Deney 1: Transistörlü Yükselteç

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
Deney 1: Transistörlü Yükselteç
Deneyin Amacı:
Transistör eşdeğer modelleri ve bağlantı şekillerinin öğrenilmesi. Transistörün AC analizi yapılarak
yükselteç olarak kullanılması.
A.ÖNBİLGİ
Transistörün uygulama alanlarından biri de yükselteç devresi tasarımıdır. Transistörlü bir yükselteç
devresinin işlevi, girişine uygulanan sinyali yükselterek, bir diğer tabirle kuvvetlendirerek çıkışına
aktarmaktır.
Transistörlü yükselteç devrelerinde DC ve AC gerilimleri beraber olduğu için genel olarak iki
aşamada incelenir;
DC Analiz
AC Analiz
DC Analiz
İyi bir yükselteç tasarımı için transistörün
özelliklerine uygun DC polarma(öngerilimleme)
akım ve gerilimleri seçilmelidir. Dolayısıyla
yükselteç tasarımında yapılması gereken ilk
adım transistörlü yükselteç devresinin DC
analizidir. Analiz işleminde transistörün çalışma
bölgesi belirlenir. Transistörü yükselteç olarak
kullanabilmek için aktif çalışma(VBE>0, VCB>0)
bölgesinde olmalıdır. Bu bölge için uygun akım
ve gerilimler hesaplanır. Sonuçta; transistörlü
yükselteç devresi AC çalışmaya hazır hale
getirilir.
Şekil 1.1: Transistör Çıkış Karakteristiği
Yükselteç devrelerinde DC işaretlerin tanımlanmasında genellikle alfabenin büyük harfler kullanılır.
(IE, VBE ve VCE v.b gibi) AC işaretlerin tanımlanmasında ise etkin (rms) değer, tepe değer (peak),
tepeden tepeye (peak-to-peak) değer gibi çeşitli tanımlar vardır. Genel kabul olarak AC işaretler
tanımlanırken alfabedeki küçük harfler italik formda kullanılır. (ic, ib, vce, vbe v.b gibi)
AC Analiz
Transistörün AC analizinde devredeki DC kaynaklar ve kondansatörler kısa devre yapılır. Bu
duruma göre devrenin AC eşdeğer devresi oluşturularak analiz işlemi yapılır. Yükselteç devrelerinde
girişten verilen bir işaretin genliği, akımı veya gücü yükseltilmektedir. Bu anlamda yükselteç
devrelerinde bir kazanç söz konusudur. Yükselteç devrelerinin temel amacı da bu kazançlardır.
Transistörlü yükselteçlerin AC işaret analizinde karmaşık yapılar ortaya çıkarabilir. Analizi
kolaylaştırıp pratik hale getirmek için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlardan en uygun ve pratik
yöntem; transistörün eşdeğer devre modellerinden yararlanmaktır. Transistörün AC eşdeğer devre
Sayfa - 1 -
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
modellemesinde kullanılan başlıca üç tip yöntem vardır. Bunlar; h veya hibrit parametre, πparametre ve re parametre yöntemleri olarak bilinir ve tanımlanırlar.
Bu deneyde; transistörün AC eşdeğer devre modellemesinde kullanmak üzere, h parametresi
modeli tanıtılacak ve çalışma yapılacaktır.
Transistörün Karma Eşdeğer Devresi (h-hibrit parametre modeli)
Aktif çalışma bölgesi için transistör gerilim ve
akım değerlerinin küçük değişimlerinde
doğrusal 4 uçlu gibi düşünülebilir. Buna bağlı
Şekil 2‘de olduğu gibi bir modelleme yapılabilir.
4 değişken arasındaki ilişki aşağıdaki gibi ifade
edilebilir;
𝑉𝑖 = 𝐼𝑖 . ℎ11 + 𝑉𝑜 . ℎ12
𝐼𝑜 = 𝐼𝑖 . ℎ21 + 𝑉𝑜 . ℎ22
Şekil 1.2: Karma Eşdeğer Devre Modeli
Vo = 0 için
Iİ = 0 için
Vo = 0 için
Iİ = 0 için
h11
h12
h21
h22
= Vİ/Ii
= Vİ/Vo
= Io/Ii
= Io/Vo
: kısa devre giriş empedansı
: açık devre ters yönde transfer gerilimi oranı
: kısa devre ileri yönde akım oranı
: açık devre çıkış empedansı
AC analizde transistör eş değer devresi yandaki
şekilde görülmektedir. Yandaki eş değer devre ile
yukarıdaki anlatılan modeldeki parametreleri
denkleştirirsek; h11= hi, h12= hr, h21= hf ve
h22= ho ‘dır.
