diyotta üç durum gözlenebilir: •
•
•
Aşırı akım çok fazla değilse ve kısa dönem akmışsa, hem P, hem de N bölgesindeki kristal atomları arasındaki kovalan bağlar kopmakta ve elektronlar serbest hale geçmektedir. Bu durumda diyot bir iletken haline dönüşmekte ve omaj ölçümü yapıldığında her iki yönde de kısa devre göstermektedir. Aşırı akım çok büyük olursa diyot aynen bir sigorta teli gibi eriyip yanar ve omaj kontrolü yapıldığında her iki yönde de açık devre gösterir. Diğer bir deyimle, sonsuz ( ) gösterir. Yanan bir diyottaki renk değişimi dışarıdan bakıldığında da belli olur.
85
BÖLÜM 6
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
KRİSTAL DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ Nokta temaslı diyot elektronik alanında ilk kullanılan diyottur. 1900-1940 tarihleri arasında özellikle radyo alanında kullanılan galenli ve prit 'li detektörler kristal diyotların ilk örnekleridir. Şekil 3.12 (a) 'da görüldüğü gibi galen veya prit kristali üzerinde gezdirilen ince fosfor-bronz tel ile değişik istasyonlar bulunabiliyordu. Günlük hayatta bunlara, kristal detektör veya diğer adıyla kristal diyot denmiştir. 1940 'tan sonra, Şekil 3.12 (b) 'ye benzeyen nokta temaslı germanyum veya silikon diyotlar geliştirilmiştir. Germanyum veya silikon nokta temaslı diyodun esası; 0.5 mm çapında ve 0.2 mm kalınlığındaki N tipi kristal parçacığı ile "fosfor-bronz" veya "berilyum bakır" bir telin temasını sağlamaktan ibarettir.
Şekil 3.12 - Nokta temaslı diyot
Şekil 3.13 - Nokta temaslı germanyum diyodun karakteristik eğrisi
a) Genel yapısı b) P bölgesinin oluşumu
86
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu tür diyotta, N tipi kristale noktasal olarak büyük bir pozitif gerilim uygulanır. Pozitif gerilim temas noktasındaki bir kısım kovalan bağı kırarak elektronları alır. Böylece, çok küçük çapta bir P tipi kristal ve dolayısıyla da PN diyot oluşur. Bu oluşum şekil 3.12 (b) 'de gösterilmiştir. Bugün nokta temaslı diyotların yerini her ne kadar jonksiyon diyotlar almış ise de, yinede elektrotları arasındaki kapasitenin çok küçük olması nedeniyle yüksek frekanslı devrelerde kullanılma alanları bulunmaktadır. Ters yön dayanma gerilimleri düşük olup dikkatli kullanılması gerekir. Şekil 3.13 'teki karakteristik eğrisinde de görüldüğü gibi Böyle bir diyodun elektrotlar arası kapasitesi 1 pF 'ın altına kadar düşmektedir. Dolayısıyla yüksek frekanslar için diğer diyotlara göre daha uygun olmaktadır. Nokta temaslı diyotların kullanım alanları: Nokta temaslı silikon diyotlar en çok mikro dalga karıştırıcısında, televizyon, video dedeksiyonunda, germanyum diyotlar ise radyofrekans ölçü aletlerinde (voltmetre, dalgametre, rediktör vs...) kullanılır.
ZENER DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ Zener diyot jonksiyon diyodun özel bir tipidir. Zener Diyodunun Özellikleri: • •
• • • •
Doğru polarmalı halde normal bir diyot gibi çalışır (Şekil 3.14). Ters polarmalı halde, belirli bir gerilimden sonra iletime geçer. Bu gerilime zener dizi gerilimi, veya daha kısa olarak zener gerilimi denir (Şekil 3.14-VZ). Ters gerilim kalkınca, zener diyotta normal haline döner. Devrelerde, ters yönde çalışacak şekilde kullanılır. Bir zener diyot zener gerilimi ile anılır. Örn: "30V 'luk zener" denildiğinde, 30V 'luk ters gerilimde çalışmaya başlayan zener diyot demektir.(Şekil 3.14). Silikon yapılıdır.
Zener diyot, ters yön çalışması sırasında oluşacak olan aşırı akımdan dolayı bozulabilir. Bu durumu önlemek için devresine daima seri bir koruyucu direnç bağlanır (Şekil 3.16-RS).
87
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Her zaman zener diyodun kataloğunda şu bilgiler bulunur: • • • • • •
Gücü Ters yön gerilimi(VZ), Maksimum ters yön akımı(IZM), Ters yöndeki maksimum kaçak akımı, Maksimum direnci Sıcaklık sabiti.
Şu limit değerlerde çalışan zener diyotlar üretilmektedir: • • • • •
Maksimum zener akımı (IZM): 12A Zener gerilimi (VZ): 2 - 200V arası Maksimum gücü: 100Watt Maksimum ters yön kaçak akımı: 150µA (mikro amper) Maksimum çalışma sıcaklığı: 175°C.
Çalışma ortamı sıcaklığı arttıkça zener gerilim küçülür. Zener geriliminin ayarı: Zener gerilimin ayarı birleşme yüzeyinin iki tarafında oluşan boşluk bölgesinin (nötr bölge) genişliğinin ayarlanması yoluyla sağlanmaktadır. Bunun içinde çok saf silikon kristal kullanılmakta ve katkı maddesi miktarı değiştirilmektedir. Boşluk bölgesi daraldıkça zener diyot daha küçük ters gerilimde iletime geçmektedir.
88
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Zener gücünün ayarı: Zener gücü, birleşme yüzeyinin büyüklüğüne ve diyodun üretiminde kullanılan silikonun saflık derecesiyle, katkı maddesinin miktarına bağlıdır. Ayrıca diyot ısındıkça gücüde düşeceğinden, soğutulmasıyla ilgili önlemlerin alınması da gerekir. ZENER DİYODUN KULLANIM ALANLARI 1 - Kırpma Devresinde: Şekil 3.15 'de görüldüğü gibi iki zener diyot ters bağlandığında basit ve etkili bir kırpma devresi elde edilir. Örneğin: Devre girişine tepe değeri 10V olan bir AC gerilim uygulansın ve kırpma işlemi için, zener gerilimi 5V olan iki Z1, Z2 zener diyodu kullanılsın.
Şekil 3.15 - İki zener diyotlu tam dalga kırpma devresi AC gerilimin pozitif alternansı başlangıcında Z1 zeneri doğru polarmalı ve iletimde, Z2 zeneri ise ters polarmalı ve kesimde olacaktır. Giriş gerilimi +5V 'a ulaştığında Z2 'de iletime geçer ve dolayısıyla da çıkış uçları arasında +5V oluşur. Keza, R direnci üzerindeki gerilim düşümü de 5V 'tur. AC gerilimin diğer alternansında da Z1 ters polarmalı hale gelir ve bu defa da çıkışta tepesi kırpılmış 5V 'luk negatif alternans oluşur. R direnci, devreden akacak akımın Zener diyotları bozmayacak bir değerde kalmasını sağlayacak ve 5V 'luk gerilim düşümü oluşturacak şekilde seçilmiştir. 2 - Zener Diyodun Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması: Zener diyottan, çoğunlukla, DC devrelerdeki gerilim regülasyonu için yararlanılmaktadır. Buradaki regülasyondan amaç, gerilimin belirli bir değerde sabit tutulmasıdır.
89
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bunun için zener diyot, şekil 3.16 'da görüldüğü gibi, gerilimi sabit tutmak istenen devre veya yük direncine paralel ve ters polarmalı olarak bağlanır. Diyot uçlarına gelen gerilim, zener değerine ulaştığında diyot iletime geçer ve uçları arasındaki gerilim sabit kalır. Örnek: Şekil 3.16 'da verilmiş olan devrede RL yük direnci uçları arasındaki VL gerilimi 6.2V 'ta sabit tutulmak istensin. Bunu sağlamak için, şekilde görüldüğü gibi RL 'e paralel bağlı zener diyodun ve seri bağlı bir RS direncinin seçimi gerekir. Ayrıca, bir de C kondansatörünün paralel bağlanmasında yarar vardır. Bu kondansatör, gerilim dalgalanmalarını ve başka devrelerden gelebilecek parazit gerilimlerini önleyici görev yapar. Değeri, devre geriliminin büyüklüğüne göre, hesaplanır. Şekildeki bir devre için 30V - 1000µF 'lık bir kondansatör uygundur. Burada birinci derecede önemli olan, RS direnci ile zener diyodun seçimidir.
Şekil 3.16 - Zener diyodun gerilim regülatörü olarak kullanılması Seri RS direncinin seçimi: Önce RS direncine karar vermek gerekir; Kaynak gerilimi: E=V=9V Yük direnci ve uçları arasındaki gerilim: RL=33 Ohm, VL=6.2V Bu durumda, zener diyot dikkate alınmadan, VL=6.2V 'u oluşturabilmek için kaç ohm 'luk bir RS direncinin gerektiği hesaplanmalıdır. E=IL*RS+VL
ve IL=VL/RL 'dir.
90
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Birinci formüldeki IL yerine, ikinci formüldeki eşitini yazıp, değerler yerine konulursa : 9=6,2/33*RS+6,2 olur. Buradan RS çözülürse: RS=(9-6,2)33/6,2 'den,
RS=14.9 = 15 (ohm) olarak bulunur.
RS=15 Ohm 'luk direnç bağlandığında, "E" gerilimi 9V 'ta sabit kaldığı sürece RL yük direnci uçları arasında sürekli olarak 6.2V oluşacaktır. "E" geriliminin büyümesi halinde, A-B noktaları arasındaki VA-B gerilimi de 6.2V 'u aşacağından, 6.2V 'luk bir ZENER diyot kullanıldığında, RL uçları arasındaki gerilim sabit kalacaktır. Ancak, yalnızca gerilime göre karar vermek yeterli değildir. Bu durumda nasıl bir zener diyot kullanılmalıdır? Zener diyodun seçimi: Zener gerilimi 6.2V olan bir zener diyot RL direncine paralel bağlandığında VL=6.2V 'ta sabit kalır. Ancak, E giriş geriliminin büyümesi sırasında zener diyottan akacak olan akımın, diyodun dayanabileceği "maksimum ters yön zener akımından" (IZM) büyük olması gerekir. Zener diyot buna göre seçilmelidir. 6.2V 'luk olup ta değişik IZM akımlı olan zener diyotlar vardır. Örneğin: Aşağıdaki tabloda, bir firma tarafından üretilen, 6.2V 'luk zenerlere ait IZM akımı ve güç değerleri verilmiştir. Zener Maksimum akımı (IZM) (mA) Zener Gücü (W)
33
60
146
1460
7300
0.25
0.4
1
10
50
Bu zenerler den hangisinin seçileceğine karar vermeden önce yük direncinden geçecek akımı bilmek gerekir: Şekil 3.16 'daki devrenin yük direncinden geçen akım aşağıdaki gibi olur.
91
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
IL=VL/RL = 6.2/33 = 0.188A = 188mA E geriliminin büyümesi halinde oluşacak devre akımının 188mA 'in üstündeki miktarı zener diyottan akacaktır. Örneğin:,
E geriliminin ulaştığı maksimum gerilim; E = 12.2V olsun. Zener diyottan geçecek olan akımın değeri şu olacaktır: Kirchoff kanununa göre: 12.2 = It*RS+6.2 (It devreden akan toplam akımdır.) RS = 15 yerine konarak It çözülürse; It = 1.22-6.2/15 = 6/15 'den It = 0,4A = 400mA olur. Bu 400mA 'den 188mA 'i RL yük direncinden geçeceğine göre; Zener diyottan geçecek olan IZ akımı: IZ = 400-188 = 212mA 'dir. Bu değer, yukarıdaki tabloya göre: 10W 'lık zenerin maksimum akımı olan 1460mA 'den küçük, 1W 'lık zenerin maksimum akımı olan 146mA 'den büyüktür. Böyle bir durumda 10W 'lık zener kullanılacaktır. Aslında, 212mA 'lik zener için 1460mA 'lik zener kullanmakta doğru değildir. Daha uygun bir zener seçimi için başka üretici listelerine de bakmak gerekir. 3 - Ölçü Aletlerinin Korunmasında Zener Diyot Döner çerçeveli ölçü aletlerinin korunmasında, zener diyot şekil 3.17 'deki gibi paralel bağlanır. Bu halde zener gerilimi, voltmetre skalasının son değerine eşittir. Ölçülen gerilim zener gerilimini aşınca diyot ters yönde iletken hale geçerek ölçü aletinin zarar görmesini engeller. Ayar olanağı sağlamak için birde potansiyometre kullanılabilir.
92
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.17 - Döner çerçeveli ölçü aletinin zener diyot ile korunması 4 - Rölenin Belirli Bir Gerilimde Çalıştırılmasında Zener Diyot Şekil 3.18 'deki gibi zener diyot, röleye seri ve ters yönde bağlanmıştır. Röle, ancak uygulanan gerilimin, Zener gerilimi ile röle üzerinde oluşacak gerilim düşümü toplamını aşmasından sonra çalışmaktadır.
Şekil 3.18 - Ancak zener gerilimi üstünde çalışabilen röle devresi
TÜNEL DİYOT VE KARAKTERİSTİĞİ Tünel diyotlar, özellikle mikro dalga alanında yükselteç ve osilatör olarak yararlanılmak üzere üretilmektedir. Tünel diyoda, esaslarını 1958 'de ilk ortaya koyan Japon Dr. Lee Esaki 'nin adından esinlenerek "Esaki Diyodu" dan denmektedir. Yapısı: P-N birleşme yüzeyi çok ince olup, küçük gerilim uygulamalarında bile çok hızlı ve yoğun bir elektron geçişi sağlanmaktadır. Bu nedenledir ki Tünel Diyot, 10.000 MHz 'e kadar ki çok yüksek frekans devrelerinde en çok yükselteç ve osilatör elemanı olarak kullanılır.
93
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.19 - Tünel diyodun karakteristik eğrisi.
Çalışması: Şekil 3.19 'da da görüldüğü gibi, tünel diyoda uygulanan gerilim Vt1 değerine gelinceye kadar gerilim büyüdükçe akım da artıyor. Gerilim büyümeye devam edince, akım A noktasındaki It değerinden düşmeye başlıyor. Gerilim büyümeye devam ettikçe, akım B noktasında bir müddet Iv değerinde sabit kalıp sonra C noktasına doğru artıyor. C noktası gerilimi Vt2, akımı yine It 'dir. Bu akıma "Tepe değeri akımı" denilmektedir. Gerilimi, Vt2 değerinden daha fazla arttırmamak gerekir. Aksi halde geçen akım, It tepe değeri akımını aşacağından diyot bozulacaktır. I=f(V) eğrisinin A-B noktaları arasındaki eğimi negatif olup, -1/R ile ifade edilmekte ve diyodun bu bölgedeki direnci de negatif direnç olmaktadır. Tünel diyot A-B bölgesinde çalıştırılarak negatif direnç özelliğinden yararlanılır. Tünel Diyodun Üstünlükleri: 1) Çok yüksek frekansta çalışabilir. 2) Güç sarfiyatı çok düşüktür. 1mW 'ı geçmemektedir.
94
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Tünel Diyodun Dezavantajları: 1) Stabil değildir. Negatif dirençli olması nedeniyle kontrolü zordur. 2) Arzu edilmeyen işaretlere de kaynaklık yapmaktadır. Tünel Diyodun Kullanım Alanları: 1. Yükselteç Olarak Kullanılması: Tünel diyot, negatif direnci nedeniyle, uygun bir bağlantı devresinde kaynaktan çekilen akımı arttırmakta, dolayısıyla bu akımın harcandığı devredeki gücün yükselmesini sağlamaktadır.
2. Osilatör Olarak Kullanılması: Tünel diyotlardan MHz mertebesinde osilatör olarak yararlanılabilmektedir. Bir tünel diyot ile osilasyon sağlayabilmek için negatif direncinin diğer rezonans elemanlarının pozitif direncinden daha büyük olması gerekir. Tünel diyoda Şekil 3.20 'de görüldüğü gibi seri bir rezonans devresi bağlanabilecektir. Tünel diyodun negatif direnci - R=80 Ohm olsun.
