Bolum 4 - The Bipolar Junction Transistor
description
Transcript of Bolum 4 - The Bipolar Junction Transistor
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 1 Dr. İsmail TEKİN
4. BÖLÜM: BİPOLAR JONKSİYON TRANZİSTÖRLER
4.1. Bipolar Jonksiyon Tranzistörün Temel Yapısı
Bipolar jonksiyon tranzistörler (BJT), iki n tipi yarıiletken bölge arasına ince bir p
tipi yarıiletken (npn tranzistör) ya da iki p tipi yarıiletken bölge arasına ince bir n tipi
yarıiletken (pnp tranzistör) katkılanarak yapılan üç uçlu bir aktif devre elemanıdır.
BJT’de iki adet pn jonksiyon vardır. Her bir pn jonksiyonun iletim ve tıkama olmak
üzere iki modu olduğundan tranzistörün dört çalışma modu vardır. Temel çalışma
prensibi bir uçtan akan akımın diğer iki uç arasına uygulanan gerilim ile kontrol
edilmesidir. Tranzistörden akan akımı delikler ve elektronlar oluşturduğundan bipolar
adını almıştır. Şekil 4.1a’da npn tranzistörün b’de pnp tranzistörün basitleştirilmiş
yapısı gösterilmiştir.
Şekil 4.1. npn ve pnp tranzistörün basitleştirilmiş yapısı.
npn tranzistörde n tipi bölgelerden biri emetör (yayıcı) diğeri ise kolektör
(toplayıcı) ucunu ve p tipi bölge ise baz ucunu oluşturur. pnp tranzistörde p tipi
bölgelerden biri emetör diğeri ise kolektör ucunu ve n tipi bölge ise baz ucunu
oluşturur. Emetör ve kolektör bölgeleri elektriksel olarak özdeş değildir, yani katkı
yoğunlukları farklıdır. Örneğin kabaca karşılaştırma açısından emetör bölgesinin katkı
yoğunluğu mertebelerinde ise baz bölgesi , kolektör bölgesi ise
mertebelerindedir.
İleri aktif mod
Şekil 4.2’de gösterildiği gibi baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde baz –
kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar
ince baz bölgesini geçerek kolektör bölgesine ulaşırlar. Bu geçiş sırasında elektronların
bir kısmı baz bölgesindeki delikler ile birleşir. Tranzistör bu şekilde kutulandığında
tranzistör “ileri aktif modda” çalışır.
Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde kutuplandığından emetör akımı,
( ⁄ )
⁄ (4.1)
olur. Burada diyot akımı ifadesinde bulunan emisyon katsayısı bir ( ) alınmıştır.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 2 Dr. İsmail TEKİN
Şekil 4.2. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplanması.
Emetör bölgesinden kolektör bölgesine gelen elektronlar kolektör akımını
meydana getirir (baz – kolektör jonksiyonu tıkama yönünde kutuplanmış olmasına
rağmen). Kolektör akımının değeri emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğuna
bağlıdır. Emetör bölgesinden gelen elektron yoğunluğu da emetör akımına bağlıdır.
Dolayısıyla kolektör akımı emetör akımı ile doğru orantılıdır.
(4.2)
Burada katsayısı bire yakın, birden küçük bir değer olup “ortak baz akım kazancı”
adını alır. Emetör akımını emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronlar belirler.
Bu elektronların büyük bir kısmı baz bölgesinden kolektör bölgesine geçerek kolektör
akımını oluştururlar. Çok az bir kısmı ise baz bölgesinde delikler ile birleşir. Bundan
dolayı kolektör emetör akımı ile kolektör akımı hemen hemen birbirine eşittir.
Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında emetör bölgesindeki elektronlar
baz bölgesine geçerken baz bölgesindeki delikler de emetör bölgesine geçerler.
Tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin hareketi Şekil
4.3’de gösterilmiştir.
Şekil 4.3. İleri aktif modda kutuplanmış npn tranzistörde elektronların ve deliklerin
hareketi.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 3 Dr. İsmail TEKİN
Eğer n tipi bölgenin katkı yoğunluğu p tipi bölgenin katkı yoğunluğundan
oldukça yüksek ise emetör bölgesinden baz bölgesine geçen elektronların sayısı, baz
bölgesinden emetör bölgesine geçen deliklerin sayısından oldukça fazla olur. Baz ve
kolektör akımlarının her ikisi de ⁄ ile orantılıdır.
(4.3)
Burada ’ya “ortak emetör akım kazancı” adı verilir ve tranzistörün en önemli
parametrelerinden birisidir. Değeri genel amaçlı tranzistörler için yaklaşık olarak 50 ile
800 arasındadır. Değeri üretim parametrelerine ve ortam sıcaklığına bağlı olduğundan
kataloglarda değeri bir aralık olarak verilir (örneğin 100 ile 450 arasında).
Şekil 4.4’de npn tranzistörlü ortak emetörlü devre gösterilmiştir. Burada emetör
ucu hem baza uygulanan gerilimin negatif ucuna hem de kolektöre uygulanan gerilimin
negatif ucuna ortaktır. Bundan dolayı ortak emetörlü devre olarak adlandırılır. Burada
ve değerleri baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde, baz - kolektör jonksiyonu
ise tıkama yönünde olacak şekilde seçilmiştir. Akım yönleri şekil üzerinde
gösterilmiştir.
