Diyotlar

Hazırlayan: Özen Özkaya ozen.ozkaya@itu.edu.tr Özen Özkaya Kişisel web sitesi: http://elektroncobani.blogspot.com/ İTÜ OTOKON Eğitim Komitesi – İstanbul Teknik Üniversitesi Elektrik – Elektronik Fakültesi otokon@itu.edu.tr | www.otokon.itu.edu.tr. Şimdiye kadar Diyotlar hakkında gördüğüm en kapsamlı döküman ne kadar çok diyor çeşidi varmış hiç duymadığım görmediğim diyotları öğrendim ayrıca bazı yanlış bilgilerin doğrusunu öğrendim. Ayrıca led, zener vb çeşitli hesaplama bilgileride bulunuyor. Emeği geçen hazırlayan kişilere teşekkürler.

P ve N tipi iki yarı iletkenin birleştirilmesiyle oluşan devre elemanına diyot denir. Diyotlar temelde iki temel gruba ayrılır:

• Doğrultmaç diyotları
• Sinyal diyotları

Doğrultmaç diyotları güç kaynaklarında AC yi DC ye dönüştürmekte kullanılır. Bunlar yüksek akıma ve yüksek gerilime dayanıklıdırlar. Ama yine de 50 – 60 hertzlik düşük frekanslı devrelerde kullanılırlar. Sinyal diyotları ise lojik devrelerde devre elemanı ya da radyo frekans (RF) devrelerinde sinyal ayırıcı olarak görev alır. Germanyumdan yapılmış bir diyotun üzerinden akım geçtiğinde üzerinde yaklaşık 200 mili voltluk bir gerilim oluşur. Silisyumdan yapılmış diyotlarda ise bu değer 700 mili volt civarındadır. İşte bu fark nedeniyle germanyum maddesi genellikle sinyal diyotu yapımında kullanılır.

P ve N TİPİ MADDELER BİRLEŞTİRİLERİLEREK DİYOT OLUŞTURULMASI

Polarmasız P – N Birleşimi P ve N tipi iki madde kimyasal yolla birleştirildiğinde “PN birleşimli kristal diyot” elde edilir.

Diyotun oluşumu sonucu elektronların ve oyukların yer değiştirmesini önleyen bölgeye “gerilim setti” denir. Settin kalınlığı 1 mikron kadar olup, 0,2 – 0,7 V uygulanınca bu set aşılır.

Polarmalı P – N Birleşimi Polarmasız P – N birleşimin ortasında yük dengesi olduğundan, akım geçmez. P – N
birleşimine doğru yönde (forward) ve ters yönde (reverse) gerilim uygulandığında bir takım değişiklikler ortaya çıkar şimdi bunları inceleyelim.

P-N BİRLEŞİMİNE DOĞRU YÖNDE AKIM UYGULAMA

Şekilde de görüldüğü gibi üretecin artı ucundan gelen yükler (oyuklar) P tipi maddenin + yüklerini birleşme yüzeyine doğru iterler. Aynı şekilde üretecin negatif ucu da N tipi maddenin elektronlarını birleşme yüzeyine doğru iterler. Pilin artı ucu bu esnada P tipi maddeye geçmiş olan elektronları kendine çeker, pilin eksi ucu da N tipi maddede oluşan oyukların etkisiyle buraya elektron gönderir. Görüldüğü gibi burada elektron akışı eksi uçtan artı uca doğru olur. Ancak eskiden artıdan eksiye doğru gidildiği sanılarak anlatımlar bu yöntemle yapılmıştır (klasik yöntem). Günümüzde de bu yöntem kullanılmaktadır.
Yapılan kabulün uygulamada herhangi bir dezavantajı yoktur.

P – N BİRLEŞİMİNE TERS YÖNDE AKIM UYGULAMA (TERS POLARİZASYON)

Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi üretecin eksi ucu P tipi maddenin oyuklarını kendine çeker. Aynı şekilde üretecin artı ucu da N tipi maddenin elektronlarını kendine çeker. Birleşme yüzeyinde elektron ve oyuk kalmaz. Bu yaklaşıma göre ters polarizasyonda diyot elektron geçirmez.

