Bölüm 1 Diyot Karakteristikleri DENEY 1-1 PN
advertisement
Bölüm 1 Diyot Karakteristikleri DENEY 1-1 PN-Jonksiyon Diyot Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. PN-jonksiyon diyotlarının karakteristiklerini anlamak. 2. Farklı diyot tiplerinin kendine özgü özelliklerini tanımak. 3. Çeşitli ölçü aletleri yardımıyla farklı türde diyotların karakteristiklerinin nasıl test edileceğini öğrenmek. GENEL BİLGİLER Katkılama Bir yarıiletkenden daha yüksek elektrik akımı iletebilmek için, üç valans elektronuna sahip elementler (boron, galyum veya indiyum gibi) ya da beş valans elektronuna sahip elementler (antimon, arsenik veya fosfor gibi), daha fazla delik yada serbest elektron elde etmek amacıyla, saf yarıiletken içerisine eklenirler. Bu işleme katkılama adı verilirken, ifade edilen üç yada beş valans elektronlu elementler katkı elementi olarak adlandırılır. İyon Eğer bazı nedenlerden dolayı, atomun en dış yörüngesine bir veya daha fazla elektron katılırsa ya da en dış yörüngesinden bir veya daha fazla elektron ayrılırsa, bu atom bir "iyon"a dönüşür. Üç valans elektronuna sahip bir elemente, yeni bir elektron eklenirse, bu element Şekil 1-1-1'de gösterildiği gibi negatif bir iyona dönüşür. 1-1 Beş valans elektronuna sahip bir element bir elektron kaybederse, bu element de Şekil 1-1-2'de gösterildiği gibi pozitif bir iyona dönüşür. Negatif iyon Nötr üç valans elektronlu atom Şekil 1-1-1 Üç valans elektronlu element Nötr beş valans elektronlu atom Pozitif iyon Şekil 1-1-2 Beş valans elektronlu element Kısaca ifade etmek gerekirse, diyot p-tipi ve n-tipi yarıiletkenlerin birleşiminden oluşur. Bir takım p yada n-tipi yarıiletken parçalarının uygun kombinasyonuyla, farklı elektriksel karakteristikler ortaya çıkacak ve farklı fonksiyonlara sahip yarıiletken elemanlar elde edilecektir. Diyot karakteristiklerinin tam olarak anlaşılabilmesi için, atom, valans elektronu ve yarıiletken gibi kavramlar hakkında bilgi sahibi olunmalıdır. Atomun Yapısı Şekil 1-1-3, atomun yapısını göstermektedir. Atom çekirdeği, pozitif yüklü protonlardan ve yüksüz nötronlardan oluşmuştur. Şekil 1-1-3 Atom yapısı Çevre yörüngelerde bulunan ve atom çekirdeğinin etrafında dönen elektronlar, negatif yüke sahiptir. Atom çekirdeğindeki protonlar tarafından taşınan yük miktarı, çevre yörüngelerdeki elektronlar tarafından taşınan yük miktarına eşit olduğu için, atomun kendisi elektriksel olarak nötrdür. 1-2 Valans Elektronu Atomik yörüngedeki elektronların sayısı 2n2 şeklinde hesaplanır. Burda n ilgili yörüngenin katman numarasıdır. Şekil 1-1-4’te, bu şekilde düzenlenmiş elektronlar gösterilmektedir. En dış yörüngede bulunan elektronlar, valans elektronları olarak adlandırılırlar. Malzemelerin elektriksel karakteristikleri, valans elektronlarının sayısına göre açıklanabilir. Yalıtkan: Çoğunlukla 8 valans elektronuna sahiptir, elektronlarını serbest bırakması (serbest elektron) ve iletken hale gelmesi çok zordur. İletken: Çoğunlukla 1 valans elektronuna sahip olması bakımından, elektronlarını serbest bırakması ve iletken hale gelmesi en kolay olan malzeme türüdür. Yarıiletken: Bir yarıiletkenin valans elektronu sayısı, iletken ve yalıtkanın valans elektron sayıları arasında bir değerdir ve tipik olarak 4’tür. Yarı iletkenin iletkenlik düzeyi de iletken ile yalıtkan arasında yer almaktadır. 2n2, n: katman numarası c 2×12=2 d 2×22=8 e en-dış katmanda 4 Toplam 14 elektron. Şekil 1-1-4 Yörüngelerde yer alan elektronlar Saf Yarı İletken Saf yarıiletkene hiçbir katkı eklenmemişken, en dış yörüngedeki dört elektron komşu atomlarla birleşerek, Şekil 1-1-5'te gösterildiği gibi, bir sekiz-yüzeyli (octahedron) oluştururlar. Burada, ilgili elektron çiftleri bir kovalent bağ oluşturmaktadır. Kovalent bağ sonrasında, elektronlar atomlara bağlandığı için, saf yarıiletken iletmeyen durumdadır. Bununla birlikte, ortam sıcaklığı mutlak sıfırdan (-2730C) büyük olduğunda, yüksek sıcaklığın etkisiyle bazı elektronların hareketi artacak ve sonuç olarak bu elektronlar kovalent bağdan kurtularak, Şekil 1-1-6'da gösterildiği gibi, serbest elektron gibi davranacaklardır. 1-3 Elektron kovalent bağdan koptuktan sonra, yerinde "delik" olarak adlandırılan bir boşluk bırakır. Normalde elektriksel olarak nötr olan atomdan bir elektronun ayrılmasıyla, bu atom pozitif yüklü pozitif bir iyona dönüşür. Oda sıcaklığında, silisyum ve germanyumda birkaç serbest elektron bulunduğu için (ve buna eşit sayıda delik, n=p), saf yarıiletken tam olarak yalıtkan değildir. Şekil 1-1-5 Sekiz-yüzeylinin (octahedron) yapısı Şekil 1-1-6 Kovalent bağdan kopan elektron N-Tipi Yarı İletken Beş valans elektronuna sahip elementlerin, düzgün dağılımlı olarak, germanyum yada silisyuma eklenmesi sonucunda, valans elektronları birbirleriyle kovalent bağ oluştururlar. Bu şekilde, her beş valans elektronlu elementin, komşu dört valans elektronlu elementlerle (germanyum, silisyum) kovalent bağ yapması, Şekil 1-1-7'de gösterildiği gibi, fazladan bir elektronla sonuçlanır. Bu şekilde oluşan yarıiletkene, Ntipi yarıiletken denir. (N: elektriksel olarak negatif; elektron negatif yüke sahip olduğu için). 1-4 Eklenen katkı atomu, yarıiletken malzemeye elektron katkısında bulunduğu için, beş valans elektronuna sahip katkı maddesine “katkı atomu” yada “donör atomu” adı verilir. Beş valans elektronuna sahip elementlerin saf yarıiletkene eklenmesiyle, serbest elektron sayısı oldukça artar. Elektronlar, deliklere göre çoğunlukta oldukları için, "çoğunluk taşıyıcıları" olarak adlandırılırken, delikler "azınlık taşıyıcıları" olarak adlandırılırlar. Şekil 1-1-7 N-tipi yarıiletkenin yapısı P-Tipi Yarı İletken Üç valans elektronuna sahip elementlerin (Boron, Galyum yada İndiyum), düzgün dağılımlı olarak, germanyum yada silisyuma eklenmesi sonucunda, valans elektronları birbirleriyle kovalent bağ oluştururlar. Bu şekilde, her üç valans elektronlu elementin, komşu dört valans elektronlu elementlerle (germanyum, silisyum) kovalent bağ yapması, yeterli elektron bulunmamasından dolayı, bir boşlukla sonuçlanır. Şekil 1-1-8’de gösterilen bu boşluk, delik olarak adlandırılır. Üç valans elektronlu elementin eklenmiş olduğu yarıiletkene, P-tipi yarıiletken denilir (P: Pozitif, delik elektriksel olarak pozitif kabul edilir). Saf yarıiletkene üç valans elektronlu elementlerin eklenmesiyle ortaya çıkan boşluklar, serbest elektronları almaya hazır olduğundan, üç valans elektronlu katkı elementleri, alıcı (akseptör) atomlar olarak adlandırılır. 1-5 Şekil 1-1-8 P-tipi yarıiletkenin yapısı Üç valans elektronuna sahip elementlerin saf yarıiletkene eklenmesiyle, delik sayısı oldukça artar. Delikler, elektronlara (serbest elektronlar) göre çoğunlukta oldukları için, "çoğunluk taşıyıcıları" olarak adlandırılırken, elektronlar "azınlık taşıyıcıları" olarak adlandırılırlar. Genellikle delik, elektriksel olarak pozitif kabul edilir. Bir valans elektronu kovalent bağını koparmaya yetecek enerjiyi alır ve komşu atomlardaki herhangi bir deliği doldurursa, bu durumda elektronu bırakan kovalent bağda bir boşluk oluşur. Bu yeni boşluk da, başka bir kovalent bağdaki bir elektronla doldurulmaya hazırdır. Bu işlem sürekli tekrarlanır ve bu şekilde delik, elektron hareketinin ters yönünde hareket eder. Şekil 1-1-9'da gösterildiği gibi, tam bir kovalent bağdaki elektron, boşluğu doldurmak için kovalent bağını kopardığında, bu elektron, 1. ve 2. satırda görüldüğü gibi, sağdan sola doğru hareket eder. Delik ise, elektronun aksine, soldan sağa doğru hareket eder. Başka bir ifadeyle, elektron akış yönü, delik akış yönünün tersidir. Negatif yük taşıyan elektron bir deliği doldurabilir, çünkü deliğin bulunduğu kovalent bağ, bir oktahedron oluşturabilmek için diğer elektronları çekmektedir. Elektron ve delik arasındaki ilişki, pozitif ve negatif yükler arasındaki çekim ilişkisine benzemektedir. Elektron negatif yüklü olduğu için, deliğin de pozitif yüke sahip olduğu kabul edilir. 1-6 Şekil 1-1-9 Elektronların hareketi PN-Jonksiyon Dİyodu Şekil 1-1-10'da gösterildiği gibi, P-tipi bir yarıiletkenin, N-tipi yarıiletkenle birleştiğini kabul edelim. P-tipi yarıiletkende çok sayıda delik, N-tipi yarıiletkende ise çok sayıda elektron bulunduğundan, P-N birleşimi durumunda, jonksiyona yakın olan elektronlar, jonksiyona yakın olan delikleri, Şekil 1-1-10(a)’da gösterildiği gibi, doldurur. N-tipi yarıiletkenin jonksiyona yakın olan kısmı elektron kaybettiği için pozitif iyona dönüşürken, P-tipi yarıiletken ise delik kaybettiği için negatif iyona dönüşür (Şekil 1-110(b) ). (a) (b) Şekil 1-1-10 P- ve N-tipi yarıiletkenlerin birleşimi Böylece, jonksiyona yakın bölgede taşıyıcılar (elektronlar ya da delikler) azalırken, sadece pozitif yada negatif yüklü iyonlar mevcut olur ve bu bölge boşaltılmış bölge olarak adlandırılır. Boşaltılmış bölgedeki pozitif yüklü iyonlar delikleri, negatif yüklü iyonlar da elektronları ittiği için, elektron ve delikler arasındaki bu birleşimin devam etmesi engellenmiş olur. 1-7 Boşaltılmış bölgedeki iyonların, elektron ve deliklerin jonksiyondan geçmesini engelleyen etkisi, engel (eşik) gerilimi olarak adlandırılır. Germanyum (Ge) için P-N jonksiyonundaki tipik engel gerilim değeri 0.2~0.3V, silisyum (Si) için P-N jonksiyonundaki tipik engel gerilimi ise 0.6~0.7V civarındadır. İleri Öngerilimleme Şekil 1-1-11'de gösterildiği gibi, güç kaynağının artı ve eksi uçları sırasıyla P ve N'ye bağlanırsa, bu bağlantı "ileri öngerilimleme" olarak adlandırılır. Eğer ileri öngerilimlemede uygulanan gerilim, engel gerilimini aşmak için yeterliyse, elektronlar güç kaynağının artı ucu tarafından çekilirken, eksi ucu tarafından da itilirler. N-tipi yarıiletkendeki elektronlar böylece P-N jonksiyonunu geçerek, deliklerle birleşmek için P-tipi yarıiletkene girerler. Harici güç kaynağı (E) tarafından üretilen elekronlarla birlikte, elektronların iyonizasyonu sonucu N-tipi yarıiletkende çok sayıda delik oluşur. Elektronlar, güç kaynağının (E) etkisiyle sürekli olarak, E'nin eksi ucundan artı ucuna doğru bir elektron akışı oluşturacak şekilde, hareket ederler. Bu elektron