Şekil 4.4. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre.
Devreden,
(4.4)
olduğu görülür. Eğer ise baz - emetör jonksiyonu iletimde olmayacağından
dolayısıya olur. Bu durumda tranzistör kesimdedir denir.
Eğer tranzistörü bir nokta (düğüm) gibi görürsek,
(4.5)
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 4 Dr. İsmail TEKİN
yazılabilir. Eğer tranzistör ileri aktif modda ise olduğundan yukarıdaki
denklem
( ) (4.6)
olur. Buradan,
( ) (4.7)
olur. Böylece kolektör akımı,
( ) (4.8)
olur. Burada,
( ) (4.9)
değeri “ortak baz akım kazancı” olarak adlandırılır. Örneğin ise
⁄ olur. artıkça değeri bire daha çok yaklaşır.
pnp tranzistörün yapısı ve çalışması
Şekil 4.5’de pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve
deliklerin hareketi gösterilmiştir. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde
kutuplandığından emetör bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan delikler baz bölgesine
geçerler. Buradan kolektör bölgesine geçerler ve kolektör akımını oluşturur. Deliklerin
bir kısmı baz bölgesinde elektronlarla birleşir. Baz bölgesindeki çoğunluk taşıyıcısı olan
elektronlar da emetör bölgesine geçerler. Baz - emetör jonksiyonu iletim yönünde
kutuplandığından emetör akımı baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur.
Emetör akımı,
⁄ (4.10)
olur. Burada gerilimi emetör ile baz arasına uygulanan gerilimdir. Kolektör akımı da
baz – emetör geriliminin eksponansiyel fonksiyonudur.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 5 Dr. İsmail TEKİN
Şekil 4.5. pnp tranzistör ileri aktif modda kutuplandığında elektronların ve deliklerin
hareketi.
⁄ (4.11)
Burada pnp tranzistörün ortak baz akım kazancıdır. Baz akımı ise,
⁄
⁄ (4.12)
şeklindedir. pnp tranzistörün ortak emetör akım kazancıdır.
Tranzistör sembolleri
Şekil 4.6’da npn tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir.
Emetör ucundaki ok emetör akımının yönünü gösterir ve npn tranzistörde emetör
ucundan dışarıya doğrudur.
Şekil 4.6. npn tranzistörün blok diyagramı ve sembolü.
Şekil 4.7’de pnp tranzistörün blok diyagramı ve devre sembolü gösterilmiştir.
Burada emetör akımının yönünü emetör ucundan içeriye doğrudur.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 6 Dr. İsmail TEKİN
Şekil 4.7. pnp tranzistörün blok diyagramı ve sembolü.
Tablo 4.1’de npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi özetlenmiştir. Burada
ifadesi sadece lineer bölgede geçerlidir.
npn tranzistör pnp tranzistör
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
⁄
Her iki tranzistör için
( ) (
)
Tablo 4.1. npn ve pnp tranzistörlerin akım gerilim ilişkisi.
Tranzistörün akım - gerilim karakteristikleri
Tranzistörün giriş ve çıkış karakteristikleri olarak adlandırılan iki önemli
karakteristiği vardır. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre için giriş karakteristiği baz -
emetör gerilimi ( ) ile baz akımının ( ) değişimini gösteren karakteristiktir. Baz
emetör bölgesi bir diyot olduğundan bu karakteristik normal diyot karakteristiğidir.
Çıkış karakteristiği ise kolektör - emetör gerilimi ( ) ile kolektör akımının ( )
değişimini gösteren karakteristiktir. Şekil 4.8’de tranzistörün çıkış karakteristiği
gösterilmiştir.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 7 Dr. İsmail TEKİN
Şekil 4.8. Tranzistörün çıkış karakteristiği.
npn tranzistörde tranzistörün ileri aktif modda olması için baz - emetör
jonksiyonun iletimde baz - kolektör jonksiyonun ise tıkamada olması gerekir. Baz -
kolektör jonksiyonun tıkamada olması için ( ) olması gerekir.
Early gerilimi: npn transistör ileri aktif modda kutuplandığında (baz - emetör
jonksiyonu iletimde ve baz - kolektör jonksiyonu tıkamada) gerilimi sabit iken
gerilimi artırılırsa tıkamada olan baz - kolektör jonksiyonunun fakirleşmiş bölgesi
genişler ( gerilimi artığından). Bu da baz bölgesinin daralmasına ve dolayısıyla
baz bölgesindeki azınlık taşıyıcılarının yoğunluğunun artmasına neden olur. Böylece baz
bölgesindeki difüzyon akımı artar. Bu da kolektör akımının artmasına neden olur. İleri
aktif modda kolektör akımının gerilimi ile değişimi,
( ⁄ ) (
) (4.13)
şeklinde ifade edilebilir. Burada Early gerilimi olup tipik değeri 50V ile 300V
arasındadır. Aşağıda ortak emetörlü devrenin akım gerilim karakteristikleri üzerinde
Early gerilimi gösterilmiştir. Eğrinin eğimi kolektörden bakıldığındaki çıkış direncini
verir. Bu direnç,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 8 Dr. İsmail TEKİN
|
şeklinde bulunabilir. Buradan çıkış direnci,
olur.
Tranzistörün bozulma gerilimi ve akımı
Tranzistörün terminaller arasındaki gerilim veya bir terminalden akan
akım belirli sınırları geçtiğinde tranzistör bozulur. Tablo 4.2’de bu gerilim ve akımlar
özetlenmiştir. Bu tablodaki değerler BC547B için verilmiştir. Tranzistörün önemli
parametreleri ise Tablo 4.3’de verilmiştir. Verilen değerler BC547B içindir.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 9 Dr. İsmail TEKİN
Sembol Parametre Değer Açıklama
Kolektör - baz
gerilimi
Kolektör - baz geriliminin maksimum
değeridir.
Kolektör -
emetör gerilimi
Kolektör - emetör geriliminin
maksimum değeridir.
Emetör - baz
gerilimi
Emetör - baz geriliminin maksimum
değeridir.
Kolektör akımı
(dc) Kolektör akımının maksimum değeridir.
Kolektörde
harcanan güç
Kolektör bölgesinde harcanan gücün
maksimum değeridir. Tranzistörde
harcanan gücün büyük kısmı kolektör
bölgesinde harcandığından tranzistörde
harcanan güç yerine kolektörde
harcanan güç değeri verilmiştir.
Jonksiyon
sıcaklığı
Herhangi bir jonksiyonun sıcaklığı bu
değeri geçmemelidir.
Depolama
sıcaklığı
Tranzistörün depolama sıcaklık
aralığıdır.
Tablo 4.2. BC547B npn tranzistörünün sınır değerleri.
Sembol Parametre Değer Açıklama
Kolektör sızıntı
akımı
Tranzistör tıkamada olduğunda
kolektörden akan akım.
dc akım kazancı Tranzistörün kolektör akımı ile
baz akımın oranı ( ⁄ )
( ) Kolektör - emetör
doyum gerilimi
Tranzistör doyumda olduğunda
kolektör - emetör gerilimi.
( ) Baz - emetör doyum
gerilimi
Tranzistör doyumda olduğunda
baz - emetör gerilimi.
( ) Baz - emetör iletime
geçme gerilimi
Baz – emetör jonksiyonun iletime
geçmesi için gerekli minimum
gerilim.
Akım kazancı –
band genişliği
çarpımı
Akım kazancı – band genişliği
çarpımı. Çoğunlukla “kazancın bir
olduğu band genişliği” olarak
adlandırılır.
Çıkış kapasitesi Tranzistörün çıkış kapasitesi
Giriş kapasitesi Tranzistörün giriş kapasitesi
Tablo 4.3. Tranzistörün önemli parametreleri.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 10 Dr. İsmail TEKİN
4.2. Tranzistörlü devrelerin dc analizi
En temel tranzistörlü devre Şekil 4.9a’da gösterilen ortak emetörlü devredir.
Tranzistörün emetör ucu toprağa bağlıdır. Burada tranzistör olarak npn tranzistör
kullanılmıştır. Şekil 4.1b’de bu devrenin dc eşdeğer devresi gösterilmiştir. Tranzistörü
ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda kolektör akımı baz akımının bir fonksiyonu
olur ( ). Şimdilik tıkamada olan baz kolektör jonksiyonunun sızıntı akımını ve
Early etkisini ihmal edelim. Baz akımı,
Şekil 4.9. npn tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri.
( )
(2.14)
şeklinde bulunabilir. Kolektör akımı için ise,
(2.15)
yazılabilir. Emetör akımı da,
( ) (2.16)
olur. gerilimi ise,
(2.17)
(2.18)
şeklinde yazılabilir. tranzistörde harcanan güç ise,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 11 Dr. İsmail TEKİN
( ) (2.19)
şeklindedir. olduğundan ( ) değeri ’nin yanında ihmal edilebilecek
kadar düşüktür. Dolayısıyla tranzistörde harcanan güç kabaca,
(2.20)
yazılabilir.
Örnek 4.1: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) ve
olarak veriliyor. Baz, kolektör ve emetör akımlarını, gerilimini ve tranzistörde
harcanan gücü hesaplayınız.
Çözüm: Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,
( )
( )
olarak bulunur. gerilimi,
olur. Tranzistörde harcanan güç ise,
( )
olarak bulunur.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 12 Dr. İsmail TEKİN
Şimdi de Şekil 4.10a’da gösterilen pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrenin dc
analizini yapalım. Bunun için Şekil 4.10b’de gösterilen eşdeğer devreyi kullanalım.
Eşdeğer devrede akım yönlerinin ve gerilim polaritelerinin npn tranzistörün tersi
olduğunu dikkat edelim. eşdeğer devreden hareketle baz akımı,
Şekil 4.10. pnp tranzistörlü ortak emetörlü devre ve dc eşdeğeri.
( )
( )
(2.21)
olur. Kolektör ve emetör akımı ise,
(2.22)
( ) (2.23)
olur. gerilimi ise,
(2.24)
(2.25)
şeklinde yazılabilir.
Örnek 4.2: Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) ve
olarak veriliyor. Baz, kolektör ve emetör akımlarını ve olması için
direncinin değerini hesaplayınız.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 13 Dr. İsmail TEKİN
Çözüm: Önce devrenin dc eşdeğer devresini çizelim.
