BJT
Bir bipolar yüzey birleşmeli transistör, iki N ve bir P tipi malzeme tabakasından veya iki P ve bir N tipi malzeme tabakasından oluşan üç katmanlı bir elemandır. İlkine NPN transistörü, ikincisine ise PNP transistörü denmektedir. Şekil 1’de PNP ve NPN tipi transistörlerin yapıları görülmektedir. Transistör ayaklarının isimleri Şekil 1’de de görüldüğü gibi emiter (Emitter), kollektör (Collector) ve beyz (Base) olarak adlandırılır. Transistörün tipini (PNP veya NPN) belirtmek için emiter ucu kullanılır. Ok dışarı ise NPN, ok içeri ise PNP tipi transistördür. Yarıiletken sembollerindeki ok aynı zamanda yapıdaki N tipi maddeyi veya akım yönünü gösterir.
Şekil 1 : PNP ve NPN tipi transistörün yapıları
E : Emiter ucu
K : Kollektör ucu
B : Beyz ucu
IE : Emiter akımı
IC : Kollektör akımı
IB : Beyz akımı
Bipolar (iki kutuplu) transistörün kısaltılması olan BJT terimi; bu üç uçlu eleman için sık sık kullanılmaktadır. İki kutupluluk terimi elektron ve oyukların, zıt polarizasyonlu malzemedeki enjeksiyon işlemine katıldıklarını göstermektedir.
NPN veya PNP transistör yapısında emiter bölgesi yoğun katkılı beyz bölgesi emitere göre çok ince (1/100 gibi) ve az katkılı, kollektör bölgesi ise emitere göre büyük yapılı ve normal katkılı gerçekleştirilir.
BİPOLAR JONKSİYON TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMASI
Transistörün görevini yapabilmesi için uçlarına uygun yön ve değerde DC gerilim verilmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime “transistörün polarma gerilimi”, işleme de “transistörün polarmalandırılması” denir.
Bir transistörün aktif yükseltme işlemini yapabilmesi için; beyz-emiter arası doğru, beyz-kollektör arası ters polarmalandırılmalıdır. Diğer bir deyişle, eğer transistör PNP tipinde ise beyzi emitere göre negatif, kollektöre göre ise pozitif bir voltaj değerinde olmalıdır. Aynı şekilde NPN trqansistör için ise, beyzi emitere göre pozitif, kollektöre göre ise negatif bir voltaj değerinde olmalıdır. Bu kurala “transistörün aktif çalışma şartı” da denir.
Şekil 2 : (a) PNP tipi transistörün doğru polarmalandırılm (b) NPN tipi transistörün doğru polarmalandırılması
Bu açıklamalardan sonra bir transistörün çalışması, Şekil 2a`daki PNP tipi transistör gözönüne alınarak anlatılacaktır. NPN tipi transistörün çalışması ise, elektron ve oyukların rolleri karşılıklı olarak yer değiştirildiğinde PNP transistör ile aynı olmaktadır.
Şekil 2a`daki PNP transistörü beyz-kollektör öngerilimlemesi olmadan Şekil 3a`da yeniden çizilmiştir. Bu durumda boşaltılmış bölgenin genişliği uygulanan öngerilimleme nedeniyle azalmıştır ve dolayısıyla P tipi malzemeden N tipi malzemeye büyük bir çoğunluk taşıyıcı akışı olacaktır. Şekil 3b`de ise beyz-emiter öngerilimlemesi olmadan Şekil 2a`daki PNP transistörün yeniden çizilmiş hali görülmektedir. Bu durumda çoğunluk taşıyıcılarının akışı sıfırlanıp, yalnızca azınlık taşıyıcı akışı olacaktır.
Şekil 3 : (a) PNP transistörün ileri öngelimli jonksiyonu (b) PNP transistörün ters öngelimli jonksiyonu
Şekil 4`de her iki öngerilimleme potansiyeli bir PNP transistörüne uygulanmıştır. Burada görüldüğü gibi, çok sayıda çoğunluk taşıyıcısı, ileri öngerilimli PN jonksiyonunu difüzyon yoluyla aşarak N tipi malzemeye ulaşmaktadır. Bu taşıyıcıların doğrudan IB beyz akımına mı katkıda bulundukları yoksa doğrudan P tipi malzemeye mi geçtikleri sorusu gündeme gelmektedir. Arada kalan N tipi malzeme, çok ince ve iletkenliği düşük olduğu için çok az sayıda taşıyıcı, yüksek dirence sahip bu yolu izleyerek beyz ucuna ulaşacaktır. Tipik olarak mA düzeyindeki beyz akımı, emiter ve kollektör akımlarında görülen mA düzeylerine oranla çok küçüktür.