NOT: Ters polarize edilen diyotlara uygulanan gerilim artarsa, diyot delinebilir(bozulabilir). Bunun nedenini şöyle açıklayabiliriz; diyota uygulanan gerilimin büyümesiyle serbest elektronlara verilen enerji artmakta ve bu elektronların çarpma etkisiyle de pek çok elektron valans bandından iletkenlik bandına geçmektedir. Bu yolla da diyottan gecen akım sürekli artmaktadır.

EK BİLGİ: İdeal diyot doğru polarmada hemen geçirirken, ters polarmada akımı geçirmez, yani diyot bir anlamda anahtarlama yapar. Anca pratikte olay böyle değildir. Diyota doğru polarmayla gerilim verilmesiyle akımın geçmesi arasında belli bir zaman farkı vardır.

ÖÖNEMLİ BİLGİ: Diyotlarla ilgili hesap yapılırken, bu elemanların belli bir gerilimden sonra iletime geçme durumu göz önüne alınarak diyot, içinde ters bağlı bir DC üretici varmış gibi düşünülür.

Daha iyi anlayabilmek için, aşağıdaki düzeneği kurarak lambaya düşen gerilimi bir voltmetre ile ölçtüğümüzde 12 Vıluk pile bağlı olan lambaya 11,4 V gerilim düştüğünü görürüz. Bu durumda diyota 0.6 V gerilim düşmektedir.

Devrenin matematiksel denklemi ise şöyledir:

NOT(!): Diyotun eşik gerilimi, sıcaklığa bağlı olarak da değişmektedir. Örneğin silisyum doğrultmaç diyotları -50 ºC de 0.8 Voltıta, 25 ºC de 0.65 Voltıta, 100 ºC de ise 0.5 Voltıta iletime geçmektedir. Diyotların soğutulmasında kullanılan alüminyum soğutucular aşağıdaki şekildeki gibidir.

Bu soğutucuların yardımıyla diyotların yüksek akıma dayanıklılıkları artar.

Diyotların Gövde Şekilleri

Diyotlarda kılıf maddesi olarak cam, plastik ya da metal kullanılır.

Diyotun üzerinde metal şeklinde bir bant veya çıkıntı bulunuyorsa bu her zaman katotu(-) belirtir. Uygulamalarda en çok karşımıza çıkan 1N400É serisi diyotlardır. Bunların tümünün maksimum çalışma akımı 1 Amperdir. Bundan düşük değerdeki akımlarda da çalışabilirler.1N400É serisinde fark yaratan çalışma gerilimidir. Örneğin bunlardan bazılarının çalışma gerilimleri şöyledir: 1N4001: 50 V, 1N4002: 100 V, 1N4003: 200V 1N4004: 400V, 1N4005: 600VÉ

Diyotların Seri ve Paralel Bağlanması

Seri Bağlama:

Ters dayanma gerilimi daha yüksek diyot elde edilmek için diyotlar seri bağlanır. Örneğin 100 V ile çalışan bir devre için ters dayanma gerilimi 50 V olan iki adet 1N4001 diyot seri bağlanarak 100 V a dayanıklı bir diyot yapısı elde edilebilir.

Paralel Bağlama:

Yüksek akımlı diyot elde etmek için diyotlar paralel bağlanır. Ancak bu yöntem pek sağlıklı değildir. Üretim
kusurlarından dolayı diyotlar tamamen aynı özelikle üretilmez dolayısıyla paralel bağlamda diyotlardan biri daha önce bozulur ve bu da zincirleme bir bozulmaya yol açar.

Doğrultmaç Diyotların Korunma Yöntemleri

Doğrultmaç diyotları aşırı akım ve gerilimden koruyacak önlemler alarak ömürlerini uzatabiliriz.

Kondansatör ile diyotu gerilime karşı korumuş oluruz. Kondansatör ve direnci beraber kullanırsak diyotu hem akıma hem de gerilime karşı korumuş oluruz. Varistör yardımıyla da diyotu ani gerilim değişimlerinden koruruz.

Köprü Tipi Diyotlar

İki Diyotlu Blok(köprü) Diyotlar

Orta uçlu trafo tam dalga doğrultmaç devrelerinin yapımında kullanılır. Kenardaki iki ayağa AC uygulanırken orta ayaktan DC alınır. İki diyotlu blok diyotlar günümüzde çok az kullanılmaktadır.

Dört Diyotlu Blok(köprü) Diyotlar

Dört adet doğrultmaç diyotun bir gövde içinde birleştirilmesiyle oluşurlar ve dört bacaklıdırlar. Gövde üzerinde sinüsoidal işaret bulunan bacaklar alternatif akım giriş uçlardır. Diğer iki uçtan ise doğru akım alınır.

Zener (Zenner, gerilim sabitleyici) Diyotlar

Zener diyotlar devreye ters bağlanırlar, uçlarına uygulanan gerilimi sabit tutmaya yararlar. Zener diyotlar devreye ters polarmayla bağlandıklarından doğrultmaç diyotlardan farklı çalışırlar. Zener diyotlar belli bir gerilim değerine kadar akım geçirmezken belli bir gerilim değerinden (kırılma, zener noktası) sonra aniden iletken olurlar. Bu kırılma gerilimi diyotun yapıldığı maddeye bağlı olarak değişir.

NOT: Zener diyot devreye doğru polarmayla bağlandığında diğer diyotlar gibi akım geçirir. Zener diyotlar, sinyal süzme, gerilim sabitleme, eleman koruma gibi amaçlarla kullanılabilir.

Zener diyotlar küçük akımlarla çalıştıkları için mutlaka ön dirençlerle korunmalıdırlar. Gücü bilinen bir zener diyotun önüne bağlanacak değeri hesaplamak için şu eşitlik göz önüne alınır:

ÖÖn direncin değerini hesaplamak içinse:

formülü kullanılır.

ÖÖrnek: Gücü 200 mW (0.2 W) çalışma gerilimi 12 V olan zener diyotun dayanabileceği
maksimum akım nedir? Kullanılan zener diyotun bozulmaması için, 15 V giriş gerilimi olan bir devrede zener diyota bağlanması gereken ön direncin değerini bulunuz.

Çözüm:

ZENER DİYOTLARIN KODLANMASI

Zener diyotun üzerinde teknik olarak açıklayıcı bazı rakam ve harfler bulunur. örneğin; BZY85C9V1 için;

Bazı kullanım alanları; regüle devreleri, röleyi belli gerilim değerinden sonra çalıştırma, yüksek gerilimden koruma, vs.

LED (Light emitting diyote, ışık yayan diyot)

Işık yayayan diyotlara LED adı verilir. Bu elemanlar çeşitli boylarda üretilirler. 2-20 mA kadar akımla çalıştıklarından ayrıca darbelere de dayanıklı olduklarından çok yaygın kullanım alanına sahiptirler.

LEDıler, sarı, kırmızı, beyaz, mavi, yeşil, pembe gibi farklı renkler yayacak çeşitlerde üretilmiştir. Bunlardan kırmızı LED en verimli olan LED çeşididir. Ayrıca LEDıler normal koşullarda 100000 saate kadar ışık verebilmektedirler. LEDıler 1.6 V ile 2.4 V arasında çalışırlar. Genelde 2.5 V ile 4 V ledlerde bozucu etki yapar.

Yüksek DC gerilime bağlanacak LEDılere öndirenç bağlanması gerekir. LEDıe bağlanması gereken öndirencin değeri:

denklemiyle bulunur. Diğer bir ifadeyle;

diyebiliriz.

NOT:Pratik hesaplamalarda LEDıden gecen akımı 10-20 mili amper olarak kabul ederiz.

Kapasitif Diyotlar

Uçlarına uygulanan ters polariteli gerilime bağlı olarak kapasite değeri değişen elemanlara kapasitif diyot denir.

Ayarlı kondansatörlerde de kapasite değeri değişebilmektedir ancak bunların maliyeti çok fazla olduğundan, çok yer kapladıklarından ve elek kumanda edildiklerinden dolayı, varikap (kapasitif) diyot kullanmak çok daha avantajlıdır. Ters polarmada yalıtkan bölge arası uzaklık arttığından kapasite düşer. Gerilim azaldığında ise tam tersi olur.

Tünel Diyot

Küçük miktarda doğru, ya da ters polarma altında çalışabilirler. Ayrıca diğer diyotlardan daha iletkendirler.

Tünel diyotun akım gerilim karakteristiğini belirten grafik aşağıdaki gibidir:

Tünel diyotun üzerine uygulanan gerilim belli bir seviyeye ulaşana kadar akım seviyesi sürekli artar, gerilim belli bir seviyeye ulaştıktan sonra diyotun üzerinden geçen akımda azalma görülür. Tünel diyotlar bu
azalma gösterdikleri bölge içinde kullanılır.

Gunn (Gan) ve Impatt Diyotlar

Gun diyotlar daha çok osilatör devrelerine karşımıza çıkarlar. Gunn diyota gerilim uygulandığında, gerilimin belli bir değerinden sonra diyot belirli bir zaman için akım geçirip belirli bir zaman kesimde kalmaktadır. Bu
olayın sonucunda kare dalga sinyaline benzer bir sinyal oluşmaktadır.

Impatt diyot ise gunn diyota göre daha güçlüdür ve çalışma gerilimi daha büyüktür. Mikrodalga sistemlerin osilatör kısımlarında kullanılır. Bu diyotlar ters polarma altında çalışır.

Şotki (Schottky) Diyotlar

N tipi bir madde ile bir metalin birleşiminden oluşur.‚ok hızlı olarak iletim-kesim olabilen diyotlardır. Bununla birlikte iletime geçme gerilimleri çok düşüktür. Bu devre elemanı yüksek frekanslı devrelerde kullanılmaktadır. Bu elemanlar doğru polarmada 0.25 voltla bile iletime geçebilirler. Dedektörlerde ve mikrodalga sistemlerde kullanılırlar.

Nokta Temaslı (Kedi Bıyığı) Diyotlar

Germanyum ve silisyumdan üretilmektedir. Bu elemanda P tipi parça N tipi parçaya göre noktasal küçüklüktedir. İki ucu arasında oluşan kapasite 1-2 pF değerinde olduğundan dedektör devrelerinde ve yüksek frekanslı devrelerde kullanulabilirler.

Lazer Diyotlar

Lazer, çıkarılan ışığın yükseltme yoluyla güçlendirilip yayılması olayıdır. Bu yolla ışık ışınları yoğun ve ince bir ışık demeti halinde ilerleyebilir.

Lazer diyotlara gerilim uygulandığında yalıtkan yüzey lazer ışınları yaymaya başlar. Lazer diyotlar; gece görüş araçlarında, mesafe ölçmede, tıbbi aygıtlarda, barkod okuyucularda vb. kullanılır.

Shockley (Şokley, PNPN, 4 Tabaka) Diyotlar

Bunlar 4 yarı iletkenin birleştirilmesiyle oluşturulmuştur. Doğru polarma altında çalışırken uçlarına ulaşan gerilim iletim seviyesine ulaşıncaya kadar, ters polarize edilmiş normal diyot gibi çalışır. Uygulanan gerilim artarak iletim gerilimi seviyesine ulaştığında ise diyot aniden iletime geçerken, eleman üzerindeki gerilim de azalmaya başlar. Gerilim belli miktarda azaldıktan sonra tekrar yükselmeye başlar. Bu noktadaki gerilime “tutma gerilimi” denir. Bu diyot tutma gerilimi aşıldığında ise normal diyot gibi çalışır.

PIN Diyotlar

P ve N tipi maddelerin arasına yalıtkan bir yüzey konarak oluşturulurlar. Bu diyotlar, doğru polarmada ayarlı direnç, ters polarmada ise sabit değerli kondansatör gibi çalışırlar.

Sabit Akımlı Diyotlar

Gerilimdeki değişmelere rağmen akımı sabit tutabilen diyotlardır. Örneğin 1N5305 kodlu diyota uygulanan gerilimin değerinin 2 – 100 V arasında değişebilmesine rağmen diyotun üzerinden gecen akım her zaman 2 mili amper olmaktadır. Bu diyotlar akım regülasyonu sağlamak için kullanılırlar.

Fotodiyotlar

Üzerine ışık düştüğünde iletken olarak katot ucundan anot ucuna doğru akım geçiren devre elemanıdır.

Fotodiyottan geçen akım, ışığın şiddetine göre 100 mikroamper ile 100 miliamper arasında değişebilir. Üzerinde oluşan gerilim ise 0.14 V ile 0.15 V arasında değişmekte olup çok küçüktür.