Bir aktif elemanın, yani şu sıralar konumuz olan transistörlerin çalışma bölgeleri denince aklımıza o devrenin hiçbir iş yapmazken ne durumda olduğu aklımıza gelmeli. Örneğin bir yükseltecin volümü kısıkken içindeki transistörler ne durumda, üzerlerinden ne kadar akım geçiyor, bacakları arasında ki voltajlar nasıl gibi. Bazen de transistörü normal çalışması sırasında herhangi bir anda da hangi bölge içinde çalıştığı önemli olabilir.
Transistörün çalışma bölgeleri CE, CB ve CC için aynıdır.
Transistör Çalışma Bölgeleri
Transistörlerde üç tane çalışma bölgesi bulunmaktadır. Bunlar:
1. Aktif (Forward-Active) Bölge
2. Doyum (Saturasyon) Bölgesi
3.Kesim (Cut-off) Bölgesi
Aşağıdaki örnek şekilde bir transistörün çalışma bölgelerinin tamamı görülmektedir.
Aktif Bölge
Transistörü normal bağladığımız zaman örneğin, NPN bir transistörün kollektörü pozitif, emitörü kollektöre göre negatif ve beyzi emitöre göre pozitif olduğu zaman aktif bölgede çalışır. Aktif bölgede kollektör akımı IC, kollektör geriliminden bağımsızdır. Kollektör voltajı VCC değiştirilirse IC akımı değişmez. IC akımı IB akımına bağlı olarak değişir. VCE voltajı VCC voltajının yarısı civarında yada VCC den küçük, 1-2 volttan büyüktür.
Doyum (Saturation) Bölgesi
Emitör ve Kollektör voltajları birbirine çok yaklaştığında (burada bazen CB arası düz bayasta olabilir) transistör doyum bölgesine geçer. Doyum bölgesinde IC akımı artık en büyük değere ulaşmıştır. IB tarafından kontrol edilemez hale gelir. VCE voltajı çok küçülür. Transistör hızla ısınarak bozulabilir. Bu nedenle transistörler özellikle doyum bölgesinde uzun süre çalıştırılmamalıdır.
Transistör, maksimum base akımı IB geçecek şekilde beslenir. Bu da maksimum kollektör akımı IC ve minimum kollektör-base gerilimi VCE oluşmasına neden olur.
- VBE > 0.7V
- Transistör açık durumdadır.
- Devreden akan kollektör akımı IC, maksimumdur. (VCC / RL = IC)
- VCE = 0 (ideal doyum)
- VOUT = VCE = 0
- Transistör KAPALI ANAHTAR olarak çalışır.
Transistör, ideal koşullarda kesim bölgesinde iken sonsuz direnç değerinde olduğu için kollektör akımı IC = 0 ’dır. Doyum bölgesinde ise sıfır direnç değerinde olup maksimum IC akımını geçirmektedir. Ancak, gerçek durumda kesim bölgesinde küçük bir sızma akımı ve doyum bölgesinde küçük bir direnç değeri bulundurmaktadır. Bu nedenle, doyum durumunda ideal doyum olarak belirttiğimiz VCE = 0 değeri yerine VCE = 0.2V gibi bir değere sahip olur. VCE’nin doyumdaki voltajı transistörün datasheetinden öğrenilir ve tasarım buna göre yapılır. Transistör anahtarlama için her ne kadar kusursuz olmasa da pratikte oldukça kullanışlıdır
Kesim (Cut-Off) Bölgesi
Beyz ve Emitör arası ters bayaslandığı zaman yada Beyz ve Emitör arası voltaj transistörün VBE açma voltajına eşit yada küçük olduğu zaman transistör artık kesim bölgesindedir. Bu durumda VCC voltajı ne olursa olsun IC akımı akmaz. VCE voltajı VCC voltajına eşit olur. Kesim bölgesindeki transistörün elektronik devrelerde uygulaması vardır.
- VBE< 0.7 V. Farklı transistörlerde VBE açılma gerilim değeri değişebilir.
- Yeterli giriş gerilimi sağlanamadığı için base akımı IB sıfırdır.
- Transistör açık durumda olduğu için kollektör akımı IC sıfırdır.
- VOUT = VCE = VCC, kollektör-emiter gerilimi VCE, kesim bölgesinde maksimumdur.
- Transistör AÇIK ANAHTAR olarak çalışır.