Şekil 1.3: AC Analiz Karma Eşdeğer Devre Modeli
h parametre modelinde ortak uçlu devrelerde alt indekse; ortak emetörlü devreler için e, ortak beyzli
devreler için b ve ortak kollektörlü devreler için c harfi eklenir.
Ortak emetörlü devre için tam karma eşdeğer devre:
Şekil 1.4: Tam Karma Eşdeğer Devre Modeli
Sayfa - 2 -
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
Ortak emetörlü devre içi yaklaşık eşdeğer devre:
Ortak emetörlü devrelerde hre ve hoe değerleri çok
küçüktür ve giriş-çıkış empedansları, akım-gerilim
kazançları bu değerlerden çok az etkilenir. Bu durumda
hre = hoe = 0 olarak kabul edilir ve yandaki gibi yaklaşık
eşdeğer devre oluşturulur.
Şekil 1.5: Yaklaşık Eşdeğer Devre Modeli
Transistörlerin Bağlantı Şekilleri
Transistörlü yükselteçler; devrede kullanılan bipolar jonksiyon transistörün bağlantı şekline göre 3
gruba ayrılırlar;
Ortak Bazlı
Ortak Emetörlü
Ortak Kollektörlü
Ortak Bazlı Devre
Bu devrede baz ucu hem giriş hem de çıkış için
ortaktır
Düşük giriş, yüksek çıkış empedansına sahiptir
(Giriş 50-500 Ohm, Çıkış 300k-1M Ohm)
Akım kazancı 1’den küçük, gerilim ve güç
kazancı büyüktür
Faz kayması meydana gelmez
Şekil 1.6: Ortak Bazlı Devre
Ortak Emetörlü Devre
Bu devrede emetör ucu hem giriş hem çıkış
için ortaktır
Giriş ve çıkış empedansı orta değerlidir (Giriş
1k-10k Ohm, Çıkış 10k-50k Ohm)
Akım, gerilim ve güç kazancı meydana gelir
Girişteki sinyali 180 derece faz kayması ile
çıkışa aktarır
Şekil 1.7: Ortak Emetörlü Devre
Sayfa - 3 -
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
Ortak Kollektörlü Devre
Bu devrede kollektör ucu hem giriş hem de
çıkış için ortaktır
Düşük çıkış, yüksek giriş empedansına
sahiptir (Giriş 20k-300k Ohm, Çıkış 300-500
Ohm)
Gerilim kazancı 1’den küçük, akım ve güç
kazancı büyüktür
Faz kayması meydana gelmez
Şekil 1.8: Ortak Kollektörlü Devre
Transistörlü yükselteçlerde kullanılan bağlantı tiplerinden en popüleri ortak emetörlü yükselteç
devresidir. Kimi kaynaklarda ismi kısaltılarak CE (Common Emiter) olarak tanımlanır. Ortak emetörlü
yükselteçlerin (OE) gerilim ve akım kazançları oldukça yüksektir. Bu durum onu birçok uygulamada
popüler kılar.
Bu deneyde ortak emetörlü yükselteç devresi DC Analiz ve AC analiz aşamaları ile irdelenip,
uygulama gerçekleştirilecektir.
Ortak Emetörlü Devre
Yükseltilecek veya kuvvetlendirilecek
giriş işareti yükseltecin beyz-emetör
terminalleri arasından uygulanır. Çıkış
işareti ise; yükseltecin kollektör-emetör
terminalleri arasından alınır. Dolayısı ile
emetör terminali giriş ve çıkış işareti için
ortak uçtur. Bundan dolayı bu şekilde
oluşturulan devreye ortak emetörlü
yükselteç (CE – Common Emiter) olarak
ad verilir. Yandaki şekilde bir ortak
emetörlü
yükselteç
devresi
gösterilmiştir.
Şekil 1.9: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi
Ortak Emetörlü Yükselteç h parametre AC Analizi
AC analizde kapasitörler ve DC
kaynakların hepsi kısa devre yapılarak
AC eşdeğer devre modeli oluşturulur.