akış yönü, geleneksel elektrik akım yönüne gore terstir. Diyodun P-N jonksiyonuna uygulanan ileri öngerilim, IF ile gösterilen bir ileri yön akımı oluşturur. IF'nin değeri harici güç kaynağı (E) ile doğru orantılı ve diyodun iç direnci (r) ile ters orantılıdır. Şekil 1-1-11 İleri öngerilimleme Difüzyon Kapasitesi: Enjekte edilen yüklerin, gerilime göre değişim hızı olarak tanımlanılır. Cd = dQ dI =τ dV dV ( Q = Iτ ) 1-8 Difüzyon kapasitesi, I akımı ile doğru orantılıdır. Tersine Öngerilimleme Şekil 1-1-12'de görüldüğü gibi, eğer güç kaynağının artı ve eksi uçları sırasıyla N ve P'ye bağlanırsa, hem elektronlar hem de delikler E tarafından çekilirler ve jonksiyon bölgesinden uzaklaşırlar. Bunun sonucunda da boşaltılmış bölge genişler ve hiçbir elektron yada delik jonksiyonu geçip birleşemez. Harici gerilimi bu şekilde uygulamak "tersine öngerilimleme" olarak adlandırılır. Şekil 1-1-12 Tersine öngerilimleme P-N jonksiyonuna ters öngerilim uygulandığında, ideal durumda ters yönde hiç akım akmaz. Fakat sıcaklık etkisinden dolayı, ısı enerjisi yarıiletkende azınlık elektron-delik çiftleri meydana getirir. P-N jonksiyonuna ters öngerilim uygulandığında; P-tipi yarıiletkendeki azınlık elektronları, N-tipi yarıiletkendeki azınlık taşıyıcıları olan deliklerle birleşebilmek için P-N jonksiyonun geçebilirler. Pratikte P-N jonksiyonuna ters öngerilim uygulandığında, çok küçük bir akım akar. Bu akım, kaçak akım veya ters doyma akımı olarak adlandırılır ve IR veya IS ile gösterilir. IR, ters öngerilim değerinden bağımsızdır, ancak sıcaklık ile ilişkilidir. Germanyum ya da silisyum olmasından bağımsız olarak, her 100C'lik sıcaklık artışında IR iki katına çıkar. Aynı sıcaklık koşullarında, silisyum diyodun IR (IS) değeri, germanyum diyodunkinin sadece %1-%0.1’i kadardır. 25℃ oda sıcaklığında, ters öngerilim uygulanmış germanyum diyodun IR değeri 1~2 μA’dir ve bu durumda diyot açık devre kabul edilir. 1-9 Ters öngerilim sonucu, boşaltılmış bölgenin genişliği artar ve bunun sonucunda geçiş kapasitesi ( C = ε A ) küçülür. Diğer bir ifadeyle, daha yüksek ters öngerilim değeri, d daha büyük d ve daha küçük kapasite değerine sebep olur. Kırılma (Breakdown) İdeal PN-jonksiyon diyoduna ters öngerilim uygulandığı durumda, IR akımı çok küçük olur. Ancak, uygulanan ters öngerilim çok yüksek olursa (nominal değerden daha yüksek), azınlık taşıyıcıları, çarpışma ve kovalent bağları koparma yoluyla, önemli miktarda elekton-delik çifti oluşturmaya yetecek enerjiye sahip olurlar. Bu yeni üretilen elektron ve delikler de, yüksek ters öngerilimden aldıkları enerjiyle diğer kovalent bağları koparırlar. Serbest elektronların hareketinin hızlanmasıyla, ters yönde akan akım önemli ölçüde artmış olur. Bu olay "kırılma" olarak adlandırılır. Diyotta, artan ters öngerilim nedeniyle, kırılma olayı ortaya çıktığında akım sınırlanmazsa, diyot yanar. Kırılma olayı gerçekleşmeyecek şekilde diyoda uygulanabilecek maksimum ters öngerilim değerine, ters tepe gerilimi (PIV yada PRV) adı verilir. Diyodun Montajı ve Sembolü Diyodun üretimi, P-N jonksiyon gövdesine iki kurşun tel eklenmesi ve daha sonra da gövdenin seramik veya cam ile kaplanmasıyla tamamlanır (yüksek güçlü diyotlara, ısı yayılımını sağlamak için, demir muhafaza da eklenir). Diyodun, PN-jonksiyon yapısı Şekil 1-1-13(a)'da, devre sembolü 1-1-13(b)'de ve katot ucunun bir band ile işaretlenmesi de 1-1-13(c)'de gösterilmiştir. Şekil 1-1-13 PN-jonksiyon diyodu için devre sembolleri 1-10 Diyodun Karakteristik Eğrisi (V-I Eğrisi) Şekil 1-1-14 Diyotların karaktersitik eğrileri İleri öngerilim karakteristik eğrisi, Şekil 1-1-14(b)'nin birinci bölgesinde gösterilmiştir. Karakteristik eğriden, diyoda uygulanan ileri öngerilim değeri eşik geriliminden (Vr) küçük olduğunda, akımın çok küçük olduğu görülmektedir. İleri öngerilim değeri, eşik gerilimini aştığında (germanyum diyot için 0.2V, silisyum diyot için 0.6V), IF akımı çok hızlı bir şekilde artar, bir anlamda diyot kısa devre gibi çalışır (VF, yaklaşık 0.7V olacak şekilde). Diyodun eşdeğer devresi şekil 1-1-15'te gösterilmiştir. 1-11 Şekil 1-1-15 İdeal diyodun karakteristik eğrisi Şekil 1-1-14’teki devre için ileri öngerilim akımı IF şu şekilde hesaplanır. IF = E − VF E − 0.7V = , Burada r, diyodun iç direncidir. R+r R+r Sıcaklığın artması durumunda, diyot üzerinde ileri yöndeki gerilim düşümü azalır ve bu azalma miktarı şu şekilde hesaplanır; ΔVF = K × ΔT Δ T: Sıcaklıktaki değişim (artış) K = -2.5mV/℃ (silisyum) ve -1.3mV/℃ (germanium) Diyodun ters öngerilim karakterisitk eğrisi, Şekil 1-1-14(b)'nin 3. bölgesinde gösterilmiştir ve aşağıdaki şekilde ifade edilir: (1) Kırılmadan önceki ters yön akımı çok küçüktür ve diyot açık-devre olarak değerlendirilebilir. (2) Oda sıcaklığında 25℃, germanyum diyodun IR değeri birkaç μA iken, silisyum diyot için IR değeri, germanyum diyodununkinin %1~%0.1'i kadardır. (3) Silisyum yada germanyum olmasından bağımsız olarak, diyodun IR değeri, her 10℃’lik sıcaklık artışında, ikiye katlanır. (4) Ters öngerilim değeri kırılma gerilimine ulaştığında, IR büyük bir hızla artar. 1-12 Silisyum ve Germanyum Diyotların Karşılaştırması Aynı üretim şartları altında, silisyum ve germanyum diyotlar arasındaki bir karşılaştırma Tablo 1-1-1’de gösterilmiştir. Özellik PIV Sıcaklık Aralığı Eşik Gerilimi (Vr) Sızıntı Akımı (Ir) Silisyum Yüksek 200℃ 0.7V (0.6V) Germanyumun %1~%0.1'i Germanyum Düşük 100℃ 0.3V (0.2V) Birkaç μA Tip Tablo 1-1-1 Diyot karakteristiklerinin Karşılaştırılması Diyodun Karakteristik Parametreleri Doğrultucu diyodun temel parametreleri şu şekilde tanımlanır: (1) Nominal Akım : Yük olarak direnç kullanıldığında diyottan geçebilecek “ortalama akım”dır ve üretici kataloglarında genellikle Io ile gösterilir. (2) Ters Tepe Gerilimi (PIV) : Üretici kataloglarında genellikle VR ile gösterilir. Diyodun İsimlendirilmesi (1) 1Sxxx : Japon standardı, örneğin 1S1604 (2) OAxxx : Avrupa standardı, örneğin OA200 (3) 1Nxxx : Amerikan standardı, örneğin 1N4001 Bunlar arasında en bilineni ve en çok kullanılanı 1N diyotlarıdır. Diğer isimlendirme standartları için mevcut ticari kataloglara bakılabilir. Sık kullanılan bazı diyotlara ilişkin parametreler Tablo 1-1-2’de gösterilmiştir. İsimlendirme Parametre İsimlendirme Parametre 1N4001 1A/50V 1N5400 3A/50V 1N4002 1A/100V 1N5401 3A/100V 1N4003 1A/200V 1N5402 3A/200V 1N4004 1A/400V 1N5403 3A/300V 1N4005 1A/600V 1N5404 3A/400V 1S1905 1A/100V 1S1996 3A/200V 1S1906 1A/200V 1S1997 3A/400V 1S1907 1A/400V 1S1998 3A/600V Tablo 1-1-2 Sık kullanılan bazı diyotlara ilişkin parametreler 1-13 KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25001 Diyot, Kırpıcı ve Kenetleyici modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre DENEYİN YAPILIŞI A. Si Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi (I) - Osiloskop Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-1-16’daki devre ve Şekil 1-1-17’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz, 20 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskobun CH2(Y), GND ve CH1(X) girişlerini sırasıyla TP1, TP2 ve TP3’e bağlayın. Bu durumda CH1(X) girişi diyodun gerilimini ölçmek ve göstermek için kullanılrken, CH2(Y) girişi diyodun akımını ölçmek ve göstermek için kullanılır. 5. Osiloskobu X-Y moduna ve DC giriş bağlantı konumuna Osiloskoptaki grafiği gözleyin ve Şekil 1-1-18’e kaydedin. 6. VR2(10K)’yi ayarlayın ve eğrideki değişimi gözleyin. 1-14 ayarlayın. Şekil 1-1-16 V-I eğrisinin ölçüm devresi Şekil 1-1-17 Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok a) Şekil 1-1-18 Ölçülen V-I eğrisi 1-15 B. Si Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi (II) – Voltmetre-Ampermetre Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-1-19’daki devre ve Şekil 1-1-20(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Voltmetre ve ampermetreyi bağlayın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. 3. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25001 modülüne bağlayın. 4. VR2 (10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 0.1V’luk aralıklarla, 0.1V ile 0.7V arasında gerilimler uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine karşılık gelen IF ileri yön akımını ölçün ve Tablo 1-1-3’e kaydedin. 5. Şekil 1-1-19’daki devre ve Şekil 1-1-20(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın(ters bağlantı), voltmetre ve ampermetreyi bağlayın. 6. VR2 (10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 1V’luk aralıklarla, 1V ile 5V arasında VR gerilimleri uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine karşılık gelen IR akımını ölçün ve Tablo 1-1-4’e kaydedin. 7. Tablo 1-1-3 ve 1-1-4’teki değerleri kullanarak, V-I eğrisini Şekil 1-1-21’de çizin. Şekil 1-1-19 1-16 (a) İleri öngerilimleme (b) Ters öngerilimleme Şekil 1-1-20 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok a) VF (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 IF (µA) Tablo 1-1-3 VR (V) 1 2 3 IR (µA) Tablo 1-1-4 1-17 4 5 Şekil 1-1-21 Ölçülen V-I eğrisi C. Ge Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi (I) – Voltmetre-Ampermetre Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-1-22’deki devre ve Şekil 1-1-23(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25001 modülüne bağlayın. 3. VR2(10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 0.1V’luk aralıklarla, 0.1V ile 0.7V arasında gerilimler uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine karşılık gelen IF ileri yön akımını ölçün ve Tablo 1-1-5’e kaydedin. 4. Şekil 1-1-22’deki devre ve Şekil 1-1-23(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın(ters bağlantı), voltmetre ve ampermetreyi bağlayın. 5. VR2(10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 1V’luk aralıklarla, 1V ile 5V arasında VR gerilimleri uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine (kırılmanın olmadığı) karşılık gelen IR akımını ölçün ve Tablo 1-1-6’ya kaydedin. 6. Tablo 1-1-5 ve 1-1-6’daki değerleri kullanarak, V-I eğrisini Şekil 1-1-24’te çizin. 