TC SAKARYA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ELM201 ELEKTRONİK-I DERSİ LABORATUAR FÖYÜ DENEYİ YAPTIRAN: DENEYİN ADI: DENEY NO: DENEYİ YAPANIN ADI ve SOYADI: SINIFI: OKUL NO: DENEY GRUP NO: DENEY TARİHİ RAPOR TESLİM TARİHİ KONTROL DEĞERLENDİRME Ön Çalışma (%20) Deney Sonuçları (%20) Sözlü (%20) Deney Performansı (%20) Deney Raporu (%20) TOPLAM Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri DENEY 1 : Doc.Dr. Ali Fuat Boz YARI İLETKEN DİYOT KAREKTERİSTİĞİ AMAÇ: Yarı iletken diyotun Akım-Gerilim karakteristiğinin incelenmesi ve teorik olarak analiz edilen karakteristik eğrinin, pratik olarak elde edilmesi. TEORİ: İdeal bir diyotun Akım-Gerilim Karakteristiği I D = I s (e kVD Burada TK − 1) eşitliği ile tanımlanabilir. I D diyot akımını, I s diyot ters yön doyma akımını, V D diyot gerilimini, k = 11600 η olarak η ise yine yarı iletken maddenin yapısına bağlı bir η = 1 |Ge ve silisyum diyot için ise, düşük gerilim ve akım değişen ve yarı iletken maddenin yapısına bağlı katsayıyı, katsayıyı temsil eder. Değeri germanyum diyot için η = 2 | Si , bunun dışında kalan yüksek akım değerleri için ise o cinsinden sıcaklık değerini ifade eder. C cinsinden verilen bir değerleri için(kırılma voltajı altında kalan bölge) η = 1 | Si olarak verilmiştir. TK ise Kelvin sıcaklık değeri TK = TC + 273 formülü ile Kelvin’e çevrilebilir. o Diyotun önemli bir parametreside diyot eşik(Threshold) gerilimidir ve VT ile sembolize edilir. Diyot akımı, eşik geriliminin altında kalan diyot gerilimleri için çok küçük bir sızıntı akımı olarak görünürken, bu değerin üzerinde ise hızla yükselen bir karakteristik eğri özelliği gösterir. Diyotun bir diğer önemli parametreside diyot dinamik direncidir. Bu direnç değeri rd = rac olarak sembolize edilir, ve değeri diyot Q çalışma noktasındaki karakteristik eğrisinin ters eğiminin bulunması ile hesaplanabilir. rd = ΔVD ΔI D . QKnoktası V D >> VT için I D ≅ I s e kVD TK olarak yazılabilir. Buradan diyot akımının diyot voltaj değişimine karşılık üstel olarak arttığı görülmektedir(Şekil-1). ID Ge Si VD Şekil-1 Bu voltajın tamamı diyot birleşim yüzeyinde görünmez. N ve P tipi yarı iletkenlerin iç direnci ve metal kontakların(yarı iletken ile elemanın dış ucunun bağlandığı nokta) neden olduğu dirençlerden dolayı, diyot uçlarında düşen voltaj değeri değişir. Vrb gerilimi bu direnç değerlerinden dolayı düşer ve Vrb = I D rb formülünden hesaplanır. Buna göre diyot akım eşitliği I D = I s (e k (VD −Vrb ) TK − 1) olarak değiştirilebilir. Bu eşitlik diyot gerilimi için çözülürse; V D = Vrb + TK I ln( D + 1) k Is I D >> I s için, 2 olarak bulunur. Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri rd = Doc.Dr. Ali Fuat Boz T dV ≈ rb + K dI kI D olarak bulunur. Buna göre karakteristik eğrinin eğimi; dI 1 = ≈ rd dV 1 olarak yazılabilir. T rb + K kI D rb direncinin sıfırdan farklı ve η katsayısının birden büyük olması durumunda karakteristik eğrinin eğimi azalır ve eğri sağa doğru kayar. rb ve η katsayısının hesabı rd , karakteristik eğrinin ters eğimine eşit olduğu için, karakteristik eğri üzerindeki çeşitli noktalardan akım ve gerilim değerleri alınarak ve her noktanın eğimi hesaplanarak farklı rd değerleri bulunur. Bu bilgiler kullanılarak x ve y koordinatları logaritmik olarak ölçeklendirilmiş grafik kağıdı üzerine rd değerleri I D değerinin fonksiyonu olarak gösterilir. Bu