CI
IB R
B RC
+
-
VEB
VBB
C
B
E
VV 5
Baz, kolektör ve emetör akımları sırasıyla,
( )
( )
( )
olarak bulunur. Devrenin sağ kolu için,
yazılarak olması için direncinin değeri,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 14 Dr. İsmail TEKİN
olarak bulunur.
4.3. Yük doğrusu ve transistörün çalışma modları
Şekil 4.11’de gösterilen ortak emetörlü devrenin analizini Şekil 4.6’da gösterilen
giriş ve çıkış yük doğruları ile de yapabiliriz. Şekil 4.11a’da B-E jonkisyonunun akım
gerilim karakteristiği ( ( ), giriş karakteristiği) ve giriş yük doğrusu
gösterilmiştir.
Şekil 4.11. Giriş ve çıkış yük doğruları.
Giriş yük doğrusu devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası
uygulanarak bulunabilir.
(2.26)
Şekil 4.11b’de de tranzistörün çıkış karakteristiği ( ( )) üzerinde çıkış
yük doğrusu gösterilmiştir. Çıkış yük doğrusu ise devrenin kolektör - emetör çevrimine
Kirchhoff gerilim yasası uygulanarak bulunabilir.
(2.27)
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 15 Dr. İsmail TEKİN
(2.14) eşitliği kolektör akımı ile kolektör emetör geriliminin değişimini veren
yük doğrusu denklemidir. Tabiî ki şu an tranzistörün dc analizini yaptığımızdan bu yük
doğruları dc yük doğrularıdır. Tranzistörün girişine ac işaret uyguladığımızda durumda
elde edilen doğrular ac yük doğrularıdır. ac yük doğrularını ilerde inceleyeceğiz.
Şekil 4.6’deki yük doğrusu üzerindeki değerler Örnek 4.1’de verilen değerlerden
elde edilmiştir. Örnek 4.1’de , ve olarak bulunmuştu.
Eğer geriliminin değeri ( ) değerinden küçük ise tranzistörden
herhangi bir akım akmaz ( ) ve tranzistör kesimdedir (sızıntı akımları
ihmal edilmiştir). Bu durumda direnci üzerinde bir gerilim düşüm olmayacağından
’dur.
geriliminin değeri artırılır ve ( ) değerine aşarsa tranzistör iletime
geçer (ileri aktif) baz akımı akmaya başlar. Dolayısıyla kolektör akımı akar. Bu
durumda ( ), ve ’dir. geriliminin değeri artmaya devam
ederse baz akımı da artar dolayısıyla kolektör akımı da artar. Belli bir noktadan sonra
geriliminin artsa da koleöktör akımı artmaz. Bu noktada tranzistör doyumdadır.
Tranzistör doyumda olduğunda baz kolektör jonksiyonu iletimde olur ve baz akımı ile
kolektör akımı arasındaki lineer ilişki bozulur. Akım kazancı lineer bölgedeki duruma
göre daha az olur. tranzistör doyumda olduğunda kolektör emetör geriliminin değeri
( ) ile gösterilir ve değeri 0,1V ile 0,3V arasındadır (katalogda veriliyor).
Örnek 4.3): Aşağıda gösterilen devredeki tranzistör için ( ) , ( )
ve olarak veriliyor. Tranzistörün ileri aktif modda mı yoksa doyumda
olduğunu belirleyiniz.
Çözüm: direncinin giriş ucuna 8V uygulandığından ( ( )) tranzistör
iletimdedir. Dolayısıyla baz akımı,
( )
olarak bulunur. İlk olarak tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda
formülü geçerlidir. Buradan kolektör akımı,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 16 Dr. İsmail TEKİN
olur. Kolektör emetör gerilimi ise,
olarak bulunur. Ancak Soruda verilen npn tranzistörlü ortak emetörlü devrede
gerilimi negatif olamaz. Dolayısıyla başta kabul ettiğimiz tranzistörün ileri aktif bölgede
olduğu kabulü doğru değildir. Tranzistörün iletimde olduğunu bildiğimizden geri tek
seçenek tranzistörün doyumda olduğu gerçeği kalır. Tranzistörde doyumda ise
( ) ’dur. Buradan ( ) akımını bulalım.
( ) ( )
olarak bulunur. Baz emetör gerilimi ise hala dolayısıyla baz akımı
’dir. Bu durumda kolettör akımının baz akımına oranı,
olur. Görüldüğü gibi doyumda akım kazancı ’dan küçüktür. Bu durum hem npn hem de
pnp tranzistörler için geçerlidir. Doyumda akım kazancı,
olarak tanımlanır. yani “zorlanmış ” olarak tanımlanır ve ’dir.
Tranzistörün diğer bir çalışma modu geri aktif moddur. Bu modda baz emetör
jonksiyonu tıkamada, baz kolektör jonksiyonu ise iletimdedir. Bu tranzistörün kolektör
ucu emetör, emetör ucu da kolektör gibi davranır. Bu mod kuvvetlendiricilerde
kullanılmaz. Sadece sayısal elektronik devrelerde kullanılır. Tranzistörün çalışma
modları Tablo 4.4’de gösterilmiştir. Şekil 4.12’de de her bir durum için devre modelleri
gösterilmiştir. Şekil 4.12a’da kesim, b’de ileri aktif c’de doyumda d’de de geri aktif
modları gösterilmiştir.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 17 Dr. İsmail TEKİN
Baz – emetör Baz – kolektör Mode
Tıkama Tıkama Kesim
İletim Tıkama İleri aktif
İletim İletim Doyum
Tıkama İletim Geri aktif
Tablo 4.4. Tranzistörün çalışma modları.