1-18 Şekil 1-1-22 IF ve IR’yi ölçme devresi (a) İleri öngerilimleme (b) Ters öngerilimleme Şekil 1-1-23 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok a) VF (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 IF (µA) Tablo 1-1-5 1-19 0.5 0.6 0.7 VR (V) 1 2 3 4 5 IR (µA) Tablo 1-1-6 Şekil 1-1-24 Ölçülen V-I eğrisi D. Ge Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi (II) - Osiloskop Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-1-25’deki devre ve Şekil 1-1-26’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz, 20 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskobun CH2(Y), GND ve CH1(X) girişlerini sırasıyla TP1, TP2 ve TP3’e bağlayın. Bu durumda CH1(X) girişi diyodun gerilimini ölçmek ve göstermek için kullanılrken, CH2(Y) girişi diyodun akımını ölçmek ve göstermek için kullanılır. 5. Osiloskobu X-Y moduna ve DC giriş bağlantı konumuna Osiloskoptaki grafiği gözleyin ve Şekil 1-1-27’ye kaydedin. 1-20 ayarlayın. 6. VR2(10K)’yi ayarlayarak eğrideki değişimi gözleyin. Şekil 1-1-25 Şekil 1-1-26 Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok a) Şekil 1-1-27 Ölçülen V-I eğrisi 1-21 SONUÇLAR Genel diyotlar, kullanılan malzemeye göre silisyum ve germanium diyotlar olmak üzere iki gruba ayrılabilir. Deney sonuçlarından, gerçek silisyum ve germanyum diyotlar için eşik gerilimleri belirlenebilir. Kırılma gerilimi testi, aşırı ters yön gerilimi diyoda zarar vereceği için gerçekleştirilmemiştir. Sadece karakteristik eğri içeriğinde IR testi gerçekleştirilmiş ve tipik olarak birkaç µA’lik sonuçlar elde edilmiştir. Kırılma sonrası akacak akım, devredeki harici gerilim kaynağına ve dirence bağlıdır ve tipik olarak birkaç Amper düzeylerindedir. 1-22 DENEY 1-2 Zener Diyot Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. Zener diyodun karakteristiklerini anlamak. 2. Zener diyodun karakteristiklerini ölçmek. GENEL BİLGİLER Zener diyot, gerilim düzenleyici (reglatör) diyot olarak da adlandırılır. Zener diyodun devre sembolü Şekil 1-2-1’de ve karakteristik eğrisi Şekil 1-2-2’de gösterilmiştir. (a) Görünüm (b) Sembol Şekil 1-2-1 Zener diyot Şekil 1-2-2 Zener diyodun V-I karakteristik eğrisi Yarıiletkene uygulanan ters öngerilim VZ değerine ulaştığında, akım oldukça hızlı bir şekilde artar (akımı sınırlamak için devreye direnç eklenmelidir), gerilim ise sabit kalır. Bu karakteristiğe sahip diyot Zener diyot olarak adlandırılır ve gerilimin sabit kalmasını sağlayan regülatör devrelerinde yaygın olarak kullanılır. VZ değeri, katkılama düzeyi değiştirilerek kontrol edilebilir. Katkılama düzeyi arttırılırsa, eklenen katkı maddesi artacak ve VZ değeri azalacaktır. Regüle gerilimi 3V ile birkaç yüz volt arasında bulunan ve 200 mW ile 100W arasında güç değerlerine sahip olan zener diyotlar mevcuttur. 1-23 Şekil 1-2-2’den, zener diyodun ileri öngerilim bölgesindeki davranışının, normal diyot ile aynı olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, ters öngerilim bölgesinde, ters öngerilim değeri, kırılma geriliminin aşağısında (VBR), zener gerilimine (VZ) ulaştığında, diyottan akan ters yöne akımı oldukça hızlı bir şekilde artar. Bu akım IZ ile gösterilir. IZ, IZmin’den küçük olduğu zaman, karakteristik eğrinin eğimli kısmında çalışan diyot, gerilim regüle etmek için kullanılamaz. IZ, IZmax’tan daha büyük olursa diyot yanacağı için, zener diyoda seri olarak bir direnç bağlanmalı ve gerilim regülasyonunun gerçekleşmesi için IZ değerinin IZmin ve IZmax arasında olması sağlanmalıdır. Şekil 1-23’te temel zener diyot devresi gösterilmiştir. Şekil 1-2-3 Temel zener diyot devresi Zener Diyodun Karaktersitik Parametreleri VZ : Zener gerilimi (regüle edilmiş gerilim) PZmax : Harcanan maksimum güç IZmin : Regülatör özelliğinin çalıştığı minimum zener akımı IZmax : Zenerin dayanabileceği maksimum akım Herhangi bir zener diyoda ait parametreleri, üretici kataloglarından edinilebilir. Eğer PZmax ve VZ biliniyorsa, bu durumda IZmax hesaplanabilir. PZmax = VZ x IZmax IZmax = PZmax/VZ KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25001 Diyot, Kırpıcı ve Kenetleyici modülü 1-24 DENEYİN YAPILIŞI A. Zener Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi(I) -Voltmetre-Ampermetre Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-2-4’teki devre ve Şekil 1-2-5(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25001 modülüne bağlayın. 3. VR2(10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 0.1V’luk aralıklarla, 0V ile 0.7V arasında gerilimler uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine karşılık gelen IF ileri yön akımını ölçün ve Tablo 1-2-1’e kaydedin. 4. Şekil 1-2-4’teki devre ve Şekil 1-2-5(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın(ters bağlantı), voltmetre ve ampermetreyi bağlayın. 5. VR2(10K) potansiyometresini, diyodun uçları arasına 1V’luk aralıklarla, 1V ile 4V arasında ters gerilimler uygulayacak şekilde ayarlayın. Her gerilim değerine karşılık gelen IR akımını ölçün ve Tablo 1-2-2’ye kaydedin. 6. Tablo 1-2-1 ve 1-2-2’deki değerleri kullanarak, V-I eğrisini Şekil 1-2-6’da çizin. Şekil 1-2-4 1-25 (a) İleri öngerilimleme (b) Ters öngerilimleme Şekil 1-2-5 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok a) VF (V) 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 IF (µA) Tablo 1-2-1 VR (V) 1 2 3 IR (µA) Tablo 1-2-2 1-26 4 5 Şekil 1-2-6 Ölçülen V-I eğrisi B. Zener Diyodun V-I Eğrisinin Çizilmesi (II) - Osiloskop Yöntemi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-2-7’deki devre ve Şekil 1-2-8’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz, 20 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskobun CH2(Y), GND ve CH1(X) girişlerini sırasıyla TP1, TP2 ve TP3’e bağlayın. Bu durumda CH1(X) girişi diyodun gerilimini ölçmek ve göstermek için kullanılrken, CH2(Y) girişi diyodun akımını ölçmek ve göstermek için kullanılır. 5. Osiloskobu X-Y moduna ve DC giriş bağlantı konumuna Osiloskoptaki grafiği gözleyin ve Şekil 1-2-9’a kaydedin. 6. VR2(10K)’yi ayarlayın ve eğrideki değişimi gözleyin. 1-27 ayarlayın. Şekil 1-2-7 Zener diyot için ölçüm devresi Şekil 1-2-8 Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok a) Şekil 1-2-9 Ölçülen V-I eğrisi 1-28 SONUÇLAR Zener diyodun ileri öngerilim karakteristiği normal diyotlara benzerken, ters öngerilim karakteristiği, Zener diyot Zener bölgesinde çalışacağı için, farklıdır. Deney sonuçlarından görüldüğü gibi, Zener diyoda uygulanan ters gerilim Zener değerini (regüle gerilimi) aşarsa, Zener diyodun uçları arasındaki gerilim sabit kalır. Uygulanan ters gerilim arttıkça IZ akımı da artar, ancak eğer IZ>IZmax olursa zener diyot zarar görür. 1-29 DENEY 1-4 Fotodiyot Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. Fotodiyot karakteristiklerini anlamak. 2. Fotodiyot karakteristiklerini ölçmek. GENEL BİLGİLER Foto-diyot, çalışma bölgesi ters öngerilim bölgesiyle sınırlı olan jonksiyon tipi bir yarıiletken elemandır. Fotodiyodun temel yapısı, öngerilimlenmesi ve sembolleri Şekil 1-4-1’de gösterilmiştir. Şekil 1-4-1 Fotodiyodun öngerilimlenmesi ve sembolleri Fotodiyodun ters öngerilim durumundaki akımı, şekil 1-4-2’de gösterildiği gibi, ışık şiddetiyle doğru orantılıdır. Şekil 1-4-2 Fotodiyodun karakteristik eğrileri 1-36 Transistöre benzeyen fototransistörün de emetör akımı ışık şiddetiyle doğru orantılıdır. Fotodiyot ve fototransistörlerde kullanılan ışık kaynakları arasında görünür ışık, kızılötesi ve lazer ışınları yer almaktadır. KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25001 Diyot, kırpıcı ve kenetleyici modülü DENEYİN YAPILIŞI 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve e bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 1-4-3(a)’daki devre ve Şekil 1-4-3(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25001 modülüne bağlayın. 3. Ampermetreyi bağlayın ve sırasıyla şu koşullar altında IR değerlerini ölçün: (1) Fotodiyot ışık alırken, (2) ışık engellenmişken. Daha sonra sırasıyla en parlak ışık ve en düşük ışık durumlarındaki IR değerlerini kaydedin. 4. Ölçülen IR değerlerini ve I R = 12V denklemini kullanarak, RD direnç 470 Ω + RD değerini hesaplayın. Fotodiyot Parlak ışık IR=___________ , RD=___________ Düşük ışık IR=___________ , RD=___________ 5. Şekil 1-4-4(a)’daki devre ve Şekil 1-4-4(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 1-37 6. Ampermetreyi bağlayın ve sırasıyla şu koşullar altında IE değerlerini ölçün: (1) Fototransistör ışık alırken, (2) ışık engellenmişken. Daha sonra sırasıyla en parlak ışık ve en düşük ışık durumlarındaki IE değerlerini kaydedin. Fototransistör Parlak ışık IE=___________ Düşük ışık IE=___________ (a) Devre (b) Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok e) Şekil 1-4-3 Fotodiyot ölçümleri için devreler (a) Devre (b) Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok e) Şekil 1-4-4 Fototransistör ölçümleri için devreler 1-38 SONUÇLAR Fotodiyodun, ileri öngerilim ve ışık almadığı durumlardaki ters öngerilim karakteristikleri, genel diyodunkine benzemektedir. Işık olduğu zaman, genel diyottan farklı olarak, ters yöndeki akım ışığın şiddetiyle doğru orantılı olur. Bu olgu 1-5 deneyinden öğrenilebilir. Pratikte, ışık dönüşümü ile elde edilen akım, direkt olarak bir yükü sürmek için kullanılamaz. Yükü sürebilmek için, bu akımın bir tranzistör veya IC tarafından kuvvetlendirilmesi gerekir. 1-39 Bölüm 2 Doğrultucular ve Filtreler DENEY 2-1 Yarım-Dalga Doğrultucu DENEYİN AMACI 1. Yarım-dalga doğrultucu devrenin çalışma prensibini anlamak. 