Transistör DC Polarlama Devreleri ve Yükselteç Devreler

SAKARYA ÜNİVERSİTESİ Temel Elektronik Dersleri 8.Hafta Transistör DC Polarlama Devreleri ve Transistörlü Yükselteç Devreleri

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;

1- Sabit Beyz Polarması,
2- Emiteri Kararlı Polarma Devresi,
3- Voltaj Bölücülü Polarma Devresi,
4- Kollektör Geribeslemeli Polarma Devresi.

1-Sabit Beyz Polarlama Devresi

şekil-6.1 ‘de görülen Sabit beyz polarma devresi, DC polarma devreleri içerisinde en basit ve uygulaması en kolay olanıdır. Bu avantajının yanı sıra, sıcaklık karşısında değeri en fazla değişen çalışma noktasına sahip olduğundan pratik kullanımda pek tercih edilmez. Bunun yanı sıra, analizinin basitliği polarma devrelerinin anlaşılmasında büyük fayda sağladığından, buradada kısaca değineceğiz.

Şekil-6.1 Sabit Beyz Polarma Devresi

şekil-6.1 ‘de görüldüğü gibi beyz polarması RB direnci üzerinden sabit bir değerde tutulmaktadır. şekil-6.2 ‘de ise VCC kaynağından çıkan ve transistör uçları arasında akan akımlar görülmektedir.

Şekil-6.2 Sabit Beyz Polarma Devresi ve Akımları

Yukarıdaki iki şekildende görüleceği üzere, eğer IB akımının izlediği yol üzerinden bir çevre denklemi yazarsak(Kirchoff’un gerilim kanunundan yararlanarak),

olduğundan, sıcaklık değişimi karşısında b ‘nın değeri artacağından, IC akım değeride artacaktır. Buna bağlı olarak VCE gerilimide değişecektir. Burada b ‘nın değerini sıcaklık karşısında sabit bırakma şansına sahip olmadığımızdan, onun yarattığı etkiyi azaltma yoluna gitmek zorundayız. Buda ancak uygun polarma devresi ile sağlanır.

Burada IC değerini sabit bırakmak istiyorsak(b ‘nın değerinin sıcaklıkla arttığı durumda), IB değerini sıcaklıkla ters orantılı olarak düşürmek zorundayız. Ama sabit beyz polarması için Eşitlik-6.2 ‘dende görüldüğü bu mümkün değildir. çünkü IB değerini veren VCC, VBE ve RB değerleri yaklaşık olarak sabit olduğundan, IB akımıda sabit olacaktır. Buradan anlaşılacağı üzere sabit beyz polarması sıcaklık karşısında kararlılığı iyi olmayan, yani çalışma noktası akım ve gerilim değerlerini sıcaklıktan bağımsız hale getiremeyen bir yapıya sahiptir. Bu yüzden daha öncede değinildiği gibi pratikte pek kullanım şansı bulunmaz.

Örnek 6.1:

şekil-6.1 ‘de görülen devrede VCC=13.6 Volt, b=145 ve transistör silisyum tipinde olduğuna göre, VCE=6.8 Volt iken IC=5 mA olabilmesi için gerekli olan RC ve RB değerlerini hesaplayınız.

Çözüm:

Eşitlik 6.5 ‘de değerler yerine konulur ve RC değeri çekilirse;

Not: Silisyum transistör için VBE gerilimi 0.7 Volt olarak alınmıştır.

2-Emiteri Kararlı Polarlama Devresi

Sabit beyz polarma devresinde değinilen sıcaklıkla transistör çalışma noktasının(Q) değişmesi problemine yönelik olarak, şekil-6.3’te görüldüğü gibi transistörün emiter ucuna seri bir RE direnci bağlanır. Oluşan bu yeni polarma devresinede Emiteri kararlı hale getirilmiş polarma devresi veya kısaca Emiteri kararlı polarma devresi denir.

Şekil-6.3 Emiteri Kararlı Polarma Devresi

Şekil-6.4 Emiteri Kararlı Polarma Devresi ve Akım Yönleri

şekil-6.3 ve 6.4 ‘te görülen devrenin çalışmasını ve sıcaklık karşısında çalışma noktasını nasıl kararlı halde tutmaya çalıştığını anlamak için eğer IB akımının takip ettiği yoldan bir çevre denklemi yazılırsa;

olarak bulunur. Buradan görüldüğü gibi eğer sıcaklıkla b değeri artarsa IB değeri azalacaktır, bunun sonucu olarakta Eşitlik-6.9 ‘da verilen IC akımının değeri b ile artma eğilimine girerse, IB akımıda azalacağı için eşitlik sabit kalmaya çalışacak ve böylece transistörün çalışma noktası, Q yaklaşık olarak sabit kalacaktır. Yani emiteri kararlı polarma devresi, sabit beyz polarmalı devreye göre sıcaklık değişimlerine karşı daha kararlı olacaktır.