B
C
E
IB=0
IC=0
IE=0
(a)
B
C
E
IB
IC
IE
VBE(FA)=0,7V
FIB
(b)
B
C
E
IB
IC
IE
VBE(SAT)=0,8V
VBC(SAT)=0,6V
©
B
C
E
IB
IE<0
VBC(RA)=0,7V
RIB
IC<0
(d)
Şekil 4.12. Tranzistörün çalışma modları.
Tranzistörün çalışmasını anlamak için gerilim geçiş eğrisinden yararlanılabilir.
Gerilim geçiş eğrisi, giriş gerilimi ile çıkış geriliminin değişiminin çizildiği eğridir. Bir
örnek üzerinde inceleyelim.
Örnek 4.4: Aşağıda gösterilen npn ve pnp tranzistörlü ortak emetörlü devrelerin
gerilim geçiş eğrisini elde ediniz. npn tranzistör için ( ) , ( )
ve , pnp tranzistör için ( ) , ( ) ve , olarak
veriliyor.
Çözüm:
npn tranzistörlü devrenin analizi
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 18 Dr. İsmail TEKİN
ise Qn tranzistörü kesimdedir. Bu durumda , ’dur.
olduğunda ise iletime geçmeye başlar ve ilk olarak ileri aktif moddadır. Bu
durumda baz ve kolektör akımları,
( )
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki bu bağıntı tranzistör doyuma gidene kadar
geçerlidir. tranzistör doyuma gittiğinde ( ) olur. Tranzistörü doyuma
götüren giriş geriliminin değerini ise yukarıdaki formülden bulabiliriz.
olarak bulunur. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 3.13’de gösterilmiştir.
pnp tranzistörlü devrenin analizi
pnp tranzistörün iletime geçmesi için ( ) olmalıdır. Yani ,
, olmalıdır. olduğunda tranzistör iletimdedir.
olduğunda tranzistör kesimdedir. Bu durumda , ’dur.
olduğunda tranzistör ileri aktif modadır. daha da azaltılırsa tranzistör
doyuma gider. İleri aktif modda ( ) ( )
olur. Bu durumda baz ve kolektör akımları,
olur. çıkış gerilimi ise,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 19 Dr. İsmail TEKİN
olur. Bu eşitlik tranzistör doyuma gidene kadar geçerlidir. Doyumda ( )
olduğundan olur. Dolayısıyla yukarıdaki
eşitlik aralığında geçerlidir. yukarıdaki eşitlikten hareketle
olduğunda olur. yani giriş gerilim 2,8V’un altına düştüğünde tranzistör
doyuma gider. Gerilim geçiş eğrisi Şekil 4.13’de gösterilmiştir.
Şekil 4.13.
4.4. Temel Tranzistörlü Devreler
Ortak emetörlü, ortak kolektörlü ve ortak bazlı olmak üzere üç tip tranzistörlü
devre vardır. Ortak emetörlü devrede emetör ucu ile toprak ucu arasına direnç
bağlanabilir. Emetör direncinin etkisi ileri incelenecek. Bu devreleri bir örnek ile
inceleyelim.
Örnek 4.5: Aşağıda gösterilen emetör dirençli ortak emetörlü devrenin Q çalışma
noktasını belirleyiniz. Tranzistör için ( ) , ( ) ve
olarak veriliyor.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 20 Dr. İsmail TEKİN
Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
( )
yazılabilir. Tranzistörü ileri aktif modda kabul edelim. Bu durumda emetör akımı için
( ) yazılabilir. Bu durumda baz akımı,
( )
( )
olur. Kolektör emetör akımları ise,
( )
olarak bulunur. Kolektör emetör gerilimi ise,
olarak bulunur. gerilimi pozitif çıktığına göre tranzistörün ileri aktif modda olduğu
kabulü doğru. Devrenin yük doğrusunu elde edelim.
[
]
[
]
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 21 Dr. İsmail TEKİN
elde edilir. Devrenin yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.
Örnek 4.6: Aşağıda gösterilen ortak bazlı devrede ve olması
için ve dirençlerinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için ( ) ve
alınız.
Çözüm: Devrenin baz - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
( )
olarak bulunur. Devrenin emetör kolektör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası
uygulanırsa,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 22 Dr. İsmail TEKİN
( )
olarak bulunur.
Örnek 4.7: Aşağıda gösterilen ortak kolektörlü devrede olması için
direncinin değerlerini hesaplayınız. Tranzistör için ( ) ve alınız.
Çözüm: Devrenin kolektör - emetör çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
olarak bulunur. Buradan kolektör ve baz akımları bulunabilir.
Devrenin emetör - baz çevrimine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
( )
( )
olarak bulunur.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 23 Dr. İsmail TEKİN
4.5. Tranzistörün temel kullanıl alanları
Tranzistörün anahtarlama ve kuvvetlendirme olmak üzere iki önemli görevi
vardır. Şekil 4.14’de “evirici” olarak adlandırılan bipolar tranzistörlü devre
gösterilmiştir. Burada tranzistör anahtar olarak çalışır. Bu durumda tranzistör ya
doyumdadır ya da kesimdedir. Burada yük, bir LED ya da bir motor olabilir. Giriş
gerilimi, ( ) ise tranzistör kesimdedir. Dolayısıyla ’dır.
