DONANIM KURSU-5
Retro bilgisayarGeçen ay transistörlerin iç yapısını tanımıştık. Bu sayımızda ise transistör devrelerini inceleyeceğiz. "Bipolar transistörler, basit olarak akım kontrol elemanları olarak düşünülebilirler. Küçük bir baz akımı, eğer yeterli gerilim mevcut ise büyük bir kollektör akımı oluşturur ve baz akımı kontrol edilmek suretiyle kollektör akımı da kontrol edilmiş olur. Pek çok devre bu basit fikri kullanmaktadır. Örneğin Resim 1'de bir bipolar transistörün anahtar olarak kullanılışı gösterilmiştir. Eğer hiç baz akımı akmazsa, kollektör ve emiterden de akım akmayacağı için bu transistörün bağlı olduğu devre çalışmayacaktır. Ancak bazına tatbik edilecek bir akım ile transistörün kumanda ettiği devre çalıştırılabilir. Bir transistörün diğer önemli bir özelliği Ohm kanununa uymamasıdır. Çünkü baz-emiter gerilim ve akım eğrileri ile kollektör-emiter gerilim ve akım eğrileri doğrusal değillerdir. Baz-emiter devresinden küçük bir akım akıtırsak ve kollektör gerilimini yavaş yavaş arttırarak kollektör-emiter akımını ölçersek (Resim 2) akımın önce yükseldiğini fakat belli bir değerden sonra kollektör gerilimi-
ANIL GÜL
Pit DEVRE KONTROL UCU ni ne kadar yükseltirsek yükseltelim sabit kaldığını görürüz. İşte bu yüzden diyotlar gibi transistörlere de -doğrusal olmayan elemanlar- denir. Bu durumu daha güzel olarak, de- Bişik değişik kollektör akımlarına karşılık kollektör gerilimlerini gösteren Resim 3'teki grafikler yardımıyla görebiliriz. Bu eğrilerin her biri değişik baz akımları için çizilmiştir. Kollektör-emiter geriliminin çok düşük değerlerindeki ani değişimler hariç kollektör akımının sadece baz akımına bağımlı olarak da değiştiği açıkça görülmektedir. Tahmin edebileceğiniz gibi bütün bunlar önemli bir sonuç ortaya çıkarmaktadır. Farzedelim ki bir transistörün kollektör devresine Resim 4'teki gibi bir direnç bağlanmış olsun. Bu direnç üzerinden akacak akım değeri bağlı bulunduğu gerilim tarafından değil, transistörün baz akımı tarafından kontrol edilecektir. Bu direncin üzerinden bir akım aktığında ise, direncin üzerinde Ohm kanununa göre bir gerilim oluşacaktır. Böyle bir devrede neler olacağını Resim 5$'teki grafik yardımıyla daha detayh olarak inceleyelim. Eğer hiçbir baz akımı yoksa, kollektör akımı da oluşmayacağı için direnç üzerinde herhangi bir gerilim meydana gelmesi sözkonusu olmaz. Dolayısıyla 1Kohm'luk direncin her iki ucunda da 9 Volt'luk besleme gerilimi bulunur. Şimdi farzedelim ki kollektör devresinde | mA'lik bir akım oluşturacak şekilde bir baz akımı akıtılıyor. 1KOhm'luk direnç üzerinde ImA'lik bir akım, | Volt'luk gerilim düşümü olacağı için transistörün kollektör ucundaki gerilim besleme geriliminden | Volt eksik, yani 8V olacaktır. Pekiyi baz akımını arttırırsak ne olur? Baz akımı, kollektör akımı 2 mA olacak şekilde arttırırsak, 1 Kohm'luk direnç üzerine düşen gerilim miktarı 2 Volt olacağı için kollektör gerilimi de 7 Volt'a düşecektir. Bu şekilde görülüyor ki baz akımı arttıkça, kollektör gerilimi de devamh düşmektedir. Tabii bu durum bu şekilde sonsuza kadar devam etmez. Kollektör akım 9 mA oluncaya kadar baz akımı arttırılırsa, 1 KOhm'luk direnç üzerine düşecek gerilim de 9 Volt'a yükselecek, kollektör gerilimi ise sıfıra düşecektir. Aslında bu gerilim