şekil-6.3 ve 6.4 ‘de görülen devrelerin çıkış katlarından yani IC akımının aktığı yönden bir çevre denklemi yazarsak,

———— (6.12)

eşitliği elde edilir. Bu eşitlikte görülen IC ve IE akımları yaklaşık olarak birbirlerine eşit alınabilir. çünkü IB akımının değeri IC akımına göre çok küçük olduğu için, IB akımı ihmal edilebilir. Bu yüzden,

———— (6.13)

alınabilir.

Bu şartlarda Eşitlik-6.12 yeniden yazılır ve buradan VCE gerilimi çekilirse,

———— (6.14)

değeri bulunur. Transistörün ısı enerjisi olarak üzerinde harcadığı güç ise,

———— (6.15)

eşitliğinden Watt olarak bulunur. Bu eşitlik transistörlü tüm devreler için geçerlidir.

Örnek 6.2: şekil-6.3 ‘te görülen devrede RB=430K, RC=2K, RE=1K, VCC=20V, b=50 ve transistör silisyum tipinde olduğuna göre,

a) IB
b) IC
c) VCE
d) PD değerlerini hesaplayınız.

çözüm :

3-Voltaj Bölücü Polarlama Devresi

Diğer bir çok kullanılan polarma devreside Voltaj bölücü dirençler kullanılarak yapılan, Voltaj bölücülü polarma devresidir. şekil-6.5 ve 6.6 bu polarma devresinin bağlantı şemasını ve akım yönlerini vermektedir. Bu şekillerden görüldüğü gibi transistörün beyz polarması RB1 ve RB2 gerilim bölücü dirençleri kullanılarak sağlanmaktadır.

Şekil-6.5 Gerilim Bölücülü Polarma Devresi

Şekil-6.6 Gerilim Bölücülü Polarma Devresi ve Akım Yönleri

şekilden görüldüğü gibi RB1 üzerinden geçen I1 akımı VB noktasında ikiye ayrılmaktadır. Bu noktadan sonra I2 akımı RB2 direnci üzerinden, IB akımıda transistörün beyzinden geçmektedir. Bu bağıntıyı kısaca,

———— (6.16)

şeklinde yazabiliriz. Bu polarma devresinin normal işlevini yerine getirebilmesi için, I2 akımının IB akımına göre oldukça yüksek olması gerekmektedir. Diğer bir deyişle

———— (6.17)

bağıntısı yerine getirilirse, gerilim bölücülü polarma devresi daha kararlı çalışacaktır. Biz analiz işlemleri sırasında bu şartın yerine getirildiğini farz edip, işlemleri ona göre yapacağız.

şekil-6.5 ‘te gösterilen devrede VB voltaj değerinin yaklaşık olarak RB2 direnci üzerinde düşen voltaja eşit olduğu görülebilir(Yukarıdaki şart sağlandığı durumda). Bu durumda I1 akımının yaklaşık olarak I2 akımına eşit olduğu anlaşılabilir. Buna göre VB gerilimini bulmak için RB2 direnci uçlarındaki voltajı bulmamız yeterlidir. Eğer devrede bulunan gerilim bölücü devreye bakarsak, VB geriliminin,

———— (6.18)

değerine eşit olduğu görülebilir. Eğer VB gerilimi bu eşitlikten bulunursa, emiter direnci uçlarındaki voltaj VE ‘de ,

———— (6.19)

değerine eşit olacaktır. Buna göre RE direncinin değeri ve uçlarındaki voltaj belli olduğuna göre, üzerinden geçen IE akım değeride bulunabilir. Buradan,

———— (6.20)

alınırsa, IB ve IC akımlarıda,

———— (6.21)

ve

———— (6.22)

eşitliklerinden bulunabilir. Diğer taraftan transistörün harcadığı gücü bulmak için VCE gerilimini bulmak gerekecektir. VCE voltaj değerini bulmak için, transistörün çıkış katındaki IC akımının izlediği yol üzerinden bir çevre denklemi yazılırsa,

———— (6.23)

eşitliği elde edilir. Buradan VCE değeri çekilirse,

———— (6.24)

örnek 6.3 : şekil-6.5 ‘te görülen devrede, RB1=39K, RB1=3.9K, RC=10K, RE=1.5K, VCC=22V, b=140 ve transistör silisyum tipinde olduğuna göre,

a) IB
b) IC
c) VCE
d) PD değerlerini hesaplayınız.

Çözüm :

4-Kollektör Geribeslemeli Polarlama Devresi

Son olarak pratikte sık kullanılan bir diğer polarma devresi olan Kollektör geribeslemeli polarma devresini inceleyeceğiz. şekil-6.7 ve 6.8 Kollektör geribeslemeli polarma devre bağlantısı ve akım yönleri görülmektedir.