Kolektör akımı sıfır olduğundan yük üzerinde bir gerilim düşümü olmayacağından
’dir. Örneğin yük bir LED ise kolektör akımı sıfır olduğundan (LED’den akım
akmayacağından) LED ışık vermez.
Şekil 4.14. Bipolar evirici devre.
Giriş işareti olduğunda ⁄ ise ( yükün iç direncidir)
tranzistör doyumdadır. Burumda,
( ) ( )
(2.28)
( )
(2.29)
( ) (2.30)
olur. Tranzistörün anahtar elemanı olarak kullanıldığı en temel uygulama tranzistörlü
lojik devrelerdir. Şekil. 4.14’de evirici devre gösterilmiştir. Şekil. 4.15’de gösterilen
devrede her iki giriş de sıfır ise her iki tranzistör de kesimdedir. Dolayısıyla
’dir. ve olduğunda ise Q1 tranzistörü doyumda, Q2 tranzistörü ise
hala kesimdedir. Q1 tranzistörü doyumda olduğundan ( ) olur. ve
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 24 Dr. İsmail TEKİN
olduğunda ise Q1 tranzistörü kesimde, Q2 tranzistörü ise doyumdadır. Q2
tranzistörü doyumda olduğundan ( ) olur. Her iki giriş de
olduğunda ise her iki tranzistör de doyumdadır ve çıkış yine ( )’dır.
Aşağıdaki tabloda girişlerin değişik durumları için çıkışın durumu gösterilmiştir. bu
tablodan da görüldüğü gibi bu işlem NOR işlemidir.
Şekil 4.15. Tranzistörlü NOR kapısı.
0 0
0 ( )
0 ( )
( )
Şekil 4.16a’da gösterilen evirici devresi kuvvetlendirici olarak da kullanılabilir.
Önce eviricinin gerilim geçiş eğrisini çıkaralım ve bunun üzerine ac işaret ilave edelim.
Tranzistör için ( ) , ve ( ) alalım. Direnç değerleri
, alalım. Giriş gerilimi, ( ) olduğunda tranzistör
kesimdedir. Dolayısıyla , ’dır. Giriş gerilimi, ( )
olduğunda tranzistör iletime geçer ve lineer bölgededir. Bu durumda baz akımı,
( )
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. Bu eşitlik tranzistör lineer bölgede olduğu sürece geçerlidir. Doyum sınırında da
geçerlidir. Doyumda ( ) ’dır. Buradan hareketle yukarıdaki eşitlikte
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 25 Dr. İsmail TEKİN
alınırsa olarak bulunur. Girişin bu değerinden sonra tranzistör
doyumdadır ve çıkış gerilimi ’dur. Şekil 4.16b’de devrenin gerilim geçiş eğrisi
gösterilmiştir.
Şekil 4.16. Evirici ve eviricinin gerilim geçiş eğrisi.
Eğriden görüldüğü gibi için tranzistör ileri aktif bölgenin tam
ortasında kutuplanmıştır. ’luk dc giriş işareti için çıkış gerilimi eğriden de
görüldüğü gibi ’dur. Şekil 4.17a’da gösterildiği devrenin girişine dc işarete
ilave olarak bir de ac işaret uygulayalım. Bu durumda baz akımı gerilimi sabit
alınarak,
( )
olur. Çıkış gerilimi ise,
olur. Bu işaretin ’luk kısmı ’luk dc işaretten, ’luk kısmı ise ’lik
giriş işaretinden gelir. Görüldüğü gibi devre girişine uygulanan ac işareti 4 kat
kuvvetlendirerek ve fazını çevirerek çıkışa aktarmıştır. Bu durum Şekil 4.17b’de
gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi sinüzoidal giriş işareti bozulmadan yine
sinüzoidal olarak kuvvetlendirilmiştir. Eğer dc giriş işareti olursa tranzistör
doyumda olur ve çıkış işareti olur. B durumda ac işaret uygulanırsa Şekil
4.17c’de görüldüğü gibi girişin pozitif alternansında tranzistör doyumda olacağından
çıkışta gözükmez. Negatif alternansında ise tranzistör lineer bölgededir ve çıkışta
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 26 Dr. İsmail TEKİN
kuvvetlendirilmiş olarak gözükür. Dolayısıyla tranzistör doyumda kutuplanırsa giriş
işaretinin sadece yarı periyodu kuvvetlendirilmiş olur. Diğer yarı periyot ise çıkışta
gözükmez. Buradan da görüldüğü gibi tranzistör kuvvetlendirici olarak kullanılacaksa
tranzistörün çalışma noktası çok önemli olur.
Şekil 4.17. Tranzistörün kuvvetlendirici olarak kullanılması.