Rezonans devresinin direnci 80 Ohm 'dan küçük ise tünel diyot bu devrenin dengesini bozacağından osilasyon doğacaktır.
3. Tünel Diyodun Anahtar Olarak Kullanılması: Tünel diyodun önemli fonksiyonlarından biri de elektronik beyinlerde multivibratörlerde, gecikmeli osilatörlerde, flip-flop devrelerinde ve benzeri elektronik sistemlerde anahtar görevi görmesidir. Ancak bu gibi yerlerdeki kullanılma durumları daha değişik özellik gösterdiğinden ayrı bir inceleme konusudur.
Şekil 3.20 - Tünel diyot osilatörü
95
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
IŞIK YAYAN DİYOT (LED) Işık yayan diyotlar, doğru yönde gerilim uygulandığı zaman ışıyan, diğer bir deyimle elektriksel enerjiyi ışık enerjisi haline dönüştüren özel katkı maddeli PN diyotlardır. Bu diyotlara, aşağıda yazılmış olduğu gibi, İngilizce adındaki kelimelerin ilk harfleri bir araya getirilerek LED veya SSL denir. LED: Light Emitting Diode (Işık yayan diyot) SSL: Sloid State Lamps (Katkı hal lambası) Sembolü:
Işık yayan diyotlar şu özelliklere sahiptir: • • • • • • • •
Çalışma gerilimi 1.5-2.5V arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.) Çalışma akımı 10-50mA arasındadır. (Kataloğunda belirtilmiştir.) Uzun ömürlüdür. (ortalama 105 saat) Darbeye ve titreşime karşı dayanıklıdır. Kullanılacağı yere göre çubuk şeklinde veya dairesel yapılabilir. Çalışma zamanı çok kısadır. (nanosaniye) Diğer diyotlara göre doğru yöndeki direnci çok daha küçüktür. Işık yayan diyotların gövdeleri tamamen plastikten yapıldığı gibi, ışık çıkan kısmı optik mercek, diğer kısımları metal olarak ta yapılır.
1.IŞIK YAYMA OLAYI NASIL GERÇEKLEŞMEKTEDİR Bilindiği gibi, bir PN diyoda, doğru polarmalı bir besleme kaynağı bağlandığı zaman, N bölgesindeki, gerek serbest haldeki elektronlar, gerekse de kovalan bağlarını koparan elektronlar P bölgesine doğru akın eder. Yine bilinmektedir ki, elektronları atomdan ayırabilmek için, belirli bir enerji verilmesi gerekmektedir. Bu enerjinin miktarı iletkenlerde daha az, yarı iletkenlerde daha büyük olmaktadır. Ve bir elektron bir atomla birleşirken de aldığı enerjiyi geri vermektedir.
96
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu enerji de maddenin yapısına göre ısı ve ışık enerjisi şeklinde etrafa yayılmaktadır. Bir LED 'in üretimi sırasında kullanılan değişik katkı maddesine göre verdiği ışığın rengi değişmektedir. Katkı maddesinin cinsine göre şu ışıklar oluşur: • • • •
GaAs (Galliyum Arsenid): Kırmızı ötesi (görülmeyen ışık) GaAsP (Galliyum Arsenid Fosfat): Kırmızıdan - yeşile kadar (görülür) GaP (Galliyum Fosfat): Kırmızı (görülür) GaP (Nitrojenli): Yeşil ve sarı (görülür)
Şekil 3.21(a) ve (b)' de gerilim uygulanan bir LED devresi ve ışık yayan diyodun tabii büyüklükteki resmi verilmiştir. Diyot kristali, Şekil 3.21(c) 'de görüldüğü gibi iki parçalı yapıldığında uygulanacak gerilimin büyüklüğüne göre kırmızı, yeşil veya sarı renklerden birini vermektedir. Işık yayan diyot ısındıkça, ışık yayma özelliği azalmaktadır. Bu hal Şekil 3.21(d) 'de etkinlik eğrisi olarak gösterilmiştir. Bazı hallerde fazla ısınmayı önlemek için bir soğutucu üzerine monte edilir. Ayrıca LED 'in aşırı ısınmasına yol açmamak için kataloğunda belirtilen akımı aşmamak gerekir. Bunun için Şekil 3.21(b) 'de gösterilmiş olduğu gibi devresine seri olarak bir R direnci konur. Bu direncin büyüklüğü LED 'in dayanma gerilimi ile besleme kaynağı gerilimine göre hesaplanır. Örneğin: Şekil 3.21(b) 'deki devrede verilmiş olduğu gibi, besleme kaynağı 9V 'luk bir pil ve LED 'de 2V ve 50mA 'lik olsun. R direnci: Kirşof kanununa göre: 9=I*R+2 'dir.
I=0.05A olup
R=9-2/0.05 = 7/0.05 = 140 Ohm olarak bulunur. 140 Ohm 'luk standart direnç olmadığından en yakın standart üst direnci olan 150 Ohm 'luk direnç kullanılır.
97
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2. LED İÇİNDEKİ ELEKTRİK-OPTK BAĞLANTILAR Akım-Işık şiddeti bağlantısı: LED diyodunun ışık şiddeti, içinden geçen akım ile doğru orantılı olarak artar.Ancak bu artış; Şekil 3.22 'de görüldüğü gibi akımın belirli bir değerine kadar doğrusaldır. Daha sonra bükülür. Eğer diyoda verilen akım, eşik değeri adı verilen doğrusallığın bozulduğu noktayı aşarsa diyot aşırı ısınarak bozulur. Bu nedenle diyotlar kullanılırken, firmalarınca verilen karakteristik eğrilerine uygun olarak çalıştırılmalıdır.
98
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.22 - Led ışık şiddetinin akıma göre değişimi Sıcaklık-ışık şiddeti bağıntısı: Diyot ısındıkça, akım sabit kaldığı halde, verdiği ışık şiddeti Şekil 3.21(d) 'de görüldüğü gibi küçülür. Bu düşme diyodun cinsine göre şöyle değişir. GaAs diyotta düşme: Her derece için %0,7 AaAsP diyotta düşme: Her derece için %0,8 GaP diyotta düşme: Her derece için %0,3 Normal çalışma şartlarında bu düşmeler o kadar önemli değildir. Ağır çalışma şartlarında ise soğutucu kullanılır veya bazı yan önlemler alınır. Güç-zaman bağıntısı: Işık yayan diyotların gücü zamanla orantılı olarak düşer. Bu güç normal gücünün yarısına düştüğünde diyot artık ömrünü tamamlamıştır. Bir LED diyodun ortalama ömrü 105 saattir. Şekil 3.23 'te, LED diyodun yayım gücünün, normal şartlarda (IF=100mA, T ortam=25°C iken,) zamana göre değişim eğrisi verilmiştir. Bu tip değerlendirmede, gücün düşme miktarı direk güç değeri olarak değil de, normal güce oranı olarak alınmaktadır.
99
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.23 - Led diyodun yayım gücünün zamana karşı değişimi
3. IŞIK YAYAN DİYODUN VERİMİ Işık yayan diyodun verimi; yayılan ışık enerjisinin, diyoda verilen elektrik enerjisine oranıyla bulunur. Diyoda verilen elektrik enerjisinin hepsi ışık enerjisine dönüşmemektedir. Yani harekete geçirilen elektronların hepsi bir pozitif atom ile birleşmemekte, sağa sola çarparak enerjisini ısı enerjisi halinde kaybetmektedir.
4. IŞIK YAYAN DİYOTLARIN KULLANIM ALANLARI Işık yayan diyotların en yaygın kullanılma alanı, dijital ölçü aletleri, dijital ekranlı bilgisayarlar, hesap makinaları ve yazıcı elektronik sistemlerdir. Bu kullanma şeklinde, çoklu ışık yayan diyotlardan yararlanılmaktadır. Bazı hallerde ışık yayan diyotlardan işaret lambası ve ışık kaynağı olarak da yararlanılır. Optoelektronik kuplör de bir LED uygulamasıdır.
5. OPTOELEKTRONİK KUPLÖR Optoelektronik kuplör veya daha kısa deyimle Opto Kuplör ya da Optik Kuplaj Şekil 3.24 'te görüldüğü gibi bir ışık yayan diyot (LED) ile bir fotodiyot veya fototransistörden oluşmaktadır. Bunlar aynı gövdeye monte edilmişlerdir. Gövde plastik olup ışık iletimine uygundur.
100
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Işık yayan diyot genellikle Ga As katkı maddeli olup kızıl ötesi ışık vermektedir. Işık yayan diyodun uçları arasına bir gerilim uygulandığında çıkan ışık ışınları fotodiyot veya fototransistörü etkileyerek çalıştırmaktadır. Böylece bir devreye uygulana bir gerilim ile 2. bir devreye kumanda edilmektedir. Aradaki bağlantı, bir takım tellere gerek kalmaksızın ışık yoluyla kurulmaktadır. Bu nedenle, optoelektronik kuplör edı verilmiştir. Optokuplör bir elektronik röledir. Optokuplörün mekanik röleye göre şu üstünlükleri vardır: • • •
Mekanik parçaları yoktur. İki devre arasında büyük izolasyon vardır. Çalışma hızı çok büyüktür.
Dezavantajları: •
Gücü düşüktür.
Şekil 3.24 - Opto elektronik kuplör. Opto kuplör dere şeması Şekil 3.25 'te görüldüğü gibi çizilir. Burada LED 'in doğru polarmalı, fotodiyodun ise ters polarmalı olduğuna dikkat edilmelidir. R1 ve R2 dirençleri koruyucu dirençlerdir. "K" anahtarı kapatılarak giriş devresi çalıştırıldığında, çıkış devresi de enerjilenerek bir işlem yapar. Örneğin, devreye bir motorun kontaktarü bağlanırsa motor çalışır.
101
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.25 - Opto kuplör ile bir kontaktörün çalıştırılması.
FOTO DİYOT Foto diyot ışık enerjisiyle iletime geçen diyottur. Foto diyotlara polarma geriliminin uygulanışı normal diyotlara göre ters yöndedir. Yani anoduna negatif (-), katoduna pozitif (+) gerilim uygulanır. Sembolü:
Başlıca foto diyotlar şöyle sıralanır: • • •
Germanyum foto diyot Simetrik foto diyot Schockley (4D) foto diyodu
1. GERMANYUM FOTODİYOT Aslı alaşım yoluyla yapılan bir NP jonksiyon diyotudur. Cam veya metal bir koruyucu içerisine konularak iki ucu dışarıya çıkartılır. (Şekil 3.26). Koruyucunun bir tarafı, ışığın jonksiyon üzerinde toplanmasını sağlayacak şekilde bir mercek ile kapatılmıştır.
102
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Diyodun devreye bağlanması sırasında firmasınca uçlarına konulan işarete dikkat etmek gerekir. Hassas yüzeyi çok küçük olduğundan, 1.-3mA 'den daha fazla ters akıma dayanamaz. Aşırı yüklemeyi önlemek için, bir direnç ile koruyucu önlem alınır. Işık şiddeti arttırıldıkça ters yön akımı da artar.
Şekil 3.26 - Germayum Foto diyot
FOTODİYODUN ÇALIŞMA PRENSİBİ: Foto diyot ters polarmalı bağlandığından üzerine ışık gelmediği müddetçe çalışmaz. Bilindiği gibi ters polarma nedeniyle P-N birleşme yüzeyinin iki tarafında "+" ve "-" yükü bulunmayan bir nötr bölge oluşmaktadır. Şekil 3.27 'de görüldüğü gibi birleşme yüzeyine ışık gelince, bu ışığın verdiği enerji ile kovalan bağlarını kıran P bölgesi elektronları, gerilim kaynağının pozitif kutbunun çekme etkisi nedeniyle N bölgesine ve oradan da N bölgesi serbest elektronları ile birlikte kaynağa doğru akmaya başlar. Diğer taraftan, kaynağın negatif kutbundan kopan elektronlar, diyodun P bölgesine doğru akar.,,
103
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.27 - Foto diyodun çalışması a) Yapısal gösterimi b) Sembolik gösterimi
2. SİMETRİK FOTODİYOTLAR Alternatif akım devrelerinde kullanılmak üzere, Şekil 3.28 'de görüldüğü gibi NPN veya PNP yapılı simetrik fotodiyotlar da üretilmektedir.
Şekil 3.28 - Simetrik foto diyot
104
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Işığa Duyarlı Diyotların Kullanım Alanları: Uzaktan kumanda, alarm sistemi, sayma devreleri, yangın ihbar sistemleri, elektronik hesap makineleri, gibi çeşitli konuları kapsamaktadır. Şekil 3.29 'da ışığa duyarlı elemanların, foto elektrik akımının (Iph) ışık şiddetine göre değişimleri verilmiştir.
Şekil 3.29 - Çeşitli ışığa hassas elemanların akımlarının ışık şiddeti ile değişimleri
AYARLANABİLİR KAPASİTELİ DİYOT (VARAKTÖR-VARİKAP) Bir P-N jonksiyon diyoda ters yönde gerilim uygulandığında, temas yüzeyinin iki tarafında bir boşluk (nötr bölge) oluştuğu ve aynen bir kondansatör gibi etki gösterdiği, kondansatörler bölümünde de açıklanmıştı. Varaktör diyotta da P ve N bölgeleri Şekil 3.30 'da görüldüğü gibi kondansatörün plakası görevi yapmaktadır. C = A/d = *Plaka Yüzeyi / Plakalar Arası Açıklık kuralına göre: Küçük ters gerilimlerde "d" boşluk bölgesi dar olduğundan varaktör kapasitesi ("C") büyük olur. Gerilim arttırıldıkça d boşluk bölgesi genişleyeceğinden, "C" de küçülmektedir.
105
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.30 - Ters polarmalı bağlantı
Varaktör değişken kondansatör yerine kullanılabilmekte ve onlara göre hem ucuz olmakta, hem de çok daha az yer kaplamaktadır. Kaçak akımının çok küçük olması nedeniyle varaktör olarak kullanılmaya en uygun diyotlar silikon diyotlardır. Varaktörün Tipik Özellikleri: • • • • •
Koaksiyel cam koruyuculu, mikrojonksiyon varaktör 200GHz 'e kadar görev yapabilmektedir. Kapasitesi 3-100pF arasında değiştirilebilmektedir. 0-100V gerilim altında çalışabilmektedir. Varaktöre uygulana gerilim 0 ile 100V arasında büyütüldüğünde, kapasitesi 10 misli küçülmektedir. Varaktörün eşdeğer devresi Şekil 3.31 'de verilmiştir. Yüksek frekanslarda L selfi birkaç nanohenri (nH), Rs birkaç Ohm olmaktadır.
Şekil 3.31 - Bir varaktörün eşdeğer devresi Şekil 3.32 'de, VT ters yön gerilimine göre "C" kapasitesinin değişim eğrisi verilmiştir.
106
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.32 - Varaktör kapasitesinin ters yön gerilimine göre değişimi.
Varaktörün başlıca kullanım alanları: Ayarlı devrelerin uzaktan kontrolü, TV ve FM alıcı lokal osilatörlerinde otomatik frekans kontrolü ve benzeri devrelerde kullanılır. Telekominikasyonda basit frekans modülatörleri, arama ayar devreleri, frekans çoğaltıcılarda, frekansın 2-3 kat büyütülmesi gibi kullanım alanları vardır.