eğri üzerindeki büyük ve küçük akım değerlerine karşılık gelen iki asimptot kullanılarak rb ve η bulunur. Büyük akım değeri için asimptot rd = rb , küçük akım değeri değeri içinse asimptot rd = TK olarak bulunur. I s nin yaklaşık değeri rb ve η kullanılarak bulunabilir. kI D İŞLEM BASAMAKLARI 1- Şekil-2’deki devreyi kurarak, diyotun akım gerilim karakteristiği osilaskop ekranında görülebilir. Bunun için sinyal jeneratörünün genliğinin tepeden tepeye 5 Volt, frekansını faz farkının küçük olabilmesi için gerektiğinde değiştirmek üzere küçük bir değerde(yaklaşık 50 Hz) seçilmesi gerekir. R direncinin değeri diyot üzerinden geçecek akımı sınırlamak için uygun bir değerde seçilmelidir. Bunun için diyot maksimum akım değerini katalogdan bularak R değerini bu akımdan daha küçük bir akım için hesaplayınız. R + Osilaskop X girişine 1N4001 D Vi(t) Giriş Voltaji + Osilaskop Y girişine 10Ω - Şase Şekil-2 Osilaskobun Time/div seçici anahtarını X-Y konumuna getiriniz. Bu durumda osilaskobun iki girişinden birisi X, diğeri ise Y eksenine uygulanacak sinyal girişleri olacaktır. Osilaskobun sadece gerilim ölçtüğü ve doğrudan akım ölçemeyeceği unutulmamalıdır. Yine ekranda göreceğiniz dikey eksendeki akım ekseninin aslında o akıma karşılık gelen(10 Ω’luk direnç üzerine düşen) gerilim olduğu unutulmamalıdır. Bu yüzden dikey ekseni grafik kağıdına aktarırken ekrandan okuduğunuz dikey eksen gerilim değerini 10 Ω’luk direnç değerine bölerek akım değerini hesaplayınız. Osilaskobun X girişine verilen gerilim 10 Ω değerindeki direnç ve diyot üzerinde düşen gerilimlerin toplamına eşittir. Eğer 10 Ω’luk direnç üzerinde düşen voltaj değeri(bu değer yaklaşık olarak 0,4 Volt olarak alınabilir) diyot üzerinde düşen voltaj değerine(VT=0.7 V) göre küçük ise, X girişi diyot gerilimi için iyi bir yaklaşımdır. Bu özelliğin R direncinin hesabında göz önünde tutulması, yaklaşımın geçerliliği açısından kaçınılmazdır. Osilaskop ekranında gördüğünüz diyot V3 Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri Doc.Dr. Ali Fuat Boz I karakteristiğini dikkatlice grafik kağıdına aktarınız. Akım ve gerilim değerlerini karakteristik eğri üzerinde işaretleyiniz. 2- Diyot üzerinde düşen gerilim ve üzerinden geçen akımı ölçebilmek için Şekil-3’teki devreyi kurunuz. Giriş gerilimini 10 Volt değerine ayarlayınız. R değerini değiştirerek farklı akım değerlerini ölçünüz. Akım değerinin olabildiğince yüksek olabilmesi tercih nedenidir, bunun için diyot I max akımının dikkate alınması gereklidir. Bu ölçümler için 10 noktadan değerlerin alınması yeterlidir. Gerilim değerlerinin okunması için dijital voltmetre kullanınız. Ölçüm değerlerini Tablo-1’e kaydediniz. Not: Devreden ölçeceğiniz en yüksek akım olan 100 mA’in ölçülmesi esnasında 82 Ω’luk direnç üzerinde çok fazla güç harcaması olabilir. P=I2R formülü gereği bu durumda bu direnç üzerinde ısı olarak harcanacak güç; P=(0,1A)2 x 82Ω = 0,82W yapar. Eğer siz devrede kullandığınız bu direnci ¼ W gücünde seçerseniz bu durumda direnç kısa süre içerisinde yanacaktır. Bu durumdan sakınmak için ya 1W veya üzerinde güce sahip 82Ω’luk direnç kullanmalısınız yada 4 adet 330Ω’luk(1/4 W gücünde) direnci paralel bağlayarak yaklaşık 82Ω’luk direnci elde edebilirsiniz, bu durumda her bir direnç üzerinde harcanan güçte önceki değer olan 0,82 W’ın ¼’ü olacaktır. Koruma amaçlı olarak siz devreyi yinede uzun süre bu konumda çalıştırmayınız. + R + A + 82Ω Vi D V 1N4001 Şekil-3 Nokta I(mA) V(Volt) 1 0.01 2 0.05 3 0.1 4 0.5 5 1 6 5 7 10 8 20 9 50 10 100 Tablo-1 3- Akım gerilim karakteristiğini yukarıda bulduğunuz değerleri kullanarak yarı logaritmik kağıt üzerine çiziniz. 