Şekil-6.7 Kollektör Geribeslemeli Polarma Devresi

Şekil-6.8 Kollektör Geribeslemeli Polarma Devresi ve Akım Yönleri

şekillerden görüldüğü gibi RC direnci üzerinden hem IB hemde IC akımları geçmektedir. Analiz sırasında bu nokta göz önüne alınmalıdır. Buna göre IB akımının takip ettiği yol üzerinden bir çevre denklemi yazarsak,

———— (6.25)

eşitliği bulunur. Burada IE akımı yerine Eşitlik-6.10 konulursa,

———— (6.26)

sonucu çıkar. Burada IC yerine yine Eşitlik-6.22 konulursa ve IB yalnız bırakılırsa,

———— (6.27)

sonucu çıkar. Burada alınabilir. Buna göre Eşitlik-6.27 yeniden yazılırsa,

olarak alınabilir. Polarma devresinin çıkış katından akan kollektör akımının takip ettiği yol üzerinden bir çevre denklemi yazılırsa,

————(6.29)
(6.28)

eşitliği elde edilir. Buradan VCE değeri çekilirse,

————(6.30)

eşitliği bulunur.

Not: Eşitlik-6.29 ve 6.30 ‘da IB akımları çok küçük oldukları için ihmal edilmiştir.
Buradan bulunan değerler Eşitlik-6.15 ‘te kullanılarak transistörün harcadığı güç bulunabilir.

Örnek 6.4: şekil-6.7 ‘de görülen devrede, RB=250K, RC=4.7K, RE=1.2K, VCC=10V, b=90 ve transistör silisyum tipinde olduğuna göre,
a) IB
b) IC
c) VCE
d) PD değerlerini hesaplayınız.

çözüm :

1-Sabit Beyz Polarması ve AC Analizi

Şekil-6.9 Sabit beyz polarmalı yükselteç devresi

(Sol Taraftaki Kutucuklara Değer Yazıp Hesapla Tuşuna Basarak Oluşan Değerleri Sağdaki Kutucuklarda Görebilirsiniz)

Yukarıdaki şekilde görülen devrede bulunan elemanların değeri değiştirilerek, sitemin kazancı hem görsel ve hemde analitik olarak incelenebilir. Devrenin DC analizi yukarıda değinilen konulardan faydalanılarak yapılabilir. Burada sadece AC analizde kullanılan kazanç eşitlikleri verilecektir. Buna gör devrenin AC voltaj kazancı,

olarak verilebilir. Buna göre çıkış voltajı Vo,

eşitliğinden bulunabilir.

Not: Eşitlikteki negatiflik giriş ile çıkış sinyalleri arasında 180o lik faz farkı olduğunu belirtmek için kullanılmıştır.

şimdi yukarıdaki şekilde verilen devredeki değerleri değiştirerek, giriş ve çıkış sinyallerini inceleyiniz.

Not: Eşitlikteki IE akım değeri mA olarak alınacaktır. Devredeki değerleri değiştirdikten sonra hesapla tuşuna basınız.

2- Emiteri Kararlı Polarma Devresi ve AC Analizi

Şekil-6.10 Emiter kararlı polarma devreli yükselteç devresi

(Sol Taraftaki Kutucuklara Değer Yazıp Hesapla Tuşuna Basarak Oluşan Değerleri Sağdaki Kutucuklarda Görebilirsiniz)

Devrenin AC voltaj kazancı,

değerine eşittir. Buna göre çıkış voltajı Vo,

şimdi yukarıdaki şekilde verilen devredeki değerleri değiştirerek, giriş ve çıkış sinyallerini inceleyiniz.

Not: Eşitlikteki IE akım değeri mA olarak alınacaktır.

3-Voltaj Bölücülü Polarma Devresi ve AC Analizi

Şekil-6.11 Gerilim bölücü polarmalı yükselteç devresi

(Sol Taraftaki Kutucuklara Değer Yazıp Hesapla Tuşuna Basarak Oluşan Değerleri Sağdaki Kutucuklarda Görebilirsiniz)

Devrenin AC voltaj kazancı,

olarak verilebilir. Buna göre çıkış voltajı Vo,

eşitliğinden bulunabilir.

şimdi yukarıdaki şekilde verilen devredeki değerleri değiştirerek, giriş ve çıkış sinyallerini inceleyiniz.

Not: Eşitlikteki IE akım değeri mA olarak alınacaktır.

4- Kollektör Geribeslemeli Polarma Devresi ve AC Analizi

Şekil-6.12 Kollektör geribeslemeli yükselteç devresi

Devrenin AC voltaj kazancı,

olarak verilebilir. Buna göre çıkış voltajı Vo,

eşitliğinden bulunabilir.

Şimdi yukarıdaki şekilde verilen devredeki değerleri değiştirerek, giriş ve çıkış sinyallerini inceleyiniz.

Not: Eşitlikteki IE akım değeri mA olarak alınacaktır.

Güncelleme: yukarıda resimlerde görünen hesaplamalı transistör çalışmaları flash animasyonlara aittir. Neyazık ki tarayıcılar flash desteğini bıraktı animasyonları flash player programları ile açıp kullanabilirsiniz. Yazıya ait transistör animasyon dosyaları: