Transistörler giriş sinyalini yükselterek akım ve gerilim kazancı sağlayan yani yükselteç olarak kullanılan ve en çok kullanım alanı olan anahtarlama elemanı olarak kullanan elektronik devrelerin en önemli parçasıdır.
Transistörler en çok kullanılan iki tip vardır.
- Bipolar Transistör (BJT)
- Alan Etkili Transistör (FET)
Bipolar Jonksiyonlu Transistör (BJT)
BJT transistörler katkılandırılmış P ve N tipi malzeme kullanılarak üretilir. Transistörler NPN veya PNP şeklinde yerleştirilmiş üç yarı iletken maddenin bileşiminden meydana gelir.
Transistörlerde akım ve gerilim yönleri verilmiştir.
IB: Beyz akımı,
IC: Kollektör akımı,
IE: Emiter akımı,
VBE: Beyz-emiter arasındaki gerilim,
VCB: Kollektör-beyz arasındaki gerilim,
VCE: Kollektör-emiter arasındaki gerilimi gösterir.
Transistörün her bir terminaline görevlerinden dolayı; Emiter (Emiter), Beyz (Base) ve Kolektör (Collector) denir. Bu terminaller; genelde E, B ve C harfleri ile sembolize edilirler. Beyz kutbu tetiklendiğinde kollektör ve emiter arasında direnç değeri azalır ve akım geçirir duruma gelir. Kollektör ve emiter arasından geçen akımın miktarı beyz kutbuna tatbik edilen akımın miktarına bağlıdır.
Transistör bir anahtar olarak kullanıldığı zaman, giriş bağlantısına küçük bir akım (FET’ lerde gerilim)verildiği zaman güçlü bir elektrik akımının devresini tamamlamasına izin verir. Bir yükseltici veya bir üreteç olarak kullanıldığında zayıf bir sinyali güçlendirir. Zayıf sinyal küçük bir elektrik akımı veya gerilimi biçiminde girişe (Base-Gate) uygulanır. Bu, Collector’ den Emitter’e büyük bir akımın geçmesine izin verir. Bu durumda güçlü bir sinyal üretilmiş olur.
Transistörlerde Akım Kazancı
Transistörün yükseltme işlemi doğrudan doğruya çıkış akımı değişmelerinin giriş akımı değişmelerine oranı olan; akım kazancına bağlıdır. Bu işlemde çıkış devresi gerilimi sabittir. Akım kazancı, transistörün bağlantı şekline göre farklı isimler alır.
Kollektör akımının beyz akımına oranı β(Beta)’yı verir. β aynı zamanda transistörün akım kazancı olarak da adlandırılır. Katologlarda hFE olarak sembolize edilir, birimi yoktur. Akım kazancı 20-200 mA arasında değişir. Kollektör akımın emiter akımına oranlanmasıda α (alfa)’yı verir.
Resimdeki devre için VCE gerilimini hesaplayalım (β=150, VBE=0,7V).
Çözüm
IB = (VBB-VBE)/RB IB = (5-0,7)/10 kΩ = 0,43 mA
IC = β . IB IC = 150 . 0,43 mA = 64,5 mA
VCE= VCC-(RC . IC) VCE= 10-(100 Ω . 64,5 mA) = 3,55 V
Görüldüğü gibi Giriş akımımız 0.43 mA (Beyz Akımı) çıkış akımımız (Kollektör akımı) 64.5mA dir.
Transistörlerde Gerilim Kazancı
Transistörler yükselteç olarak kullanıldığı zaman gerilim kazancı hesaplanır. Av ile gösterilir. Çıkış geriliminin giriş gerilimine oranı ile bulunur. Resimdeki devre için gerilim kazancı formülleri verilmiştir. Transistörün kollektör emiter arasındaki direnci r’e ile gösterilir.
ÖRNEK:
Resimdeki devre için;
1. Gerilim kazancını hesaplayalım (RC = 1 kΩ, r’e = 50Ω).
2. Giriş gerilimi 100mV ise çıkış gerilimi kaç volttur.
Çözüm
Av = RC / r’e
Av = 1 kΩ / 50Ω = 20
VOUT = VIN . AV
VOUT = 100 mV . 20
VOUT = 2 volt
Görüldüğü gibi 100mV gibi düşük bir gerilim ile 2V la çalışan herhangi bir elemanı sürebiliriz.
TRANSİSTÖRÜN ÇALIŞMA BÖLGELERİ
Transistörlerde üç tane çalışma bölgesi bulunmaktadır. Bunlar:
1. Kesim (Cut-off) Bölgesi
2. Doyum (Saturasyon) Bölgesi
3. Aktif (Forward-Active) Bölge
Transistör; kesim ve doyum bölgelerinde bir anahtar görevi yapar. Özellikle sayısal sistemlerin tasarımında transistörün bu özelliğinden faydalanılır ve anahtar olarak kullanılır.
Transistörün çok yaygın olarak kullanılan bir diğer özelliği ise yükselteç olarak kullanılmasıdır. Yükselteç olarak kullanılacak bir transistör aktif bölgede çalıştırılır. Yükselteç olarak çalıştırılacak bir transistörün PN jonksiyonları uygun şekilde polarmalandırılmalıdır. NPN ve PNP transistörlerin yükselteç olarak çalıştırılması durumunda; NPN tipi bir transistörde, beyz-emiter jonksiyonu doğru yönde, beyz-kolektör jonksiyonu ise ters yönde polarmalanır. Her iki transistorün çalışma prensibi aynıdır. Sadece polarma gerilimi ve akımlarının yönleri terstir.
Yukarıdaki grafik BJT transistörün çalışma modları ile ilgili bilgi vermektedir. Bu grafikte kollektör akımı IC‘nin transistör üzerine düşen kollektör-emiter gerilimi VCE’ye göre değişimi verilmektedir. Farklı IB değerleri için farklı grafikler çıkmaktadır.
TRANSİSTÖRLERİN ANAHTARLAMA ELEMANI OLARAK KULLANILMASI
Devre tasarımında, mikrokontrolcüleri programlayarak çıkış bacaklarına bağladığımız LED, röle, motor, buzzer gibi elemanları açıp kapatabiliyoruz. Ancak mikrokontrolcülerin sürebildiği akım değeri genel olarak 20mA ile sınırlı olduğu için daha fazla akım gerektiren sürme işlemlerinde başka bir anahtarlama elemanı kullanmak gerekmektedir. Bu noktada transistör imdadımıza yetişmektedir. Transistör bu tip durumlarda doğru tasarım ile mikrokontrolcüden aldığı sinyal ile anahtarlamayı yapıp kontrol edilecek yükü açıp kapatır.
BJT Transistör, anahtarlama modunda kesim (cut-off) bölgesinde çalışırken “anahtar açık”, doyum (saturasyon) bölgesinde çalışırken “anahtar kapalı” durumlarını gerçekleyecek şekilde çalışır.
Kesim (Cut-off) Bölgesi
Kesim bölgesinde transistör aşağıdaki durumları içerir.
- 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.
Doyum (Saturasyon) Bölgesi
Transistör, maksimum base akımı IB geçecek şekilde beslenir. Bu da maksimum kollektör akımı IC ve minimum kollektör-base gerilimi VCE oluşmasına neden olur.
Doyum bölgesinde transistör aşağıdaki durumları içerir.
- 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.
Transistör ile röle, selenoid gibi indüktif yükleri anahtarlamak
Transistör ile röle ve diğer indüktif yükleri anahtarlama devrelerinde indüktör (bobin) uçlarına paralel bir diyot yerleştirilmelidir. Bunun sebebi transistör ANAHTAR AÇIK durumuna geçtiğinde bobinde oluşacak ters EMF ve yüksek gerilimin transistöre zarar vermesini önlemektir. Daha basit haliyle: temel elektronikten hatırlayacağımız gibi üzerinden akım geçerken kısa süreli olarak kapasitör gerilim indüktör ise akım depolar. İçerisinde indüktif yük bulunan bir devrede akım bir anda kesildiğinde, transistör kapalı duruma geçtiğinde indüktör içerisinde akmakta olan akım açık anahtardan dolayı çok yüksek bir dirençle karşılacak bu da transistörde VCE geriliminin çok yüksek değerlere çıkmasına neden olacaktır. İndüktöre paralel konacak bir diyot (flyback) devre açıldığında indüktör üzerindeki akımın boşalmasını sağlayacaktır.