4- Yukarıdaki bilgileri kullanarak aşağıdaki tabloyu doldurunuz. Not: rd = ΔV , Iav ise belirtilen iki bilgi ΔI noktasında ölçülen akımların aritmetik ortalamasıdır. Bilgi Noktası ΔI ΔV rd I av 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 Tablo-2 5- Logaritmik-logaritmik kağıt kullanarak rd nin, I av nin fonksiyonu olarak değişiminin grafiğini çiziniz. Bu grafiği kullanarak rb ve η değerlerini hesaplayınız. I s akım değerini hesaplanan rb ve η değerlerini kullanarak hesaplayınız ve VT eşik gerilimini yaklaşık olarak bulunuz. VT =............................ η=...................... rb =............................ 4 I s =............................ Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri Doc.Dr. Ali Fuat Boz Dinamik Diyot Direncinin Ölçülmesi Dinamik diyot direnci, yukarıda elde ettiğiniz karakteristik eğri yardımı ile bulunabilir. Bu yöntemle alınan sonucun hata oranı yüksek olduğundan, deneysel yolla dinamik direnç bulunması daha uygun olacaktır. Bilindiği gibi dinamik direnç, alternatif akım altındaki diyot direnci olduğundan dinamik diyot direnç ölçümü için AC kaynak kullanılacaktır. Dinamik diyot direnci, diyot ve R2 direncinden oluşan gerilim bölücü yöntemi ile ölçülmektedir(Şekil-4). Bu yöntemle dinamik direnç ölçümü, besleme kaynağının yardımı ile çeşitli noktalar için yapılır. İşlem Basamakları 1- Şekil-4’teki devreyi silisyum diyot ile kurunuz. Sinyal jeneratörü gerilimini 0.5 V pp ve frekansını 1 KHz seviyesine ayarlayınız. 2- Tablo-3’teki DC akım değerlerini elde etmek üzere besleme kaynağının değerini değiştiriniz. Her akım değerine karşılık gelen R2 üzerindeki AC gerilimi okuyarak tablodaki yerlerine yazınız. 3- Tablo-3’teki değerleri kullanarak, DC akımın farklı değerleri için diyot dinamik direncini aşağıdaki yolu takip ederek bulunuz. Gerilim bölücü prensibine göre, VD r = d VR2 R2 yazılabilir. VD = Vi − VR2 olduğu görülebilir. Diğer taraftan Buradan Vi − VR2 VR2 = rd R2 olarak bulunur. Sol tarafı VR2 değerine bölersek ve buradan rd değerini çekersek; ⎛V ⎞ rd = R2 ⎜ i − 1⎟ olarak bulunur. ⎜ VR ⎟ ⎝ 2 ⎠ Bu eşitlik bize dinamik diyot direnci rd ’yi verir. Bu eşitliği kullanarak Tablo-3’teki uygun alanları doldurunuz. R1 1K + V D A + DC AC V 10 μF Vi Sin Jen Şekil-4 5 150Ω R2 V AC Elektronik Devreler Dersi Deney Föyleri Doc.Dr. Ali Fuat Boz Doğru Akım (mA) R2 uçlarındaki AC Gerilim , VR2 ( Vrms ) 2 4 6 8 10 AC Giriş Gerilimi ( Vi ) (Volt) Ölçülen dinamik direnç (Ω) Hesaplanan dinamik direnç (Ω) Tablo-3 SORULAR Diyot sızıntı akımı nedir ? Açıklayınız. Diyotun statik direnci nedir ? Nasıl hesaplanır. Diyotun dinamik direnci nedir ? Nasıl hesaplanır. Birleşim yüzeyli diyotun uçları arasındaki voltaj değeri birleşim potansiyelini geçer mi? Açıklayınız. İleri yön polarması altındaki bir diyotun aniden ters polarmalandırılması durumunda kesime geçmesini engelleyen etki ne olabilir? Açıklayınız. 6- Sıcaklık değişmesinin diyotun çalışmasına olan etkisini açıklayınız. 7- Diyot dinamik direncinin ölçüm ve hesap yöntemleri ile bulunmasını karşılaştırarak, avantaj ve dezavantajlarını belirtiniz. 12345- 6