Şekil 8’de AC analiz işleminde kapasite
ve DC kaynağın kısa devre edilişi
gösterilmektedir. AC analiz yaparken
birkaç
parametre
modeli
ile
çözümleme yapılabiliyordu. Bu deney
için h veya hibrit parametre modeli
kullanılarak AC analizimizi yapacağız.
Şekil 1.10: Ortak Emetörlü Yükselteç AC Analiz Devresi
Sayfa - 4 -
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
Ortak emetörlü yükselteç devresi için
yaklaşık h parametre eşdeğer devresi Şekil
1.11’de gösterilmiştir. Şekildeki;
Vİ giriş AC sinyalimizi,
VO çıkış AC sinyalimizi,
hie giriş direnci parametresi,
hfe ileri transfer akım oranı parametresidir.
Şekil 1.11: h parametre yaklaşık eşdeğer devre
Parametreler seçilen transistöre göre değişiklik göstermekte ve kataloglarında değerleri
bulunmaktadır. Şekil 1.11’deki eşdeğer devre aracılığı ile AC analiz yapacak olursak;
Giriş empedansı:
Çıkış Empedansı:
𝑍𝐼 = 𝑅𝐵𝐵 ||ℎ𝑖𝑒
Gerilim Kazancı:
𝑍𝑂 = 𝑅𝐶 ||𝑅𝐿
𝑉𝑂 = −𝐼𝑂 . (𝑅𝐶 ||𝑅𝐿 ) = −ℎ𝑓𝑒 𝐼𝑏 . (𝑅𝐶 ||𝑅𝐿 )
𝑉𝐼 = 𝐼𝑏 . ℎ𝑖𝑒
𝐴𝑉 = −(ℎ𝑓𝑒 /ℎ𝑖𝑒 ). (𝑅𝐶 ||𝑅𝐿 )
Akım Kazancı:
𝐴𝐼 =
𝑅𝐵𝐵 . ℎ𝑓𝑒
𝑅𝐵𝐵 + ℎ𝑖𝑒
𝐴𝐼 =
𝐼𝐶
= ℎ𝑓𝑒
𝐼𝑏
𝑅𝐵𝐵 ≈ ℎ𝑖𝑒
𝑅𝐵𝐵 ≫ ℎ𝑖𝑒
Sayfa - 5 -
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
B.DENEY ÖNCESİ ÇALIŞMASI
Şekil 1.12: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi
1. C1 ve C2 kondansatörleri niçin kullanılmaktadır. Devreye getirdiği olumsuzluklar neler olabilir?
2. Re direnci devreye ne gibi bir katkısı vardır ve ona paralel olan Ce kondansatörü niçin
kullanılmaktadır?
3. Devrenin küçük işaret yani AC eşdeğer devresini h parametre modeli ile çizerek giriş ve çıkış
empedanslarını, akım ve gerilim kazancını hesaplayınız.
(BC547 için: β = hFE = 300 hfe = 370 hie = 8k Ohm
Sayfa - 6 -
hre = 3,6x10-4
hoe = 2x10-5)
Toplam Sayfa - 7 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: Transistörlü Yükselteç
C.DENEY ÇALIŞMASI
1. Şekil 1.12’deki devreyi kurunuz. Giriş kaynağını 1kHz’e ayarlayarak çıkış geriliminde bozulma
olmayacak şekilde giriş gerilimini ayarlayınız.
2. Girişte ve çıkışta gördüğünüz gerilimi ölçekli olarak çiziniz ve kazancı hesaplayarak not alınız.
Kazanç: AV=
Şekil 1.13: Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi
3. Şekil 1.13’de görüldüğü gibi giriş kaynağı ile yükselteç arasına seri olarak 10k Ohm’luk bir
potansiyometre bağlayarak giriş gerilimini çıkışta bozulma olmayacak şekilde ayarlayınız. V1 ve V2
gerilimlerini ölçerek giriş direncini bulunuz.
V1 =
V2 =
Rin =
4. R=10k Ohm’luk potansiyometre değeri sıfırda iken giriş gerilimini çıkışta bozulma olmayacak
şekilde ayarlayınız. Bu durumda Vy gerilimini ölçünüz. Giriş gerilimini sabit tutarak R direncini
arttırınız. Çıkış geriliminin yarıya düştüğü anda R direncini ölçünüz. Bu değer giriş direncinize eşit
olan değer olacaktır.
Vy =
R=
Sayfa - 7 -
Toplam Sayfa - 7 -