Her transistörün karakteristiğine gere maksimum VCE değeri belirlidir ve bu değerin üzerine çıkıldığında transistör zarar görmektedir. Aynı şekilde transistöre uygulanacak güç değeri de belirlidir. Bu değerler datasheetten incelenip tasarım buna göre yapılmalıdır.
Darlington Transistor İle Anahtarlama
Bazı durumlarda gerekli kollektör akımını sağlamak için mevcut base akımı ve transistör sabiti β yeterli olmaz. Eğer base akımını arttıramıyorsak β ‘yı arttırmamız gerekir. Bunu birden fazla transistörü arka arkaya bağlayarak oluşturabiliriz.
Darlington transistörler bu amaçla art arda iki transistörün birleştirilmesiyle oluşturulmuş transistörlerdir. Art arda olmalarıyla toplam β katsayısı iki transistörün β değeri çarpımına eşittir.
B = B1 * B2
Darlington transistörlerde yüksek akım ve gerilim anahtarlama kabiliyetine ek olarak bulunan yüksek anahtarlama hızı, Darlington transistörü inverter devrelerinde, aydınlatma devrelerinde, DC motor ve step motor kontrol uygulamalarında öne çıkarır.
Darlington transistörlerde dikkat edilmesi gereken bir nokta ise, bu transistörlerde iki transistör art arda bağlandığı için base – emiter açılma voltajı VBE(ON) = 1.4V civarıdır.
Özet
- Transistör ile lamba, röle ve motor gibi elemanlar anahtarlanabilir.
- Bipolar transistör ile anahtarlama yaparken transistörün tamaman açık (IC max) ve tamamen kapalı (IC = 0) durumları kullanılır.
- Transistör tamamen açık olduğunda doyum (saturasyon) bölgesindedir.
- Transistör tamamen kapalı olduğunda kesim (cut-off) bölgesindedir.
- Transistör ile anahtarlama yapıldığında küçük bir base akımı ile kollektördeki yük için gerekli olan çok büyük akımlar anahtarlanabilir.
- Transistör, röle, selenoid gibi indüktif yükleri anahtarlamak için kullanıldığında geri dönüş (flyback) diyodu kullanılmalıdır.
- Sürülecek akım ya da gerilim çok büyükse Darlington Transistör kullanılabilir.
TRANSİSTÖRLERİN YÜKSELTEÇ OLARAK KULLANILMASI
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.
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;
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
- A sınıfı gerilim yükseltci
- Faz tersleyiciler
- Güç yükselteç tipleri
- A sınıfı yükselteç
- B sınıfı (push-pull) yükselteç
- AB sınıfı yükselteç
- Simetrik yükselteç
- C sınıfı yükselteç
- Darlington bağlantı
- Yükselteçlerde volüm, ton ve balans kontrol devreleri
- Volüm Kontrolü
- Ton Kontrolü
- Balans Kontrolü
- HI-FI stereo yükselteç ve düzenler.
TRANSİSTORLERİN SAĞAMLIK KONTROLÜ
Test işlemi, analog multimetre kullanılarak yapılabilir. Multimetre ohm kademesine alınır. Transistörün jonksiyonları arasındaki direnç değerleri sıra ile ölçülür.
Multimetre; Ters polarmada çok büyük direnç değeri, doğru polarmada ise küçük bir direnç değeri göstermesi gerekir. Aksi durumlarda transistörün bozuk olduğu anlaşılır.
 |
| NPN tipi bir transistörün sayısal multimetre ile statik testi |