DİĞER DİYOTLAR MİKRODALGA DİYOTLARI Mikrodalga frekansları; uzay haberleşmesi, kıtalar arası televizyon yayını, radar, tıp, endüstri gibi çok geniş kullanım alanları vardır. Giga Hertz (GHz) mertebesindeki frekanslardır. Mikro dalga diyotlarının ortak özelliği, çok yüksek frekanslarda dahi, yani devre akımının çok hızlı yön değiştirmesi durumunda da bir yönde küçük direnç gösterecek hıza sahip olmasıdır. Mikrodalga bölgelerinde kullanılabilen başlıca diyotlar şunlardır: • • •
Gunn (Gan) diyotları Impatt (Avalanş) diyotları Baritt (Schottky)(Şotki) diyotları
107
TEMEL ELEKTRONİK
• •
Kaya
Ani toparlanmalı diyotlar P-I-N diyotları
GUNN DİYOTLARI İlk defa 1963 'te J.B. Gunn tarafından yapıldığı için bu ad verilmiştir. Gunn diyodu bir osilatör elemanı olarak kullanılmaktadır. Yapısı, N tipi Galliyum arsenid (GaAs) veya İndiyum fosfat (InP) 'den yapılacak ince çubukların kısa kısa kesilmesiyle elde edilir. Gunn diyoda gerilim uygulandığında, gerilimin belirli bir değerinden sonra diyot belirli bir zaman için akım geçirip belirli bir zamanda kesimde kalmaktadır. Böylece bir osilasyon oluşmaktadır. Örnek: 10µm boyundaki bir gunn diyodunun osilasyon periyodu yaklaşık 0,1 nanosaniye tutar. Yani osilasyon frekansı 10GHz 'dir.
IMPATT (AVALANŞ) DİYOT Impatt veya avalanş (çığ) diyotlar Gunn diyotlara göre daha güçlüdürler ve çalışma gerilimi daha büyüktür. Mikrodalga sistemlerinin osilatör ve güç katlarında yararlanılır. 1958 'de Read (Rid) tarafından geliştirilmiştir.Bu nedenle Read diyodu da denir. Şekil 3.33 'te görüldüğü gibi P+ - N - I - N+ veya N+ - P - I - P+ yapıya sahiptir. Ters polarmalı olarak çalışır. Yapımında ana elemanlar olarak Slikon ve Galliyum arsenid (GaAs) kullanılır. Diyot içerisindeki P+ ve N+ tipi kristaller, içerisindeki katkı maddeleri normal haldekinden çok daha fazla olan P,N kristalleridir. "I" tabakası ise iyonlaşmanın olmadığı bir bölgedir. Taşıyıcılar buradan sürüklenerek geçer ve etrafına enerji verirler.
108
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
BARITT (SCHOTTKY) DİYOT Baritt Diyotlar 'da nokta temaslı diyotlar gibi metal ve yarı iletken kristalinin birleştirilmesi ile elde edilmektedir. Ancak bunlar jonksiyon diyot tipindedir. Değme düzeyi (jonksiyon) direnci çok küçük olduğundan doğru yön beslemesinde 0.25V 'ta dahi kolaylıkla ve hızla iletim sağlamaktadır.Ters yöne doğru akan azınlık taşıyıcıları çok az olduğundan ters yön akımı küçüktür. Bu nedenle de gürültü seviyeleri düşük ve verimleri yüksektir. Farklı iki ayrı gruptaki elemandan oluşması nedeniyle baritt diyotların dirençleri (lineer) değildir. Dirençlerin düzgün olmaması nedeniyle daha çok mikrodalga alıcılarında karıştırıcı olarak kullanılır. Ayrıca, modülatör, demodülatör, detektör olarak ta yararlanılır.
ANİ TOPARLANMALI DİYOT Ani toparlanmalı (Step-Recovery) diyotlar varaktör diyotların daha da geliştirilmişlerdir. Varaktör diyotlar ile frekansların iki ve üç kat büyütülmeleri mümkün olabildiği halde, ani toparlanmalı diyotlar ile 4 ve daha fazla katları elde edilebilmektedir.
PİN DİYOT P-I-N diyotları P+-I-N+ yapıya sahip diyotlardır. P+ ve N+ bölgelerinin katkı maddesi oranları yüksek ve I bölgesi büyük dirençlidir. Şekil 3.34 'te P-I-N diyodunun yapısı verilmiştir. Alçak frekanslarda diyot bir P-N doğrultucu gibi çalışır. Frekans yükseldikçe I bölgesi de etkinliğini gösterir. Yüksek frekanslarda I bölgesinin doğru yöndeki direnci küçük ters yöndeki direnci ise büyüktür. Diyodun direnci uygulama yerine göre iki limit arasında sürekli olarak veya kademeli olarak değiştirilebilmektedir. P-I-N diyotlar değişken dirençli eleman olarak, mikrodalga devrelerinde, zayıflatıcı, faz kaydırıcı, modülatör, anahtar, limitör gibi çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır.
109
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Şekil 3.34 - P-İ-N Diyot.
BÜYÜK GÜÇLÜ DİYOTLAR 2W 'ın üzerindeki diyotlar Büyük Güçlü Diyotlar olarak tanımlanır. Bu tür diyotlar, büyük değerli DC akıma ihtiyaç duyulan galvano-plasti, ark kaynakları gibi devrelere ait doğrultucularda kullanılmaktadır. Tablo 3.1 'de belirtilmiş olduğu gibi 1500-4000V arası ters gerilime ve 1000A 'e kadar doğru akımına dayanabilen SİLİKON DİYOTLAR üretilebilmektedir. Şekil 3.35 'te 200A 'lik bir silikon diyot örneği verilmiştir. Bu tür diyotlar aşırı akım nedeniyle fazla ısındığından Şekilde görüldüğü gibi soğutuculara monte edilirler.
110
BÖLÜM 7
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2.1 YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ Tüm elektronik cihazlar çalışmak için bir DC güç kaynağına (DC power supply) gereksinim duyarlar. Bu gerilimi elde etmenin en pratik ve ekonomik yolu şehir şebekesinde bulunan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmektir. Dönüştürme işlemi Doğrultmaç (redresör) olarak adlandırılan cihazlarla gerçekleştirilir. Doğrultmaç veya DC Güç kaynağı (DC power supply) denilen cihazlar, basitten karmaşığa doğru birkaç farklı yöntemle tasarlanabilir. Bu bölümde en temel doğrultmaç işlemi olan yarım dalga doğrultmaç (Half wave rectifier) devresinin yapısını ve çalışmasını inceleyeceğiz. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgilere sahip olacaksınız. • • • •
Temel bir güç kaynağı sistemi Transformatörler ve işlevleri Yarım dalga doğrultmaç devresi Rıpıl faktörü
Temel DC Güç Kaynağı (Power Supply) Bilindiği gibi bütün elektronik cihazlar (radyo, teyp, tv, v.b gibi) çalışmak için bir DC enerjiye gereksinim duyarlar. DC enerji, pratik olarak pil veya akülerden elde edilir. Bu oldukça pahalı bir çözümdür. DC enerji elde etmenin diğer bir alternatifi ise şehir şebekesinden alınan AC gerilimi kullanmaktır. Şebekeden alınan AC formdaki sinüsoydal gerilim, DC gerilime dönüştürülür. Dönüştürme işlemi için DC güç kaynakları kullanılır. Temel bir DC güç kaynağının blok şeması şekil-3.1’de görülmektedir. Sistem; doğrultucu (rectifier), Filtre (filter) ve regülatör (regulator) devrelerinden oluşmaktadır. Sistem girişine uygulanan AC gerilim; sistem çıkışında doğrultulmuş ve DC gerilim olarak alınmaktadır. Transformatör
Doğrultmaç Devresi
Filtre Devresi
Regülatör Devresi
Vgiriş AC
RL
Şekil-1.1 AC Gerilimin DC Gerilime Dönüştürülmesi
111
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Sistem girişine uygulanan AC gerilim (genellikle şehir şebeke gerilimi), önce bir transformatör yardımıyla istenilen gerilim değerine dönüş türülür. Transformatör, dönüştürme işlemiyle birlikte kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtır. Transformatör yardımıyla istenilen bir değere dönüştürülen AC gerilim, doğrultmaç devreleri kullanılarak doğrultulur. Doğrultma işlemi için yarım ve tam dalga doğrultmaç (redresör) devrelerinden yararlanılır. Doğrultulan gerilim, ideal bir DC gerilimden uzaktır ve az da olsa AC bileşenler (rıpıl) içerir. Filtre devreleri tam bir DC gerilim elde etmek ve rıpıl faktörünü minimuma indirmek için kullanılır. İdeal bir DC gerilim elde etmek için kullanılan son kat ise regülatör düzenekleri içerir. Sistemi oluşturan blokları sıra ile inceleyelim. TRANSFORMATÖRLER Transformatörler, kayıpları en az elektrik makineleridir. Transformatör; silisyumlu özel saçtan yapılmış gövde (karkas) üzerine sarılan iletken sargılardan oluşur. Transformatör karkası üzerine genellikle iki ayrı sargı sarılır. Bu sargılara primer ve sekonder adı verilir. Primer giriş, sekonder çıkış sargısı olarak kullanılır. Sargıların sarım sayısı spir olarak adlandırılır. Transformatörün primer sargılarından uygulanan AC gerilim, sekonder sargısından alınır. Şehir şebeke gerilimi genellikle 220Vrms/50Hz’dir. Bu gerilim değerini belirlenen veya istenilen bir AC gerilim değerine dönüştürülmesinde genellikle transformatörler kullanılır. Transformatörlerin sekonder ve primer sargıları arasında fiziksel bir bağlantı olmadığından, kullanıcıyı şehir şebekesinden yalıtırlar. Bu durumda güvenlik için önemli bir avantajdır. Sekonder sargısından alınan AC işaretin, gücü ve gerilim değeri tamamen kullanılan transformatörün sarım sayılarına ve karkas çapına bağıdır. Üreticiler ihtiyaca uygun olarak çok farklı tip ve modelde transformatör üretimi yaparlar. Şekil-3.2’de örnek olarak bazı alçak güçlü transformatörler görülmektedir.
Şekil-3.2 Farklı model ve tipte transformatörler Transformatörlerin primer ve sekonder gerilimleri ve güçleri üzerlerinde etkin değer (rms) olarak belirtilir. Primer sargıları genellikle 220Vrms/50Hz, sekonderler sargıları ise farklı gerilim değerlerinde üretilerek kullanıcıya sunulurlar. Şekil-3.3'de farklı sargılara sahip transformatörlerin sembolleri ve gerilim değerleri gösterilmiştir.
112
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
36V Sekonder 24V Primer Primer Sargısı 220Vrms 50Hz
Sekonder Sargısı
220Vrms 50Hz
12V 220Vrms 50Hz
24V
12Vrms 50Hz
12V
12V 0V
a) Transformatör
b) Orta uçlu Transformatör
c) Çok uçlu Transformatör
Şekil-3.3 Farklı tip ve modelde Transformatör sembolleri ve uç bağlantıları Üç uçlu transformatörler doğrultucu tasarımında tasarruf sağlarlar. Transformatör seçiminde; primer ve sekonder gerilimleri ile birlikte transfomatörün gücüne de dikkat edilmelidir. Güç kaynağında kullanılacak transformatörün toplam gücü; trafo üzerinde ve diğer devre elemanlarında harcanan güç ile yükte harcanan gücün toplamı kadardır. Transformatör her durumda istenen akımı vermelidir. Fakat bir transformatörden uzun süre yüksek akım çekilirse, çekirdeğin doyma bölgesine girme tehlikesi vardır. Bu nedenle transformatör hem harcanacak güce, hem de çıkış akımına göre töleranslı seçilmelidir.
YARIM DALGA DOĞRULTMAÇ Şehir şebekesinden alınan ve bir transformatör yardımıyla değeri istenilen seviyeye ayarlanan AC gerilimi, DC gerilime dönüştürmek için en basit yöntem yarım dalga doğrultmaç devresi kullanmaktır. Tipik bir yarım dalga doğrultmaç devresi şekil-3.4’de verilmiştir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms değere sahip AC gerilim bir transformatör yardımıyla 12Vrms değerine düşürülmüştür.
220Vrms 50Hz
12Vrms 50Hz
Diyot RL
Şekil-3.4 Yarım Dalga Doğrultmaç Devresi Devrenin çalışmasını ayrıntılı olarak incelemek üzere şekil-3.5’den yararlanılacaktır. Yarım dalga doğrultmaç devresine uygulanan giriş işareti sinüsoydaldır ve zamana bağlı olarak yön değiştirmektedir. Devrede kullanılan diyodu ideal bir diyot olarak düşünelim. Giriş işaretinin pozitif alternansında; diyot doğru polarmalanmıştır. Dolayısıyla iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. pozitif alternans yük üzerinde oluşur. Bu durum şekil-3.5.a üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
113
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya Diyot İletimde + -
V Giriş
V Çıkış
+ 0
12Vrms 50Hz
t
RL
0
t
Şekil-3.5.a Giriş işaretinin pozitif alternansında devrenin çalışması Giriş işaretinin frekansına bağlı olarak bir süre sonra diyodun anoduna negatif alternans uygulanacaktır. Dolayısıyla giriş işaretinin negatif alternansında diyot yalıtımdadır. Çünkü ters yönde polarmalanmıştır ve üzerinden akım akmasına izin vermez. Açık devredir. Dolayısı ile çıkış işareti 0V değerinde olur. Bu durum şekil3.5.b üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Diyot kesimde +
V Giriş
V Çıkış
0
t
12Vrms 50Hz
I=0A
RL
0
t
+
Şekil-3.5.b Giriş işaretinin negatif alternansında devrenin çalışması Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışında elde edilen işaretin dalga biçimi şekil3.6’da ayrıntılı olarak verilmiştir. Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaret artık AC bir işaret değildir. Çünkü çıkış işareti, negatif alternansları içermez. Doğrultmaç çıkışından sadece pozitif saykıllar alınmaktadır. Çıkış işareti bu nedenle DC işarete de benzememektedir ve dalgalıdır. Bu durum istenmez. Gerçekte doğrultmaç çıkışından tam bir DC veya DC gerilime yakın bir işaret alınmalıdır.
V VTepe
0
t
Şekil-3.6 Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkış dalga biçimleri Yarım dalga doğrultmaç devresinin çıkışından alınan işaretin DC değeri önemlidir. Bu değeri ölçmek için çıkış yüküne (RL) paralel bir DC voltmetre bağladığımızda şekil3.6’daki işaretin ortalama değerini ölçeriz. Yarım dalga doğrultmaç devresinin girişine uyguladığımız işaret 12Vrms değerine sahipti. Bu işaretin tepe değeri ise;
114
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VTepe = 2 ⋅ 12V ≅ 17V civarındadır. O halde çıkış işaretinin alacağı dalga biçimi ve ortalama değeri şekil-3.7 üzerinde gösterelim. V VTepe Vort =VDC 0
t T
Şekil-3.7 Yarım dalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin ortalama değeri Tam bir periyot için çıkış işaretinin ortalama değeri;
VOrt =
Vt 17V = = 5.4 volt Π 3.14
olarak bulunur. Yukarıda belirtilen değerler gerçekte ideal bir diyot içindir. Pratikte 1N4007 tip kodlu silisyum bir diyot kullandığımızı düşünelim. Bu durumda çıkış işaretinin dalga biçimi ve alacağı değerleri bulalım. VD =0.7v +
VGiriş
V t =17-0.7
+ 0
t
12Vrms 50Hz
RL
V DC=5.19 0
t
Şekil-3.8 Pratik Yarım Dalga doğrultmaç devresi Çıkış işaretinin alacağı tepe değer; VTepe=17V-0.7V=16.3Volt Dolayısı ile çıkışa bağlanacak DC voltmetrede okunacak ortalama değer (veya DC değer);
VOrt =
Vt 16.3V = = 5.19 volt Π 3.14
olarak elde edilir.