2. Yarım-dalga doğrultucu devrenin çıkış gerilimini ve dalgacık gerilimini ölçmek. GENEL BİLGİLER DC Güç Kaynağı Elektronik cihazlar, güç kaynağı olarak DC güce gereksinim duyarlar. Piller dışında, DC güç elde etmek için en sık kullanılan yöntem AC gerilimin DC gerilime dönüştürülmesidir. Tam bir DC güç kaynağı, Şekil 2-1-1’de gösterilen bloklardan oluşur. AC gerilim, transformatör yardımıyla istenilen gerilim düzeyine dönüştürülür, daha sonra doğrultucu ile darbeli DC gerilim elde edilir. Darbeli DC gerilim, filtre devresiyle minimum dalgacıklı saf DC gerilime haline getirilir. Eğer DC gerilim, yüksek doğruluk gereksinimi olan bir yüke uygulanacaksa, sisteme bir gerilim regülatörü de eklenir. En sık kullanılan doğrultucu devreler: (1)yarım-dalga doğrultucu, (2)tam-dalga doğrultucu, (3)köprü doğrultucu. VAC Gerilim Dönüştürme Doğrultma Filtereleme Gerilim VDC Regülasyonu Şekil 2-1-1 Dc güç kaynağının blok diyagramı Kondansatör Filtresiz Yarım-Dalga Doğrultucu Yarım-dalga doğrultucu Şekil 2-1-2(a)’da gösterilmiştir. Şekil 2-1-2(b)’de gösterilen Vi giriş geriliminin pozitif alternansında diyot iletimde olur ve Şekil 2-1-2(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre VO=Vi olur. 2-1 Negatif alternans süresince diyot kesimdedir ve bu durumda eşdeğer devre Şekil 2-12(d)’de gösterildiği gibidir. Şekil 2-1-2(b)’de gösterildiği gibi, VO sadece pozitif alternansta ortaya çıkmaktadır. Vdc= Vav= 0.9Vrms/2= 0.45Vrms. (a) Devre (b) Giriş ve çıkış dalga şekilleri (c) Diyot ON (d) Diyot OFF Şekil 2-1-2 Kondansatör filtresiz yarım-dalga doğrultucu Kondansatör Filtreli Yarım-Dalga Doğrultucu Kondansatör filtresiz yarım dalga doğrultucunun çıkış dalga şekli Şekil 2-1-2(b)’de gösterilmişti. Kondansatör filtreli yarım-dalga doğrultucu devresi, şarj ve deşarj durumları için, sırasıyla Şekil 2-1-3(a) ve (b)’de gösterilmiştir. RL=1KΩ ve RL=∞ durumları için çıkış dalga şekilleri, sırasıyla Şekil 2-1-3(c) ve (d)’de gösterilmiştir. Daha büyük RL değeri, deşarj süresinin artmasına ve böylece çıkış geriliminin daha pürüzsüz olmasına neden olur. 2-2 (c) RL=1KΩ iken çıkış dalga şekli (d) RL= ∞ iken çıkış dalga şekli Şekil 2-1-3 Kondansatör filtreli yarım-dalga doğrultucu KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre DENEYİN YAPILIŞI A. Kondansatör Filtresiz Yarım-Dalga Doğrultucu 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve c bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 2-1-4’teki devre ve Şekil 2-1-5’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 2-3 3. KL-22001 Düzeneğindeki AC güç kaynağından, Vac giriş uçları TP1 ve TP2 arasına 9VAC gerilim uygulayın. 4. Multimetreyi kullanarak, Vac giriş gerilimini (AC konumda) ve Vdc çıkış gerilimini (DC konumda) ölçün ve Tablo 2-1-1’e kaydedin. 5. Osiloskobu kullanarak, Vac giriş gerilimini ve OUT (TP3) ucundan, Vdc çıkış gerilimi (DC bağlantı konumu) ile Vr dalgacık gerilimini (AC bağlantı konumu) ölçün ve Tablo 2-1-1’e kaydedin. Şekil 2-1-4 Kondansatör filtresiz yarım-dalga doğrultucu Şekil 2-1-5 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) B. Kondansatör Filtreli Yarım-Dalga Doğrultucu 1. Şekil 2-1-6’daki devre ve Şekil 2-1-7’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR4 potansiyometresini devreye bağlayın. 2-4 2. KL-22001 Düzeneğindeki AC güç kaynağından, Vac giriş uçları TP1 ve TP2 arasına 9VAC gerilim uygulayın. VR4(1MΩ)’ü maksimuma ayarlayın. 3. Multimetreyi kullanarak, Vac giriş gerilimini (AC konumda) ve Vdc çıkış gerilimini (DC konumda) ölçün ve Tablo 2-1-1’e kaydedin. 4. Osiloskobu kullanarak, Vac giriş gerilimini ve OUT (TP3) terminalinden, Vdc çıkış gerilimi (DC bağlantı konumu) ile Vr dalgacık gerilimini (AC bağlantı konumu) ölçün ve Tablo 2-1-1’e kaydedin. 5. VR4(1MΩ)’ü minimuma ayarlayın ve 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 6. Şekil 2-1-6’daki devre ve Şekil 2-1-8’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Böylece C6 (220µF) filtre kondansatörü C5 (10µF) ile, R yük direnci R7 (1KΩ) ile değiştirilmiş olur. 7. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. Şekil 2-1-6 Kondansatör filtreli yarım-dalga doğrultucu 2-5 Şekil 2-1-7 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) Şekil 2-1-8 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) 2-6 Vrms / Vpp Test noktası Yarım-Dalga Doğrultucu Devre Multimetre Osiloskop IN OUT IN Vac Vdc Vac OUT Vdc Vr C yok C6 : 220µF VR4 : MAX C6 : 220µF VR4 : MIN C5 : 10µF R : 1K Tablo 2-1-1 SONUÇLAR Yarım-dalga doğrultucu devresinde, filtre kondansatörü ve yük direncinin değeri arttıkça çıkış gerilim artmakta dalgacık gerilimi ise azalmaktadır. 2-7 DENEY 2-2 Tam-Dalga Doğrultucu DENEYİN AMACI 1. Tam-dalga doğrultucu devrenin çalışma prensibini anlamak. 2. Tam-dalga doğrultucu devrenin çıkış gerilimini ve dalgacık gerilimini ölçmek. GENEL BİLGİLER Kondansatör Filtresiz Tam-Dalga Doğrultucu Tam-dalga doğrultucu devresi Şekil 2-2-1(a)’da gösterilmiştir. Bu devrede merkezbağlantılı bir transformatör kullanılmalıdır (Vac1=Vac2). Şekil 2-2-1 Kondansatör filtresiz tam-dalga doğrultucu devresi 2-8 Pozitif alternans süresince, Vac1 giriş gerilimi Şekil 2-2-1(b)’de gösterilmiştir. Vac1’in üst ucu poizitif, alt ucu negatif olduğu için D1 diyodu iletimde, D2 diyodu ise kesimde olur. Bu durumda eşdeğer devre Şekil 2-2-1(c)’de ve VO gerilimi Şekil 2-2-1(d)’de gösterilmiştir. Negatif alternans süresince, Vac2 giriş gerilimi Şekil 2-2-1(e)’de gösterilmiştir. Vac1’in üst ucu negatif, alt ucu pozitif olduğu için D2 diyodu iletimde, D1 diyodu ise kesimde olur. Şekil 2-2-1(f)’de gösterilen eşdeğer devrede, RL üzerinden akan akımın yönü pozitif alternanstaki ile aynıdır. VO gerilimi de Şekil 2-2-1(g)’de gösterilmiştir. Kondansatör Filtreli Tam-Dalga Doğrultucu Kondansatör filtreli, merkez bağlantılı tam-dalga doğrultucu Şekil 2-2-2’de gösterilmiştir. Çıkış ve dalgacık gerilimi dalga şekilleri, Deney 2-1’de ele alınan kondansatör filtreli yarım-dalga doğrultucununkilere benzemektedir. İkisi arasındaki temel farklar: (1) tam-dalga doğrultucunun çıkış gerilimi, yarım-dalga doğrultucuya göre daha büyüktür, (2) tam-dalga doğrultucunun dalgacık gerilimi, yarım-dalga doğrultucuya göre daha küçüktür. Şekil 2-2-2 Kondansatör filtreli tam-dalga doğrultucu devresi KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre 2-9 DENEYİN YAPILIŞI A. Kondansatör Filtresiz Tam-Dalga Doğrultucu 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve c bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 2-2-3’teki devre ve Şekil 2-2-4’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. KL-22001 Düzeneğindeki AC güç kaynağından, devredeki Vac1 ve Vac2 giriş uçlarına (TP1, GND ve TP2), sırasıyla AC 9V-0V ve 0V-9V uygulayın. 4. Vac1 ve Vac2 gerilimlerini sırasıyla multimetre (AC konumda) ve osiloskop kullanarak (AC bağlantı konumunda) ölçün ve Tablo 2-2-1’e kaydedin. 5. Multimetre (DC konumda) ve osiloskop (DC bağlantı konumu) kullanarak, OUT (TP3) çıkış terminalini ölçün. Burada, osiloskop DC bağlantı konumundayken Vdc ve AC bağlantı konumundayken dalgacık gerilimi ölçülmüş olur. Sonuçları Tablo 2-2-1’e kaydedin. Şekil 2-2-3 2-10 Şekil 2-2-4 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) B. Kondansatör Filtreli Tam-Dalga Doğrultucu 1. Şekil 2-2-5’teki devre ve Şekil 2-2-6’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR4 potansiyometresini devreye bağlayın. 2. KL-22001 Düzeneğindeki AC güç kaynağından, devredeki Vac1 ve Vac2 giriş terminallerine (TP1, GND ve TP2), sırasıyla AC 9V-0V ve 0V-9V uygulayın. VR4(1MΩ)’ü maksimuma ayarlayın. 3. Multimetreyi kullanarak, Vac1 ve Vac2 giriş gerilimlerini (AC konumda) ve OUT ucundan Vdc çıkış gerilimini (DC konumda) ölçün ve Tablo 2-2-1’e kaydedin. 4. Osiloskobu kullanarak, Vac1 ve Vac2 giriş gerilimlerini ve OUT (TP3) ucundan, Vdc çıkış gerilimi (DC bağlantı konumu) ile Vr dalgacık gerilimini (AC bağlantı konumu) ölçün ve Tablo 2-2-1’e kaydedin. 5. VR4(1MΩ)’ü minimuma ayarlayın ve 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 6. Şekil 2-2-5’teki devre ve Şekil 2-2-7’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Böylece C6 (220µF) filtre kondansatörü C5 (10µF) ile, R yük direnci R7 (1KΩ) ile değiştirilmiş olur. 2-11 7. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. Şekil 2-2-5 Merkez-bağlantılı tam-dalga doğrultucu devresi Şekil 2-2-6 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) Şekil 2-2-7 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok c) 2-12 Vrms / Vpp Test noktası Tam-Dalga Doğrultucu Devre Multimetre Osiloskop IN OUT IN Vac Vdc Vac OUT Vdc Vr C yok C6 : 220µF VR4 : MAX C6 : 220µF VR4 : MIN C5 : 10µF R : 1K Tablo 2-2-1 SONUÇLAR Tam-dalga doğrultucu devresinde, filtre kondansatörü ve yük direncinin değeri arttıkça çıkış gerilim artmakta dalgacık gerilimi ise azalmaktadır. 2-13 Bölüm 3 Diyot Kırpma ve Kenetleme Devreleri DENEY 3-1 Kırpma Devreleri DENEYİN AMACI 1. Diyot kırpma devresinin çalışma prensibini anlamak. 2. Öngerilim eklenmesi durumunda, diyot kırpma devresinin dalga şeklinde meydana gelen değişimi anlamak. GENEL BİLGİLER Kırpma devresi, giriş sinyalinin bazı kısımlarını kırpar ve çıkış sinyali olarak kırpılmış bu sinyali kullanır. Kırpıcı olarak da adlandırılır. Şekil 3-1-1’de gösterildiği gibi, diyodun iletim yönünde kutuplanması bir anahtarın kapalı durumuna, kesim yönünde kutuplanamsı ise anahtarın açık durumuna karşılık gelmektedir. Şekil 3-1-1 İletim yada kesim durumunda diyot Seri Diyot Kırpma Devresi Şekil 3-1-2(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-2(b)’de gösterilmiştir. Pozitif alternans süresince (Ei>0), diyot kısa-devre durumundadır ve Şekil 3-1-2(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir. Negatif alternans süresince (Ei<0), diyot açık-devre durumundadır ve Şekil 3-1-2(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-2(b)’de gösterilmiştir. 