Şekil 4 : Bir PNP transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı
Şekil 4`de gösterildiği gibi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden difüzyon yoluyla kollektörün ucuna bağlı P tipi malzemeye geçeceklerdir. Ters öngerlilimli jonksiyona enjekte edilen çoğunluk taşıyıcılarının N tipi malzemede azınlık taşıyıcısı olarak görünmesi, çoğunluk taşıyıcılarının ters öngerilimli jonksiyon üzerinden kolaylıkla geçmelerini sağlamaktadır.
Şekil 4`deki transistör tek bir düğüm olarak kabul edilerek Kirchhoff akım yasası uygulanırsa;
———— (1)
elde edilir. Ancak kollektör akımı çoğunluk ve azınlık taşıyıcıları olmak üzere iki bileşenden oluşmaktadır. Azınlık akım bileşenine kaçak akım denir ICO sembolüyle gösterilir (emiter ucu açıkken akan IC akımı). Bu nedenle kollektör akımı eşitlik 2 ile belirlenir.
————(2)
Genel amaçlı transistörlerde, IC mA düzeyindeyken, ICO µA veya nA düzeyindedir. Ters öngerilimlenmiş diyotlardaki IS akımında olduğu gibi, Ico akımı da sıcaklığa karşı duyarlıdır ve geniş sıcaklık aralıklarına sahip uygulamalar sözkonusu olduğunda dikkatle incelenmelidir. Gerekli önem verilmezse yüksek sıcaklıklarda sistemin kararlığını önemli ölçüde etkileyebilmektedir. Yapım tekniklerinde sağlanan ilerlemelerle Ico düzeyleri, etkilerinin ihmal edilebileceği noktalara kadar düşürülmüştür.
Şekil 2`de NPN ve PNP transistörleri için görülen devre, beyzin hem giriş (emiter) hem de çıkış (kollektör) uçlarında ortak olması nedeniyle ortak beyzli devre olarak anılmaktadır. Ortak beyzli devrede sabit VCB değerleri için IC`deki küçük bir değişmenin deki küçük bir değişime olan oranı ortak beyzli kısa devre yükseltme faktörü olarak tanımlanmakta ve a (alfa) sembolüyle gösterilmektedir.
———— (3)
Tipik a değerleri, 0.90 ile 0.998 arasında değişmektedir. Pratik uygulamaların çoğunda değeri aşağıdaki formülle belirlenebilir:
————(4)
Burada IC ve IE sırasıyla, transistör karakteristiği üzerinde bulunan, belli bir noktadaki emiter ve kollektör akım değerleridir.
Denklem (3) ve (4), transistör karakteristikleri veya devre koşullarından a değerini bulmak için kullanılır. Ancak a değeri, sadece Şekil 4`ün P tipi emiter ucundan çıkıp kollektör ucuna ulaşan oyukların (çoğunluk taşıyıcılarının) yüzdesini gösteren bir ölçüdür. Bu nedenle IC akımı aşağıdaki formülle ifade edilebilir.
———— (5)
Şekil 1.5 : Bir NPN transistörde çoğunluk ve azınlık taşıyıcılarının akışı
Transistör Devreleri
Bir transistörün temel denklemi; IE=IC + IB dir.
Burada beyz akımı olan IB, IC ve IE akımlarına göre çok küçük olmaktadır. Bunun sebebi de beyz bölgesinin çok ince olmasından kaynaklanmaktadır.
Bir transistörün üç bacağı olduğu için üç ayrı tür ve özellikte bağlantıya sahiptir. Bu bağlantılar;
1- Ortak Beyzli devre (Common Base).
2- Ortak Emitörlü devre (Common Emmitter).
3- Ortak Kollektörlü devre (Common Collector).
Bir devre hangi özellikte olması gerekiyorsa içindeki transitörlerin de bağlantısı ona göre seçilmektedir.
Buradaki anlatımlarım BJT transistörün tamamen DC (Doğru Akım) davranışları olacaktır. Halbuki bir devrede hem AC hem de DC olabilir. Fakat AC de zaman zaman farklı davranışlar (özellikle bobin ve kondansatör gibi) olur.