4.6. Tranzistörün öngerilimlemesi
Lineer bir kuvvetlendirici yapmak için tranzistör ileri aktif modda ve Q çalışma
noktasını yük doğrusunun tam ortasında olacak şekilde kutuplamalıyız. Bunun için
öngerilimleme yapmalıyız. Çeşitli öngerilimleme devrelerini inceleyelim.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 27 Dr. İsmail TEKİN
4.6.1. Tek dirençli öngerilimleme
Şekil 4.18a’da en basit öngerilimleme devresi gösterilmiştir. öngerilimleme
direnci ile yapılmaktadır. kapasitesi ise dc işaretler için açık devre, girişe
uygulanan işaretin frekansına göre de kısa devre olacak şekilde yeterince büyük
seçilmiştir. Böylece giriş işareti çok az bir zayıflama ile tranzistörün bazına iletilir.
kapasitesinin değeri 1-10µF arasındadır. Tam değeri girişe uygulanan işaretin
frekansına göre seçilir ve ileride bu konuyu inceleyeceğiz.
Şekil 4.18. Tek dirençli öngerilimleme devresi ve Thevenin eşdeğeri.
Örnek 4.8: Şekil 4.18a’da gösterilen devrede , tranzistör için ( ) ,
( ) ve olarak veriliyor. Q çalışma noktasında ve
için ve dirençlerinin değeri ne olmalıdır? Hesaplayınız.
Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.19b’de gösterilmiştir. Kolektör direnci,
olur. Buradan direncinin değeri,
( )
olarak bulunur. Yük doğrunu çizelim. Yük doğrusunun denklemi, Bunun için ve
gerilimlerinin maksimum değerleri,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 28 Dr. İsmail TEKİN
şeklinde bulunur. Bunun için akımının maksimum değeri (doyumda iken maksimum
olur. Bu durumda ( ) alınır.),
ve gerilimlerinin maksimum değerleri (kesimde iken olur ve kesimde ’dır.),
olur. Yük doğrusu ve Q çalışma noktası aşağıda gösterilmiştir.
Şimdiye kadar tranzistörün akım kazancı ’yı sabit aldık. Ancak belli bir
tranzistör tipi için değeri belirli sayı değildir. Örneğin BC547B tipi npn tranzistörün
değeri katalogda 200 ile 450 arasında verilmiştir. Dolayısıyla devre tasarlarken
değerini belirli bir değer almak doğru değildir. Ölçü aleti ile tranzistörün değeri
ölçülebilir. Bu ölçüm sonucuna göre hesaplamalar yapılabilir. Ancak devredeki
tranzistör bir nedenle (örneğin bozulduğu için) değiştirilirse aynı tip tranzistör dahi
takılsa çalışma noktası değişir. Bundan dolayı tranzistörlü devrelerde ’ya olan
bağımlılığı azaltmak gerekir. Yukarıdaki örnek için ’nın etkisini inceleyelim. ve
için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım.
( )
(Değişmedi)
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 29 Dr. İsmail TEKİN
Aşağıda üç farklı değeri için çalışma noktaları gösterilmiştir.
50 100 150
Q çalışma noktası
Görüldüğü gibi için yük doğrusunun tam ortasında kutupladığımız
devrenin çalışma noktası değişmesi ile çok farklı noktalara kaymıştır. Ayrıca
bulduğumuz öngerilimleme direncinin değeri oldukça büyüktür. Özellikle
entegre teknolojisinde büyük değerli direnç kullanmak çok zordur. Çünkü 50k’un
üzerindeki dirençler chip içerisinde çok fazla yer kaplar (bir tranzistörün kapladığı
alanın yaklaşık 100 katı). Ayrıca büyük değerli dirençlerin toleransları daha geniştir.
Dolayısıyla öngerilimlemede kullanacağımız dirençlerin değeri mümkün mertebe küçük
olmalıdır.
4.6.2. Gerilim bölücü ile öngerilimleme
Öngerilimleme Şekil 4.19a’da gösterildiği gibi gerilim bölücü dirençler ile de
yapılabilir. Şekil 4.19b’de de devrenin Thevenin eşdeğeri gösterilmiştir. Bu eşdeğer
devredeki Thevenin gerilimi,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 30 Dr. İsmail TEKİN
(2.31)
Thevenin direnci de,
(2.32)
şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
( ) (2.33)
Sv +
CC
R1
R2
RC
+VCC
(a)
RTH
RC
+VCC
VTH
IBQ
ICQ
+
-
VCEQ
+
(b)
Şekil 4.19. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş ortak emetörlü devre ve Thevenin
eşdeğeri.
yazılabilir. Buradan baz akımı,
( )
(2.34)
olur.
Örnek 4.9: Şekil 4.19a’da gösterilen devrede , , ve
tranzistör için ( ) , ( ) ve olarak veriliyor.
Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz
Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.192b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin
gerilimi ve Thevenin direnci,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 31 Dr. İsmail TEKİN
olarak bulunur. Baz akımı,
( )
ve için yukarıdaki analizleri tekrarlayalım.
Aşağıda üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası gösterilmiştir.