pratikte hiçbir zaman tam sıfıra düşmez ve 0,2 Volt civarında kahır. Bundan sonra baz akımı arttırılmaya devam edilse bile, kollektör akımı direnç tarafından sınırlandığı için artık artmaz. Bu örnekteki IKOhm'luk dirence “yük direnci” adı verilir ve kollektördeki akım değişimlerini, gerilim değişimlerine döndürmeye yarar. Bu şekilde transistörlerin iki faydalı uygulaması ortaya çıkar: Gerilim anahtarlaması ve gerilim amelifikasyonu. Her iki kavramın anahtarı da baz akımdaki küçük bir değişikliğin kollektör akımında büyük bir değişim meydana getirdiğinin anlaşılmasıdır. Resim 6'daki devreyi kurarak bu konuda bir deney yapabiliriz. RVI potansiyometresinin değişik konumla-
Resim 1: Anahtar devresi.
mA 5 BOYA BAZ AKIMI 2 1 ov Ve 10V
Resim 3: Değişik baz akımları için çizilmiş transistör eğrileri.
Anahtarlama fonksiyonu için Resim 8'deki gibi bir devreye ihtiyacımız vardır. Giriş voltajı O ile 9 Volt arasında sırayla değiştirildiğinde (4,7 KOhm'luk direnç akımı sınırlamak için konmuştur), kollektör voltajı da sıra ile O ve 9 Volt olacaktır. Ancak bu değişim giriş voltajına göre terstir. Giriş voltajı O olduğunda kollektör gerilimi 9 Volt, giriş voltajı olduğunda 9 Volt olduğunda ise kollektör gerilimi O Volt'tur. Transistörlerin yükselteç olarak kullanılmaları ise bu kadar basit değildir. Farzedelim ki kollektörde 9 Volt'tan 1 Volt'a gerilim değişimine, bazdaki 0,55 Volt'tan 0,71 Volt'a artan bir gerilim değişimi sebep olsun. Yani bazdaki 0,16 Volt'luk bir değirında B ve C noktalarından baz ve kollektör gerilimlerini ölçerek bir grafik çizecek olursak R 7'dekine benzer bir grafik ortaya çıkacaktır. Bu da göstermektedir ki, baz geriliminin 0,56 Volt'tan 0,6 Volt'a çıkması esnasında 0,04 Volt'luk küçük bir değişim, kollektör geriliminin 8 Volt gibi oldukça yüksek bir değişimine neden olmuştur.
Resim 4: Kollektörüne yük direnci bağlanmış transistör.
Resim 5: Kollektör akım-gerilim grafiği.
şim, kollektörde 8 Volt'luk bir değişime yolaçmıştır. Gerilim kazancı adı verilen büyüklük,
Çıkıştaki gerilim değişimi Girişteki gerilim değişimi şeklinde tanımlanır ve bu örnekte S0/dir. Eğer girişte bir AC sinyali olsaydı, çıkışta 50 katı büyük bir sinyal elde edilecekti. Bu iş bu kadar basit ve cazip görülmesine karşılık bazı kısıtlamalar bulunmaktadır. Bunlardan birincisi bu AC sinyalin ekseninin alışılageldiği gibi O Volt'ta olmaması, alt ve üst tepe noktalarının yukarıdaki örnekteki değerlere göre 0,56 ve 0,71 Volt arasında bulunması gerekmektedir. Baz geriliminin bu limitleri ması halinde kollektör gerilimi giriş gerilimini takip edemeyecektir (Resim örneğimizdeki 0,56 Volt ve 0,71 Volt değerleri, “doğrusal bölge” limitleridir. Bu bölgenin grafiği Resim 7'deki eğimli çizgiye karşılık gelmektedir. Örneğimizdeki transistörlü devre giriş gerilimlerinin 0,56-0,71 Volt arası olması halinde kazancı 50 olan bir yükselteç (amplifikatör) olarak görev yapacaktır. Ancak bu sınırlar arasında kalacak bir sinyal gerçek bir AC sinyal olmayıp, Resim 9b'de görüldüğü gibi AC ve DC gerilimlerin karışımı olabilir. Bunu gerçekleştirmek için transistörün bazını DC olarak 8,63 Volt'a bağlamak ve AC sinyali bir kondansatör üzerinden kuple etmek yeterli olacaktır. Böylece baz'daki gerilim istenildiği gibi bu iki gerilimin toplamı olacaktır.
Resim 6: Yük direnci test devresi.
H © A0 0 ©
Resim 7: Kesim 6'nın tipik sonuçları.
Üzerine bir AC gerilim ilave etmek üzere transistörün bazına belli bir DC gerilim tatbik edilmesine “polarlama” veya “biaslama” adı verilir. Doğru olarak polarlanmış bir transistör AC sinyaller için yükseltici olarak görev yapar ve kollektördeki dalga şekli, bazdakinin tam bir kopyası olur. Burada unutulmaması gereken bir husus, kollektördeki dalga şeklinin bazdakine göre 180 derece faz farkı olduğudur. Bu faz farkı dalganın şeklini değiştirmez. Aynı yüzümüzün dalgadaki görüntüsü gibi. Ancak girişteki AC sinyalin genliği öngörülen limitleri aşarsa, bu takdirde “çıkıştaki dalga şekli distorsiyona uğrar ki buna “kırpılma” adı verilir. Bunu önlemenin tek yolu, bazın doğru olarak biaslanması ve AC sinyalin limitleri aşmamasıdır. Bazdaki gerilimler çok küçük olduğu için buradaki gerilimleri tam doğ- Tu olarak ölçmek oldukça güçtür. Bunun daha kolay bir yolu, transistörün kollektöründeki gerilimi ölçmektir. Biaslamanın doğru olması için, bazda hiç sinyal yokken kollektör geriliminin besleme geriliminin tam yarısı olması lazımdır. Öyleyse kollektör gerilimi nasil besleme geriliminin tam yarısı yapılabilir. Resim 10 bunun gerçekleştirilebilmesi için kullanılan bir yöntemi göstermektedir. Burada bir direnç, besleme gerilimi ile baz arasına konmuştur. Bu direncin değeri ise şöyle hesaplanır: Kollektör geriliminin besleme geriliminin yarısı yani 4,5 Volt olması isteniyor. Yük direnci 1 KOhm olarak seçilirse, bu direnç üzerinde 4,5 Volt oluşması gereklidir. Bu da kollektör akımının 5, mA olması ile (Ohm kanununa göre) Mümkündür. Transistörün kazancı 100 olduğu varsayılırsa, 4,5 mA'lik bir kollektör akımı için mikroamperlik bir baz akımına ihtiyaç vardır. Transistörün baz-emiter geriliminin yaklaşık 0,6 Volt civarında oldu- Bu hatırlanırsa, bias direnci üzerindeki gerilim düşümü 9 - 0,6 — 8,4 Volt olacaktır. Yine Ohm kanununa göre R-8,4 / 0,045 (mA)—-186 KOhm olarak bulunur. 186 KOhm'luk değer standart direnç değerlerine uymamakla birlikte 180 KOhm'luk standart direnç değeri bu değere yeterince yakındır. Ancak sonuçlar her zaman hesaplandığı gibi çıkmayabilir, çünkü hesaplamalarda direncin toleransı hesaba katılmamıştır. Ayrıca transistörün kazancı hiçbir zaman ölçülmeden kesin olarak bilinemez. Bütün bunlar tam olarak uysa bile transistörün kazancı ve dirençlerin değeri sıcaklıkla ve zamanla değişim gösterir.