A) ORTAK BEYZLİ DEVRE
Beyzin, hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak olarak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak beyzli devre denir. Ortak beyzli devrede, uygulanan potansiyeller, beyz potansiyeline göre VEB ve VCB şeklinde isimlendirilirler. Başka bir deyişle, indisin ikinci harfi daima transistörün devre tipini belirtmektedir. Her durumda indisin ilk harfi, Şekil 1.6`de de gösterildiği gibi daha yüksek potansiyele sahip noktayı tanımlar. Bu nedenle PNP transistörü için Şekil 1.7`daki karakteristikde belirtildiği gibi, VEB pozitif ve VCB negatifdir (çünkü VCB kaynağı, kollektörü daha düşük potansiyelde tutmaktadır). NPN tipi transistörde ise, VEB negatif ve VCB pozitifdir.
Şekil 1.6 : Ortak beyzli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör
Şekil 1.7a`daki çıkış veya kollektör karakteristiği, kollektör akımını, kollektörden beyze giden gerilime ve emiter akımına ilişkilendirir. Kollektör karakteristiği Şekil 1.7a`da da gösterildiği gibi iletim, kesim ve doyma bölgelerine sahiptir. İletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters yönde, emiter jonksiyonu ise ileri yönde öngerilimlenmiştir.
Şekil 1.7 : Ortak beyzli PNP transistörünün karakterisrikleri (a) Kollektör veya çıkış karakteristikleri (b) Emiter veya giriş karakteristikleri
Emiter akımı (IE) sıfır düzeyindeyken kollektör akımı Şekil 1.7a`da gösterildiği gibi, ters doyma akımı Ico`dan oluşmaktadır. Ico akımı, IC`nin düşey eksen ölçeğine (mA) göre o denli küçüktür ki (µA), IC = 0 ile aynı yatay eksende görülmektedir. Ortak beyzli devrede IE = 0 durumunda görülen devre koşulları Şekil 1.8`de gösterilmiştir. Ico için bilgi sayfalarında en sık kullanılan işaret, Şekil 1.8`de de gösterildiği gibi, ICBO`dır. Gelişen yapım teknikleri sayesinde genel amaçlı (özellikle silisyum) transistörlerde düşük ve orta güç aralıklarında ICBO düzeyi ihmal edilebilmektedir.
Ancak, yüksek güç elemanlarında ICBO yine µA düzeyindedir. Buna ek olarak ICBO, aynı diyottaki IS akımı (her ikisi de kaçak akımdır) gibi, sıcaklığa karşı duyarlıdır. Yüksek sıcaklıklarda herhangi bir düzeydeki güç elemanı için, sıcaklıkla beraber hızlı bir yükselişe geçmesi sebebiyle önemli bir faktör olabilir.
Şekil 1.7a`ya dikkat edilirse, emiter akımı sıfırın üzerine çıkınca kollektör akımı da yaklaşık olarak, transistör akım denklemlerinde belirtildiği gibi emiter akımının artışına eşit bir artışla yükselmektedir. Ayrıca VCB`nin kollektör akımı üzerindeki etkisi, neredeyse ihmal edilebillir ölçüdedir. Eğrilerden de açıkça anlaşılabileceği gibi, IE ve IC arasındaki ilişki iletim bölgesinde yaklaşık olarak
———— (1.6) kadardır.
Şekil 1.8 : Ters doyma akımı
Kesim bölgesinde, hem kollektör hem de emiter jonksiyonu ters öngerilimlenmiştir. Bu da Şekil 1.7 a`da gösterildiği gibi ihmal edilebilir bir kollektör akımına yol açmaktadır.
Doyma bölgesi adı verilen bölgede ise kollektör ve emiter jonksiyonları ileri öngerilimlenmiştir. Bu da, kollektör-beyz potansiyelindeki küçük değişiklere karşılık kollektör akımında üstel değişimler oluşturmaktadır.
Şekil 1.7b`de gösterildiği gibi, giriş veya emiter karakteristiklerinin sadece bir bölgesi ile ilgilenilmektedir. Sabit VCB gerilimi altında, emiter-beyz potansiyeli arttıkça emiter ekımı da artmaktadır. Artan VCB düzeyleri ise, aynı akımı sağlayacak şekilde, VEB düzeyinin azalmasına yol açmaktadır. Yarıiletken silisyum diyotta olduğu gibi, DC çalışmada ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonu için VEB değeri yaklaşık olarak,
————(1.7) bulunmaktadır.
