Transistör, emiter ve kollektör uçları arasındaki direncin, beyz ucuna uygulanan akım değeri ile azaltılıp yükseltildiği elektronik devre elemanıdır.

1.  PNP  ve  NPN  Tipi  Transistörler

1.  Yapısı  ve  Çalışması

PNP  tipi transistör iki P tipi germanyum arasında çok ince (0,025 mm) N tipi madde yerleştirilmesiyle meydana gelir. İkinci ünitede açıklandığı gibi P tipi madde içinde negatif iyon halinde indiyum atomları ile aynı sayıda oyuklar ve az sayıda elektronlar mevcut idi. N tipi Germanyum ise pozitif olanak iyonize olmuş arsenik atomları ile hareketli serbest elektronlar ve az sayıda oyuklardan meydana gelmiştir. PNP tipi transistor de devreye oyuklar hakim NPN tipi transistor de ise devreye elektronlar hakimdir. Transistörler de 3 adet ayak vardır. Bunlar EMİTER (yayıcı), BEYZ (taban) ve KOLLEKTÖR (toplayıcı) uçlarıdır. Emiter kısaca E, Beyz (baz) kısaca B ve Kollektör (Collektör) C ile gösterilir.

 

PnP tipi transistörlerde akım taşıma işini çoğunlukla bulunan oyuklar, NPN tipi transistörlerde ise akım taşıma işini serbest elektronlar yapar. PNP ve NPN tipi transistörün iç yapısını birbirine ters seri bağlı iki diyota benzetirsek transistörün

Şekil : .1.  Transistörün Sembolleri

sağlamlık kontrolünde çok büyük kolaylıklar sağlarız. Aşağıdaki şekilde NPN ve PNP tipi transistörün ters seri diyota benzemiş şekli görülmektedir.

2. Öngerilimlendirme

1.  Doğru Polarmalandırma

Transistörün asıl görevi değişik frekanstaki AC işaretlerini yükseltmektir. Transistörün bu görevi yerine getirebilmesi için önce Emiter, Beyz ve kollektörün DC gerilim ile beslenmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime polarma gerilimi denir. Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, Emiter beyz ve kollektörün belirli değerdeki ve işaretteki DC gerilimi ile beslenmesine transistörün polarmalandırılması (kutuplandırılması) denir. Aşağıdaki şekilde PNP tipi transistörün iç yapısı ve doğru polarmalandırılmış şekli görülmektedir.

.2.  Polarmalandırılması

.1.  Doğru Polarmalandırma

 

Transistörün asıl görevi değişik frekanstaki AC işaretlerini yükseltmektir. Transistörün bu görevi yerine getirebilmesi için önce Emiter, Beyz ve kollektörün DC gerilim ile beslenmesi gerekir. Uygulanan bu DC gerilime polarma gerilimi denir. Transistörün çalışmasını sağlayacak şekilde, Emiter beyz ve kollektörün belirli değerdeki ve işaretteki DC gerilimi ile beslenmesine transistörün polarmalandırılması (kutuplandırılması) denir. Aşağıdaki şekilde PNP tipi transistörün iç yapısı ve doğru polarmalandırılmış şekli görülmektedir.

Şekil 2.  Transistörün Doğru Polarmalandırılması.

Dikkat edilirse şekilde emiter ve beyz düz polarmalı, kollektör ise ters polarmalı olarak bağlıdır. Bu her zaman böyle olmak zorundadır. Yani sadece kollektör ucu ters olarak polarmalandırılmalıdır. Aksi takdirde transistör çalışmaz. Sl ve S2 anahtarları açıkken transistör içinde el ve e2 gibi birbirine zıt küçük gerilim setti meydana gelir. Sl ve S2 anahtarları kapatıldığında, VCC'nin artı kutbu oyukları beyz bölgesine iter. Bu oyuklar aynı zamanda VBB'nin eksi kutbu tarafından da çekileceğinden oyukların hızları artar.

Emiterden gelen oyuklar beyzde elektron bağı kuracak yeterli sayıda serbest elektron bulamazlar. VCOVBB olduğundan gelen oyukların büyük çoğunluğu VCC'nin eksi kutbu tarafından çekilir. Emiterden gelen oyukların% 95 civarı VCC'nin eksi(-) kutbu tarafından çekilmiş olur. % 5 lik kısmı ise VBB'nin küçük olması sebebiyle VBB'nin eksi kutbu tarafından çekilir. Dikkat edilirse, kollektör akımı beyz akımından çok büyüktür. Kollektör akımı mA seviyesinde iken beyz akımı mikro amper seviyelerindedir. Bu yüzden bazı hesaplamalarda beyz akımı yok kabul edilip, emiter akımı kollektör akımına eşit tutulabilir. Halbuki emiter üzerinden kollektör ve beyz akımlarının toplamı geçmektedir.

IE=IB+IC

Transistörün beyz bölgesine giren akıma beyz akımı denir. PNP tipi bir transistörün çalışması NPN tipi transistörün çalışmasının aynısıdır. Bu yüzden NPN tipi transistör ayrıca anlatılmayacaktır, sadece geçen akım yönleri farklıdır.

.2. Ters Polarmalandırma

Transistörler hiçbir zaman ters polarmalandırılmamalıdır. Aksi taktirde devre çalışmayacağı gibi transistör ve diğer devre elemanları da zarar görebilir Transistörün ters polarmalandırılması demek; uçlarına çalışma şartlarından farklı polarmada gerilim tatbik etmek demektir. Aşağıdaki şekilde PNP tipi bir transistörün değişik şekillerde ters polarmalandırılmış hali görülmektedir Biz biliyoruz ki her zaman beyz-emiter arası doğru, beyz-kollektör arası ise ters polarmalandırılması gerekir. Halbuki şekil a'da beyz-emiter arası doğru fakat beyz-kollektör arası da doğru polarmalandırılmıştır. Beyz-emiter arası ve beyz-kollektör arası doğru polarmalandırıldığı için kısa devredir. Geçecek akımdan dolayı beyz bölgesi zarar görür.

 

Şekil b'de beyz-kollektör arası doğru polarizeden dolayı kısa devredir Geçen kısa devre akımından dolayı beyz bölgesi zarar görür. Şekil c'de hem emiter-beyz arası hem de beyz-kollektör arası ters polarmalandırılmıştır. Devreden akım geçmez.

Şekil 3.  Transistörün Ters Polarmalandırılması.

3.  Akım  ve Gerilim  Yönleri

 

Aşağıdaki şekilde NPN ve PNP tipi transistörün elektrikî olarak devreye bağlanması, polarma gerilimi ve akım yönleri görülmektedir. Polarma gerilimi emiter ok yönüne göre yapılmalıdır. transistor de iki adet gerilim vardır. Biri VBE diğeri VCE’dir. VBE = 1 voltun altındadır. VCE  ise polarma gerilimidir.

Şekil : 3.4.  Transistörün Akım ve Gerilim Yönleri

Uluslar arası kabule göre, bir iletkendeki elektron akış yönü ile akım yönü birbirine göre terstir. Uluslar arası Elektroteknik Kuruluşu (IEC) tarafından, yapılan kabule göre; Elektrik ve Elektronik devrelerdeki akım yönü, besleme kaynağının, pozitif kutbundan (+), negatif kutbuna (-) doğru olan yöndür.

Nitekim, diyot sembollerindeki ve transistörlerin emiterindeki akım yönünü gösteren oklar da “+” dan “-“ ye doğrudur. Elektron yönü yalnızca teorik açıklamalar sırasında gösterilmektedir.

2.  Transistörler de Yükseltme İşleminin Gerçekleştirilmesi

.1. Alfa (a), Beta (b) ve Gama (g) Akım Kazançlarının Bulunması

Bir transistor de emiter akımı iki kola ayrılır. Biri beyz akımı diğeri ise kollektör akımıdır. Her tür transistör ve her çeşit çalışmada daima IE=IC + IC ‘dir. Genellikle, IB akımı, IC yanında ihmal edilerek IE = IC yazılır. Sonuç olarak; IB akımı giriş akımı, IC akımı da çıkış akımı olarak değerlendirilirse, IB gibi küçük değerli bir akımdan, IC gibi büyük değerli bir akıma ulaşılmaktadır. Bu olay, transistörün akım yükselteci olarak çalıştığını gösterir. Bağlantı şekillerine göre transistörlerin giriş ve çıkış akımları değişiktir. Beyzi şase yükselteçteki bu oranda elde edilen kazanç, a (alfa) akım kazancı olarak, emiteri ve kollektörü şase yükselteçte ise bu oranda elde edilen kazanç b (beta) akım kazancı olarak tarif edilir.

1.  Alfa (a)  Akım  Kazancı

Beyzi şase yükselteç devresinde, kollektör akımının emiter akımına oranına alfa (a) akım kazancı denir.

dir.

Örnek:  IE = 15 mA,  IB = 1 mA   ve IC = 14 mA ise akım kazancını bulalım.

a  Akım kazancı hiçbir zaman  1’den büyük olmaz. Fakat mümkün olduğu kadar 1’e yaklaştırılmaya çalışılır. Bu durum beyz kalınlığının mümkün olduğu kadar ince yapılmasıyla sağlanır. Beyz ne kadar ince olursa, emiterden çıkan elektron veya oyukların beyzdeki oyuk ve elektronlarla birleşmesi o kadar az olur. Böylece kollektöre giden elektron veya oyuk sayısı artmış olur.  a  akım kazancının  1’den küçük olması, devrenin yükseltme yapmayacağını düşündürebilir. Ama beyzi şase yükselteçlerde, akım yükseltmesi değil, gerilim yükseltmesi yapılır.

2.  Beta  (b)  Akım  Kazancı (hFE)

Emiteri şase yükselteçlerde, kollektör akımının (IC) beyz akımına (IB) oranına denir. b akım kazancı bazı yerlerde  hFE  olarak da ifade edilir.

b =

.3.  Cama (g)  Akım  Kazancı

Kollektörü şase yükselteçlerde emiter akımının beyz akımına oranına gama (g) ve beta (b) her zaman  1’den büyüktür.

b =

2. a,  b  ve   g   Akım  Kazançlarının  Dönüştürülmesi

a.IE = b.IB

b  ‘yı  çekersek;

Her iki tarafı  IE’ye bölersek;   bulunur.

Öyleyse a bulunduktan sonra b bulunabilir. Yukarıdaki örnekte b’yı bu formül ile bulalım. Daha önce 14 bulmuştuk.

olarak  bulunur.

b’ yı   g  cinsine  çevirecek olursak;

IC = IE – IB ÞIC = IE - bulunan IB ve IC‘yi b formülünde yerine koyarsak:

b  =  g - 1    bulunur.

33.  Transistörün  Dört Bölge  Karakteristiği

 

Transistörlerin karakteristik eğrileri 4 grup olup, koordinat sistemi üzerinde, I, II, III ve IV. bölge eğrileri olarak açıklanır. Üretimi yapılan her transistör için imalatçı firma tarafından bu dört karakteristik eğrisi de çizilir. Böylece elektronik devre tasarımı yapan kişiler, hazırlanan bu transistör katalog bilgileri ve karakteristik eğrilerinden faydalanılır.

Şekil : 3.5.  Transistörün Dört Bölge Karakteristik Eğrisinin Toplu Gösterilmesi

1.  Bölge (IC-VCE) Karakteristiği ve yük Doğrusunun Çizilmesi

I. Bölge karakteristik eğrisi belirli IB giriş akımı değerlerinde VCE geriliminin değişimine göre IC değişimini gösterir. Bu eğriden transistör çıkış direnci (VCE/IC) bulunur. Devrede IB’yi ölçmek için mikro ampermetre, IC’yi ölçmek için milli ampermetre ve VCE’yi ölçmek için voltmetre kullanılır. Devredeki RB ve RC dirençleri transistörü korumak amacıyla kullanılmıştır.

İlk önce VBB kaynağı yardımıyla IB = 0mA’e ayarlanıp sabit bırakılır. Sonra VCC kaynağı yardımıyla VCE gerilimi sırasıyla  1, 2, 3, 4... 15 V gibi değerlere ayarlanıp her değer için IC akımı okunup bir tabloya yazılır. Bittikten sonra aynı işlem IB = 10 mA ..... 100 mA  değerleri için de yapılır. Her IB değeri için işaretlenen noktalar birleştirilir. Böylece transistörün I. bölge karakteristik eğrisi çizilmiş olur.

 

Şekil 3.6.  Transistörün I. Bölge Karakteristik Eğrisi

Deney şeması ve karakteristik eğrisi aşağıda verilmiştir.

2.  II. Bölge (IB – IC)  Karakteristiği

 

II. Bölge karakteristik eğrisi sabit VCE gerilimi altında IB giriş akımının değişimine göre IC çıkış akımının değişimini gösterir. Bu eğriden b akım kazancı (IC/IB) bulunur. Eğriyi çıkarmak için yukarıdaki şekilden  faydalanılır. VCC kaynağı ile VCE gerilimi örneğin 7 V’a ayarlanıp sabit bırakılır. VBB kaynağı aracılığıyla       IB = 10mA  yapılıp IC akımı okunur. IB değerleri yine VBB kaynağı yardımıyla sırasıyla 20mA, 30mA .... 60mA   değerlerine getirilip her IB değerine karşılık gelen IC akımı okunup yine tabloya kaydedilir. Okunan tablodaki değerler aşağıdaki şekildeki IB ve IC eksenlerine kaydedilir. Değerlerin kesişim noktaları bulunur. Bu noktalar birleştirilerek transistörün II. Bölge karakteristik eğrisi çizilmiş olur.

Şekil : 3.8.  Transistörün II. Bölge Karakteristik Eğrisi

Yukarıdaki eğriden örneğin Ib akımı 30mA   iken IC değerinin 4 A olduğunu görürüz. Buna göre b akım kazancını bulacak olursak;

bulunur.

3.  III.  Bölge  (VBE – IB)  Karakteristiği

 

Şekil : 39.  Transistörün  III. Bölge  Karakteristik Deneyi

III. Bölge karakteristik eğrisi sabit VCE çıkış geriliminde VBE giriş gerilimindeki değişime göre IB giriş akımındaki değişimi gösterir. Bu eğriden transistörün giriş direnci (VB/IB) bulunur.

 

III. Bölge karakteristik eğrisini çıkartmak için VCC kaynağı yardımıyla VCE gerilimi IV’a ayarlanır. VBB kaynağı yardımıyla her VBE gerilimi değişiminde IB akımı değişimi tabloya yazılır. Bu işlem VCE’nin diğer değerleri için de tekrarlanıp tabloya yazılır. Değerler koordinat sistemine aktarıldığında III. Bölge karakteristik eğrisi çizilmiş olur.

 

Şekil : .10.  Transistörün  III. Bölge  Karakteristik  Eğrisi

4.  IV. Bölge (VBE – VCE)  Karakteristiği

 

Şekil : 11.  Transistörün  IV. Bölge  Karakteristik  Deneyi

IV. Bölge karakteristik eğrisi belirli IB değerlerinde VBE giriş gerilimindeki değişime göre, VCE çıkış gerilimindeki değişimi gösterir. Bu eğrilerden transistörün geri besleme oranı (VBE/VCE) bulunur.

Yukarıdaki devrede VBB kaynağı ile IB = 10mA ’e ayarlanır. VCC kaynağı ile VCE gerilimi eşit aralıklarla ayarlanıp her VCE değerine karşılık gelen VBE gerilim değerleri tabloya yazılır. Değişik IB değerleri için aynı işlem tekrarlanır. Değerler koordinat sistemine aktarıldığında IV. bölge karakteristik eğrisi bulunmuş olur.

 

Şekil 3.12.  Transistörün IV. Bölge Karakteristik Eğrisi

 

 

4.  Transistörün  Anahtarlama   Elemanı  Olarak  Çalıştırılması

 

Transistör, bir çok uygulamada anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde, beyz devresindeki anahtar açık durumda iken devreden her hangi bir beyz akımı geçmez. Bu durumda transistör kesim bölgesindedir. Dolayısıyla kollektör akımı geçmez. Kollektör akımı geçmez ise led’de yanmaz. S anahtarı kapatıldığında devreden beyz akımı geçer. Transistör geçen IB’nin katı kadar IC’den akım geçerek led’in yanmasını sağlar.

Şekil : 3.13.  Transistörün Anahtar Olarak Çalıştırılması

VBE’yi ihmal edersek, devreden geçen IB şöyle bulunabilir:

Transistörün b değerini 100 kabul edersek, kollektör akımı şöyle bulunur:

IC = b.1B        1C = 100.80mA       1C = 8000mA   olarak  hesaplanır.

Kollektör – emiter uçlarının kısa devre edildiğini kabul edip IC akımını hesaplarsak;

bulunur.

Buna göre, transistörün kollektör devresinden geçebilecek akım en fazla 2 mA olabileceği halde, b.1B formülü ile daha yüksek bir kollektör akımı hesaplamıştık. Bu demektir ki, yukarıdaki devrede anahtar kapatıldığında, kollektör akımı mutlaka maksimuma ulaşacaktır. Başka bir değişle transistör mutlaka doyum durumuna geçecektir. Transistörün gerçek anlamda anahtar olarak çalışması, doyma halindeki çalışmadır. Bu tip devrelere, transistör mutlaka saturasyon durumuna ulaştığı için hard saturasyon devresi denir.

5.  Transistörün  Yükselteç  Olarak  Çalıştırılması

Yükselteç olarak çalıştırılan bir transistörden, şu üç işlemin gerçekleştirilmesinde faydalanılır.

1.      Akım kazancı sağlamak,

2.      Gerilim kazancı sağlamak,

3.      Güç kazancı sağlamak.

Burada kazancın anlamı, transistör girişine verilen akım, gerilim veya gücün çıkıştan daha yüksek değerlerde elde edilmesidir. Bunu sağlamak için de belirli devrelerin oluşturulması gerekir.

Karakteristik eğrileri, transistör üreticileri tarafından hazırlanan tanıtım kitaplarında (katalog) verilir. Transistör, hem DC hem de AC yükselteç olarak çalışabilir. Bu nedenle, transistörü gereği gibi inceleyebilmek için ayrı ayrı DC ve AC’deki çalışma hallerinin incelenmesi gerekir. DC çalışmada girişteki ve çıkıştaki akım ve gerilim değerleri arasındaki bağıntıya statik karakteristiği, Ac çalışmadaki akım ve gerilim bağıntısına da dinamik karakteristiği denir.

Transistör yükselteç olarak şu üç bağlantı şeklinde çalıştırılabilmektedir:

1.      Emiteri ortak bağlantılı yükselteç.

2.      Beyzi ortak bağlantılı yükselteç.

3.      Kollektörü ortak bağlantılı yükselteç.

Ortak bağlantılı deyimi, girişte ve çıkışta ortak olan uç anlamında kullanılmıştır. Aşağıdaki şekilde PNP tipi transistörle düzenlenmiş, emiteri şase yükselteç devresi görülmektedir. Beyze uygulanacak gerilim R1, R2 gerilim bölücü dirençleri ile sağlanır. Girişteki kondansatör üzerinden uygulanan alternatif gerilim, kollektör akımına kumanda eder. Kollektör akımı RC yük direnci üzerinde girişe uygulanan gerilimle aynı uyumda olan gerilim düşümü oluşturur.

Çıkıştaki kondansatör üzerinden alınan AC gerilimi, girişteki AC’den büyük olduğu için transistör yükselteç olarak çalışmış olur. Devrede C1 ve C2 kuplaj kondansatörleri kullanılmıştır. Kondansatörler sadece AC’yi geçirirler. Burada AC’yi geçirdikleri için kuplaj kondansatörleri denilmiştir.

 

 

Şekil : .14.  Transistörün Yükselteç Olarak Kullanılması

6. Çalışma  Noktasının  Stabilize Edilmesi (Bulunması)

Stabil çalışmayı zorlaştıran iki önemli etken vardır:

1.      Isınan transistörün Ic kollektör akımının artması.

2.      Bir devredeki transistör yerine başka bir transistörün kullanılması halinde akım kazancı farklı olursa devre aynı devre olduğu halde, çıkış akımı değişeceğinden stabilite bozulacaktır.

Transistörün çalışma noktasını bulabilmek için o transistörün çıkış karakteristik eğrisi (I. bölge karakteristiği) üzerine, yük doğrusunun çizilmesi gerekir. Transistörün kollektörüne konan yük direnci değerine göre I. bölge (IC-VCE) eğrileri üzerine çizilen doğruya DC yük doğrusu denir. DC yük doğrusunun orta noktası transistörün Q çalışma noktasını verir. Çalışma noktası ise, yükselteç katı girişine sinyal verilmediği durumda transistörün beyzinde VBE’nin kaç volt olduğunu, IB ve IC değerlerinin kaç mA veya mA olacağını anlarız.  Ayrıca yükselteç girişine sinyal uygulandığında giriş sinyalinin değerine göre beyz ve kollektör akımlarının, hangi değerler arasında değişeceği kolaylıkla görülür.Birinci bölge eğrileri üzerine yük doğrusu şöyle çizilir:

VCC besleme kaynağı, RL yük direnci ve beyz akımı tarafından belirlenen tam iletken ve tam yalıtkan durumlarından istifade edilir.

Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi S anahtarı açık ise IB = 0 olacağından transistör çalışmaz. RL yük direncinden akım geçmez. Kollektör – emiter arası açık devredir. Buna göre;

VCC = VCE – Vl          VCC = = VCE + IC.Rl         IC = 0    olduğundan,

VCC = VCE = 10 V      bulunur.

S anahtarı kapatılır ve IB = Maksimum yapılırsa transistör tam iletken olur. Bu durumu kollektör – emiter arasını kısa devre şeklinde izah edebiliriz. Buna göre;

VCC = VCE + VL         VCE = 0     olduğundan,

VCC = Vl         VCC = IC.Rl         IC =

IC = 10 mA       bulunur.

 

Yukarıda bulduğumuz IC = 10 mA   ve  VCE = 10V  değerlerini Ic-VCE  koordinat sisteminde işaretleyip bu noktalar birleştirilirse DC yük doğrusu çizilmiş olur.

 

Şekil : .15.  Transistörün Çalışma Noktasının Bulunması

Transistörlerin çalışma noktaları;

a.       Kesim Noktası :  Bu durumda beyz ucunda tetikleme akımı yoktur. Dolayısıyla kollektör-emiter arasından akım geçmemektedir. Yani transistör çalışmamaktadır.

b.      Doyum (Saturasyon) Noktası :  Transistörün beyzine uygulanan tetikleme akımı maksimum düzeydedir ve kollektör-emiter arası iletkendir. Transistör taşıyabileceği en yüksek akımı geçirmektedir.

c.       Aktif Çalışma Noktası :  Transistör kesim ile doyum noktaları arasında sürekli olarak değişkenlik gösterebilecek biçimde çalışmaktadır. Yükselteç devresinde kullanılan bir transistör daima aktif bölgede çalışır. Yani beyz akımının sürekli değişmesi ve dolayısıyla kollektör akımının da buna bağlı olarak değişmesi gibi.

Çıkıştaki kondansatör üzerinden alınan AC gerilimi, girişteki AC’den büyük olduğu için transistör yükselteç olarak çalışmış olur. Devrede C1 ve C2 kuplaj kondansatörleri kullanılmıştır. Kondansatörler sadece AC’yi geçirirler. Burada AC’yi geçirdikleri için kuplaj kondansatörleri denilmiştir.

< Önceki		Sonraki >