3-1 Şekil 3-1-2 Seri diyot kırpma devresi Şekil 3-1-3(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-3(b)’de gösterilmiştir. Pozitif alternans süresince (Ei>0), ters kutuplanmış diyot açık-devre durumundadır ve Şekil 3-1-3(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. Negatif alternans süresince (Ei<0), iletim yönünde kutuplanmış diyot kısa-devre durumundadır ve Şekil 3-1-3(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO= Ei’dir. EO’ın dalga şekli Şekil 3-13(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-3 Seri diyot kırpma devresi 3-2 Öngerilimli Seri Diyot Kırpma Devresi Giriş geriliminin istenilen bir seviyede kırpılması isteniyorsa, devreye bir DC gerilim eklenebilir. Eklenen dc gerilimin polaritesi, genliği ve bağlanma yeri, giriş dalga şeklinin hangi kısımlarının kırpılacağını belirlemektedir. Şekil 3-1-4 Ters öngerilim eklenmiş seri diyot kırpma devresi Şekil 3-1-4(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-4(b)’de gösterilmiştir. Ei>E iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-4(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir. Ei<E iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-4(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=E’dir. EO’ın dalga şekli Şekil 31-4(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-5 Ters öngerilim eklenmiş seri diyot kırpma devresi 3-3 Şekil 3-1-5(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-5(b)’de gösterilmiştir. Ei>E iken (E negatif gerilim), diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-15(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei-E’dir. Ei<E iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-5(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-5(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-6 İleri öngerilim eklenmiş seri diyot kırpma devresi Şekil 3-1-6(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-6(b)’de gösterilmiştir. (Ei+E)>0 iken (E negatif gerilim), diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-16(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir. (Ei+E)<0 iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-6(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-6(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-7(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-7(b)’de gösterilmiştir. (Ei+E)>0 iken (E pozitif gerilim), diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-17(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei+E’dir. (Ei+E)<0 iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-7(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-7(b)’de gösterilmiştir. 3-4 Şekil 3-1-7 İleri öngerilim eklenmiş seri diyot kırpma devresi Paralel Diyot Kırpma Devresi Paralel diyot kırpma devresi, seri diyot kırpma devresi ile aynı fonksiyona sahiptir ve pozitif yada negatif alternansı algılama devresi olarak kullanılabilir. Şekil 3-1-8 Paralel diyot kırpma devresinin çalışması 3-5 Şekil 3-1-8(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-8(b)’de gösterilmiştir. Ei>0 iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-8(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. Ei<0 iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-8(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir (RL>>RS). EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-8(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-9 Paralel diyot kırpma devresinin çalışması Şekil 3-1-9(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-9(b)’de gösterilmiştir. Ei>0 iken, diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-9(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir (RL>>RS). Ei<0 iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-9(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=0’dır. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-9(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-10(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-10(b)’de gösterilmiştir. Ei>(Vz+0.6V) iken, Şekil 3-1-10(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO= Vz+0.6V olur. -(Vz+0.6V)<Ei<(Vz+0.6V) iken, Şekil 3-1-10(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei olur. Ei<(Vz+0.6V) iken, Şekil 3-1-10(e)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=-(Vz+0.6V) olur. EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-10(b)’de gösterilmiştir. 3-6 Şekil 3-1-10 Zener diyot kırpma devresi Öngerilimli Paralel Diyot Kırpma Devresi Şekil 3-1-11(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-11(b)’de gösterilmiştir. Ei>E iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-11(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir. Ei<E iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-11(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir (RL>>RS). EO’ın dalga şekli Şekil 3-1-11(b)’de gösterilmiştir. (a) (b) 3-7 (c) (d) Şekil 3-1-11 Ters öngerilim eklenmiş paralel diyot kırpma devresi Şekil 3-1-12(a)’da gösterilen devre için, Ei giriş gerilimi Şekil 3-1-12(b)’de gösterilmiştir. Ei>E iken (E negatif gerilim), diyot kesim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-12(c)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=Ei’dir (RL>>RS). Ei<E iken, diyot iletim yönünde kutuplanmış olur ve Şekil 3-1-12(d)’de gösterilen eşdeğer devreye göre EO=E’dir. EO dalga şekli Şekil 3-1-12(b)’de gösterilmiştir. Şekil 3-1-12 Ters öngerilim eklenmiş paralel diyot kırpma devresi 3-8 KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25001 Diyot, Kırpıcı ve Kenetleyici modülü 3. Osiloskop DENEYİN YAPILIŞI A. Seri Diyot Kırpma Devresi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve b bloğunun konumunu belirleyin. 2. Tablo 3-1-1(a)’daki devre ve Şekil 3-1-13(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP2 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskop kullanarak, TP2’den giriş gerilimini ve OUT’dan çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-1(a)’ya kaydedin. 5. Tablo 3-1-1(b)’deki devre ve Şekil 3-1-13(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 6. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP1 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 7. Osiloskop kullanarak, TP1’den giriş gerilimini ve OUT’dan çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-1(b)’ye kaydedin. 3-9 (a) (b) Şekil 3-1-13 Bağlantı diyagramı (KL-25001 blok b) Tablo 3-1-1 3-10 B. Öngerilimli Seri Diyot Kırpma Devresi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve b bloğunun konumunu belirleyin. 2. Tablo 3-1-2(a)’daki devre ve Şekil 3-1-14(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye -5VDC gerilim bağlayın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP2 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskop kullanarak, TP2’den Vi giriş gerilimini ve OUT’dan VO çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-2’ye kaydedin. 5. Tablo 3-1-2(b)’deki devre ve Şekil 3-1-14(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye +5VDC gerilim bağlayın. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 6. Tablo 3-1-2(c)’deki devre ve Şekil 3-1-14(c)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye -5VDC gerilim bağlayın. 7. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP1 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 8. Osiloskop kullanarak, TP2’den Vi giriş gerilimini ve OUT’dan VO çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-2’ye kaydedin. 9. Tablo 3-1-2(d)’deki devre ve Şekil 3-1-14(d)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye +5VDC gerilim bağlayın. 7. ve 8. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 3-11 (a) (b) (c) (d) Şekil 3-1-14 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok b) Tablo 3-1-2 3-12 C. Paralel Diyot Kırpma Devresi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve c bloğunun konumunu belirleyin. 2. Tablo 3-1-3(a)’daki devre ve Şekil 3-1-15(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP1 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskop kullanarak, TP1’den Vi giriş gerilimini ve OUT’dan VO çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-3’e kaydedin. 5. Tablo 3-1-3(b)’deki devre ve Şekil 3-1-15(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 6. Tablo 3-1-3(c)’deki devre ve Şekil 3-1-15(c)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. (a) (b) 3-13 (c) Şekil 3-1-15 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok c) Tablo 3-1-3 D. Öngerilimli Paralel Diyot Kırpma Devresi 1. KL-25001 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve c bloğunun konumunu belirleyin. 2. Tablo 3-1-4(a)’daki devre ve Şekil 3-1-16(a)’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye +5VDC gerilim bağlayın. 3-14 3. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, TP1 giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 4. Osiloskop kullanarak, TP1’den Vi giriş gerilimini ve OUT’dan VO çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-4’e kaydedin. 5. Tablo 3-1-4(b)’deki devre ve Şekil 3-1-16(b)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye -5VDC gerilim bağlayın. 6. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 7. Tablo 3-1-4(c)’deki devre ve Şekil 3-1-16(c)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye -5VDC gerilim bağlayın. 8. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. 9. Tablo 3-1-4(d)’deki devre ve Şekil 3-1-16(d)’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit güç kaynağından devreye +5VDC gerilim bağlayın. 10. 3. ve 4. adımdaki işlemleri tekrarlayın. (a) (b) 3-15 (c) (d) Şekil 3-1-16 Bağlantı diyagramları (KL-25001 blok c) Tablo 3-1-4 SONUÇLAR Diyot kırpma devreleri, seri kırpma devresi ve paralel kırpma devresi olarak iki gruba ayrılmasına rağmen, iki devrenin de çalışma prensibi aynıdır. Diğer bir ifadeyle, her iki devre düzenlemesi de, diyodun iletim ve kesim durumu karakteristiklerini kullanır. Kırpma devrelerinin çalışması aşağıdaki gibi özetlenebilir: 1. Seri kırpma (öngerilim yok) Eğer 1) diyot iletimdeyse, VO=Vi. 2) diyot kesimdeyse, Vo=0. 3-16 2. Paralel kırpma (öngerilim yok) Eğer 1) diyot iletimdeyse, VO=0. 2) diyot kesimdeyse, VO=Vi (RL>>RS). 3. Seri kırpma (öngerilimli) Eğer 1) diyot iletimdeyse, VO=Vi. 2) diyot kesimdeyse, VO=E. 4. Paralel kırpma (öngerilimli) Eğer 1) diyot iletimdeyse, VO=E. 2) diyot kesimdeyse, VO=Vi (RL>>RS) 3-17 Bölüm 4 Türev ve İntegral Alıcı Devreler DENEY 4-1 RC Devresi DENEYİN AMACI 1. RC devresinin yapısını ve çalışma prensibini anlamak. 