Örnek 1
Şekil 1.7`deki karakteristikleri kullanarak;
(a) IE = 3mA ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(b) VEB = 750mV ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(c) IC = 5mA ve VCB = -1V için VEB`yi bulunuz.
Çözüm :(b) VEB = 750mV ve VCB = -10V değerlerindeki kesişme noktasında IE = 3,5mA`dir. Böylece IC ;
olarak belirlenir.
(c) IE = IC = 5mA`dir. Giriş karakteristiğinde IE = 5mA ve VCB = -1V`un kesişme noktasında VEB= 800mV = 0.8V olarak bulunur.
Şekil 1.9
Sonuç : Ortak beyzli devrelerin genel özellikleri
Güç kazancı iyi
Gerilim kazancı iyi
Akım kazancı 1 den küçük
Giriş empedansı çok az, yaklaşık 20ohm – 50ohm
Çıkış empedansı çok yüksek, 1Mohm – 2Mohm
Giriş ve çıkış arasında faz farkı yok.
Ortak beyzli devreler özelliklerinden de anlaşılacağı gibi giriş empedansı düşük, çıkış empedansı yüksek devrelerde kullanılır. Bir örnek vermek gerekirse; Bilindiği gibi antenlerin
empedansları düşük olur. Bu nedenle tunerlerin anten giriş devresi olarak kullanılmaktadır.
B) ORTAK EMİTERLİ DEVRE
Şekil 1.10`da, PNP ve NPN transistörleri için en sık rastlanılan transistörler devreleri gösterilmiştir. Emiterin hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak emiterli devre denir. (Bu durumda hem beyz hemde kollektör uçları emiteri ortak olarak kullanır).
Şekil 1.10`da da görüldüğü gibi devrenin tipini belirtmek üzere potansiyellerde, ikinci indis olarak E (emiter) harfi kullanılmıştır. Transistör devre tipinin değişmesine rağmen, daha önce ortak beyzli devre için geliştirilen akım denklemleri ortak emiterli devre için de geçerlidir.
Şekil 1.10 : Ortak emiterli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör
Giriş akımının (IB) değer aralığı için, çıkış akımının (IC) çıkış gerilimine göre grafiği ortak emiterli devrenin çıkış karakteristiğini oluşturmaktadır. Giriş karakteristiği ise, çıkış geriliminin (VCE) değer aralığı için, giriş akımının (IB) giriş gerilimine (VBE) göre bir grafiğidir.
Şekil 1.11`daki karakteristiğe dikkat edilirse, IC mA düzeyinde olmasına karşın IB mA`ler düzeyindedir. Ayrıca IB eğrilerinin, ortak beyzli devrelerde elde edilen IE eğrileri kadar yatay olmadığına da dikkat edilmelidir. Bu olgu kollektör-emiter geriliminin, kollektör akımının büyüklüğünü etkilediğini gösterir.
Şekil 1.11 : Ortak emiterli NPN transistörünün karakterisrikleri (a) Kollektör karakteristikleri (b) Beyz karakteristikleri
Ortak emiterli devrenin iletimde olduğu bölge, eksenin en büyük doğrusallığa sahip parçası; yani IB eğrilerinin hemen hemen düz ve eşit aralıkta olduğu bölgedir. Şekil 1.11a`da bu bölge VCE doyma noktasındaki düşey kesik çizginin sağında ve IB = 0 eğrisinin üstünde kalan bölümdür. VCE doyma noktasının solundaki bölgeye doyma bölgesi denir. Iletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters öngerilimlli olmasına karşılık, emiter jonksiyonu ileri öngerilimlidir. Ortak emiterli devrenin iletim bölgesi, gerilim akım veya güç yükseltmede kullanılabilir.
Daha önce tartışılan IB = 0 durumunu ele alır ve bu değeri denklem (1.8)`de yerine koyarsak;
(1.9) olarak tespit edilir.
a = 0.996 için,
bu da, IB = 0 eğrisinin yatay gerilim ekseninden düşey doğruda sapmasını açıklamaktadır. İlerde kullanmak üzere denklem (1.9) ile tanımlanan kollektör akımı, denklem (1.10)`daki gibi gösterilecektir.
————(1.10)
Yeni tanımlanan bu akımı çevreleyen koşullar, buna ilişkin referans yönü ile birlikte Şekil 1.12`de verilmiştir.
Şekil 1.12 : ICEO`a ilişkin devre koşulları
ICEO`nun büyüklüğü silisyum malzemelerde germanyum malzemelerde olandan çok daha düşüktür. Benzer anma değerlerine sahip transistörlerde tipik ICEO değeri, silisyumda birkaç mA`ken, germanyumda birkaç yüz mA olabilmektedir.
Transistör bir bilgisayarın mantık devrelerinde anahtar olarak kullanıldığında, kesim ve doyum bölgesi olmak üzere iki önemli çalışma noktasına sahip olmaktadır. Kesim durumu, seçilen VCE gerilimi için ideal olarak IC = 0 ile belirlenmiş olmalıdır. ICEO, silisyum malzemelerde tipik olarak düşük olduğu için, anahtarlama amacına yönelik kesim, yalnızca silisyum transistörlerde IC = ICBO veya IB = 0`da gerçekleşmektedir. Germanyum transistörlerde ise anahtarlama amacına yönelik kesim, ICEO = ICEO = ICO koşulları altında tanımlı olmaktadır. Bu koşul, germanyum transistörlerde, normalde ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonunu, gerilim değerinin onda biri-ikisi kadar ters öngerilimleyerek elde edilebilir.
Örnek 2
Şekil 1.11`daki karakteristikleri kullanarak;
(a) VBE = 800mV ve VCE = 10V`a karşılık gelen IC değerini bulunuz.
(b) IC = 4mA ve IB = 40mA`e karşılık gelen VBE ve VCE değerlerini bulunuz.
Çözüm :
(a) Giriş karakteristiğinde, VBE = 800mV ile VCE = 10V`un kesiştiği noktadan IB = 50mA gibi bir değer bulunur.
Çıkış karakteristiğinde ise, IB = 50mA ve VCE = 10V`un kesiştiği noktadan, IC = 5.1mA değerinde bir akım elde edilir.
(b) Çıkış karakteristiğinde, IC = 4mA ve IB = 40mA`in kesiştiği noktadan, VCE = 6.2V değerinde bir gerilim bulunur.
Giriş karakteristiğinde ise, IB = 40mA ve VCE = 6.2V`un kesiştiği noktadan, VBE = 770 mV değerinde bir gerilim elde edilir.
Daha önce bahsedildiği gibi alfa (a) sembolü, ortak beyzli devrenin ileri akım transfer oranı için kullanılmıştı. Ortak emiterli devrede, sabit bir kollektör-emiter geriliminde (VCE) kollektör akımındaki küçük bir değişikliğe karşı beyz akımındaki değişikliğin oranı beta (b) sembolü ile gösterilir ve genelde ortak emiter ileri yönde akım yükseltme faktörü adını alır. b`nın değeri,
————(1.11)
formülüyle verilir. Beta (b) değeri, yaklaşık olarak şu formülden de bulunabilir:
————(1.12)
Burada IC ve IB, doğrusal bölgedeki (yani, ortak emiter karakteristiğinin yatay beyz akımı çizgilerinin paralel ve eşit aralıklı olmaya en yakın oldukları yerde) belirli bir çalışma noktasının kollektör ve beyz akımlarıdır. Denklem (1.12) ile belirlenen değere DC değer (IC ve IB sabit veya DC değerler olduğu için), Denklem (1.11) ile bulunan değere de AC veya dinamik değer denmektedir. Tipik değerleri 20 ile 100 arasında değişmektedir. Denklem (1.1), (1.4) ve (1.12) üzerinde aşağıdaki işlemleri yaparsak:
Örnek 3
(a) Şekil 1.11`daki karakteristikte VCE =10V ve IC = 3mA çalışma noktasındaki DC beta (b) değerini bulunuz.
(b) Bu çalışma noktasıyla ilgili a değerini bulunuz.
(c) VCE =10V`a karşılık gelen ICEO değerini bulunuz.
(d) (a) şıkkından elde edilen bDC değerini kullanarak yaklaşık ICBO değerini hesaplayınız.
Çözüm :
(a) VCE =10V, IC = 3mA ve IB = 25mA`in kesişme noktasında,
Ortak emiterli devredeki giriş karakteristikleri, ortak beyzli devrenin karakteristiklerine çok benzemektedir (Şekil 1.11). Her iki durumda da giriş akımındaki artış, ileri öngerilim potansiyelinin artması sonucu beyz-emiter jjonksiyonunu geçen çoğunluk taşıyıcılarının artışından kaynaklanmaktadır. Ayrıca çıkış gerilimindeki değişmelerin (ortak emiterli devre için VCE ve ortak beyzli devre için VCB) karakteristiklerde büyük kaymalara yol açmadığına dikkat edilmelidir. Aslında, genelde karşılaşılan DC gerilim düzeylerinde, çıkış uç gerilimindeki değişmeler nedeniyle beyz-emiter geriliminde meydana gelen değişimler, yaklaşık olarak ihmal edilebilir. Burada ortalama bir değer kullanılacak olursa, kollektör-emiter devresi için Şekil 1.13`deki eğri elde edilir.
Silisyum diyot karakteristikleriyle olan benzerliklere dikkat edilmelidir. Yarıiletken diyot tanımından da hatırlanacağı gibi DC analizinde Şekil 1.13`deki eğri, Şekil1.14`deki eğriyle gösterilmişti. Bu nedenle bir transistör yapısının beyz-emiter gerilimi, DC analizde silisyum için VBE = 0.7V ve germanyum için de 0.3V olarak kabul edilebilir. Eğer uygun polariteyle 0.7V öngerilimi (silisyum transistörler için) sağlayacak yeterli gerilim yoksa, transistör aktif bölgede olamaz. Ortak beyzli devrenin benzer giriş karakteristikleri olduğundan, DC analizinde karakteristiğin iletim bölgesinde öngerilimlenen bir BJT`nin beyz-emiter geriliminin VT olduğu sonucu çıkarılabilir. Ayrıca kollektör-beyz devresinin çıkış karakteristiğinde IC = IB olduğu daha önce gösterilmişti. Kollektör-emiter devresinde IC = bIB`dir ve b çalışma koşullarıyla belirlenir.
Şekil 1.13 : VCE`nin ihmal edilmesi halinde Şekil 1.11`in yeniden çizilmesi
Şekil 1.14 : DC analiz için Şekil 1.13`ün yaklaşıklık yöntemiyle yeniden çizilmesi
Uygulanan DC potansiyelleri için uygun polariteyi belirlemek üzere yapılması gereken ilk işlem, önce Şekil 1.15`de bir NPN transistörü için gösterildiği gibi, IE yönünü sembol üzeerindeki ok yönü ile eşleştirmektir. IE = IB + IC olduğundan hem IB hem de IC şekildeki gibi gösterilmelidir. Bundan sonra gerekli tek şey, VBE ve VCE kaynaklarını, IB ve IC akımlarını gösterilen yönde itecek şekilde yerleştirmektir (Şekil 1.15). Bir PNP transistöründe ise, tüm akımlar ve dolayısıyla da tüm kaynaklar ters çevrilecektir.
Şekil 1.15 : Ortak emiterli bir NPN transistörünün uygun öngerilimlenmesinin belirlenmesi
Sonuç : Ortak emitörlü devrelerin genel özellikleri;
Güç kazancı çok yüksek
Gerilim kazancı iyi
Akım kazancı iyi
Giriş empedansı 1Kohm – 2Kohm
Çıkış empedansı 50Kohm dan küçük
Giriş ve çıkış arasında faz farkı var.
Ortak emitörlü devreler yaygın biçimde ön yükselteç devresi olarak kullanılır.
C) ORTAK KOLLEKTÖRLÜ DEVRE
Ortak kollektörlü devre, empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılmaktadır. Çünkü bu devre, yüksek çıkış empedansını düşük çıkış empedansına çevirmektedir. Yani, ortak beyz ve ortak kollektörlü develerin tam tersi özelliklere sahiptir.
Şekil 1.16 : Ortak kollektörlü devre için kullanılan işaret ve sembolleri (a) PNP transistör (b) NPN transistör
Ortak kollektörlü devre genelde Şekil 1.17`de gösterildiği gibi emiterden toprağa arada yük direnci bulunacak şekilde düzenlenir. Bu devrede transistör, ortak emiterli devreye benzer şekilde bağlanmış olmasına karşın kollektörün topraklanmış olduğuna dikkat edilmelidir. Pratik açıdan ortak kollektörlü devrenin çıkış karakteristiği ortak emiterli devreninkiyle aynıdır.
Ortak kollektörlü devrede çıkış karakteristiği, IB değer aralığında IE`nin VEC`ye göre grafiğidir. Bu nedenle giriş akımı, hem ortak emiter hem de ortak kollektör karakteristiğinde aynıdır. Ortak kollektörllü devrenin yatay gerilim ekseni, VEC = – VCE olduğu için ortak emiter karakteristiği kollektör-emiter geriliminin işareti değiştirilerek elde edilir. Son olarak, ortak kollektör karakteristiğinde IC yerine IE konulduğu takdirde, ortak emiter karakteristiğinin düşey IC ölçeğinde hemen hemen fark edilemeyecek bir değişiklik meydana gelir (çünkü a = 1).