115
TEMEL ELEKTRONİK
2.2
Kaya
TAM DALGA DOĞRULTMAÇ Basit ve ekonomik DC güç kaynaklarının yapımında yarımdalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Profesyonel ve kaliteli DC güç kaynaklarının yapımında ise tam dalga doğrultmaç devreleri kullanılır. Tam dalga doğrultmaç devreleri; orta uçlu ve köprü tipi olmak üzere iki ayrı tipte tasarlanabilir. Bu bölümü bitirdiğinizde; aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. • • • •
Yarımdalga doğrultmaç ile tam dalga doğrultmaç arasındaki farklar. Tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin analizi Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin analizi Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinin analizi
Bir önceki bölümde yarım dalga doğrultmaç devresini incelemiştik. Yarım dalga doğrultmaç devresinde şehir şebekesinden alınan sinüsoydal işaretin sadece tek bir alternansında doğrultma işlemi yapılıyor, diğer alternans ise kullanılmıyordu. Dolayısıyla yarımdalga doğrultmacın çıkışından alınan gerilimin ortalama değeri oldukça küçüktür. Bu ekonomik bir çözüm değildir. Tamdalga doğrultmaç devresinde ise doğrultma işlemi, şebekenin her iki alternansında gerçekleştirilir. Dolayısıyla çıkış gerilimi daha büyük değerdedir ve DC’ye daha yakındır. Bu durum şekil-3.9 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. V
Vt 0
t Vgiriş
Vt
YARIMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ
Vçıkış
Vt
t
V
Vt 0
0
t Vgiriş
TAMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ
Vçıkış
0
t
Şekil-3.9 Yarım dalga ve tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış dalga biçimleri Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı DC değer aşağıdaki formül yardımıyla bulunur.
VOrtalama =
2Vt Π
örneğin tamdalga doğrultmaç girişine 17V tepe değerine sahip sinüsoydal bir işaret uygulanmışsa bu durumda çıkış işaretinin alacağı değer;
116
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VOrtalama =
2 ⋅ ( 17V ) = 10.8 volt 3.14
olarak elde edilir. Bu durum bize tamdalga doğrultmaç devresinin daha avantajlı olduğunu kanıtlar. TAMDALGA DOĞRULTMAÇ DEVRESİ Tamdalga doğrultmaç devresi şekil-3.10’da görülmektedir. Bu devre orta uçlu bir transformatör ve 2 diyot kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Transformatörün primer sargılarına uygulanan şebeke gerilimi, transformatörün sekonder sargılarında tekrar elde edilmiştir. Sekenderde elde edilen geriliminin değeri transformatör dönüştürme oranına bağlıdır. Transformatörün sekonder sargısı şekilde görüldüğü gibi üç uçludur ve orta ucu referans olarak alınmıştır. Sekonder sargısının orta ucu referans (şase) olarak alındığında sekonder sargıları üzerinde oluşan gerilimin dalga biçimleri ve yönleri şekil-3.10 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
Vsek/2
D1 Vgiriş
0
0
Vçıkış
t
+
Vsek/2
D2
RL _ 0
t
Şekil-3.10 Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresi Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinin incelenmesi için en iyi yöntem şebeke geriliminin her bir alternansı için devreyi analiz etmektir. Orta uç referans olarak alınırsa, sekonder gerilimi iki ayrı değere (Vsek/2) dönüştürülmüştür. Örneğin; Vgiriş işaretinin pozitif alternansında, transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif bir gerilim oluşacaktır. Bu durumda, D1 diyodu doğru polarmalandırılmış olur. Akım devresini; trafonun üst ucu, D1 diyodu ve RL yük direnci üzerinden transformatörün orta ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde şekil-3.11’de belirtilen yönde pozitif alternans oluşur. Akım yönü ve akımın izlediği yol şekil üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
117
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
D1
-
+ +
iletim
Vgiriş
0
t
+
+ RL
-
Vçıkış 0
t
_
kesim
D2
Şekil-3.11 Pozitif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu Şebekenin negatif alernansında; transformatörün sekonder sargılarında oluşan gerilim düşümü bir önceki durumun tam tersidir. Bu durumda şaseye göre; sekonder sargılarının üst ucunda negatif alternans, alt ucunda ise pozitif alternans oluşur. Bu durum şekil-3.12 üzerinde ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu durumda D2 diyodu iletken, D1 diyodu ise yalıtkandır. Akım devresini trafonun orta ucundan başlayarak D2 üzerinden ve RL yükü üzerinden geçerek tamamlar. Yük üzerinde şekil-3.12’de belirtilen dalga şekli oluşur. Akım yolu ve gerilim düşümleri şekil üzerinde gösterilmiştir.
-
D1
+ kesim
-
Vgiriş
0
t
+
-
+ RL
+
_
+
Vçıkış 0
t
D2
Şekil-3.12 Negatif alternansta devrenin çalışması ve akım yolu Orta uçlu tamdalga doğrultmaç devresinde elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimini tekrar ele alıp inceleyelim. Devrede kullanılan transformatörün sekonder sargılarının 2x12Vrms değere sahip olduğunu kabul edelim. Bu durumda transformatörün sekonder sargılarında elde edilen işaretin tepe değeri; VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 16.9 volt
olur. Devrede kullanılan diyotlar ideal olamaz. Silisyum diyot kullanılacaktır. Bu nedenle diyot üzerinde 0.7V gerilim düşümü meydana gelir. Bu durumda RL yük direnci üzerinde düşen çıkış geriliminin tepe değeri;
118
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya VTepe = 16.9V − 0.7 = 16.2 volt
olacaktır. Çıkışta elde edilen işaretin DC değeri ise devreye bir DC voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer çıkış işaretinin ortalama değeridir ve aşağıdaki formülle bulunur.
VOrtalama =
2(VTepe − VD ) Π
=
2( 16.9 − 0.7 ) = 10.3 volt 3.14
çıkış işaretinin dalga biçimi ve özellikleri şekil-3.13 üzerinde gösterilmiştir.
Şekil-3.13 Çıkış dalga biçiminin analizi
KÖPRÜ TİPİ TAMDALGA DOĞRULTMAÇ Tamdalga doğrultmaç devresi tasarımında diğer bir alternatif ise köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresidir. Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresi 4 adet diyot kullanılarak gerçekleştirilir. Şehir şebekesinden alınan 220Vrms/50Hz değere sahip sinüsoydal gerilim bir transformatör kullanılarak istenilen değere dönüştürülür. Transformatörün sekonderinden alınan gerilim doğrultularak çıkıştaki yük (RL) üzerine aktarılır. Doğrultma işleminin nasıl yapıldığı şekil-3.14 ve şekil-3.15 yardımıyla anlatılacaktır. Şehir şebekesinin pozitif alternansında; transformatörün sekonder sargısının üst ucunda pozitif alternans oluşur. D1 ve D2 diyodu doğru yönde polarmalandığı için akım devresini D1 diyodu, RL yük direnci ve D2 diyodundan geçerek transformatörün alt ucunda tamamlar. RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ve akım yönü şekil-3.14’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
119
TEMEL ELEKTRONİK
+ Vgiriş
Kaya
D3
+
~
-
-
D1
~
+
+
~
RL
D4
D2
Vçıkış _
Şekil-3.14 Pozitif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı Şebekenin negatif alternansında; bu defa transformatörün alt ucuna pozitif alternans oluşacaktır. Bu durumda D3 ve D4 diyotları doğru yönde polarmalanır ve iletime geçerler. Akım devresini; D4 diyodu, RL yük direnci ve D3 diyodu üzerinden geçerek transformatörün üst ucunda tamamlar ve RL yük direnci üzerinde pozitif alternans oluşur. Bu durum ayrıntılı olarak şekil-3.15 üzerinde gösterilmiştir.
Vgiriş
-
D3
D1
~
~
-
+
+ +
+
~
D2
D4
RL
Vçıkış _
Şekil-3.15 Negatif alternansta tamdalga doğrultmaç devresinin davranışı Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin aldığı DC değer hesaplanmalıdır. Örneğin transformatörün sekonder gerilimi 12Vrms (etkin) değere sahip ise bu gerilimin tepe değeri;
VTepe = 2 ⋅ Vrms ⇒ 1.41 ⋅ 12V = 16.9 volt değerine eşit olur. Doğrultma işleminde tek bir alternans için iki adet diyot iletken olduğunda diyotlar üzerinde düşen öngerilimler dikkate alındığında RL yük direnci üzerinde oluşan çıkış gerilimin tepe değeri;
120
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VÇkıkışTe ) = VTepe − (VD1 + VD2 ) VÇııkı ( Tepe ) = 16.9 − ( 0.7 + 0.7 ) = 15.4 volt değerine sahip olur. Bu durum şekil-3.16 üzerinde gösterilmiştir. Tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin alacağı ortalama veya DC değeri ise;
VOrtalama = VDC =
2VÇııkı ( Tepe ) Π
=
2( 15.4 ) = 9.8 volt 3.14
VÇııkı ( Tepe ) = [16 . 9 − 1 . 4 ] = 15 . 4 v
VOrtalama = VDC =
[
2 VÇııkı ( Tepe ) Π
] = 2[15.4] = 9.8 v 3.14
Şekil-3.16 Köprü tipi tamdalga doğrultmaç devresinde çıkış işaretinin analizi
2.3
DOĞRULTMAÇ FİLTRELERİ Yarımdalga ve tamdalga doğrultmaç devrelerinin çıkışlarından alınan doğrultmuş sinyal ideal bir DC sinyalden çok uzaktır. Doğrultucu devrelerin çıkışından alınan bu sinyal, darbelidir ve bir çok ac bileşen barındırır. Şehir şebekesinden elde edilen doğrultulmuş sinyal çeşitli filtre devreleri kullanılarak ideal bir DC gerilim haline dönüştürülebilir. En ideal filtreleme elemanları kondansatör ve bobinlerdir. Bu bölümde bitirdiğinizde aşağıda belirtilen konular hakkında ayrıntılı bilgiler elde edeceksiniz. • • • • •
Filtre işleminin önemi ve amaçlarını, Kondansatör (C) ile gerçekleştirilen kapasitif filtre işlemini Rıpıl gerilimini ve rıpıl faktörünü LC filtre Π ve T tipi filtreler
DC Güç kaynağı tasarımı ve yapımında genellikle 50Hz frekansa sahip şehir şebeke geriliminden yararlanılır. Bu gerilim tamdalga doğrultmaç devreleri yardımıyla doğrultulur. Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim ideal bir DC gerilim olmaktan uzaktır. Çeşitli darbeler barındırır ve 100Hz’lik bir frekansa sahiptir. Bu durum şekil3.17’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
121
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
V 0
V
V t
Tamdalga Doğrultmaç Devresi
0
Filtre Devresi
t
0
t
Şekil-3.17 Doğrultmaç Devrelerinde Filtre işlemi Doğrultmaç çıkışından alınan gerilim, büyük bir dalgalanmaya sahiptir ve tam bir DC gerilimden uzaktır. Filtre çıkışında ise dalgalanma oranı oldukça azaltılmıştır. Elde edilen işaret DC gerilime çok yakındır. Filtre çıkışında küçük de olsa bir takım dalgalanmalar vardır. Bu dalgalanma “Rıpıl” olarak adlandırılır. Kaliteli bir doğrultmaç devresinde rıpıl faktörünün minimum değere düşürülmesi gerekmektedir.
KAPASİTİF FİLTRE Doğrultmaç devrelerinde filtrelemenin önemi ve işlevi hakkında yeterli bilgiye ulaştık. Filtreleme işlemi için genellikle kondansatör veya bobin gibi pasif devre elemanlarından faydalanılır. Doğrultmaç devrelerinde, filtreleme işlemi için en çok kullanılan yöntem kapasitif filtre devresidir. Bu filtre işleminde kondansatörlerden yararlanılır. Kapasitif filtre işleminin nasıl gerçekleştirildiği bir yarım dalga doğrultmaç devresi üzerinde şekil-3.18 yardımıyla ayrıntılı olarak incelenmiştir. Kondansatör ile gerçekleştirilen filtre işlemi şekil-3.18’de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Sisteme enerji verildiğinde önce pozitif alternansın geldiğini varsayalım. Bu anda diyot doğru polarmalandığı için iletkendir. Üzerinden akım akmasına izin verir. Pozitif alternansın ilk yarısı yük üzerinde oluşur. Devredeki kondansatörde aynı anda pozitif alternansın ilk yarı değerine şarj olmuştur. Bu durum şekil-3.18.a üzerinde gösterilmiştir.
+
_
Vt(giriş)
Vt(giriş)-0.7V
+ 0V
+
+
Vgiriş
Vc
-
RL 0V
t0
-
Şekil-3.18.a Pozitif alternansta diyot iletken, kondansatör belirtilen yönde şarj oluyor
122
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya _
+
+
+
Vgiriş
0V
Vc
-
RL 0V
t0
t1
-
Şekil-3.18.b Negatif alternansında diyot yalıtkan, kondansatör RL yükü üzerine deşarj oluyor.
+
_
+ 0V
t0
t1
t2
+
+
Vgiriş
Vc
-
RL 0V t0
t1
t2
-
Şekil-3.18.c Yük üzerinde görülen çıkış işaretinin dalga biçimi Pozitif alternansın ikinci yarısı oluşmaya başladığında diyot yalıtımdadır. Diyot’un katodu anaduna nazaran daha pozitiftir. Çünkü kondansatör giriş geriliminin tepe değerine şarj olmuştur. Kondansatör şarj gerilimini şekil-3.18.b’de belirtildiği gibi yük üzerine boşaltır. Şebekeden negatif alternans geldiğinde ise diyot ters polarma olduğu için yalıtımdadır. Kondansatörün deşarjı şehir şebekesinin negatif alternansı boyunca devam eder. Şebekenin pozitif alternansı tekrar geldiğinde bir önceki adımda anlatılan işlemler devam eder. Sonuçta çıkış yükü üzerinde oluşan işaret DC’ye oldukça yakındır. Çıkış işaretindeki dalgalanmaya “rıpıl” denildiğini belirtmiştik. DC güç kaynaklarında rıpıl faktörünün minimum düzeyde olması istenir. Bu amaçla filtreleme işlemi iyi yapılmalıdır. Kondansatörle yapılan filtrreleme işleminde kondansatörün kapasitesi büyük önem taşır. Şekil-3.19’de filtreleme kondansatörünün çıkış işaretine etkisi ayrıntılı olarak gösterilmiştir.
123
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
0V Büyük kapasiteli C
Küçük kapasiteli C
Şekil-3.19 Filtre kondansatörü değerlerinin çıkış işareti üzerinde etkileri Filtreleme işleminin tamdalga doğrultmaç devresinde daha ideal sonuçlar vereceği açıktır. Şekil-3.20’de ise tamdalga doğrultmaç devresinde gerçekleştirilen kapasitif filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi verilmiştir. rıpıl
rıpıl
Şekil-3.20 Tamdalga doğrultmaç devresinde kapasitif filtreleme işlemi ve rıpıl etkileri Filtreleme işlemi sonunda elde edilen çıkış işaretinin dalga biçimi bir miktar dalgalanma içermektedir. Bu dalgalanmaya rıpıl adı verildiğini daha önce belirtmiştik. Filtrelemenin kalitesini ise “rıpıl faktörü=rp” belirlemektedir. Rıpıl faktörü yüzde olarak ifade edilir. Rıpıl faktörünün hesaplanmasında için şekil-3.21’den yararlanılacaktır. } Vr(t-t)
Şekil-3.21 Tamdalga doğrultmaçta rıpıl faktörünün bulunması
Rııpı Faktörü = rp =
Vr(etkin) VDC
Örnek: Çıkış gerilimi DC 110V olan bir doğrultmaç çıkışında tepeden tepeye dalgalanma mevcuttur. Doğrultmaç devresinin Rıpıl Faktörünü bulunuz.
rp =
Vr(etkin) VDC
⋅ 100 ⇒
rıpıl faktörü %0.32 olarak bulunur.
124
2 ⋅ 0.5 = 0.32 110
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
LC FİLTRE Doğrultmaç devrelerinde rıpıl faktörünü minimuma indirmek için bir diğer alternatif bobin ve kondansatörden oluşan LC filtre devresi kullanmaktır. Şekil-3.22’de LC filtre devresi görülmektedir. Bu filtre devresinde bobinin endüktif reaktansı (XL) ve kondansatörün kapasitif reaktansından (XC) yararlanılarak filtre işlemi gerçekleştirilir.