2. RC devresinin, dolma ve boşalma durumunda, dalga şekillerini ölçmek. GENEL BİLGİLER RC Zaman Sabiti Şekil 4-1-1’de gösterildiği gibi, anahtar b konumunda iken C kondansatörü dolarken, anahtar a konumuna alındığında C kondansatörü boşalmaktadır. Dolma gerilimi ve akımının zamana göre değişimi Şekil 4-1-1(b)’de ve boşalma gerilimi ve akımının zamana göre değişimi ise Şekil 4-1-2(b)’de gösterilmiştir. T(S) = R(Ω) x C(F) zaman sabiti olarak adlandırılır. Şekil 4-1-1 RC dolma devresi 4-1 Vc = Ee − t RC VR = −Ee Id = − t RC t VR − E − RC e = R R VR & Id boşalma (a) (b) Şekil 4-1-2 RC boşalma devresi RC türev ve integral devrelerinin çalışması, iki farklı açıdan değerlendirilebilir: 1. Şekil 4-1-1(a)’da gösterildiği gibi, anahtar b konumuna getirildiğinde, C kondansatörü dolmaya başlar ve VC artar. E=VR+VC olduğu için, VR azalır ve bundan dolayı IC=IR akımı da azalmış olur. VC, VR ve IC, Şekil 4-1-1(b)’de gösterilen değişim eğrileriyle ifade edilebildiği gibi, aşağıdaki denklemler ile de ifade edilebilir: Vc = E( 1 − e VR = Ee − t RC − , t RC ) , e = 2.718 (4-1-1) t=dolma süresi (sn) (4-1-2) t Ic = VR E − RC = e R R (4-1-3) Şekil 4-1-1(b)’den görülebileceği gibi; bir zaman sabiti süre sonunda (1T), VC, E’nin %63.2’sine ulaşırken, VR, E’nin %36.8’ine düşmektedir. IC akımı da E/R’nin %36.8’ine düşmektedir. Beş zaman sabiti süre sonunda (5T), Vc = E x %99.3 ≒ E (genellikle, kondansatörün tam olarak dolması için gerekli sürenin 5RC olduğu kabul edilir) ve VR = E - Vc = E x %0.7≒0 olur. 4-2 2. Şekil 4-1-2(a)’da gösterildiği gibi, anahtar a konumuna getirildiğinde, C kondansatörü boşalmaya başlar ve VC azalır. VR=VC olduğu için (VR’nin polaritesi, dolma devresine göre terstir), VR de azalır ve bundan dolayı IC akımı da, C boşaldıkça sıfıra doğru azalır (VC azalır). VC, VR ve IC, Şekil 4-1-2(b)’de gösterilen değişim eğrileriyle ifade edilebildiği gibi, aşağıdaki denklemler ile de ifade edilebilir: Vc = Ee − t RC VR = − Ee − , e = 2.718 t RC , (4-1-4) t=boşalma süresi (sn) (4-1-5) t Ic = VR E − RC = e R R (4-1-6) Şekil 4-1-2(b)’den görülebileceği gibi, t=5RC süre sonunda, VC, VR ve IC sıfıra yaklaşmaktadır, yani boşalma işlemi tamamlanmış olmaktadır. KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve d bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 4-1-3’teki devre ve Şekil 4-1-4’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR3 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki Sabit Güç Kaynağından, KL-25002 modülüne +12VDC gerilim bağlayın. Güç kaynağını kapatın. 4-3 3. VR3’ü maksimuma ayarlayın. OUT çıkış ucuna osiloskop (DC bağlantıda) yada multimetre (DC kademede) bağlayın. Güç kaynağını açın. VC kondansatör gerilimindeki değişimi ölçün ve Tablo 4-1-1(a)’ya kaydedin. 4. Şekil 4-1-5’te gösterildiği gibi, köprüleme klipsini b’den çıkartıp a’ya takın. VR3’ü minimum ayarlayın. VC kondansatör gerilimindeki değişimi ölçün ve Tablo 4-11(b)’ye kaydedin. 5. VR3’ü maksimuma ayarlayın. Şekil 4-1-6’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Böylece, C11 (1µF) kondansatörü, C12 (100µF) ile değiştirilmiş olur. VC kondansatör gerilimindeki değişimi ölçün ve Tablo 4-1-1(c)’ye kaydedin. 6. Şekil 4-1-6’da gösterildiği gibi, köprüleme klipsini b’den çıkartıp a’ya takın. VC kondansatör gerilimindeki değişimi ölçün ve Tablo 4-1-1(d)’ye kaydedin. 7. Osiloskop kullanarak, TP1’den giriş gerilimini ve OUT’dan çıkış gerilimini ölçün ve Tablo 3-1-1(b)’ye kaydedin. Şekil 4-1-3 4-4 Şekil 4-1-4 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok d) Şekil 4-1-5 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok d) Şekil 4-1-6 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok d) 4-5 Çıkış Çıkış Dalga Şekli Devre Tipi V Dolma (a) C11=1µ VR3 MAKS. t V Boşalma (b) C11=1µ VR3 MIN. t V Dolma (c) C12=100µ VR3 MAKS. t V Boşalma (d) C12=100µ VR3 MAKS. t Tablo 4-1-1 SONUÇLAR Bu deneyde RC devresinin dolma ve boşalma eğrileri incelenmiştir. Dolma ve boşalma durumlarında, kondansatör gerilimi, RC zaman sabitine bağlı olarak, üstel olarak artmakta ve azalmaktadır. Pratikte, kondansatör geriliminin, uygulanan gerilime yada sıfıra eşit olduğu, dolma ve boşalma süreleri, 5RC’ye eşit olarak kabul edilir. 4-6 DENEY 4-2 Türev Devresi DENEYİN AMACI 1. Türev devresinin çalışma prensibini anlamak. 2. Farklı giriş sinyalleri ve frekansları durumunda çıkış dalga şekillerini ölçmek. GENEL BİLGİLER Şekil 4-2-1(a)’da gösterilen türev devresinde çıkış, R direnci üzerinden alınmaktadır. Bu devre türev alma özelliğine sahiptir ( Vo = Δ Vi dVi ). Örneğin, Şekil 4-2→ Vo = Δt dt 1(a)’daki devrenin girişine kare dalga uygulanması durumunda, VO çıkış dalga şekli Şekil 4-2-1(b)’de gösterilmiştir. Çıkış dalga şeklindeki değişim, T=RC zaman sabitinin büyüklüğüne bağlıdır. (a) Devre (b) Dalga şekilleri Şekil 4-2-1 Kare dalga girişli türev devresi 4-7 Sinüzoidal Sinyal Girişli Türev Devresi Şekil 4-2-1(a)’daki devrenin girişine sinüzoidal sinyal uygulanması durumunda, çıkış dalga şekli girişle aynı olur; ancak çıkışın genliği, girişe göre daha küçüktür ve çıkış girişe göre θ açısı kadar ilerdedir. Çıkış dalga şekli Şekil 4-2-1(c)’de gösterilmiştir. Gerilim bölme kuralından: R∠0° R = Vi R − jXc R∠0° + Xc∠ − 90° R∠0° R = Vi = Vi ∠θ 2 2 Xc − 2 2 −1 + R Xc R + Xc ∠ tan R VR = Vi θ = 0° − ∠ tan −1 Xc = − Xc , R θ> 0 1 lduğu için, frekansın artması ile XC küçülürken, VR artmaktadır. Tam tersi 2πfC olarak, frekansın küçülmesiyle XC artmakta, VR ise azalmaktadır. Türev devresi, bu şekilde düşük frekanslı sinyalleri zayıflattığı için, yüksek-geçiren devre olarakta adlandırılır. Sinüzoidal Olmayan Giriş Durumunda Türev Devresi Şekil 4-2-1(a)’daki devrenin girişine kare dalga uygulanırsa, çıkış dalga şekli Şekil 42-1(b)’de gösterildiği gibi olur. Farklı RC zaman sabitleri için, türev sonrası dalga şekilleri, farklı olur. Eğer T = RC > tH/10 (tH, kare dalganın yarı periyodu) ise, türev alma işlemi açıkça görülemez ve çıkış dalga şekli, girişe benzer olur. KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre 4-8 DENEYİN YAPILIŞI 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve d bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 4-2-2’deki devre ve Şekil 4-2-3’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR3 potansiyometresini devreye bağlayın. 3. IN giriş ucuna 1KHz, 20 Vpp’lik bir kare dalga uygulayın. tH (yarı periyot) = (1/2)(1/f)=(1/2)(1/1K)=0.5ms. 4. VR3’ü 1K yapın. Böylece RC=tH/5=0.5/5=0.1ms olur (T=VR3 x C9= 1K x 0.1µF=0.1 ms). 5. Osiloskop kullanarak, OUT çıkış ucundaki VR çıkış gerilimini (VR3 üzerinden) ölçün ve Tablo 4-2-1’e kaydedin. 6. T=tH/10=0.5/10=0.05ms olacak şekilde VR3’ü ayarlayın, 5. adımı tekrarlayın 7. T=10tH=10x0.5=5ms olacak şekilde VR3’ü ayarlayın, 5. adımı tekrarlayın. 8. VR3 (100K)’ü rasgele değiştirin ve farklı zaman sabitleri için çıkış dalga şeklinde meydana gelen değişiklikleri gözleyin. 9. IN giriş ucuna 1KHz, 10 Vpp’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. 10. 4-7. adımlardaki işlemleri tekrarlayın ve sonuçları Tablo 4-2-2’ye kaydedin. 11. Giriş sinyalinin frekansını rasgele değiştirin (genlik sabit) ve farklı giriş frekansları için çıkış dalga şeklinin genliğinde meydana gelen değişiklikleri gözleyin. 4-9 Şekil 4-2-2 RC türev devresi Şekil 4-2-3 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok d) T Zaman Sabiti Çıkış Dalga Şekli V (a) tH=0.5ms T=tH/5 t V (b) T=tH/10 t V (c) T=10tH t Tablo 4-2-1 Kare dalga giriş 4-10 T Zaman Sabiti Çıkış Dalga Şekli V (a) tH=0.5ms T=tH/5 t V (b) T=tH/10 t V (c) T=10tH t Tablo 4-2-2 Sinüzoidal giriş SONUÇLAR Türev devresi, aynı zamanda yüksek geçiren bir filtre devresidir. Türev devresine sinüzoidal sinyal uygulandığı zaman; yüksek frekanslar çıkışta büyük bir genliğe sebep olurken, düşük frekanslar ise daha küçük bir genliğe sebep olmaktadır. 4-11 Bölüm 5 Transistör Karakteristikleri DENEY 5-1 Temel Transistör Karakteristikleri DENEYİN AMACI 1. Transistörün temel karakteristiklerini anlamak. 2. NPN ve PNP transistörlerin karakteristiklerini ölçmek. GENEL BİLGİLER Transistör, esasen giriş sinyalini direncin büyüklüğüne transfer edebilen bir “taşıyıcı direnç”tir. Bundan dolayı transistör kelimesi, “transfer” ve “resistor” kelimelerinin birleştirilmesiyle elde edilmiştir. Transistörün C ve E uçlarından akan akım, IB akımına bağlı olarak değişmektedir. Başka bir ifadeyle IB, C ve E arasındaki direnci kontrol etmektedir. Transistörün Yapısı Transistörler PNP ve NPN olmak üzere iki gruba ayrılabilir. NPN ve PNP transistörlerin temel yapısı Şekil 5-1-1’de gösterilmiştir. E (Emetör), B (Baz) ve C (Kollektör) transistörün üç ucunu ifade etmektedir. (a) PNP (b) NPN Şekil 5-1-1 Transistörün temel yapısı 5-1 Transistör Karakteristikleri Şekil 5-1-2(a)’da gösterildiği gibi, transistörün E-B uçları arasına ileri öngerilim uygulanması durumunda (P pozitif, N negatif kutba bağlı), VBE eşik gerilim değerine (silisyum için 0.6V, germanyum için 0.2V) ulaşır ve E ile B arasında ileri yönde bir IB akımı akmaya başlar. Şekil 5-1-2(b)’de gösterildiği gibi, transistörün E-B uçları arasına ters öngerilim uygulanması durumunda ise (P negatif, N pozitif kutba bağlı), B-C arasında bir akım akmaz (ters sızıntı akımı çok küçüktür ve ihmal edilebilir) ve C ucundan akan IC akımı sıfır olur. Şekil 5-1-2(a) ve (b), Şekil 5-1-2(c) yada (d)’deki gibi birleştirilirse; B ve C arasındaki ters öngerilime rağmen (Şekil 5-1-2(d)’de gösterildiği gibi, VCB=VCC-VBE, VCC>>VBE, VCB ters öngerilim), ileri öngerilim VBE sayesinde önemli miktarda IC akımı akacaktır. IC=βIB denklemi (β, akım yükseltme katsayısıdır), IC ve IB arasındaki ilişkiyi tanımlar. IB’nin IC’ye göre çok küçük olmasının nedeni, transistör bazının çok dar ve çok düşük katkılama düzeyine sahip olmasıdır. VBE, E’deki elektronları B’ye girmeye zorlar. Ancak elektronların sadece küçük bir kısmı, çok dar olan B bölgesine ulaşarak deliklerle birleşirken, çoğu elektron B-C jonksiyonuna doğru hareket eder. Böylece C’ye uygulanan daha yüksek gerilim (VCB yada VCC), önemli düzeyde IC akımı akmasını sağlar. Şekil 5-1-2(c) ve (d)’de gösterildiği gibi, IE=IB+IC’dir. Benzer şekilde, PNP transistöre Şekil 5-1-3’de gösterildiği gibi bir öngerilim uygulanırsa, bu transistör de NPN transistöre benzer davranış gösterir. IE, IB ve IC arasındaki bağıntılar: I E = IB + IC IC = βIB Burada β, ortak emetör düzenlemeli transistörün akım yükseltme katsayısıdır, β=IC/IB. β değeri transistör karakteristik bilgi sayfalarından yada deneysel olarak elde edilebilir. Diğer bir akım yükseltme katsayısı α, ortak baz düzenlemeli transistör için ölçülür ve α=IC/IE=β/(1+β) olarak ifade edilir. 