VCE
(V)
IC
12
6mA
3,3mA
5,6
100
4,95mA 150
1,65mA 50
2,1 8,7
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 32 Dr. İsmail TEKİN
4.6.3. Emetör direncinin öngerilimlemeye etkisi
Öngerilimleme gerilim bölücü ile yapıldığında öngerilimlemede kullanıla
dirençlerin değeri azalmakla birlikte ’ya olan duyarlılık azalmamıştır. ’ya olan
duyarlılık azaltmak için Şekil 4.20a’da gösterildiği gibi emetör toprak arasına bir direnç
bağlanır. Bu direnç geribesleme görevi görür. Herhangi bir nedenden (sıcaklık
artışından veya ’nın artmasından) dolayı kolektör akımı arttığında doğal olarak
emetör akımı da artar. Dolayısıyla emetör gerilimi de artar ( ). Bu durumda
gerilimi azalır. azalınca baz akımı azalır. Baz akımı azalınca da kolektör akımı
azalır. Dolayısıyla kolektör akımındaki artış emetör direncinin yaptığı geri besleme ile
kompanze edilmiş olur.
Sv +
CC
R1
R2
RC
+VCC
RE
(a)
RTH
RC
+VCC
VTH
IBQ
ICQ
+
-
VCEQ
+
RE
(b)
Şekil 4.20. Gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş emetör dirençli ortak emetörlü devre ve
Thevenin eşdeğeri.
Thevenin gerilimi,
(2.35)
Thevenin direnci de,
(2.36)
şeklindedir. Baz emetör bölgesine Kirchhoff gerilim yasası uygulanırsa,
( ) (2.37)
yazılabilir. Buradan baz akımı,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 33 Dr. İsmail TEKİN
( )
( ) (2.38)
olur. Kolektör emetör gerilimi ise alınarak,
( )
(2.39)
Örnek 4.10: Şekil 4.20a’da gösterilen devrede , , ,
ve tranzistör için ( ) , ( ) ve
olarak veriliyor. Devrenin Q çalışma noktasını belirleyiniz.
Çözüm: Devrenin Thevenin eşdeğeri Şekil 4.20b’de gösterilmiştir. Burada Thevenin
gerilimi ve Thevenin direnci,
olur. Baz ve kolektör akımları ise,
( )
( )
olarak bulunur. değeri ise,
( )
olur. ’nin ve ’nin maksimum değerleri,
( )
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 34 Dr. İsmail TEKİN
olarak bulunur. Yük doğrusu Şekil 4.21’de gösterilmiştir. ve için
yukarıdaki analizleri tekrarlayalım. baz ve kolektör akımları ise,
( )
( )
olarak bulunur. değeri ise,
( )
olur. baz ve kolektör akımları ise,
( )
( )
olarak bulunur. değeri ise,
( )
olur.
Şekil 4.21’de üç farklı için yük doğrusu üzerinde Q çalışma noktası
gösterilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi direncinin eklenmesi ile Q çalışma
noktasının değişimine olan bağımlılığı azalmıştır.
VCE
(V)
IC
12
5mA
2,25mA
6,6
100
1502,4mA
50
7,4
1,9mA
Şekil 4.21. Üç farklı için yük doğrusu.
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 35 Dr. İsmail TEKİN
4.7. Tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresi
Tranzistörlü devrelerin dc analizini yaparken büyük işaret eşdeğer modeli
kullanılabilir. Bu modelde tranzistör ileri aktif modda ise ( ) ve
’dir. Bu model özellikle Q çalışma noktasının belirlenmesinde kullanılabilir. Ancak
tranzistörlü devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında bu model kullanılamaz. Q
çalışma noktası belirlendikten sonra devrenin girişine bir ac işaret uygulandığında
( ) civarında küçük değişimler yapar. Bu durumda artık
gerilimini sabit alamayız. Ayrıca baz ve emetör akımları da artık sabit değildir. Şekil
4.22’de tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için ( )
karakteristiği gösterilmiştir. Dolayısıyla büyük işaret eşdeğer devresi tranzistörün ac
davranışını analiz etmek için yeterli değildir.
VBE
IB
VBE
(on)
(a)
vBE
iB
VBEQ
vbe
IBQ
ib
(b)
Şekil 4.22. Tranzistörün girişine dc ve ac işaret uygulandığı durumlar için ( )
karakteristiği
Tranzistörlü bir devrenin girişine ac işaret uygulandığında tranzistörün
davranışını analiz etmek için tranzistörün küçük işaret eşdeğer devresini incelemek
gerekir. Tranzistörün küçük işaret eşdeğeri birkaç şekilde yapılabilir. Genellikle hibrid
modeli ya da h parametreleri modeli kullanılır. Biz burada h parametreleri modelini
kullanacağız. Tranzistör Şekil 4.23a’da gösterildiği gibi giriş ve çıkış portlarından oluşan
iki portlu bir devre gibi düşünülebilir. Tranzistörün ileri aktif modda kutuplandığını
kabul ederek giriş ve çıkış portlarındaki akım ve gerilimler arasındaki ilişki,
Elektronik Devre Elemanları, Bölüm 4: Bipolar Tranzistörler 36 Dr. İsmail TEKİN
Şekil 4.23. Ortak emetörlü npn tranzistör ve ortak emetörlü bipolar tranzistörün h
parametreleri modeli.
(2.40)
şeklinde yazılabilir. Bu eşitlik ortak emetörlü h parametrelerini elde etmede
yararlanılabilir. Bu eşitlikten hareketle tranzistörün küçük işaret h parametreleri
eşdeğer devresi elde edilebilir. Şekil 4.23b’de tranzistörün küçük işaret h parametreleri
eşdeğer devresi gösterilmiştir.