L
Tamdalga Doğrultmaç
AC Giriş
LC Filtre
C
RL
Şekil-3.22 Tamdalga doğrultmaç devresinde LC filtre
Π VE T TİPİ FİLTRE LC tipi filtre devreleri geliştirilerek çok daha kaliteli filtre devreleri oluşturulmuştur. Π ve T tipi filtreler bu uygulamalara iyi bir örnektir. Rıpıl faktörünün minimuma indirilmesi gereken çok kaliteli doğrultmaç çıkışlarında bu tip filtreler kullanılabilir. Şekil-3.23’de Π ve T tipi filtre devreleri verilmiştir.
L
V giriş
Vçıkış
C1
V giriş
C2
L1
L2
Vçıkış
C1
U - tipi filtre
T - tipi filtre
Şekil-3.23 π ve T tipi filtre devreleri GERİLİM REGÜLASYONU Doğrultmaç devrelerinden elde edilen çıkış geriliminin her koşulda sabit olması ve dış etkenlerden bağımsız olması istenir.
125
BÖLÜM 8
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
GÜÇ KAYNAKLARI Güç kaynağı, genel tanımıyla, bir enerji üreticisidir. Bu enerji elektrik enerjisi olduğu gibi, mekanik, ısı ve ışık enerjisi şeklinde de olabilir. Konumuz elektronik olduğu için biz elektronik devreler için gerekli güç kaynağı olan DOĞRULTUCULAR incelenecektir. Doğrultucu nedir? AC gerilimi DC gerilime çeviren güç kaynaklarıdır. Elektronikte kullanılan doğrultucuların yararlandığı .ac gerilim, şehir şebekesinden alınan 220 Volt 'luk gerilimdir. Bu gerilim Şekil 1.5 'de görüldüğü gibi sinüzoidal olarak değişir. İyi bir doğrultucudan beklenen, AC geriliminden, hiç dalgalanması olmayan ve istenilen değerde bir DC gerilim oluşturmaktır. Buradaki "+" ve "-" değerlendirilmesi kaynağın toprağa bağlanan ucu ile yapılmaktadır. Kaynağın (-) ucu toprağa (şaseye) bağlanırsa,besleme gerilimi (+) pozitif olarak kullanılır. Veya bunun tersi olur. Genellikle "-" negatif uç toprağa bağlanır.
DOĞRULTUCULARIN YAPISI: Komple bir doğrultucu Şekil 1.5 'de gösterildiği gibi şu dört ana bölümden oluşmaktadır: • • • •
Transformatör: 220V ihtiyaç duyulan AC gerilime dönüştürülmesini sağlar. Doğrultma Devresi: AC gerilimi DC gerilime çeviren devredir. Bu DC gerilim, sinüzoidal değişimin tek yönlü halidir. Yani dalgalıdır. Filtre Devresi: Dalgalanması mümkün olduğunca az DC gerilim oluşumunu sağlar. Regülatör Devresi: Tam doğrultulmuş DC gerilim oluşumunu sağlar.
126
TEMEL ELEKTRONİK
Transformatör
Kaya
Doğrultmaç Devresi
Filtre Devresi
Vgiriş AC
Regülatör Devresi
RL
Şekil 5.1 - Doğrultucunun bölümleri
TRANSFORMATÖRLER Transformatörler gerek elektrik alanında olsun, gerekse de elektronik alanında olsun çok kullanılan elemanlardır. Burada elektronik alanında kullanılan transformatörlerin, yapıları çalışma prensibi ve hesaplama yönteminden özet olarak bahsedeceğiz.. Transformatörlerin elektronik alanındaki başlıca kullanım yerleri şöyle sıralanabilir: • • • •
Kuplaj için Yükselteçlerde hoparlör çıkışı için Empedans uygunluğunun sağlanması için Güç kaynaklarında değişik gerilimler elde etmek için
TRANSFORMATÖRLERİN YAPISI VE ÇEŞİTLERİ Yukarıda sıralanan elektronik devrelerde transformatör yalnızca monofaze olarak kullanılır. Monofaze transformatörde, daha sonra açıklanacağı gibi, ortada, saclar ile oluşturulan bir nüve (çekirdek) ve bunun üzerinde primer ve seconder sargıları vardır. Ayrıca, elektrik devrelerinde kullanılan trifaze ve çok fazlı transformatörlerde vardır.
127
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Monofaze transformatör nedir? Monofaze transformatör tek fazda çalışan transformatördür. Örneğin, Monofaze transformatörden 220V 'u istenilen gerilime çevirmek için yararlanılır. "Mono" nun kelime anlamı da "Tek" demektir. Normal olarak şehir elektrik şebekesi üç fazlıdır. Fazlar, R, Ş, T olarak adlandırılır. Bu üç fazın her biri ile toprak arası 220V 'tur. Küçük işyerleri ve evlerde genelde tek faz kullanılır. Elektronikte de tek faz kullanılır.
ÇALIŞMA PRENSİBİ ÇİFT SARGILI TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ Şekil 5.6 'da görüldüğü ve yukarıda da açıklandığı gibi monofaze bir transformatörde genellikle iki giriş ucu ve iki de çıkış ucu mevcuttur. Bu uçlar giriş ve çıkış sargılarından alınmaktadır. İhtiyaca göre çıkış sargısı yine şekilde görüldüğü gibi birden fazlada olabilir. Bu sargılar teknik dilde aşağıdaki gibi adlandırılır: • •
Giriş sargısı: (Primer sargı) Çıkış sargısı: (Sekonder sargı)
Primer sargıya bir AC gerilim uygulandığında, sekonder sargı uçlarından da yine AC gerilimi alınır.
GERİLİM İLE SARIM SAYISI BAĞINTISI Primer ve sekonder sargılardaki gerilim değerleri, sargıların sarım sayılarıyla orantılıdır. Günlük hayatta, AC devrelerde ölçüm için kullanılan normal ölçü aletleri efektif değerleri ölçtüğü için, hesaplamalarda da genel olarak efektif değerler kullanılır. Transformatördeki efektif değerler gösterilirken, özellikle gerilimler için değişik semboller kullanılmıştır.
128
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
1. Bazı yayınlarda; Transformatöre uygulanan gerilim: U1 veya UP Transformatörün primer sargısında endüklenen gerilim: E1 Transformatör sekonderin den alınan gerilim: U2 vaye US Transformatörün sekonderin de endüklenen gerilim: E2 Transformatör kayıpsız kabul edilirse; U1=E1 ; U2=E2 'dir. Kayıplar dikkate alınırsa; U1=E1+kayıp gerilimi, U2=E2+kayıp gerilimi 'dir. 2. Diğer bazı yayınlarda da, bütün gerilimler V ile gösterilmekte ve nereye ait gerilim ise onu belirten indis kullanılmaktadır. Örneğin, Transformatör primer gerilimi VP, sekonder gerilimi VS, yük direncindeki gerilim düşümü VL ile gösterilmektedir.
Burada kullanılan semboller: Primer taraf için; Primer Primer sarım Primer Primer gücü:
gerilimi: VP sayısı: NP akımı IP PP
Sekonder taraf için; Sekonder Sekonder sarım Sekonder Sekonder gücü:
gerilimi: VS sayısı: NS akımı: IS PS
Bir transformatörde gerilim değerleri ile sarım sayıları arasında şu bağıntı vardır: VP/VS = NP/NS NP/NS = n değerine TRANSFORMASYON (Dönüştürme) ORANI denir.
PRİMER SEKONDER GÜÇ BAĞINTISI Teorik olarak bir transformatörün girişine hangi güç verilirse, çıkışından da aynı güç alınır. Giriş gücü PP ve çıkış gücü ise PS ise
=>
PP=PS 'dir...
Ancak, transformatörün saclarındaki fuko akımından, histerisiz olayından ve sargıların endüktif reaktansından (XL) dolayı , giriş enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşerek kaybolur.
129
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Kayıp nedenleri: Fuko akımları: Sacların içerisinde oluşan ve dairesel olarak dolaşan akımdır. Histeresiz olayı: Sacların mıknatıslanması olayıdır. Endüktif reaktans (XL): Sargı tellerinin Ac direncidir. Aslında, Ps çıkış gücü, PP giriş gücüne göre biraz küçüktür (Ps
GÜÇ – GERİLİM VE AKIM BAĞINTISI Transformatörlere uygulanan gerilim; Vp=Vpm Sinωt şeklinde sinüzoidal olarak değişen bir gerilimdir. Bu gerilim, primer sargıdan akıtacağı akım ile, sekonder sargıda oluşturacağı gerilim ve akımda yine sinüzoidal olarak değişir. Ancak, hesaplamalar efektif değerler üzerinden yapıldığından, güç bağıntıları şöyle yazılır: Pp = Ip . Vp
ve
Ps = Is . Vs
Bu bağıntıda, birimler şöyledir: V: Volt, I: Amper, P: Watt Pp=Ps kabul edildiğinden, Ip.Vp=Is,Vs yazılabilir. Buradan da şu sonuç çıkar: Vp/Vs = Is/Ip
SARGI EMPEDANSLARI İLE GERİLİM VE AKIM BAĞINTILARI Zp: Primer sargı empedansı, Zs: Sekonder sargı empedansı olmak üzere gerilim şöyle ifade edilir: Vp = Ip . Zp
ve
Vs = Is . Zs
Bu değerler yukarıda yerine konulursa aşağıdaki eşitlikler elde edilir: Ip.Zp / Is.Zs = Is/Ip
Buradan,
I2S / I2P = ZP / ZS
olur.
130
veya
IS / IP = √ZP / √ZS
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Bu eşitlikler gerilim cinsinden yazılırsa aşağıdaki gibi olur.. Vp/Vs = Is/Ip idi.
Is/Ip = √ZP / √ZS bulundu. Buradan Vp/Vs = √ZP / √ZS
olur.
Özet olarak yazılırsa transformatör bağıntıları şöyle olacaktır: Pp =Ps
Vp/Vs = Np/Ns = Is/Ip = √ZP / √ZS
NOT: Burada şu iki hususa dikkat etmek gerekir. Yukarıdaki bağıntıda Np/Ns sabit bir değerdir. Diğer oranların da sabit olması gerekir. Is 'nin büyüklüğü transformatörün yük direncine bağlıdır. Yük direnci çok küçük olursa Is tolerans değerinin üzerinde büyür. Bu durumda yukarıdaki oranı sağlamak üzere Ip 'de büyür. Transformatör anormal olarak ısınıp yanabilir. Kullanma sırasında bu duruma dikkat etmek gerekir. Transformatörün, sekonder uçları açık iken de uzun müddet çalıştırılması doğru değildir. Enerji sarfiyatı olmadığından yine ısınır. En ideal çalışma şekli; yük direncinin Zs empedansına eşit olmasıdır.
VERİM: Yukarıda da belirtildiği gibi her transformatörde az veya çok, fuko, histerisiz ve sargı kayıpları vardır. Önceden belirtildiği gibi, küçük güçlü transformatörlerde bu kayıplar pek dikkate alınmaz ve Pp = Ps olarak kabul edilir. Ancak, bu tür kayıpların bilinmesi ve hassas hesaplamalarda dikkate alınması gerekir. Bu durumda transformatörün verimi söz konusu olacaktır. Verim: çıkış gücünün - giriş gücüne oranıdır. Formülü:
η = Ps/Pp
veya %η = (Ps/Pp)*100
Genelde verim: η = %75 - %98
arasında değişir.
131
dür.
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Örnek: Soru: Bir transformatörde giriş gerilimi Vp:220V, çıkış gerilimi Vs:20,V olsun (Bu değerler efektif değerlerdir). Transformatörün verimi %98 ve çıkış akımı Is:2A olduğuna göre, primer akımı nedir? Çözüm: Giriş akımı sorulduğuna göre önce giriş akımını verecek bağıntıyıdüşünmek gerekir. Problemin veriliş tarzından, verim ve dolayısıylada da güç bağıntısı yoluyla çözüme gidileceği anlaşılmaktadır. Primer gücü: Pp=Vp*Ip 'dir.
Buradan;
Ip=Pp/Vp olur.
Bu bağıntıda Vp bilinmektedir, Pp 'de bulunursa Ip'yi de bulmak mümkün olur. %η=Ps/Pp*100 idi. Bilinenler yerine konulursa: 98=(Vs.Is/Pp)*100 98=(20*2/Pp)*100 olur. Yukarıdaki bağıntıdan; Pp=20*2*100/98 = 40,8 Watt olarak bulunur. Bu değerler yukarıdaki Ip bağıntısında yerine konulursa aşağıdaki değerler alde edilir. Ip = Pp/Vp = 40,8/220 = 0,185Amper =185 miliAmper olarak bulunur...
OTO TRANSFORMATÖRÜN ÇALIŞMA PRENSİBİ Oto transformatörde giriş ve çıkışa ait, güç gerilim ve empedaslar sarım (tur) sayısına göre belirlenir. Yalnızca akım, yüksüz halde giriş ve çıkış için aynıdır.Ancak, RL gibi bir yük direnci bağlandığında akım, sargı empedansı ile R oranına göre paylaşılır. Girişe ait, güç, gerilim, empedans ve akım değerleri ile sarım sayısı; P1 V1, Z1, I1, N1 olsun.
132
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Aralarında şu bağıntı vardır: P1=V1*I1,
V1=I1*Z1
Bu sarıma düşen güç ve gerilim: Psa = P1/N1 Vsa = V1/N1 Çıkışa ait güç, gerilim, empedans ve boştaki akım: P2, V2, I2 olsun çıkış ucunun alındığı kısım sarım sayısında N2 olsun. Şu bağıntı vardır: P2 = Psa*N2 = (P1/N1)N2, Z2 = Zsa*N2 = (Z1/N1)*N2
V2 = Vsa*N2 = (V1/N1)*N2, Boşta: I2=I1
Çıkışta RL gibi bir yük direnci bağlı iken yük akımı: IL = V2/RL dir. Transformatör sargısından akan akım: I2 = V2/Z2 olur. Girişten çekilen akım: I1 = I2+IL 'dir.. Oto transformatörün avantajları: 1) Tek sargı kullanıldığı için küçük güçlerde daha az yer tutar. 2) Çıkış geriliminin istenildiği gibi ayarlanması olanağı vardır. 3) Daha az ısınır. Oto transformatörün şu iki dezavantajı vardır: 1) Sargının tek sıra olması halinde (Varyakta) çok yer kaplar. 2) Normal bir transformatörde primer ve sekonder sargılar arasına yalıtkan bir bant konarak çıkışa kaçak yapma ihtimali önlendiğinden, çıkış bakımından daha güvenli hale getirilmektedir. Oto transformatörde çıkış uçları, arasında kalan bir sarım koptuğunda giriş uçları arasındaki büyük gerilim çıkışa yansıyacak ve giriş akımının tamamı da çıkıştan devreyi tamamlayacaktır. Böyle bir durumda: • •
Çıkış uçları arasındaki büyük gerilim hayati tehlike yaratabilir. Çıkış devresi de hassas elektronik elemanlar bulunabileceğinden, büyük gerilim ve büyük akım, devre elemanlarına zarar verecektir.
133
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSFORMATÖR HESABI Her elektronikçi ve elektrikçi kendisi transformatör üretmese de, bir transformatörün boyutlarına ve tel kalınlığına baktığı zaman gücü hakkında bir tahminde bulunabilmelidir. Bu bakımdan burada, transformatör hesabıyla ilgili bazı pratik bilgiler verilecektir. Bu bilgiler özellikle, en çok kullanılan ÇİFT SARGILI doğrultucu transformatörü için yararlı olacaktır. Bir transformatörü üretmek veya gücü hakkında tahminde bulunabilmek için şunların bilinmesi gerekir: 1) 2) 3) 4)
Nüve (çekirdek) kesiti Sarım (Spin) sayısı Tel ve Sargı kesiti Nüvenin boyutları
Transformatörü üretirken de; yukarıdaki hesaplanabilmesi için şu ön bilgilere ihtiyaç vardır: • •
karakteristik
değerlerin
Transformatörün gücü. Giriş ve çıkış gerilimleri.
Bu ön bilgiler de kullanılma yerine göre saptanır. Burada örnek olarak, bir doğrultucu transformatörünün pratik yoldan hesaplanması yöntemi anlatılacaktır.