Şekil 1.17 : Empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılan ortak kollektörlü devre
Ortak kollektörlü devrenin giriş devresine ilişkin gerekli bilgiyi elde etmek için ortak emiter karakteristiği yeterlidir. Yapılması gereken tek şey Şekil 1.16`daki devreye Kirşof gerilim yasasını uygulayarak uygun matematiksel işlemleri gerçekleştirmektir.
Sonuç : Ortak kollektörlü devrelerin özellikleri
Güç kazanci iyi
Gerilim kazancı 1 den küçük
Akım kazancı iyi
Giriş empedansı yüksek, örneğin 300Kohm
Çıkış empedansı çok küçük, 2ohm – 300ohm
Giriş ve çıkış arasında faz farkı yok.
Ortak kollektörlü devreler bağlandıkları devreleri yüklemezler. Çıkışları ise düşük empedanslı olduğu için çoğunlukla güç yükselteci, regülatör çıkış katı ve tampon devreler olarak yaygın olarak kullanılmaktadır.
Yukarıdaki anlatımların tamamını NPN transistörler için yaptım. PNP transistörlerde aynı formüller geçerli olup sadece akım işaretlerinin önüne – (eksi) işareti gelir.
TRANSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇ DEVRELERİ
Transistörler AC sinyallerin yükseltilmesi işleminde sıklıkla kullanılırlar. Bunun için en başta transistörün uygun bir DC polarma devresi ile polarmalandırılması gerekmektedir. Bu konuya yukarıda değinilmişti. Burada konunun derinliklerine inilmeyecek ve kısaca AC sinyal yükseltilmesinde elde edilen eşitlikler verilecektir. Eşitliklerin elde edilmesi uzun ve karmaşık olduğundan, bu dersin özüne hitap etmeyeceği düşünülerek verilmemiştir. AC sinyal yükseltmesi denince girişten verilen değişken Vi sinyalinin, çıkıştan yükseltilmiş bir Vo sinyali olarak alınması kasdedilmektedir. Burada yukarıda değinilen polarma devrelerinin AC sinyal altında kullanılması konusundaki eşitlikler verilecek, ve eşitliklerin uygulamasının daha iyi anlaşılması için her devre bir animasyonla desteklenecektir. Kullanıcı animasyon üzerindeki değerleri değiştirerek, giriş sinyaline göre çıkış sinyalin değişmesini inceleyebilecektir.
TRANSİSTÖR DC POLARMA DEVRELERİ
Transistörün yükselteç olarak kullanılabilmesi için, yani girişindeki AC Vi voltajını, çıkışından yükseltilmiş AC Vo voltajı olarak alabilmek için, uygun bir DC polarma devresine ihtiyaç vardır. DC polarma devresi transistörler için gerçekten çok önemlidir. Eğer uygun bir DC polarma devresi yapılmaz ise, transistör bir yükselteç olarak kullanılamaz veya istenilen sonuç alınamaz. Peki DC polarma ne anlama gelmektedir. Bunu kısaca, transistörün uçları arasında DC uygun çalışma gerilimlerinin veya öngerilimlerin sağlanması olarak tanımlayabiliriz.
DC polarma devreleri transistör beyz, kollektör ve emiter uçlarından statik(Quiscent) akımların akmasını sağlar. Bunun anlamı, transistör girişlerinde herhangi bir AC sinyal yok ise, transistör üzerindeki gerilim veya akımlar statik(durgun) çalışma gerilim ve akımları olarak sabit değerde olacaklardır. Tabiki bu durum ideal şartlar için geçerlidir. Yukarıda bahsedilen çalışma noktasına Q çalışma noktası denir ve bu noktadaki akım ve gerilimleri belirleyebilmek için sembollere alt indis olarak Q harfi eklenir. örneğin IBQ ve VCEQ değerleri, sırası ile statik çalışma noktasında transistörün sahip olduğu beyz akımı ve kollektör-emiter arası gerilim değerleridir.