Resim 8: Bir.anahtarlama devresi.
Resim 9: AC ile AC4- DC gerilimlerin karşılaştırılması.
Yukarıdaki mahzurlar göz önüne alınarak çok daha sağlıklı bir biaslama yöntemi bulunmuştur (Resim 11). Bir önceki şekilden tek farkı, baz direncinin bir ucunun besleme geriliminden alınarak kollektöre bağlanması olmuştur. Ancak bu kadarlık bir değişiklik devrenin çalışmasını oldukça değiştirmiştir. —— | Devre, “geri besleme” adı verilen tekniğin tipik bir örneğidir. Bu konu ileride daha detaylı olarak anlatılacaktır. Örneğimizdeki geri beslemeden kastımız, baz geriliminin kollektör gerilimini etkilerken kollektör geriliminin de baz akımını etkilemesidir. Eğer kollektör gerilimi artacak olursa baz direnci Rb üzerinden artan baz akımı artacak, bu ise kollektör gerilimini azaltıcı bir etki yapacaktır. Böylece devre oluşacak değişikliklerde kendi kendini ayarlamak suretiyle kararlı kalacaktır. Bu devrenin diğer bir avantajı da, bias için gerekli direnç değerlerinin daha düşük olması ve bias gerilimi fazla etkilenmeden en yakın standart direnç değerinin kolaylıkla seçilebilmesidir. Örneğin Resim 12'deki devrede kollektör geriliminin 4,5 Volt olduğu varsayılırsa, Rx direnci üzerinde düşen gerilim 4,5 - 0,6 = 3,9 Volt olacaktır. 4,5 Volt'luk kollektör gerilimi için 4,5 mA'lik bir kollektör akımı için ilk yapılacak iş baz gerilimini 1 Volt civarında tutmaktır. Civarında dedik çünkü bu değerin biraz altında veya üstünde olması devrenin çalışmasını etkilemez. Örneğin R2=1 KOhm ve R1=8,2 KOhm olarak seçilirse bu dirençlerin oluşturacağı gerilim bölücü devre nedeni ile baz gerilimi 1 Volt civarında olacaktır. 8,2 KOhm yerine 6,8 KOhm kullanılsa da bir şey fark etmez. Bu devrenin en önemli özelliği, işte bu gibi esnekliklerdir. R1 ve R2 olarak 6,8 KOhm ve 1 KOhm kullanırsak baz gerilimi
Resim 10: Tek dirençli blas devresi.
Resim 11: Negatif geri beslemeli bias sistemi.
Resim 12: R, için uygun değerler 68 K - 100 K arasındadır.
akımı, bu kollektör akımı içinde transistörün kazancı 100 olduğu varsayılarak 4,5 mA'lik bir baz akımı gerekeceğinden Rx direncinin değeri Rx=3,9/ 0,045 = 86,6 KOhm olarak bulunur. Bu değere en yakın standart değer 82 KOhm olduğu için rahatlıkla kullanılabilir. Hatta ikinci yakın değerler olan 68 KOhm veya 100 KOhm bile iş görür. Bunun böyle olduğunu siz de görebilirsiniz. Devreyi kurarak Rx direnci yerine değişik değerde dirençler bağlamak suretiyle kollektör gerilimini ölçebilirsiniz. Tabii farklı dirençler için kollektör geriliminde de değişiklik olacaktır. Ancak bu değişiklik, bir önceki devrede bias direncinin doğrudan doğruya besleme kaynağına bağlandığı duruma göre çok daha az olacaktır. Bias sistemleri içinde en mükemmeli resim 13'de gösterilen teknik ile gerçekleştirilendir. Şimdi bu devre için gerekli hesapları yapalım. Kolaylık olması amacı ile besleme gerilimini yine 9V, yük direncini de 1 KOhm olarak kullanacağız. Başlan- 25