134
BÖLÜM 9
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLER Transistör nedir? Eklem Transistör yarı iletken malzemeden yapılmış elektronik devre elemanıdır. Her nekadar diyodun yapısına benzesede çalışması ve fonksiyonları diyottan çok farklıdır. Transistör iki eklemli üç bölgeli bir devre elemanı olup iki ana çeşittir. • •
NPN PNP
Transistör aşağıda belirtildiği gibi değişik şekillerde tanımlanır: 1) Transistörün kolay anlaşılması bakımından tanımı; Transistörün bir sandöviçe benzetilmesidir, yarı iletken sandöviçi. 2) İkinci bir tanımıda şöyle yapılmaktadır; Transistör, iki elektrodu arasındaki direnci, üçüncü elektroda uygulanan gerilim ile değişen bir devre elemanıdır. 3) Transistörün en çok kullanılan tanımı ise şöyledir; Transistör yan yana birleştirilmiş iki PN diyodundan oluşan bir devre elemanıdır. Birleşme sırasına göre NPN veya PNP tipi transistör oluşur. Transistörün başlıca çeşitleri şunlardır: • •
Yüzey birleşmeli (Jonksiyon) transistör Nokta temaslı transistör
135
TEMEL ELEKTRONİK
• • • • •
Kaya
Unijonksiyon transistör Alan etkili transistör Foto transistör Tetrot (dört uçlu) transistör Koaksiyal transistör
Transistörün kullanım alanları: Transistör yapısal bakımdan, yükselteç olarak çalışma özelliğine sahip bir devre elemanıdır. Elektroniğin her alanında kullanılmaktadır.
Şekil 4.1 – Transistörler
136
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
a) NPN ve PNP transistörlerin yapısal gösterilimi, b) Transistör sembolleri
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLERİN YAPISI Yukarıda belirtilen değişik işlevli bütün transistörlerin esası YÜZEY BİRLEŞMELİ TRANSİSTÖR 'dür. Bu nedenle, yüzey birleşmeli transistörlerin incelenmesi, transistörlerin yapısı, karakteristikleri ve çalışma prensipleri hakkındaki gerekli bilgileri verecektir. Trasistörler, temel yapısı bakımından aşağıda gösterilmiş oduğu gibi; iki gruba ayrılır: NPN
tipi
transistörler
PNP
tipi
transistörler
Yine her iki tip transistörün de N-P-N ve P-N-P bölgeleri şöyle adlandırılır: 1) EMETÖR; "E" ile gösterilir. 2) BAZ; "B" ile gösterilir. 3) KOLLEKTÖR; "C" ile gösterilir. Bölgeler şu özelliklere sahiptir: Emetör bölgesi (Yayıcı): Akım taşıyıcıların harekete başladığı bölge. Baz bölgesi (Taban): Transistörün çalışmasını etkileyen bölge. Kollektör bölgesi (Toplayıcı): Akım taşıyıcıların toplandığı bölge. Bu bölgelere irtibatlandırılan bağlantı iletkenleri de, elektrot, ayak veya bağlantı ucu olarak tanımlanır. Transistör yapısında baz kalınlığının önemi: Akım taşıyıcılarının BAZ bölgesini kolayca geçebilmesi için, baz 'ın mümkün olduğunca ince yapılması gerekir.
137
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NPN VE PNP TİPİ TRANSİSTÖRLERİN POLARILMASI VE ÇALIŞMASI TRANSİSTÖRDE POLARLAMA NEDİR? Transistörün asıl görevi, değişik frekanslardaki AC işaretleri yükseltmektir. Transistörün bu görevi yerine getirebilmesi için, önce Emiter, Beyz ve Collectorün DC gerilim ile beslenmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime POLARMA GERİLİMİ denir. Transistörün polarılması: Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, Emiter, Beyz ve Collectotünün belirli değerdeki ve işaretteki (±), DC gerilim ile beslenmesine transistörün polarılması (kutuplandırılması) denir.
NPN TİPİ TRANSİSTÖRÜN POLARILMASI NPN transistör şu iki diyodun yan yana gelmesi şeklinde düşünülür: • •
"NP" Emiter - Beyz diyodu "PN" Beyz - Collector diyodu
Bir NPN transistörü çalıştırabilmek için, Şekil 4.2 'de görüldüğü gibi, uygulanan polarma gerilimi iki şekilde tanımlanabilir: 1- Diyot bölümlerine göre tanımlama; • •
Emiter - Beyz diyodu, doğru polarılır. Baz - Collector diyodu ise, ters polarılır.
2- Polarma geriliminin, uygulandığına göre; • •
Emiter,
Beyz
ve
Collectorün
kristal
Emiter ve Beyz 'e kristal yapısına uygun polarma gerilimi uygulanır. Collectore ise, kristal yapısının tersi polarma gerilimi uygulanır.
NPN tipi transistörde uygulanan polarma gerilim: • • •
Emiter N tipi kristaldir : Kristal yapıya uygun, negatif (-) gerilim. Beyz P tipi kristaldir : Kristal yapıya uygun, pozitif (+) gerilim. Collector N tipi kristaldir : Kristal yapıya ters, pozitif (+) gerilim.
138
yapısına
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
NOT: 1. Şekil 4.2 'de görüldüğü gibi, beyz 'in polarma gerilimi ile ilgili tipik bir durum var. Beyz 'e VEB kaynağının pozitif kutbu, VCB kaynağının ise, negatif kutbu bağlanmıştır. Bu durumda beyz polarma gerilimi ne olacaktır? Yukarıda belirtildği gibi, Emiter-Beyz diyodu iletimde, olduğu için, VEB kaynağının pozitif kutbu etken olacaktır. Yani Beyz 'in polarma gerilimi, pozitiftir. PNP transistör için de benzer şekilde düşünülür. 2. Transistörün gerek polarma konusu, gerekse de çalışma prensibi açıklanırken, anlatım kolaylığı bakımından iki DC besleme kaynağı kullanılmaktadır. Uygulamada ise, tek besleme kaynağı kullanılmaktadır.
NPN TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI Yukarıda tanımlanmış olduğu gibi polarma gerilimi uygulanmış olan bir NPN transistörde aşağıdaki gelişmeler olur.
1. N BÖLGESİNDEKİ GELİŞMELER Emiter ve collectorü oluşturan N bölgesindeki, çoğunluk taşıyıcılar, elektronlar şu şekilde etkilenir; • • • •
VCB besleme kaynağının pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisinde kalan, gerek emiter, gerekse de collector bölgesi elektronları VCB kaynağına doğru akar. Bu akış IC collector akımını yaratır. Aynı anda VEB kaynağının negatif kutbundan ayrılan elektronlar da emitere geçer.Bu geçiş IE emiter akımını yaratır. P bölgesinden geçemekte olan elektronlardan bir miktarıda VEB besleme kaynağının pozitif kutbunun çekme kuvveti etkisiyle VEB 'ye doğru akar. Bu akış IB beyz akımını yaratır. Son olarkada VCB 'nin negatif kutbundaki elektronlar, VEB 'nin pozitif kutbuna geçiş yaparak akım yolunu tamamlar. Böylece devrede bir akım doğar.
139
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
2. P BÖLGESİNDEKİ GELİŞMELER NPN transistörde beyz P tipi kristaldir. P tipi kristaldeki "+" yükler (oyuklar) şu şekilde aktif rol oynamaktadır: •
•
•
P tipi kristaldeki katkı maddesi atomlarının dış yörüngesinde üç elektron var. Bir elektronu katkı maddesi atomlarına veren Ge ve Si atomları, pozitif elektrik yükü (oyuk) haline gelir ve bunlar çoğunluktadır. Şekil 4.3 'te görüldüğü gibi VEB besleme kaynağının pozitif (+) kutbunun itme kuvveti etkisi ve negatif kutbunun da çekme kuvveti etkisiyle, beyzden emitere doğru bir pozitif elektrik yükü (oyuk) hareketi başlar. Diğer bir ifadeyle, emiterden beyz 'e doğru elektron hareketi başlar. Yine collectorde. Azınlık taşıyıcılar durumunda olan çok az sayıdaki "+" yükler (oyuklar), VCB kaynağının pozitif kutbunun itme kuvveti ve negatif kutbunun çekme kuvveti etkisiyle beyz elektroduna doğru hareket eder. Böylece çok küçük bir,akım doğar. Bu akım, beyz collector diyodunun ters yön (kaçak) akımı olup ihmal edilebilecek kadar küçüktür.
ÖZETLE: Yukarıda açıklanan hususların sonucu olarak, Şekil 4.4 'te özelliği olan elektrik yükleri gösterilmek suretiyle özet bir görüntü verilmiştir. 1. Şekilde büyük ok ile gösterilmiş olduğu gibi, emiter ve collector bölgesindeki elektronların büyük bölümü collector elektroduna doğru ve küçük bir bölümü de yalnızca emiterden beyz elektroduna doğru akmaktadır. Elektron akışı dış devrede de devam eder. Bu akış IE, IB ve IC akımlarını yaratır. IE=IB+IC 'dir.
Bu bağıntı her çeşit devre kuruluşunda ve her transistör için geçerlidir. Ancak IB akımı IC akımı yanında çok küçük kaldığından (IB=0.02 IC), pratik hesaplamalarda IB ihmal edilir.
IE = IC olarak alınır. 2. Katkı maddelerine ait, "+" ve "-" iyonların bir etkinliği olmadığından daire içerisine alınmıştır
140
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
3. Serbest elektronların çok hızlı hareket etmesi nedeniyle NPN transistördeki akım iletimide hızlı olmaktadır. Bu nedenle NPN transistörler yüksek frekanslarda çalışmaya daha uygundur. 4. Ayrıca, Şekil 4.4 'te, bir NPN transistörün, ters yönde bağlı iki NP ve PN diyot şeklinde düşünülebileceği de gösterilmiştir. Böylece, ters bağlı iki diyot devresinden akımın nasıl aktığıda kendiliğinden açıklanmış olmaktadır. Şekil 4.4 - NPN transistörde akım iletimini sağlayan elektronların akış yönleri ve transistörün ters bağlı iki diyot halindeki görüntüsü.
PNP TİPİ TRANSİSTÖRÜN POLARILMASI PNP transistörün, NPN transistöre göre, yapımında olduğu gibi, polarma geriliminde de terslik vardır. Şekil 4.5 'te bir PNP transistöre polarma geriliminin uygulanışı gösterilmiştir. Şekilden de anlaşıldığı gibi, PNP transistörde de, NPN 'de olduğu gibi polarma geriliminin yönleri iki şekilde tanımlanır: 1 - Diyot bölümlerine göre tanımlama • •
Emiter - Beyz diyodu, doğru polarılır. Collector - Beyz diyodu, ters polarılır.
2 - Polarma geriliminin kristal yapıya uygunluğuna göre tanımlama: • • •
Emiter P tipi kristaldir: Kristal yapısına uygun, pozitif (+) gerilim uygulanır. Beyz N tipi kristaldir: Kristal yapısına uygun, negatif (-) gerilim uygulanır. Collector P tipi kristaldir: Kristal yapısına ters, negatif (-) gerilim uygulanır.
Polarma durumuna göre devreden akan akımların yönü Daima IE=IB+IC 'dir.
141
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
PNP TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI PNP transistörde, NPN transistördeki elektron yerine, pozitif elektrik yükleri (oyuklar), ve pozitif elektrik yükleri yerine de elektronlar geçmektedir. PNP transistördeki akım iletimi pozitif elektrik yükleri ile açıklanmaktadır. PNP transistörün çalışması şu şekilde olmaktadır: •
VEB besleme kaynağının pozitif kutbunun itme, negatif kutbunun çekme kuvveti etkisiyle, emiterdeki pozitif elektrik yükleri (oyuklar) atomdan atoma yer değiştirerek bayze doğru akar.
•
Bu hareketlenme sırasında pozitif elektrik yükleri (oyuklar) collectore bağlı VCB besleme kaynağının negatif kutbunun çekme kuvveti etkisi altında kalır. VCB gerilimi VEB 'ye göre daima daha büyük seçildiğinden; pozitif elektrik yüklerinin (oyukların) %98 - %99 gibi büyük bir bölümü collector elektroduna doğru, %1 - %2 gibi küçük bir bölümü de beyz elektroduna doğru akım iletimi sağlar.
Bu arada, bir miktar pozitif elektrik yükü de, beyzdeki serbest elektronlar ile birleşerek nötr hale gelir. •
Aynı zamanda collector bölgesindeki azınlık taşıyıcılar durumunda bulunan az sayıdaki elektronlar da VCB 'nin etkisiyle beyz elektroduna doğru hareket eder. Bu hareket, ters yön (kaçak) akımını yaratır.
Dış devredeki gelişmeler: Şekilde gösterildiği gibi, emiterden VEB besleme kaynağının "+" kutbuna ve oradan da beyz'e ve VCB besleme kaynağının üzerinden collectore, elektron akışı başlar. Kağıt üzerinde gösterilen akım yönü de, yine şekildeki gibi, besleme kaynağının "+" kutbundan "-" kutbuna doğru olmaktadır. ÖZETLE: Bir PNP transistördeki akım iletimi, pozitif elektrik yükleri (oyuklar) ile sağlanmaktadır.
142
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM VE GERİLİM YÖNLERİ AKIM YÖNLERİ: NPN Transistörde akım yönleri: a) Emiterde; Transistörden dış devreye doğru, yani emiterdeki ok yönündedir. b) Beyz ve Collectorde; Dış devreden transistöre doğrudur.
PNP Transistörde akım yönleri: a) Emiterde; Dış devreden transistöre doğrudur, yani okun gösterdiği yöndedir. b) Beyz ve Collectorde; Transistörden dış devreye doğrudur.
GERİLİM YÖNLERİ: Burada gerilim yönünden amaç, polarma geriliminin "+" veya "-" oluşudur. NPN Transistörde gerilim yönleri: a) Emitere: Negatif (-) gerilim uygulanır. b) Beyze: Pozitif (+) gerilim uygulanır. c) Collectore: Pozitif (+) gerilim uygulanır.
PNP Transistörde gerilim yönleri: a) Emitere: Pozitif (+) gerilim uygulanır. b) Beyze: Negatif (-) gerilim uygulanır. c) Collectore: Negatif (-) gerilim uygulanır.
NOT: Uluslararası kabule göre, bir iletkendeki elektron akış yönü ile akım yönü birbirine göre terstir. Uluslararası elektroteknik kuruluşu (IEC) tarafından yapılan kabule göre; Elektrik ve Elektronik devrelerindeki AKIM YÖNÜ, besleme kaynağının pozitif kutbundan (+), Negatif kutbuna (-) doğru olan yöndür. Diyot sembollerindeki ve transistörlerin emiterindeki akım yönünü gösteren oklar da "+" dan "-" 'y doğrudur. Elektron yönü sadece teorik açıklamalar sırasında gösterilmektedir. Kirchoff kanununa göre , yapılan devre hesaplamalarında "+" ve "-" akım yönlerinin gösterilmesi gerekebilir. Bura da, besleme kaynağının pozitif kutbundan negatif kutbuna doğru olan yön, "+" akım yönü, bunun tersi olan yön ise "-" akım yönü olarak gösterilir.