5-2 (a) (b) Şekil 5-1-2 NPN transistörün öngerilimlenmesi Şekil 5-1-3 PNP transistörün öngerilimlenmesi 5-3 Transistör Sembolleri Şekil 5-1-4’te gösterilen transistör sembolleri aşağıdaki anlamlara sahiptir: 1. NPN ve PNP transistörleri ayrırdetmek için kullanılan ok işareti, NPN tipi transistörde dışa doğru, PNP transistörde ise içe doğrudur. 2. E ucu bir oka sahipken, C ucu ise sahip değildir. 3. Kullanılan ok, emetör akımının yönünü göstermektedir. Şekil 5-1-4 NPN ve PNP transistör sembolleri Temel Transistör Devreleri NPN ve PNP transistörler için temel öngerilim ve akım yönleri, sırasıyla Şekil 5-1-5(a) ve (b)’de gösterilmiştir. (a) NPN (b) PNP Şekil 5-1-5 Temel öngerilim devreleri KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Multimetre 5-4 DENEYİN YAPILIŞI A. PNP Transistörün IE, IB ve IC Akımlarının Ölçülmesi 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2’yi devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25002 modülüne bağlayın. 2. Şekil 5-1-6’daki devre ve Şekil 5-1-7’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. 3. IB, IC ve IE akımlarını ölçmek için ampermetreleri bağlayın. Eğer yeterince ampermetre mevcut değilse, o anda akım değeri ölçülmeyen kollara, ampermetre yerine köprüleme klipsi bağlayın. 4. IC=3mA olacak şekilde VR2(10K)’yi ayarlayın. 5. IB,IC ve IE akımlarını ölçün ve Tablo 5-1-1’e kaydedin. β değerini hesaplayın. 6. IC maks. (IC(sat)) olacak şekilde VR2(10K)’yi ayarlayın ve 5.adımı tekrarlayın. Şekil 5-1-6 PNP transistörün dc akımlarını ölçme devresi 5-5 Şekil 5-1-7 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok a) IC IB IE β= IC / IB 3 mA IC(sat) Tablo 5-1-1 B. NPN Transistörün IE, IB ve IC Akımlarının Ölçülmesi 1. Şekil 5-1-8’deki devre ve Şekil 5-1-9’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL25002 modülüne bağlayın. 2. IB, IC ve IE akımlarını ölçmek için ampermetreleri bağlayın. Eğer yeterince ampermetre mevcut değilse, o anda akım değeri ölçülmeyen kollara, ampermetre yerine köprüleme klipsi bağlayın. 3. IC=3mA olacak şekilde VR2(10K)’yi ayarlayın. 4. IB, IC, IE akımlarını ölçün ve Tablo 5-1-2’ye kaydedin. β değerini hesaplayın. 5. IC maks. (IC(sat)) olacak şekilde VR2(10K)’yi ayarlayın ve 4.adımı tekrarlayın. 5-6 Şekil 5-1-8 NPN transistörün dc akımlarını ölçme devresi Şekil 5-1-9 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok a) IC IB IE β= IC / IB 3 mA IC(sat) Tablo 5-1-2 SONUÇLAR Bu deneyde, NPN ve PNP transistörlerin baz, kollektör ve emetör akımları ölçülmüş ve β değerleri hesaplanmıştır. Böylece IE=IB+IC ve β= IC/IB denklemleri doğrulanmıştır. Transistör doyum bölgesinde çalışırken, β değeri azalmaktadır. 5-7 DENEY 5-2 Transistör Karakteristik Eğrileri DENEYİN AMACI 1. Transistörün giriş ve çıkış karakteristik eğrilerini anlamak. 2. Transistörün çıkış karakteristik eğrisini ölçüm yoluyla belirlemek. GENEL BİLGİLER Transistör, iki adet V-I karakteristik eğrisine sahiptir: 1. Giriş karakteristik eğrisi, VBE ve IB arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanılır. 2. Çıkış karakteristik eğrisi, IB, VCE ve IC arasındaki ilişkiyi tanımlamak için kullanılır. Şekil 5-2-1(a)’dan görüldüğü gibi, VBE gerilimi 0.6V’u aştığı zaman, IB akımında hızlı bir artış olmaktadır. Şekil 5-2-1(b)’den görüldüğü gibi, 1. IB = 0 µA, IC = 0. 2. IB = 10 µA, IC = 15 mA (VCE = 15 V). (a) Giriş karakteristiği (b) Çıkış karakteristiği Şekil 5-2-1 Transistörün V-I eğrileri 5-8 KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25002 Doğrultucu, Türev & İntegral Modülü 3. Multimetre DENEYİN YAPILIŞI 1. KL-25002 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. Şekil 5-2-2’deki devre ve Şekil 5-2-3’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR1 ve VR2 potansiyometrelerini devreye bağlayın. 2. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25002 modülüne bağlayın. 3. IB=0 µA olacak şekilde VR2’yi (10K) ayarlayın. 4. VCE gerilimi sırasıyla 0.1V, 0.3V, 0.5V, 0.7V, 1.0V, 2.0V, 3.0V, 4.0V, 5.0V olacak ve sonuçta VCC’ye yaklaşacak şekilde, VR1’i (1K) ayarlayın. 5. Her VCE gerilimi için IC değerini ölçün ve Tablo 5-2-1(a)’ya kaydedin. 6. IB akımı, Tablo 5-2-1(b)’den (g)’ye kadar gösterilen değerlere eşit olacak şekilde, VR2’yi ayarlayın ve VCE, IC değerlerini ölçmek için 4. ve 5. adımları tekrarlayın. Sonuçları Tablo 5-2-1(b)-(g)’ye kaydedin. 7. Tablo 5-2-1’de kaydedilen değerleri kullanarak, çıkış karakteristik eğrisini Şekil 52-4’te çizin. 5-9 Şekil 5-2-2 VCE-IC karakteristiğini ölçme devresi Şekil 5-2-3 Bağlantı diyagramı (KL-25002 blok a) VCE (V) IC (mA) VCE (V) IC (mA) VCE (V) IC (mA) VCE (V) IC (mA) 0.1 0.1 0.1 0.1 0.2 (a) IB=0 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 0.2 (b) IB=10 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 0.2 (c) IB=20 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 0.2 (d) IB=30 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 5-10 VCE (V) IC (mA) VCE (V) IC (mA) VCE (V) IC (mA) 0.1 0.1 0.1 0.2 (e) IB=40 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 0.2 (f) IB=50 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 0.2 (g) IB=60 µA 0.3 0.5 0.7 1.0 3 5 Tablo 5-2-1 Şekil 5-2-4 Çizilen VCE-IC eğrisi SONUÇLAR Bu deneyde, transistörün çıkış karakteristik eğrileri ölçülmüş ve çizilmiştir. Burda kullanılan yöntem, oldukça külfetli bir işlem gerektirmektedir. Transistörün V-I eğrisini çizmek için daha uygun bir yol, eğri izleyici kullanarak, çıkış karakteristik eğrisini osiloskopta görüntülemektir. 5-11 Bölüm 6 Transistörlü Yükselteçler DENEY 6-1 Ortak Emetörlü Yükselteç DENEYİN AMACI 1. Ortak emetörlü yükseltecin konfigürasyon ve çalışma prensibini anlamak. 2. Ortak emetörlü yükseltecin karakteristiklerini ölçmek. GENEL BİLGİLER Şekil 6-1-1(a)’da gösterilen temel ortak-emetörlü (CE) yükselteç devresinde, giriş ve çıkış sinyalleri ortak emetörü paylaşmaktadır. Başka bir ifadeyle emetör, genellikle toprak (GND) olarak adlandırılan, ortak nokta olarak kullanılır. Aslında burada emetör, devrede ortak bir uç olarak kullanılmaktadır ve bu durum elektrik devrelerindeki toprak kavramından farklıdır. Gerçek devrede, VBB ve VCC’nin birarada kullanılması ekonomik ve kullanışlı değildir. Bu yüzden genellikle IB ve IC için tek bir VCC güç kaynağı kullanılır. Tipik bir devre Şekil 6-1-1(b)’de gösterilmiştir. (a) İki güç kaynağı (b) Tek güç kaynağı Şekil 6-1-1 Ortak emetörlü yükselteç 6-1 Ortak emetörlü yükselteç için öngerilim düzenlemeleri: 1. Sabit öngerilim devresi 2. β'dan bağımsız dc öngerilim devresi (kendinden öngerilimli). Devrenin kararlılığını arttırmak için, yukarıdaki öngerilim devreleri yerine emetör dirençli sabit öngerilim devresi ve kollektör geribeslemeli öngerilim devresi kullanılır. Sık kullanılan öngerilim düzenlemeleri için temel prensipler aşağıda ifade edilmiştir: Sabit Öngerilim Devresi 1. DC yük doğrusunun bulunması (DC öngerilim) Şekil 6-1-1(b)’deki devre ele alınırsa, VCC=10V, RC=1kΩ, RB=100kΩ ve β=50 değerleri için; IB = VCC − VBE 10V − 0.6V 9.4 = = ≅ 100μ A RB 100 K 100 K Ic = βIB = 50×100μA=5000μA=5mA VCE=VCC-ICRC=10V - 5mA×1K=5V Bu denklemler, Şekil 6-1-2’de gösterildiği gibi, çıkış karakteristik eğrisinde ifade edilebilir. A ve B noktalarını bağlayan doğru, dc yük doğrusu olarak adlandırılır. Şekil 6-1-2 DC yük doğrusu Transistör doyumdayken, IC(sat)=VCC/RC=10mA ve VCE=0 olur (A noktası). Transistör kesimdeyken, IC=0 ve VCE=10V=VCC olur (B noktası). Bu devrenin Q çalışma noktası, IC=5mA, VCE=5V noktasıdır. Transistör bu şekilde aktif bölgede çalışmaktadır. 6-2 2. AC giriş sinyali ile çalışma a. DC yük doğrusundan, VO’ın (VCE) maksimum değerinin VCC ve minimum değerinin 0V olduğu görülmektedir. Diğer bir ifadeyle, VO’ın değişimi ΔVO, giriş sinyalindeki değişimden bağımsız olarak, 0V ile VCC arasındadır. b. Şekil 6-1-1(b)’de gösterildiği gibi, RC=1K, RB=100K, β=50, IB=±50µA değerleri için, baz ucuna bir ac akım uygulanmaktadır. Şekil 6-1-2’de gösterildiği gibi, dc yük doğrusu çizildikten sonra, Q noktasının IB akım değeri 100 µA olarak bulunmaktadır. Böylece giriş akımının değişim aralığı 50 µA ile 100 µA arasında olmaktadır. IB=50µA için, IC=β×IB=50×50µA=2,5mA ve VCE=VCC-IC×RC=10V-2.5mA×1K=7.5V. IB=150µA için, IC=β×IB=50×150µA=7,5mA ve VCE=VCC-IC×RC=10V-7.5mA×1K=2.5V. 3. DC öngerilimin yükselteç devresine etkisi (Q noktasının yükseltmeye etkisi) Transistör devresinin dc öngerilim devresi, transistörün yükseltme sınıfına (A, B, AB ve C) göre tasarlanır. Her yükseltme sınıfı için Q çalışma noktası konumları Şekil 6-1-3’te gösterilmiştir. (a) Giriş karakteristik eğrisi (b) Çıkış karakteristik eğrisi Şekil 6-1-3 Bunun yanında, A Sınıfı : Çalışma noktası, karakteristik eğrinin doğrusal kısmının ortasındadır. B Sınıfı : Çalışma noktası, VBE=0 olduğu kesim noktasındadır. 