9*1/146,8=1,15 Volt olacaktır. Şimdi baz gerilimi 1,15 Volt ve transistörün baz-emiter iletim gerilimi yaklaşık 0,6 Volt olduğuna göre R3 direnci üzerinde düşen gerilim 1,15 - 0,6 = 0,55 V olacaktır. Amaç kollektör gerilimini 4,5 Volt yapmak olduğuna ve bunun için de kollektör akımının 4,5 mA olması gerektiğine göre (1 KOhm'luk direnç üzerinde 4,5 V oluşturabilmek için), R3 direnci üzerinden de 4,5 mA akması gerekmektedir. Ohm kanununa göre R3=0,55/4,5=0,12 KOhm = 120 Ohm olarak bulunur. Aslında burada 100 veya 150 Ohm'luk direnç kullanıldığında bile sonuç çok az değişir. Görüldüğü gibi bu hesaplamalarda transistörün akım kazancı hiç hesaba katılmamıştır. Bu da devrenin başka bir avantajı olup, kazanç ne olursa olsun, hesaplamalar geçerlidir. C1 kondansatörünün bias hesaplamaları için bir fonksiyonu yoktur, AC sinyallere karşı R3 direncini kısa devre etmektedir.
*9V Re Be ik Pe: Ra ov
Resim 13: Gerilim bölmeli bias sistemi.
L
Resim 14: Ortak-Emiter yükseltici devresi.
SİNYAL ÇIKIŞI
Bir transistörü bu şekilde doğru 26 olarak biasladıktan sonra artık sinyal amplifikasyonu için kullanabiliriz. Bunun için yükseltmek istediğimiz sinyali bir kondansatör üzerinden baza uygulamak, yükseltilmiş olan sinyali de yine bir kondansatör üzerinden kollektörden almak yeterlidir.
Giriş ve çıkıştaki kondansatörler (kuplaj kondansatörleri), sinyal kaynaklarının DC bileşenlerini sürerek bunların bias gerilimlerini bozmalarını önlerler. Bir transistör devresinin kazancı, pratik olarak kollektör direnci üzerindeki gerilim düşümünün 40 ile çarpımına eşittir. Örneğin kollektör direnci üzerindeki gerilim 4,5 Volt ise kazanç 4,5*40=220'dir. Bu devre Resim 14'teki gibi bir devrenin erişebileceği maksimum kazanç değeridir. Ancak pratikte bu değere hiçbir zaman ulaşılamaz. Bunun gerçekleşebilmesi için girişe bağlı ideal bir sinyal kaynağı, çıkışta ise ideal bir yük olması lazımdır. Ama maalesef ideal bir dünyada yaşamıyoruz. İdeal olmayan kaynak ve yükler transistörü “yükleyerek” kazancının düşmesine neden olur. Tipik bir kondansatörün giriş empedansı 1 KOhm civarında, çıkış ise 30 KOhm civarındadır. Ancak bu değerler transistörden transistöre 5 katı kadar bir değişim gösterir. Şimdi örnek olarak iç direnci 200 Ohm olan bir mikrofonun, böyle bir transistörlü devrenin girişine sinyal kaynağı olarak bağlandığını varsayalım. Bu durumda devrenin girişinde Resim 15'de gösterildiği gibi bir gerilim bölünmesi oluşmakta, bu ise baza uygulanan sinyalin zayıflamasına yolaçmaktadır. Böyle bir durumun olmaması için mikrofonun (veya herhangi bir sinyal kaynağının) iç direncinin sıfır olması gerekir ki bu da pratikte mümkün değildir. Benzer şekilde çıkışa bağlanacak yükün (örneğin kulaklık) direnci de, transistörün çıkış empedansı ile bir gerilim bölücü oluşturarak kazancın düşmesine yolaçar. Şimdilik hoşçakalın!..
MİKROFON'UN DİRENCİ
MİKROFON SİNYALİ
Resim 15: Ortak-Emiter yükselticinin eşdeğer devresi.