143
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRLERİN MULTİMETRE İLE SAĞLAMLIK KONTROLÜ Transistörlerin ayrıntılı kontrolü transistörmetrelerle yapılır. Transistörmetreler daha çok labaratuvarlarda kullanılır. Bir transistörün en kolay kontrol şekli multimetre ile yapılır, Ancak, bu halde transistöre herhangi bir zarar verilmemesi için multimetrenin içinde bulunan pilin 1.5V 'dan büyük olmamasına veya devreden akacak akımın 1 mA 'den fazla olmamasına dikkat edilmelidir. Transistör devrede iken ölçüm yapılmaz. PNP ve NPN tipi transistörlerin multimetre ile kontrolü sırasında uçların tutuluş şekilleri gösterilmiştir. Tablo 4.1 'de ise, yapılacak kontrolün esasları ve multimetrede aşağı yukarı okunması gereken değerler verilmiştir. Tablo 4.1 'e uygun olarak yapılan kontrollerede, direncin büyük okunması gerekirken küçük okunuyorsa veya küçük olması gerekirken büyük değerlerle karşılaşıyorsanız transistör bozuk demektir. Ölçmelerde, multimetrenin içerisindeki pil vasıtası ile büyük dirençlerin okunması sırasında ters polarma, küçük dirençlerin okunması sırasında doğru polarma uygulaması yapılmaktadır. 1.5V 'luk multimetre ile yapılan kontrol sırasında transistörden akacak akım kısa bir müddet için 1mA 'i geçmeyeceğinden, günlük hayata girmiş transistörlerde herhangi bir bozukluğa yol açmayacaktır. Fakat, yayılım yoluyla yapılan alaşım transistörleri gibi hassas transistörlerin kontrolü sırasında, emniyet tedbiri olarak VCE collector geriliminin sıfırdan başlayarak gerekli gerilime kadar ayarlanması tavsiye edilmektedir. Bu bakımdan böyle transistörlerin transistörmetre ile kontrolü uygun olmaktadır veya 100-200 ohm 'luk seri direnç kullanılır.
TRANSİSTÖRLERDE YÜKSELTME İŞLEMİNİN GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Transistörler yapısı gereği, akım yükseltme özelliğine sahiptir. Uygun, bir devre dizaynıyla gerilim ve güç yükseltmesi de yapar. Tabi bu işlemlerde de asıl olan akımdır. Bu nedenle, önce akımın nasıl yükseltildiğinin bilinmesi gerekir..... Transistör yükseltme işlemi nasıl yapılmaktadır? Örnek olarak şekil 4.9 'da görüldüğü gibi bir NPN tipi transistör alınmıştır. Transis törün çalışabilmesi için elektrotlarına, şu gerilimler uygulnıyor:
144
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Emiter: (-)gerilim, Beyz: (+)gerilim, Collectore: (+)gerilim.
Şekil 4.9 - Emiteri ortak yükselteç a) Jonksiyonel bağlantı devresi b) Sembolik bağlantı devresi
Şekil 4.9 'da, emiter ucu giriş ve çıkış devrelerinde ortak olduğu için, bu yükselteç "Emiteri ortak bağlantılı yükselteç" olarak taımlanır. En çok kullanılan yükselteç şeklidir. Transistörün bu şekilde çıkışında bir yük direnci bulunmadan çalıştırılmasına kısa devrede çalışma denmektedir. YÜKSELTME İŞLEMİNİN SAĞLANMASI: 1) Transistör içerisinde emiterden beyz ve collectöre doğru bir elektron akışı vardır.. 2) Elektronların küçük bir kısmı da Vbe kaynağının oluşturduğu giriş devresi üzerinden, büyük bir kısmıda Vce kaynağının oluşturduğu çıkış devresi üzerinden devresini tamamlar... 3) Giriş ve çıkışta dolaşan elektronların miktarı, trans. büyüklüğüne bağlı olduğu gibi, Vbe ve Vce kaynak gerilimlerinin büyüklüğüede bağlıdır. 4) Emiterdeki elektronları harekete geçirmek için "Silisyum" transistörde en az 0.6V, "Germanyum" transistörde ise 0.2V olması gerekir. 5) Elektroları çekebilmesi için Vce gerilimi Vbe 'ye göre oldukça büyük seçilir. 6) Giriş devresinden dolaşan elektronlar "Ib" beyz akımını, çıkış devresinden dolaşan elektronlarda "Ic" collectör akımını oluşturur. 7) Buradaki Ib ve Ic akımları DC akımlardır... Eğer girişe AC gerilim uygulanırsa, ve Ic 'de AC olarak değişir. 8) Ib ve Ic akımları devrelerini tamamlarken emiter elektrodu üzerinde birleştiğinden Ie akımı, Ib ve Ic 'nin toplamı olur............
145
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Herzaman geçerli kural: IE=IB+IC Sonuçta: Ib akımı giriş akımı, Ic akımı da çıkış akımı olarak değerlendirilirse, Ib gibi küçük değerli bir akımdan, Ic gibi büyük değerli bir akıma ulaşılmaktadır......... Bu olay "Transistörün akım yükselteci olarak çalıştığını göstermektedir." Emiteri ortak bağlantıda akım kazancı formülü: ß=IC/IB 'dir...Beta:(ß) IB ve IC akımları değişse de, ß(Beta) akım kazancı sabit kalmaktadır. Akım kazancı nasıl oluyorda sabit kalıyor? Şekil 4.9 'a göre; VBE gerilimi büyütüldüğünde; iki aşamalı şu gelişmeler olmaktadır: 1) Emiter - Beyz diyodu daha büyük bir gerilim ile polarılmış olduğundan, daha çok elektron harekete geçer. Bu elektronların, Beyz girişi üzerinden devre tamamlayan miktarı da artacağından IB akımı büyür. 2) Diğer taraftan, büyük hareketlilik kazanan emiter elektronları, mevcut olan VCE çekme kuvveti etkisiyle beyz 'i daha çok sayıda geçerek collectore ulaşır. Böylece daha büyük IC akımı oluşur. IB ve IC deki artış aynı oranda olmaktadır. Dolayısıyla da, ß=IC/IB değeri sabit kalmaktadır. VBE küçültüldüğünde de IB ve IC aynı oranda küçüldüğünden, ß (Beta) yine sabit kalır. Görüldüğü gibi, gerek IB, gerekse de IC akımının büyüyüp küçülmesinde yalnızca VBE giriş gerilimi etkin olmaktadır... VCE besleme kaynağının akım kazancına etkisi nedir? VCE gerilimi büyütüldüğünde, devreden akan elektron miktarında, diğer bir deyimle IC akımında, önemli bir artış olmamaktadır. Nedeni; VCE gerilimi, esas olarak, VBE geriliminin emiterde hareketlendirdiği elektronları çekmektedir. Emiterde ne kadar çok elektron hareketlenmişse, VCE 'de o kadar çok elekrtron çekmektedir. Bunlara collectordeki belirli sayıdaki elektronlarda eklenmektedir. Ancak, collectorde daha az katkı maddesi kullanıldığından açığa çıkan elektron sayısı da daha azdır. Bunlarda IC akımını fazla etkileyememektedir. VCE 'nin büyütülmesi, çekilen elektron sayısını çok az artırabilmektedir.
146
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Ancak, VCE 'nin, transistör kataloğunda verilen değeri de geçmemesi gerekir. VCE 'nin belirli bir değeri geçmesi halinde, ters polarmalı durumunda olan, Beyzcollector diyodu delineceğinden, transistör yanar.
TRANSİSTÖRÜN, IC, VCE VE RCE İLE İLGİLİ TANIMI: Bu tanımlama, IC, VCE VE RCE arasındaki bağıntıyı açıklayan, diğer bir deyimle, transistörün yükseltici sırrını ortaya koyan bir tanımlamadır. Transistör, iki elektrodu arasındaki direnci, üçüncü elektroduna uygulanan gerilim ile değiştirilebilen üç elektrotlu bir devre elemanıdır. Şöyleki; Ohm kanununa göre, çıkış devresinde şu bağıntı yazılabilecektir: VCE=IC*RCE VCE belirli bir değer de sabit tutulduğu halde, VBE ve dolayısıyla da IB değişince IC 'de değiştiğinden, yukarıdaki bağıntıya göre, RCE direnci de değişir. Burada: Transistörün iki elektrodu arasındaki direnç: RCE 'dir. Üçüncü elektroda uygulanan gerilim ise: VBE 'dir. Teorik hesaplamalarda: IC maksimum değerine ulaşınca, RCE=0 olduğu kabul edilir. RCE=0 olunca, VCE 'de "0" olur. Benzer durum giriş direncinde de olmaktadır: Diyot karakteristik eğrisinden de bilindiği gibi, VBE 'nin biraz büyütülmesi halinda IB akımı çok çabuk büyümektedir. Buradan şu sonuç çıkmaktadır: VBE giriş gerilimi büyütülünce; RBE giriş direnci küçülür. Özet olarak: Giriş gerilimi büyüdükçe, hem giriş direnci hem de çıkış direnci küçülür.
147
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM KAZANCININ BULUNMASI Akım kazancı, yükselteç olarak çalışmakta olan bir transistörün, çıkışındaki akımın girişindeki akıma oranıdır. Şekil 4.10 'da görüldüğü gibi, yükselteçlerin üç bağlantı şekli vardır. Bu bağlantı şekillerindeki akım kazançları şöyle ifade edilir: 1. Emiteri ortak bağlantı. Akım kazancı 2. Beyzi ortak bağlantı. Akım kazancı 3. Collectorü ortak bağlantı. Akım kazancı
BETA, ß=IC/IB ALFA, =IC/IE GAMA, =IE/IB
Şekil 4.10 - Transistördeki üç bağlantı halinde bağlantı uçlarının durumu.
148
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
AKIM KAZANÇLARININ DÖNÜŞTÜRÜLMESİ Her üç bağlantı şeklinde de akımlar arasında şu bağlantı vardır: IE=IC+IB veya IC=IE-IB Bu bağlantı ile yukarıdaki bağıntılardan yararlanılarak, dönüştürülür. •
birbirlerine
= ß/ß+1 olur...
ß 'nın cinsinden yazılması:
Yukarıdaki " , ß" bağıntısından, •
ß = /1-
olur...
'nın cinsinden yazılması:
= IC/IE = IE-IB/IE = 1-IB/IE = 1-1/ = -1/ 'dan •
= -1/
olur...
'nın cinsinden yazılması:
Yukarıdaki " , " bağıntısından, •
ß,
'nın ß cinsinden yazılması:
1/ = IE/IC = IC+IB/IC = 1+IB/IC = 1+1/ß 'dan •
,
= 1/1-
olur...
ß 'nın cinsinden yazılması:
ß = IC/IB = IE-IB/IB = IE/IB-1 = -1 'den •
ß = -1
olur...
'nın ß cinsinden yazılması:
Yukarıdaki "ß, " bağıntısından
= ß+1
olur...
Özet bir tablo yapılırsa dönüşümler şöyle sıralanır: =ß/ß+1
= -1/
ß= /1-
ß= -1
=1/1-
=ß+1
TRANSİSTÖRÜN DÖRT BÖLGE KARAKTERİSTİĞİ Dört bölge karakteristiklerinde, DC 'de ve yüksüz olarak çalıştırılan transistörün giriş ve çıkış akımları ile gerilimleri arasındaki bağıntılara ait karakteristik eğrileri hep birlikte görüntülenir.
149
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Dört bölge karakteristik eğrilerinden yararlanılarak şu statik karakteristik değerleri hesaplanabilmektedir. 1) 2) 3) 4)
Giriş direnci Çıkışdirenci Akım kazancı Giriş-çıkış gerilim (zıt reaksiyon) bağıntısı
Bunlar transistörün yapısıyla ilgili karakteristik değerlerdir. Dört bölge karakteristiği, transistör çıkışında yük direnci yokken çıkarıldığından bunlara kısa devre karakteristikleri de denir. Transistörün "Beyz" 'i , "Emiteri" ve "Collectoru" ortak bağlantılı haldeki kısa devre karakteristikleri ile, yükte çalışma sırasında konu edilen yük doğrusu ayrıca "Temel yükselteç devreleri" bölümünde daha detaylı anlatılmıştır. Burada, ön bilgi olarak, emiteri ortak yükselteçe ait örnek verilecektir..
DÖRT BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİNİN BÖLGELERİ: emiteri ortak yükseltece ait dört bölge karakteristik eğrisi, şu bölgelerden oluşmaktadır. 1. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VCE-IC):
VCE çıkış gerilimindeki değişime göre, IC çıkış akımındaki değişimi gösterir. RC=VCE/IC bağıntısı ile ÇIKIŞ DİRENCİNİ belirler. 2. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (IB-IC):
IB giriş akımındaki değişime göre, IC çıkış akımındaki değişimi gösterir. ß=IC/IB bağıntısı ile AKIM KAZANCINI belirler. 3. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VBE-IB):
VBE giriş gerilimindeki değişime göre, IB giriş akımındaki değişimi gösterir. Rg=VBE/IB bağıntısı ile GİRİŞ DİRENCİNİ belirler.
150
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
4. BÖLGE KARAKTERİSTİK EĞRİSİ (VBE-VCE):
"VBE - VCE" bağıntısı VBE giriş gerilimindeki değişime göre, VCE çıkış gerilimindeki değişim miktarını gösterir. Bu değişim, gerilim transfer oranı olarak tanımlanır. Aslında bu iki gerilimin biri biri üzerinde önemli bir etkisi bulunmamaktadır. Bu bilgiler daha çok teorik çalışmalar için gereklidir.
TRANSİSTÖRÜN ANAHTARLAMA ELEMANI OLARAK ÇALIŞTIRILMASI Sayıcılar (counters), bilgisayarlar (computers), ateşleme devreleri (trigger circuit) gibi, bir kısım devrenin çok hızlı çalışması (on) ve sukunete geçmesi (off) gerekebilir. Bu gibi hallerde çok hassas bir anahtarlama yapılması gerekir. Bu devrelerde, transistörden anahtar olarak yararlanılmaktadır. Transistör ile nano saniye 'lik yani 10-9 saniyelik (sn) bir çalışma hızı sağlanmaktadır. Transistörden, iki şekilde anahtar olarak yararlanılabilmektedir. 1) Normal çalışmada 2) Doyma halindeki çalışmada Transistörün doyma halinde çalışması, kısa bir an için, taşıyabileceği maksimum akımda görev yapması demektir. TRANSİSTÖRÜN NORMAL ÇALIŞMADA ANAHTAR GÖREVİ YAPMASI bir NPN transistörün anahtar olarak çalışmasını gösteren iki devre verilmiştir. Bu devreler, 6 Volt 'luk besleme kaynaklı ve emiteri ortak bağlantılı, lamba yakan bir transistörden oluşmaktadır. IB akımının değişmesi yoluyla çalıştırılan bir devredir: R reostası ile IB akımının ayarı yapılmaktadır. R direnci yeterince küçültülüp IB akımı yeterince büyültüldüğünde, IC akımı lambayı yakacak seviyeye ulaşacaktır.
151
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
VBE gerilimini kontrol etmek suretiyle çalıştırılan bir devredir. VBE gerilimi, S reostası üzerindeki gerilim düşümü ile sağlamaktadır. "S" reostası, "0" 'dan yani en üst noktadan başlatılarak, yavaş yavaş büyütüldüğünde, beyz-emiter arasına uygulanan gerilimde büyür. Bu gerilim, örneğin, silikon transistörde 0.6V 'u geçince transistör iletime geçer ve lamba yanar. Bu çalışma şeklinde, transistör kesikli çalışan bir yükselteç olarak görev yapmıştır. Transistörün gerçek anlamda anahtar olarak çalışması, doyma halindeki çalışmadır...
TRANSİSTÖRÜN YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞTIRILMASI Yükselteç olarak çalıştırılan bir transistörden, şu üç işlemin gerçekleştirilmesinde yararlanılır: 1) Akım kazancını sağlamak 2) Gerilim kazancını sağlamak 3) Güç kazancını sağlamak Buradaki kazancın anlamı: Transistör girişine verilen akım, gerilim veya gücün çıkıştan daha büyük değerlerde elde edilmesidir. Bunu sağlamak için de belirli devrelerin oluşturulması gerekir. Kazancın sayısal değerinin bulunması da, çıkıştaki akım, gerilim ve güç değerlerinin, girişteki akım, gerilim ve güç değerlerine oranlanması suretiyle elde edilir. Karakteristik eğrileri, transistörün üreticileri tarafından hazırlanan tanıtım kitaplarında (katalog) verilir. Transistör, hem DC hem de AC yükselteç olarak çalışabilir. Bu nedenle, transistörü gereği gibi inceleyebilmek için, ayrı ayrı DC ve AC 'deki çalışma hallerinin incelenmesi gerekir. DC çalışmada girişteki ve çıkıştaki akım ve gerilim değerleri arasındaki bağıntılara STATİK KARAKTERİSTİKLERİ, AC çalışmadaki akım ve gerilim bağıntılarına da DİNAMİK KARAKTERİSTİKLERİ denir.