6-3 C Sınıfı : Çalışma noktası, kesim noktasının aşağısında, VBE’nin negatif olduğu bölgededir. AB Sınıfı : Çalışma noktası, A ve B Sınıfı çalışma noktaları arasında yer alır. Çalışma noktasının konumu, maksimum çıkış gerilimini belirler. Çalışma noktası, Şekil 6-1-4’te gösterildiği gibi, IB giriş sinyalinin büyüklüğüne uygun olarak belirlenir. Şekil 6-1-4’e göre; a) Daha büyük giriş sinyaline sahip devreler için çalışma noktası, Şekil 6-1-4(a)’da gösterildiği gibi, yük doğrusunun orta noktasında (VCE=VCC/2) olacak şekilde tasarlanır. b) Daha küçük giriş sinyaline sahip devreler için çalışma noktası, orta noktanın yukarısında (Şekil 6-1-4(b)) yada aşağısında (Şekil 6-1-4(c)) olacak şekilde tasarlanabilir. c) Çalışma noktası yük doğrusunun ortasında olacak şekilde tasarlanmazsa, büyük giriş sinyali durumunda, Şekil 6-1-5(a) ve (b)’de gösterildiği gibi, çıkış dalga şeklinde bozulma ortaya çıkar ve işaretin tepe noktaları kırpılır. d) Çalışma noktası yük doğrusunun ortasında olacak şekilde tasarlansa bile, giriş sinyalinin çok büyük olması durumunda, Şekil 6-1-6’da gösterildiği gibi, hem pozitif hem de negatif tepelerde kırpılma ortaya çıkar. Bu bozulmayı ortadan kaldırmanın tek yolu, Şekil 6-1-6’da gösterildiği gibi VCC’yi artırmaktır. (a) Mümkün olan en büyük VO 6-4 (b) (c) Şekil 6-1-4 Çalışma noktası, maksimum çıkış gerilimini belirler. (a) Kesimin neden olduğu bozulma (b) Doyumun neden olduğu bozulma Şekil 6-1-5 Uygun olmayan çalışma noktasının neden olduğu bozulma 6-5 Şekil 6-1-6 Aşırı giriş geriliminin neden olduğu bozulma 4. Sabit öngerilim devresinin dezavantajları Sabit öngerilim devresinin (VCE, IC) çalışma noktası, β değerine bağlıdır (IC=β×IB, VCE=VCC-IC×RC). Farklı transistör kullanılması durumunda β değeri değişir (Aynı üretici tarafından üretilen, aynı kod numarasına sahip transistörlerin bile β değeri farklı olabilir). Bu durumda çalışma noktasının konumu da değişir ve devrenin çalışma durumu başlangıç tasarımıyla uyumlu olmaz. Ayrıca, çıkış dalga şekli bozulur ve sükunet akımının artması transistörün yanmasına sebep olabilir. β Değerinden Bağımsız Öngerilim Devresi Bu devrenin tasarımının tamamlanmasıyla, çalışma noktası sabitlenmiş demektir ve β değerinin değişmesi bu çalışma noktasının kaymasına neden olmaz. Bu devre, otomatik olarak çalışma noktasına kilitlenen karakteristiklere sahip olduğu için, “kendinden öngerilimli devre” olarak adlandırılır. Örnek: Şekil 6-1-7’de gösterilen devre için IC ve VCE’yi bulalım. Şekil 6-1-7 Kendinden öngerilimli ortak emetörlü yükselteç devresi 6-6 Çözüm: Şekil 6-1-7’deki devrenin eşdeğeri Şekil 6-1-8’de gösterilmiştir. Şekil 6-1-8 Şekil 6-1-7’nin eşdeğer devresi Thevenin teoreminden yararlanarak VBB = VCC × RB 2 10 K = 12V × = 2.1V RB1 + RB 2 47 K + 10 K RBB = RB1 // RB 2 = RB1 × RB 2 47 K × 10 K = = 8.2 K Ω RB1 + RB 2 47 K + 10 K Şekil 6-1-8’den, VBB = IB×RBB + VBE + IE×RE = IB×RBB + VBE + IB (1+β) RE = IB (RBB + (1+β) RE)+ VBE ∴ IB = VBB − VBE 2.1 − 0.6 = = 0.0138mA RBB + (1 + β ) RE 8.2 K + (1 + 100)1K Kullanılan yaklaşıklık değerlendirilirse; 6-7 IE = VE / RE = VBB − 0.6V 2.1V − 0.6V = 1.5mA = 1K 1K Ic≒IE=1.5mA VCE = 12V - 1.5mA (4.7K + 1K) = 3.45V β değeri gözönüne alınmadığında, IC=1.5mA yaklaşımı kullanılabilir. β değeri gözönüne alındığında ise IC=1.38mA olmaktadır (βRe büyüdükçe yukarıdaki iki çözüm birbirine daha fazla yaklaşır). Bu nedenle bu devre, β değerinden bağımsız öngerilim devresi olarak adlandırılır. Farklı transistör kullanılması durumunda devrenin çalışma noktası değişmeyecektir. Kollektör Geribeslemeli Öngerilim Devresi Kollektör geri-beslemeli öngerilim devresi Şekil 6-1-9’da gösterilmiştir. Aşağıda bu devre analiz edilmiştir. Kirchhoff’un gerilim yasasından yaralanılarak; ∵ VCC=(IC+IB)×RC+IB×RB+VBE VCC =(β +1)IB×RC+ IB×RB+VBE ∴ IB = VCC − VBE (1 + β ) RC + RB Eğer β >>1 ve VCC>>VBE ise IB = VCC β RC + RB IC= β IB VCE=VCC-(IC+IB)RC≒VCC-IC×RC 6-8 Şekil 6-1-10 Kollektör geribeslemeli öngerilim devresi Örnek: Şekil 6-1-9’da gösterildiği gibi, VCC=12V, RC=10K, RB=500K, β=50 için IC ve VCE’yi bulun. Çözüm: IB = 12V 12V = = 12μA 50 × 10 K + 500 K 1M IC = β × IB = 12μA × 50 = 0.6mA VCE = VCC − IC × RC = 12V − 0.6mA × 10 K = 12V − 6V = 6V β=100 için, IB = 12V 12V 12 = = = 8μA βRC + RB 10 K × 100 + 500 K 1.5M IC = β × IB = 8μA × 100 = 0.8mA VCE = VCC − IC × RC = 12V − 0.8mA × 10 K = 4V β=50 için; IC=0.6mA, VCE=6V β=100 için; IC=0.8mA, VCE=4V Açıkça görüldüğü gibi, farklı β değerleri için çalışma noktalarını konumu farklı olmaktadır. Kollektör geribeslemeli devre, sabit öngerilimli devreye nazaran çok daha kararlıdır. β=50 için IB=12µA iken, β=100 olduğunda IB 8µA’e düşmektedir. Bu devre kendiliğinden ayarlanma özelliği gösterdiği için, β değerinin değişmesi IC akımını önemli ölçüde değiştirmeyecektir. 6-9 Ortak Emetörlü Yükseltecin AC Analizi Devre Şekil 6-1-10(a)’da, eşdeğeri ise Şekil 6-1-10(b)’de gösterilmiştir. Ai, AV, Zi ve Zo’ı hesaplayın. (a) Ortak emetörlü yükselteç devresi (b) AC eşdeğer devre Şekil 6-1-10 Ortak emetörlü yükseltecin AC analizi 6-10 Çözüm: Ai=Io / Ii Şekil 6-1-10(b)’den, I2=100Ib ve hfe = Ic/Ib Ib = Ii × 2K = 0.571 Ii 2K + 15K Io = I2 × 3K = 0.6671 I2 3K + 1.5K Ai = Io / Ii Io I2 Io I2 Ib = × = × × = 0.667 × 100 × 0.571 I2 Ii I2 Ib Ii = 38.1 Vo − hfe R L' Av = = ( R L' = 3K // 1.5 K ≅ 1K ) Vi hie − 100 ( 1 × 10 3 ) = −66.7 = 1.5 × 10 3 Zi ≒ Rb2//hie=2KΩ//1.5KΩ=0.86kΩ Zo ≒ Rc=3KΩ KULLANILACAK ELEMANLAR 1. KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneği 2. KL-25003 Transistörlü Yükselteç Devre Modülü 3. Osiloskop 4. Multimetre 6-11 DENEYİN YAPILIŞI A. Sabit Öngerilim Devresi 1. KL-25003 modülünü, KL-22001 Temel Elektrik Devreleri Deney Düzeneğinin üzerine koyun ve a bloğunun konumunu belirleyin. 2. Şekil 6-1-11’deki devre ve Şekil 6-1-12’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR4 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25003 modülüne bağlayın. 3. IB ve IC akımlarını ölçmek için ampermetreleri bağlayın. 4. IB ≈ 0A olacak şekilde VR4 (1M)’ü ayarlayın ve IC akımını ölçün. 5. IC maks. (ICsat) olacak şekilde VR4 (1M)’ü ayarlayın ve ve IB akımını ölçün. 6. IC doyumdayken, IB’yi arttıracak şekilde VR4’ü ayarlayın ve IC(sat) akımındaki değişimi gözleyin. 7. VR4’ü, VCE=VCC/2=6V olacak şekilde ayarlayın. IB, IC, VBE ve VCE değerlerini ölçün ve Tablo 6-1-1’e kaydedin. β=IC/IB denklemi ile β’yı hesaplayın. 8. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. OUT çıkış ucuna osiloskop (AC bağlantıda) bağlayın. 9. Osiloskop ekranında görüntülenen çıkış dalga şekli bozulmayacak şekilde, sinüzoidal sinyalin genliğini arttırın. 10. Osiloskop kullanarak, Vi giriş sinyalini ve Vo çıkış sinyalini ölçün ve Tablo 6-12’ye kaydedin. Giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki faz farkını gözleyin. Gerilim kazancını hesaplayın AV=Vop-p/Vip-p=______________. 6-12 11. Giriş sinyalini değiştirmeden VR4 (1MΩ) potansiyometresini ayarlayın ve çıkış dalga şeklinde bozulma olup olmadığını gözleyin. IB IC β VBE VCE Tablo 6-1-1 V IN (Vi) t V OUT (Vo) t AV Faz AV Tablo 6-1-2 Şekil 6-1-11 Sabit öngerilimli ortak emetörlü yükselteç 6-13 Şekil 6-1-12 Bağlantı diyagramı (KL-25003 blok a) B. Emetör Dirençli Öngerilim Devresi 1. Şekil 6-1-13’teki devre ve Şekil 6-1-14’teki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR1 ve VR4 potansiyometrelerini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25003 modülüne bağlayın. 2. IB ve IC akımlarını ölçmek için ampermetreleri bağlayın. 3. VR1(1KΩ) potansiyometresini 0Ω’a ayarlayın. 4. IB ≈ 0A olacak şekilde VR4(1MΩ)’ü ayarlayın. IC akımını ölçün ve Tablo 6-1-3’e kaydedin. 6-14 5. IC maks. (ICsat) olacak şekilde VR4(1MΩ)’ü ayarlayın. IB akımını ölçün ve Tablo 6-1-3’e kaydedin. 6. IC doyumdayken, IB’yi arttıracak şekilde VR4’ü ayarlayın ve IC(sat) akımının artıp artmadığını gözleyin. 7. VR4’ü, VC=VCC/2=6V olacak şekilde ayarlayın. VBE ve VCE değerlerini ölçün ve Tablo 6-1-3’e kaydedin. 8. VR1(1KΩ)’i maksimuma ayarlayın. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. OUT çıkış ucuna osiloskop (AC bağlantıda) bağlayın. 9. Osiloskop ekranında görüntülenen çıkış dalga şekli bozulmayacak şekilde, sinüzoidal sinyalin genliğini arttırın. 10. Osiloskop kullanarak, Vi giriş sinyalini ve Vo çıkış sinyalini ölçün ve Tablo 6-13’e kaydedin. 11. Giriş sinyalini değiştirmeden VR4(1MΩ) potansiyometresini ayarlayın ve çıkış dalga şeklinde bozulma olup olmadığını gözleyin. Şekil 6-1-13 Emetör dirençli öngerilimli ortak emetörlü yükselteç 6-15 Şekil 6-1-14 Bağlantı diyagramı (KL-25003 blok a) V IB=0 iken, IC=_________ IC=IC(sat) iken, IB=_________ VC=VCC/2 iken VCE=__________ VBE=__________ Vi 6-16 t V t Vo Tablo 6-1-3 C. β Değerinden Bağımsız Öngerilim Devresi 1. Şekil 6-1-15’teki devre ve Şekil 6-1-16’daki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR2 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25003 modülüne bağlayın. 2. IB ve IC akımlarını ölçmek için ampermetreleri bağlayın. 3. VR2(10K)’yi, VC=VCC/2=6V olacak şekilde ayarlayın. IB, IC, VBE ve VCE değerlerini ölçün ve Tablo 6-1-4’e kaydedin. 4. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. OUT çıkış ucuna osiloskop (AC bağlantıda) bağlayın. 5. Osiloskop ekranında görüntülenen çıkış dalga şekli bozulmayacak şekilde, sinüzoidal sinyalin genliğini arttırın. 6. Osiloskop kullanarak, Vi giriş sinyalini ve Vo çıkış sinyalini ölçün ve Tablo 6-14’e kaydedin. AV=Vop-p/Vip-p denklemi ile gerilim kazancını hesaplayın. 6-17 7. Giriş sinyalini değiştirmeden VR2(10K) potansiyometresini ayarlayın ve çıkış dalga şeklinde bozulma olup olmadığını gözleyin. 8. # işaretli klipsi kaldırarak C2 (22µF) kondansatörünü devreden çıkarın ve 3-6. bağlı değil adımdaki işlemleri tekrarlayın. Tablo 6-1-4 Şekil 6-1-15 Ortak emetörlü yükselteç 6-18 Şekil 6-1-15 Bağlantı diyagramı (KL-25003 blok a) 6-19 D. Kollektör Geribeslemeli Öngerilim Devresi 1. Şekil 6-1-17’deki devre ve Şekil 6-1-18’deki bağlantı diyagramı yardımıyla gerekli bağlantıları yapın. Bağlantı kablolarını kullanarak VR4 potansiyometresini devreye bağlayın. KL-22001 Düzeneğindeki sabit 12VDC güç kaynağını, KL-25003 modülüne bağlayın. 2. VR4(1MΩ)’ü, VC=VCC/2=6V olacak şekilde ayarlayın. 3. VBE gerilimini ölçmek için voltmetre bağlayın. 4. KL-22001 Düzeneğinin üzerindeki Fonksiyon Üretecini kullanarak, IN ucuna 1KHz’lik bir sinüzoidal işaret uygulayın. OUT çıkış ucuna osiloskop (AC bağlantıda) bağlayın. 5. Osiloskop ekranında görüntülenen çıkış dalga şekli bozulmayacak şekilde, sinüzoidal sinyalin genliğini arttırın. 6. Osiloskop kullanarak, Vi giriş sinyalini ve Vo çıkış sinyalini ölçün ve Tablo 6-15’e kaydedin. 7. Giriş sinyalini değiştirmeden VR4(1MΩ) potansiyometresini ayarlayın ve çıkış dalga şeklinde bozulma olup olmadığını gözleyin. Şekil 6-1-17 Kollektör geribeslemeli öngerilime sahip ortak emetörlü yükselteç 6-20 Şekil 6-1-18 Bağlantı diyagramı (KL-25003 blok a) V t Vi 6-21 V t Vo Tablo 6-1-5 SONUÇLAR Ortak emetörlü yükselteç şu özelliklere sahiptir: 1. Orta büyüklükte giriş ve çıkış empadansı 2. Yüksek akım,gerilim ve güç kazancı 3. Giriş sinyali ile 180o faz farkına sahip çıkış sinyali 4. En sık kullanılan yükselteç türü 6-22