Bilindiği gibi sıcaklık değişmeleri transistör üzerinde bazı olumsuz etkilere sebep olmaktadır. Bunlardan en önemlisi transistör akım kazancı b ‘nın sıcaklık ile doğru orantılı olarak değiştiğidir. Yani sıcaklık arttığında, b değeride artacak, bunun sonucu olarakta normalde sabit kalması istenen statik çalışma akım ve gerilimleri değişecektir. Bu istenmeyen durumu önlemek için farklı yapılarda polarma devreleri kullanılır. En fazla kullanılan polarma devreleri burada fazla detaya girmeden incelenecek ve böylece transistörün yükselteç olarak kullanılması daha iyi anlaşılacaktır.
En Fazla Kullanılan Transistör DC Polarma Devreleri;
SONUÇ
• Bipolar jonksiyon transistör BJT olarak bilinir ve üç katmandan oluşur. Katmanlarına işlevlerinden ötürü Beyz (base), Emiter (emiter) ve Kolektör (collector) isimleri verilir.
• Bipolar transistör iki adet pn bitişim yüzeyine (jonksiyona) sahiptir. Bu jonksiyonlara beyz-emiter ve beyz-kollektör jonksiyonaları adı verilir.
• BJT içinde hem serbest elektronlar, hem de oyuklar akım taşıyıcı olarak görev yapar. Bundan dolayı bipolar (çift kutuplu) sözcüğü kullanılır.
• Bipolar transistörde beyz bölgesi; kolektör ve emiter bölgesine nazaran daha az katkılandırılmıştır ve daha incedir.
• Bipolar Jonksiyon transistörler npn ve pnp olmak üzere iki tipte üretilirler.
• Transistör bir yükselteç elemanı olarak kullanıldığında; beyz-emiter jonksiyonu ileri yönde, beyz-kollektör jonksiyonu ters yönde polarmalandırılır.
• Transistörlerde 3 temel akım vardır. Bunlar; beyz akımı (IB), kolektör akımı (IC) ve emiter akımı (IE) olarak adlandırılır.
• Transistörde beyz akımı, kolektör ve emiter akımına nazaran çok küçüktür. Fakat transistörün çalışmasında çok etkindir. Beyz akımı, kolektör ve emiter akımlarını kontrol eder.
• Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı beta akım kazancı olarak bilinir ve ßDC olarak tanımlanırlar. ßDC değeri akım yükseltme katsayısıdır. Tipik ßDC değeri 20 ile birkaç 100 birim arasında olabilir.
• Transistörde ßDC değeri kimi üretici firma kataloglarında HFE olarak tanımlanır ve verilirler.
• Bir transistörde emiter akımının kolektör akımına oranı alfa akım kazancı olarak bilinir ve ?DC olarak tanımlanırlar. Tipik ?DC değeri 0.95 ile 0.99 arasındadır.
• Transistör kesim ve doyum bölgelerinde elektronik bir anahtar gibi çalıştırılabilir.
• Kesimde çalışan bir transistörün beyz-emiter jonksiyonu ters yönde polarmalandırılmıştır.
Transistörün kollektör akımı yoktur. İdeal olarak kollektör-emiter jonksiyonu açık devredir ve açık bir anahtar gibi davranır.
• Doyumda çalışan transistörün beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde polarmalandırılmıştır.
Transistörün kolektör akımı maksimumdur. Kolektör-emiter jonksiyonu ideal olarak kısa devredir ve kapalı bir anahtar gibi davranır.
• ßDC değeri çalışma ortamı ısısından bir miktar etkilenir.ßDC değeri aynı tip transistörlerde farklı değerlerde olabilir.
• Transistörler kendi aralarında sınıflandırılırlar. Transistörlerin kılıflarında metal, plastik, seramik v.b materyaller kullanılır. Transistör üretiminde yüzlerce farklı kılıf kullanılır.
Transistörlü Yükselteçler
- Polarma Metodları
Sabit Polarma Kollektör Beyz Polarması Birleşik (Tam Kararlı – Otomatik) Polarma - Temel Yükselteç Devreleri
Emiteri ortak yükselteç
Beyzi ortak yükselteç
Kollektörü ortak yükselteç - Yükselteçlerde Çalışma Sınıfları
1. A sınıfı gerilim yükseltci
2. Faz tersleyiciler
3. Güç yükselteç tipleri
a) A sınıfı yükselteç
b) B sınıfı (push-pull) yükselteç
c) AB sınıfı yükselteç
d) Simetrik yükselteç
e) C sınıfı yükselteç
4. Darlington bağlantı
5. Yükselteçlerde volüm, ton ve balans kontrol devreleri
a) Volüm Kontrolü
b) Ton Kontrolü
c) Balans Kontrolü
6. HI-FI stereo yükselteç ve düzenler.