152
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Transistör yükselteç olarak şu üç bağıntı şeklinde çalıştırılabilmektedir. 1) Emiteri ortak bağlantılı yükselteç 2) Beyz 'i ortak bağlantılı yükselteç 3) Kollektörü ortak bağlantılı yükselteç Ortak bağlantı deyimi, girişte ve çıkışta ortak olan uç (elektrot) anlamında kullanılmıştır.
TRANSİSTÖRÜN DC YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞMASI Emiteri ortak bağlantılı bir DC yükselteç devresi verilmiştir. Bu yükselteç devresi ile transistörün statik karakteristikleri incelenmektedir. Statik karakteristikleri incelerken yukarıda da belirtildiği gibi giriş ve çıkıştaki DC akım ve gerilim değerlerinden yararlanılır. Girişteki akım ve gerilimdeki değişmeler girişe seri bağlanan mikro ampermetre (µA) ve paralel bağlanan küçük değerler ölçebilen voltmetre (mV) ve çıkıştaki değişmeler de, çıkışa bağlanan mili Ampermetre ve normal bir Voltmetre ile ölçülür. Uygulanan bu tür ölçme yöntemi ile hesaplanan statik karakteristik değerlerine ve çizilen eğrilere KISA DEVRE KARAKTERİSTİKLERİ 'de denir.
Girişe ait: Beyz akımı, IB Beyz - Emiter arası gerilim, VBE Çıkışa ait: Kollektör akımı, IC Kollektör - Emiter arası gerilim, VCE Ölçülen bu değerler ile şu karakteristik değerler hesaplanmaktadır: • • • • •
Akım kazancı: Kİ(β) = IC/IB Giriş direnci: Rg = VBE/IB Çıkış direnci: RÇ = VCE/IC Eğim: S = ∆IC/∆VBE Transfer oranı: µ = VBE/VCE (%0,01-0,001) dir.
153
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Buradan ilk üçlü, "Kİ, Rg ve RÇ" her transistör için, her devrede bilinmesi gereken karakteristik değerlerdir. Son iki "S ve µ" değerleri ise transistör üzerinde daha derinlemesine çalışma yapılması gerektiğinde, ihtiyaç duyulan değerlerdir. Yukarıdaki karakteristik değerler, Şekil 4.11 'de verilmiş olan dört bölge karakteristik eğrisinden yararlanılarak da hesaplanabilmektedir. 1) 2) 3) 4)
Bölge karakteristik eğrisi: (VCE,IC) Bölge karakteristik eğrisi: (IB,IC) Bölge karakteristik eğrisi: (VBE,IB) Bölge karakteristik eğrisi: (VBE,VCE)
Bu karakteristik eğrilerinin değişik noktalarındaki, küçük değişim (∆) değerleri ile yapılacak olan hesaplamalar, Kİ, Rg ve RÇ değerleri, hakkında daha doğru bilgi verir. Şöyle ki; Kİ(β) = ∆IC/∆IB bağıntısı, karakteristik eğrisi doğrusal olduğundan her noktada aynı değeri verir. Rg = ∆VBE/∆IB bağıntısı, eğrisel olan karakteristik eğrisinin farklı noktalarında farklı değerler verir, en iyi noktayı seçmek gerekir. Karakteristik eğrisinden de anlaşılmaktadır ki, IB beyz akımı büyüdükçe transistörün Rg giriş direnci küçülmektedir. RÇ = RCE = ∆VCE/∆IC bağıntısı da, IC büyüdükçe daha küçük RÇ verir. Görülmektedir ki, DC yükselteç devresinde ölçülen değerler ile elde edilen sonuçlar, transistör hakkında önemli bilgi vermektedir. TRANSİSTÖRÜN GERİLİM VE GÜÇ KAZANÇLARINI BULMAK İÇİN: Giriş devresine paralel olarak bir RB direnci, çıkış devresine de yine paralel bir RL yük direnci bağlanır. Bunların üzerinde oluşan gerilim düşümlerinin ve sarf olan güçlerin oranı gerilim ve güç kazancını verir. Gerilim kazancı: KV = VRL/VRB Güç kazancı: KP = PRL/PRB = IC.VRL/IB.VRB = β.KV Görüldüğü gibi güç kazancı ile gerilim kazancının çarpımına eşit olmaktadır.
154
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRÜN AC YÜKSELTEÇ OLARAK ÇALIŞTIRILMASI Transistör Şekil 4.13 'de görüldüğü gibi girişine, AC işaret gerilimi uygulandığında da AC yükselteç olarak çalışır. AC yükselteçler de iki ana gruba ayrılır: 1) Ses frekansı yükselteçleri 2) Yüksek frekans (Radyo frekansı) yükselteçleri Yüksek frekans yükselteçleri özel yapılı yükselteçlerdir. AC yükselteç olarak inceleme konusu, günlük hayatta daha çok karşılaşılan ses frekansı yükselteçleridir. AC işaret gerilimi, genelde sinüzoidal olarak değişen bir gerilim olarak düşünülür. Bu gerilim, girişteki ve çıkıştaki DC polarma gerilimini büyültüp küçülterek sinüzoidal olarak değişmesini sağlar. AC çalışmada, yalnızca AC değerler önemli olduğundan, giriş ve çıkışta ampermetre ve voltmetre olarak AC ölçü aletleri kullanılır. AC ölçü aletleri efektif değer ölçtüğünden, gerekli hesaplamalarda efektif değerler ile yapılır. Örneğin: Akım kazancı: KİAC(βAC) = ICef/IBef Gerilim kazancı: KVAC = VCEef/VBEef = (ICef/IBef).(RL/RB) = βAC.RL/RB Güç kazancı: KPAC = βAC.VAC
şeklinde ifade edilirler.
Alçak frekans (ses frekansı) yükselteçlerinde: βDC = βAC olarak alını. Giriş ve çıkış dirençleri de DC ve AC 'de aynı özelliklere sahiptir. NOT: Şekil 4.12 ve Şekil 4.13 'te verilmiş olan devreler deney ve bilgi edinme devreleri olduğu için, anlatım kolaylığı bakımından iki besleme kaynağı kullanılmıştır. Uygulamada ise tek besleme kaynağı kullanılır.
155
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA KARARLILIĞININ ETKİLEYEN FAKTÖRLER Bir transistöre kararlı bir çalışma yaptırabilmek için, öncelikle karakteristik değerlerine uygun bir devre düzeni kurmak gerekir. Bunu içinde, daha önceden de belirtilmiş olduğu gibi, katalog değerlerine ve karakteristik eğrilerinde verilen bilgilere uyulmalıdır. Transistörün kararlı çalışmasını etkileyen faktörler: Sıcaklık Aşırı ısınan transistörün çalışma dengesi bozulur, gücü düşer. Daha da çok ısınırsa yanar. Isınan transistörlerde elektron sayısı anormal artacaktır. Bu artış nedeniylede belirli giriş değerleri için alınması gereken çıkış değerleri değişir.Buda kararlı çalışmayı önler. Daha çok ısınma halinde ise kristal yapı bozulur. Bu durumda transistörün yanmasına neden olur. Isınma transistörün kendi çalışmasından kaynaklandığı gibi, sıcak bir ortamda bulunmasından dolayı da olabilir. Frekans Her transistör, her frekansta çalışmaz. Bu konuda ine katalog bilgilere bakmak gerekir. Örneğin: NPN transistörler, PNP transistörlere göre yüksek frekanslarda çalışmaya daha uygundur. Nedeni de NPN transistörlerde elektrik yükü taşıyıcıları ELEKTRONLAR dır.PNP transistörlerde ise taşıyıcılar pozitif elektrik yükleridir. Elektronlar, pozitif elektrik yüklerine göre çok daha hızlı ve serbest hareket edebildiklerinden, yüksek frekanslar için NPN transistörler daha uygundur.
Limitsel Karakteristik Değerleri Her transistörün ayrı çalışma değerleri vardır. Bu çalışma değerlerinden bazılarının kesinlikle aşılmaması gerekir. Bunara, "Limitsel Karakteristik" denir. Limitsel Karakteristik Değerleri Şöyle Sıralanır: • • • • •
Maksimum kollektör gerilimi Maksimum kollektör akımı Maksimum dayanma gücü Maksimum kollektör - beyz jonksiyon sıcaklığı Maksimum çalışma (kesim) frekansı.
156
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Limitsel değerler gerek birbirlerine, gerekse de giriş değerlerine bağlıdır. Yukarıda sıralanan maksimum değerlerin ne olmasının gerektiği transistör kataloglarından ve karakteristik eğrilerinden saptanır. Polarma Yönü Polarma gerilimini uygularken, ters polarma bağlantısı yapmamaya özellikle dikkat edilmelidir. Böyle bir durumda, transistör çalışmayacağı gibi, normalden fazla uygulanacak olan ters polarma gerilimleri jonksiyon diyotlarının delinmesine, yani kristal yapının bozulmasına neden olacaktır. Aşırı Toz ve Kirlenme Transistörlerin toza karşı ve özelliklede metalik işlemlerin yapıldığı ortamlarda çok iyi korunması gerekir.. Aşırı toz ve kirlenme elektrotlar arası yalıtkanlığı zayıflatacağından kaçak akımların artmasına neden olacaktır. Bu da transistörün kararlı çalışmasını engelleyecektir. Eğer metal ve karbon (kömür) tozlarıyla karışık bir tozlanma varsa, transistör elektrotlarının kısa devre olma ihtimalide mevcuttur. Tozlu ortamda çalıştırılması zorunlu olan transistörlerin ve bütün elektronik devrelerin toza karşı iyi korunmaları ve zaman zaman devrenin enerjisi kesilmek suretiyle, yumuşak bir fırça ve aspiratör tozların temizlenmesi gerekir. Tozların temizlenmesi sırasında, elektrik süpürgesiyle üfleyerek temizlik kesinlikle yapılmamalıdır. Zira bu durumda yapışkan tozlar daha da çok yapışıp kirliliği arttıracağı gibi, buradan kalkan tozlar diğer cihaz ve devrelere konacağından başka devrelerinde tozlanmasına neden olacaktır.
Nem Transistörler ve bütün elektronik devreler, neme karşıda çok iyi korunmalıdır. Gerek su buharı, gerekse de bazı yağ ve boya buharları, doğrudan kendileri elektrotlar arasında kısa devre yapabileceği gibi, tozlarında yapışıp yoğunlaşmasına neden olacağından, cihazların kararlı çalışmasını engelleyecektir.
Sarsıntı Sarsıntılı ortamda kullanılan cihazlarda, daima bağlantıların kopması ihtimali vardır. Aşırı sarsıntı iç gerilmeleri de arttıracağından kristal yapının bozulması da mümkündür. Sarsıntılı ortamlarda çalıştırılacak cihazlara üreticiler tarafından özel sarsıntı testi uygulanır. Bu gibi çalıştırmalarda, üreticisinden sarsıntı testleri hakkında bilgi almak gerekir.
157
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Elektriksel ve Magnetik Alan Etkisi Gerek elektriksel alan, gerekse de magnetik alan serbest elektronların artmasına ve onların yönlerinin sapmasına neden olur. Bu da kararlı çalışmayı önler. Bu gibi ortamlarda kullanılacak cihazlar faraday kafesiyle ve anti magnetik koruyucularla korunmalıdır.
Işın Etkisi Röntgen ışınları, Lazer ve benzeri çok yüksek frekanslı ışınlarda kararlı çalışmayı etkiler. Bu gibi yerlerde kullanılacak cihazlarda özel koruma altına alınmalıdır.
Kötü Lehim (Soğuk Lehim)
Transistörün ve bütün elektronik devre elemanlarının çok ustaca lehimlenmesi gerekir. Soğuk lehim olduğu taktirde, dışarıdan bakıldığında lehimliymiş gibi görünmesine rağmen, elektriksel iletimin iyi olmamasına neden olacağından bütün bir sistemin kararlı çalışmasını engelleyecektir. Bu tür arızaların bulunması da çok zordur. Ayrıca aşırı ısıtılarak lehim yapılması da devre elemanlarını bozar. Belirli bir lehim pratiği olmayanların, transistör ve benzeri elektronik devre elemanlarının lehimini yapmaması gerekir.
ÇALIŞMA NOKTASININ STABİLİZE EDİLMESİ Stabilize etmek ne demektir? Stabilize 'nin tam Türkçe karşılığı "kararlı çalışma" dır. Transistörün çalışma noktasının stabilize edilmesi:
Transistörün girişine ve çıkışına uygulanan polarma gerilimi ve akımının çalışma süresince aynı kalması için gerekli önlemlerin alınmasıdır. Daha kısa bir söylemle, "transistörün kararlı çalışmasının sağlanmasıdır." Her transistörün bir yük doğrusu ve Q çalışma noktası vardır.
158
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
Örneğin: Emiteri ortak bir yükselteçte, giriş polarma gerilimi ve akımı, belirli bir VBE ve IB, çıkış polarma gerilimi ve akımı, VCE ve IC olsun. Bu değerler yük doğrusu üzerinde belirli bir Q noktasını gösterir. Bu nokta çalışma noktasıdır. Çalışma sırasında Q noktasının değişmemesi yani stabil olması istenir. Stabil çalışmayı zorlaştıran iki etken vardır: 1) Isınan transistörün IC kollektör akımının artması 2) Bir devredeki transistör yerine başka bir transistörün kullanılması halinde, akım kazancı farklı olursa devre aynı devre olduğu halde, çıkış akımı değişeceğinden stabilite bozulacaktır. Isınınca, Ic akımının anormal artmasını önlemek için:
Şekil 14 - Emiteri ortak yükselteç
Örnek olarak; Şekil 14 'te emiteri ortak bir yükselteç verilmiştir. Ic akımı artınca, Rc direnci üzerindeki gerilim düşümü artacağından, B noktasındaki gerilim küçülecektir. Dolayısıyla IB akımı küçülür. Ic=βIB bağıntısından, Ic akımı küçülecek ve denge sağlanacaktır.
159
TEMEL ELEKTRONİK
Kaya
TRANSİSTÖRLERİN KATALOG BİLGİLERİ Bir transistör hakkında bilgi edinmek gerektiğinde üzerindeki ve katalogdaki bilgilerden yararlanılır. Daha geniş bilgi içinde, üretici firmadan yayınlanan tanıtım kitabına bakılır. TRANSİSTÖR ÜZERİNDEKİ HARF VE RAKAMALARIN OKUNMASI Transistör üzerinde genellikle şu bilgiler bulunur: • • • •
Üretici firmanın adı ve sembolü, Kod numarası: (2N 2100 vb...). Transistör bu numara ile tanıtılır. Ayak bağlantıları (E,B,C) veya işareti. Küçük transistörlerin genellikle kollektör veya emiter tarafında bir nokta veya tırnak bulunur.
•
KATALOG KULLANIMI VE KARŞILIKLARIN BULUNMASI Transistörü tanıtıcı bir yayında veya katalogda küçük değişikliklerle şu bilgiler bulunur: Kod no: AD 159, 2N 2100 gibi, Tipi: NPN veya PNP Türü: Si veya Ge, Akım kazancı: β(hFE) Maksimum kollektör akımı: (Icm) Maksimum dayanma gücü: (Pcm) Maksimum Kollektör - Emiter gerilimi: VCEm veya VCm Maksimum Kollektör - Beyz gerilimi: VCBm veyaVCm Maksimum Emiter - Beyz gerilimi: VEBm Maksimum çalışma (kesim) Frekansı: fm Maksimum Jonksiyon sıcaklığı: Tjm Yerine göre, bu bilgilere ek olarak şunlarda verilir.
Beyz açık iken Kollektör - Emiter arası kaçak akımı: ICE Emiter açık iken Kollektör - Beyaz arası kaçak akımı: ICB - ICO Termistörün karşılıkları Cinsi: Sesa, alaşım, yayılım transistörü gibi vs.
160