Soru:
Aşağıdaki örnekte transistörlü bir devrenin hangi bölgede çalıştığını bulalım.
Devremizdeki transistörün özellikleri;
NPN Silisyum (VBE=0,6V)
ß=100
VCC=12V
RC=2,7K
RB=200K
VBB=5V
Önce, bu devre için çalışma bölgesini belirlemek için
- ICmax akımını bulalım
ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA - IB akımı;
IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(5-0,6)/200
IB=0,022mA - IC akımı;
IC=ß x IB
IC=100 x 0,022
IC=2,2mA - VCE voltajı;
VCE=VCC – (IC x RC)
VCE=12 – (2,2 x 2,7)
VCE=6,06V
Bulduğumuz VCE değeri 6,06V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajının ortalarında bir değerdir. Bu durumda devremizin aktif bölgede çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 6,06V ve 2,2mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.
Aynı devrede RB direncini 100K yapalım,
- ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA - IB akımı;
IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(5-0,6)/100
IB=0,044mA - IC akımı;
IC=ß x IB
IC=100 x 0,044
IC=4,4mA - VCE voltajı;
VCE=VCC – (IC x RC)
VCE=12 – (4,4 x 2,7)
VCE=0,12V
Bulduğumuz VCE değeri 0,12V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajının çok altlarındadır. Daha doğru bir değişle transistor kısa devre gibi olmuştur. Bu durumda devremizin doyumda çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 0,12V ve 4,4mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.
Şimdide birinci devredeki her şeyi aynı bırakıp VBB voltajını 0,6V yapalım.
- ICmax=VCC/RC
ICmax=12/2,7
ICmax=4,44mA - IB akımı;
IB=(VBB-VBE)/RB
IB=(0,6-0,6)/200
IB=0mA - IC akımı;
IC=ß x IB
IC=100 x 0
IC=0mA - VCE voltajı;
VCE=VCC – (IC x RC)
VCE=12 – (0 x 2,7)
VCE=12V
Bulduğumuz VCE değeri 12V olup anlaşılacağı gibi VCC voltajına eşittir ve hiç akım geçirmemektedir. Bu durumda devremizin kesimde çalıştığını söyleyebiliriz. Q noktasının yeri 12V ve 0mA dir. Bu durumu aşağıdaki şekilde görebiliriz.
Yukarıdaki örnek çözümler, devrede bulunabilecek başka dirençlerle değişebilir. Bizim buradan anlamız gereken, bir transistör üzerinde ölçümler yaparak o transistörün hangi bölgede çalıştığını anlamak olacaktır. Bir transistörün hangi bölgede çalıştığını biliyorsak, bunu devrenin yapısına bakarak yada hesaplayarak bulabiliriz. Sonra üzerindeki voltajları ölçerek devrenin hakikaten doğru çalışıp çalışmadığını bulabiliriz. Bu bize özellikle arızalı bir devrenin onarımında yardımcı olacaktır.
Soru:
IB = 30 uA, VBE(on) = 0.7V ve base giriş gerilimi VB = 3V olacak transistör değerleri için base direnci RB değeri ne olmalıdır?
Transistörün doyum bölgesinde çalışmasını garantilemek için bulunan direnç değerinden bir düşük standart direnç değeri olan 68kΩ tercih edilebilir.
Soru:
IB = 30 uA, VBE(ON) = 0.7V, β = 300, giriş gerilimi VB = 5V olacak şekilde ve yükü beslemek için minimum 300 mA akıma ihtiyaç olduğunda gerekli olacak minimum base akımını IB bulunuz ve base direnci RB değerini hesaplayınız.
Bu soruda devre olarak görsel 4 geçerli olacaktır. RL yerinde beslenecek yük bulunmaktadır. Bu durumda kollektör akımı 300 mA olmalıdır. Bunu sağlamak için gerekli minimum base akım IB da şu bağıntıdan bulunur:
IB ‘yi bildiğimiz için RB, ilk soruda kullandığımız bağıntıdan bulunabilir.
Sonuç
- Yükün üzerine yük için gerekli akımı sağlayacak gerilimi vermek transistör ile anahtarlama devresi için yetmez. O transistörde istenen kollektör akımının akmasını sağlayacak base akımının da verilmesi gerekir.
- Transistörün β’sı arttıkça ihtiyacımız olan kollektör akımını oluşturmak için gereken base akımı düşer.
